井壁穩(wěn)定力學(xué)的定義、 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).ppt

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1、第1講井壁穩(wěn)定力學(xué)的定義、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),陳勉,中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院,陳勉,中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院院長國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)石油工程學(xué)科評(píng)議組召集人全國博士后管理委員會(huì)專家組成員全國工程碩士指導(dǎo)委員會(huì)石油工程領(lǐng)域組長,匯報(bào)提綱,一、井壁穩(wěn)定力學(xué)的定義二、井壁穩(wěn)定力學(xué)研究現(xiàn)狀及手段三、井壁穩(wěn)定力學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì),儲(chǔ)層,儲(chǔ)層,隔層,油氣鉆井中需要鉆穿不同性質(zhì)的地層，井壁穩(wěn)定技術(shù)主要是分析地層性質(zhì)，澄清鉆井復(fù)雜機(jī)理，解決鉆井復(fù)雜問題，提高鉆井效率。,油氣鉆井中鉆遇的復(fù)雜地層,裂縫、孔洞發(fā)育的碳酸鹽巖（鉆井復(fù)雜：嚴(yán)重漏失）,遇水分散的層理性泥頁巖（鉆井復(fù)雜：井壁坍塌）,油氣鉆井中鉆遇的

2、復(fù)雜地層,強(qiáng)度較低的疏松砂巖（鉆井復(fù)雜：縮徑或散塌，起下鉆阻卡）,具有蠕變特性的鹽膏巖（鉆井復(fù)雜：縮徑阻卡）,油氣鉆井中的井壁坍塌問題,高地應(yīng)力造成坍塌,弱固結(jié)地層散塌,裂縫性、破碎性地層坍塌,油氣鉆井中的阻卡問題,蠕變地層造成阻卡,地層坍塌造成阻卡,定向井鍵槽造成阻卡,井眼清潔問題造成阻卡,油氣鉆井中的漏失問題,高孔高滲地層的滲漏,鉆井液密度過高壓裂地層造成漏失,斷層、不整合面、破碎帶漏失,碳酸鹽巖地層裂縫、溶洞漏失,井壁穩(wěn)定的力學(xué)定義是什么？,定義：井壁穩(wěn)定是鉆井過程中通過鉆井液密度、鉆井液體系和鉆井工藝三者的協(xié)同來確保井眼不坍塌、不破裂、不縮徑。油氣井工程井壁穩(wěn)定力學(xué)的研究內(nèi)容：如何保證

3、鉆遇地質(zhì)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定如何降低鉆井復(fù)雜情況，實(shí)現(xiàn)安全、高效鉆井油氣井工程井壁穩(wěn)定力學(xué)的研究對(duì)象：鉆遇地質(zhì)體砂巖、泥巖、碳酸鹽巖、鹽膏巖層理、裂縫、斷層,匯報(bào)提綱,一、井壁穩(wěn)定力學(xué)的定義二、井壁穩(wěn)定力學(xué)研究現(xiàn)狀及手段三、井壁穩(wěn)定力學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì),在石油鉆井中，井眼穩(wěn)定（boreholestability）問題是世界范圍內(nèi)普遍存在的問題。哈利伯頓公司最新統(tǒng)計(jì)：全球每年花費(fèi)在井壁穩(wěn)定上的開支不低于80億美元。保持井壁穩(wěn)定一直是鉆井技術(shù)中一份額十分重要的課題，在我國表現(xiàn)十分普遍，在油氣勘探開發(fā)中有著重要的作用。,井壁穩(wěn)定技術(shù)經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)走向理論然后指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的螺旋式、階段化發(fā)展的進(jìn)程！,井壁穩(wěn)定研究面臨

