石油工程巖石力學(xué)

內(nèi)容概要

　　本書(shū)系統(tǒng)地闡述了石油工程巖石力學(xué)的基本概念、基本原理，包括巖石力學(xué)的基本變形理論和強(qiáng)度理論，討論了孔隙彈性理論的有效應(yīng)力定律和本構(gòu)方程。介紹了深部地層地應(yīng)力的各種測(cè)量方法以及在地應(yīng)力、井內(nèi)壓力和泥漿化學(xué)聯(lián)合作用下的各種井眼圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。特別以井壁穩(wěn)定、水力壓裂、套管損壞、油井出砂和地層參數(shù)的地震、測(cè)井解釋為重點(diǎn)，闡述了巖石力學(xué)在石油工程中應(yīng)用的研究進(jìn)展。書(shū)中教學(xué)推導(dǎo)較詳盡，有關(guān)試驗(yàn)方法和資料亦有翔實(shí)介紹?！　”緯?shū)可供高等院校鉆井工程、油氣田開(kāi)發(fā)工程、油氣儲(chǔ)運(yùn)工程、測(cè)井工程、地球物理勘探、工程地質(zhì)、土木工程、巖石力學(xué)、工程力學(xué)等專(zhuān)業(yè)的師生，以及相關(guān)科技人員參考應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介

陳勉，1962年生于遼寧省沈陽(yáng)市。1982年本科畢業(yè)于北京大學(xué)力學(xué)系，1988年碩士畢業(yè)于遼寧大學(xué)數(shù)學(xué)系，1991年博士畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京研究生部?，F(xiàn)為中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油天然氣工程學(xué)院院長(zhǎng)、教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)地質(zhì)礦業(yè)石油學(xué)科評(píng)議組成員，國(guó)家博士后管理委員會(huì)專(zhuān)家組成員，全國(guó)工程碩士石油工程領(lǐng)域協(xié)調(diào)組組長(zhǎng)，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)深層巖石力學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)主任，全國(guó)政協(xié)委員。 長(zhǎng)期從事石油工程領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作，先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、霍英東基金、“863”課題等科研項(xiàng)目70余項(xiàng)。在井壁穩(wěn)定技術(shù)、水力壓裂技術(shù)和深層巖石力學(xué)等方面獲得了一系列基礎(chǔ)理論和應(yīng)用成果。在國(guó)內(nèi)外發(fā)表學(xué)術(shù)論文160佘篇，出版專(zhuān)著、教材4部。

書(shū)籍目錄

叢書(shū)序序前言緒論第1章 巖石的基本性質(zhì)和變形特征1.1 巖石力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)1.1.1 巖石單軸壓縮試驗(yàn)1.1.2 巖石三軸抗壓試驗(yàn)1.1.3 巖石的拉伸破壞試驗(yàn)1.1.4 巖石蠕變及其機(jī)理1.2 巖石的變形與強(qiáng)度1.2.1 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則1.2.2 Drucker-Prager準(zhǔn)則1.2.3 Griffith準(zhǔn)則1.2.4 Griffith準(zhǔn)則的Murrel推廣第2章 巖石力學(xué)的孔隙彈性理論2.1 孔隙度和滲透率2.1.1 孔隙度2.1.2 滲透率2.2 靜態(tài)孔隙彈性理論2.3 多重孔隙介質(zhì)的有效應(yīng)力定律2.4 各向異性裂隙介質(zhì)的應(yīng)力相關(guān)滲透率張量和本構(gòu)方程2.4.1 應(yīng)力無(wú)關(guān)滲透率張量2.4.2 應(yīng)力相關(guān)滲透率張量2.5 油藏壓實(shí)與地面變形2.5.1 油藏壓實(shí)與地面變形的機(jī)理2.5.2 油藏開(kāi)采引起的地面變形預(yù)測(cè)模型第3章 井壁圍巖的應(yīng)力狀態(tài)3.1 垂直井井壁圍巖應(yīng)力分布3.2 大斜度井、水平井的井壁圍巖應(yīng)力分布3.3 化學(xué)作用對(duì)井壁的應(yīng)力狀態(tài)的影響3.3.1 水化地層本構(gòu)方程3.3.2 井壁圍巖吸水規(guī)律3.3.3 泥頁(yè)巖的水化膨脹應(yīng)變3.3.4 泥