4、的難題,井壁穩(wěn)定研究面臨的難題,1.復(fù)雜地層條件下的井壁穩(wěn)定問題如深井、高溫大段鹽、膏、泥層的井壁穩(wěn)定;山前高陡構(gòu)造、破碎地層井壁穩(wěn)定問題氣體鉆井轉(zhuǎn)換泥漿后的井壁穩(wěn)定問題2.井漏問題(主要是指惡性漏失)及由此引發(fā)的一些井下復(fù)雜問題至今無一有效可靠的技術(shù)。主要由工程經(jīng)驗(yàn)來解決問題。“惡性漏失”主要表現(xiàn)為漏失厲害并且很難堵住。它常有兩種不同的情況：較大的天然裂縫及溶洞引起的有進(jìn)無出的嚴(yán)重(漏速很大、很難堵住)漏失長井段低承壓地層“隨機(jī)性、多點(diǎn)漏失”(漏速很大、很難堵住)問題,井壁穩(wěn)定研究面臨的難題,3.窄安全密度窗口安全鉆井問題:當(dāng)漏、噴、塌、位于同一裸眼井段(同層)，則引發(fā)出多種復(fù)雜問題:主要?dú)w

5、納為窄或負(fù)安全密度窗口的安全鉆井復(fù)雜問題，成為目前鉆井工程亟待解決的重大技術(shù)難題，而噴和漏構(gòu)成的窄或負(fù)安全密度窗口的安全鉆井問題則更為復(fù)雜、困難和危險(xiǎn),是我們當(dāng)前重點(diǎn)攻關(guān)解決的重大難題。,井壁穩(wěn)定研究面臨的難題,井壁失穩(wěn)的原因,井壁失穩(wěn),天然因素,人為因素,地質(zhì)構(gòu)造類型和原地應(yīng)力,地層的巖性和產(chǎn)狀,含粘土礦物的類型,弱面的存在和及其傾角,層面的膠結(jié)情況,裂隙節(jié)理的發(fā)育,孔隙度滲透率及空隙中流體壓力等,鉆井液的性能（失水、粘度、密度）,鉆井液和泥頁巖化學(xué)作用的強(qiáng)弱（水化膨脹）,井眼周圍鉆井液侵入帶的深度和范圍,井眼裸露的時(shí)間,鉆井液的環(huán)空反速對(duì)井壁的沖刷作用,循環(huán)波動(dòng)壓力和起下鉆的激動(dòng)壓力,井眼

6、軌跡,鉆柱對(duì)井壁的摩擦和碰撞,研究井壁失穩(wěn)的角度,研究井壁失穩(wěn)的角度,井壁穩(wěn)定的研究現(xiàn)狀,地層的失穩(wěn)機(jī)理與控制方法,地層分類,敏感性頁巖地層,裂縫性地層,流變地層（軟泥巖、膏鹽巖）,強(qiáng)度各向異性地層,地層的失穩(wěn)機(jī)理與控制方法,敏感性頁巖地層,失穩(wěn)機(jī)理,控制方法,應(yīng)力重新分布：引發(fā)井壁失穩(wěn),層理面弱面：引發(fā)井壁剪切或拉伸破壞,低滲透性：導(dǎo)致有效應(yīng)力降低引發(fā)失穩(wěn),預(yù)先存在的裂縫：鉆液滲入引發(fā)塊狀崩塌,鉆井液密度,鉆井液流變性和水力參數(shù),鉆井實(shí)踐,鉆井液類型,裂縫性地層,Germanovich觀點(diǎn),李鷺光觀點(diǎn),預(yù)先存在的裂縫在應(yīng)力集中作用下開始發(fā)育，與井眼邊界的相互作用使裂縫不穩(wěn)定發(fā)展，邊界發(fā)生移動(dòng)

7、，使下一條裂縫擴(kuò)展。上述過程不斷重復(fù)直至井眼邊界的改變足以制止這種不穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到破壞的最終程度,地層傾角的大小,巖體破碎程度,外來流體侵入的程度,力學(xué)不穩(wěn)定根本原因,關(guān)鍵因素,地層的失穩(wěn)機(jī)理與控制方法,流變地層(軟泥巖、膏巖鹽),力學(xué)角度：,物理學(xué)角度:,軟泥巖、膏鹽巖具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，高溫下流動(dòng)性加，當(dāng)鉆開地層后，原應(yīng)力場(chǎng)的改變使地層向著井眼方向流動(dòng)，造成縮徑。,鹽的溶解則導(dǎo)致井壁坍塌，造成卡鉆,地層的失穩(wěn)機(jī)理與控制方法,強(qiáng)度各向異性地層,巖石的成因,構(gòu)造應(yīng)力歷史：,顆粒大小不同有優(yōu)勢(shì)指向,在變形過程中產(chǎn)生了裂縫、節(jié)理,具有不同膠結(jié)物,有層理等,微觀結(jié)構(gòu),宏觀結(jié)構(gòu)：,視為橫觀各向同性,重點(diǎn)

8、考察弱面的影響,地層的失穩(wěn)機(jī)理與控制方法,研究方法,彈塑性力學(xué)理論方法,井壁穩(wěn)定統(tǒng)計(jì)方法,井壁失穩(wěn)引起的鉆井作業(yè)失敗風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,井壁穩(wěn)定研究方法,匯報(bào)提綱,一、井壁穩(wěn)定力學(xué)的定義二、井壁穩(wěn)定力學(xué)研究現(xiàn)狀及手段三、井壁穩(wěn)定力學(xué)研究的發(fā)展趨勢(shì),敏感性頁巖地層,裂縫性地層,流變地層（軟泥巖、膏鹽巖）,為提高油氣采收率和鉆速為目的的特殊工藝井、新技術(shù)帶來的井壁穩(wěn)定力學(xué)機(jī)理的研究,復(fù)雜巖性地層井壁失穩(wěn)仍然是制約井壁穩(wěn)定技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵難題，也是井壁穩(wěn)定技術(shù)攻關(guān)的長期方向。,井壁穩(wěn)定力學(xué)機(jī)理發(fā)展趨勢(shì),利用隨鉆測(cè)量工具來獲得井壁的實(shí)時(shí)信息結(jié)合測(cè)井資料來分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性,利用對(duì)巖屑的測(cè)量獲得擬聲波測(cè)井結(jié)果和巖

9、石強(qiáng)度參數(shù)來分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性,鉆井過程中實(shí)時(shí)預(yù)測(cè),優(yōu)點(diǎn)：可以直接獲得地下資料，精度較高,缺點(diǎn)：設(shè)備成本高，井徑不規(guī)則時(shí)影響精度,優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，成本低廉,缺點(diǎn)：鉆屑采集困難(非膠結(jié)地層、鉆井液漏失等)，大孔隙鉆屑顆粒加工困難等問題,井壁穩(wěn)定力學(xué)機(jī)理發(fā)展趨勢(shì),井壁穩(wěn)定要做到“先知先覺”，避免鉆井過程中的“遭遇戰(zhàn)”，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，縮短鉆井周期。確保以提高機(jī)械鉆速、提高采收率為目的的新技術(shù)、新工藝的順利實(shí)施。建立井壁穩(wěn)定信息數(shù)據(jù)綜合管理與實(shí)時(shí)應(yīng)用的井壁穩(wěn)定遠(yuǎn)程快速?zèng)Q策系統(tǒng)。也是二十一世紀(jì)鉆井工程技術(shù)發(fā)展的主要內(nèi)容。,井壁穩(wěn)定力學(xué)機(jī)理發(fā)展趨勢(shì),中國石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室介紹,人員組成：,陳

10、勉教授，方向負(fù)責(zé)人、石油工程學(xué)院院長，國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)石油與天然氣學(xué)科召集人金衍教授，教育部新世紀(jì)人才陳康平教授，美國總統(tǒng)基金獲得者張廣清教授，拔尖人才侯冰講師盧運(yùn)虎講師實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員2人在校博士研究生13人，碩士研究生34人,近五年標(biāo)志性成果,1.國家獎(jiǎng)及省部級(jí)獎(jiǎng),“大幅度提高油氣產(chǎn)量的非平面壓裂技術(shù)與工業(yè)化應(yīng)用”,2009年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，第一單位、第1、4、7完成人,2009年北京市技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，第二單位、第2、3完成人,“高應(yīng)力強(qiáng)水敏深層鉆井圍巖穩(wěn)定技術(shù)及工業(yè)化應(yīng)用”,“深部儲(chǔ)層應(yīng)力與裂縫擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)耦合理論與應(yīng)用研究”,2008年中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)特等獎(jiǎng)，第一單位、第1、3、5完

11、成人,“非平面水力裂縫設(shè)計(jì)方法及控制壓裂提高油氣產(chǎn)量技術(shù)”,2007年教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，第一單位、第1、3、5完成人,2011年中國石油與化學(xué)工業(yè)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，第一單位,“定向井井壁失穩(wěn)控制技術(shù)與應(yīng)用”,2010年中石油集團(tuán)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，第二單位、第3、6、9完成人,“庫車前緣隆起帶鹽下水平井鉆井技術(shù)研究與實(shí)踐”,近五年標(biāo)志性成果,2.國家發(fā)明專利,近五年標(biāo)志性成果,3.論文,國外刊物發(fā)表論文21篇國內(nèi)核心期刊論文45篇,Tuncay,K.（美國）2.Helstrup（澳大利亞）3.Rutqvist,J.（美國）4.Ozkaya（美國）5.Roegiers（美國）6.D.Peter

12、（荷蘭）,JOURNALOFGEOPHYSICALRESEARCH-SOLIDEARTH,2001,106(B1):803-817,INTERNATIONALJOURNALOFROCKMECHANICSANDMININGSCIENCES,2004，41(7):1191-1210,COMPUTERS&GEOSCIENCES,29(2):143-153MAR2003,Oklahomaresearchreport2005-R05GROUNDWATER,42(4):509-515JUL-AUG2004,JournalofPetroleumScienceandEngineering,2004(43):1

13、13-128,APOGCE，30Oct.07,Jakarta,Indonesia,國際會(huì)議8篇專著3部,得到國際同行權(quán)威的高度評(píng)價(jià),APOGCE，30Oct.07,Jakarta,Indonesia,實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?常規(guī)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試地應(yīng)力測(cè)試井壁穩(wěn)定模擬水力壓裂模擬出砂模擬及防砂評(píng)價(jià)巖石可鉆性評(píng)價(jià)套管損壞物理模擬與腐蝕評(píng)價(jià),國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的組成部分211井壁穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)室中石油鉆井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室井壁穩(wěn)定研究室中石油儲(chǔ)層改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室壓裂物理模擬研究室教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的組成中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)深層巖石力學(xué)專業(yè)委員會(huì),MTS-816巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)機(jī),美國高溫高壓巖石多功能流變儀,X-射線衍射儀,聲

14、發(fā)射測(cè)試系統(tǒng),巖心滲透率測(cè)試儀,美國高溫高壓線性膨脹儀,實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?井筒變形大型物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置,承壓堵漏實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置,防砂管柱實(shí)驗(yàn)裝置,水力壓裂大型物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置,彎曲井眼套管強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?實(shí)驗(yàn)室研究方向,深部地層工程地質(zhì)特征研究；深層地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)；深部地層環(huán)境下的巖石力學(xué)性質(zhì)；巖石應(yīng)力、滲透性的聲學(xué)響應(yīng)特性及巖石物理力學(xué)性質(zhì)的地球物理解釋；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬及其在油氣勘探與開發(fā)中的應(yīng)用；深層巖石中天然裂縫的形態(tài)、分布和預(yù)測(cè)理論；固液耦合理論及在油藏工程中的應(yīng)用；井壁圍巖穩(wěn)定性研究；巖石破碎機(jī)理研究；人工裂縫的起裂、延伸及水力壓裂工程設(shè)計(jì)；弱固結(jié)地層的固相產(chǎn)出問題；地層錯(cuò)動(dòng)、蠕變與套管損壞問題；數(shù)值方法在石油工程巖石力學(xué)中的應(yīng)用研究；石油工程巖石力學(xué)的物理模擬技術(shù)研究。,謝謝,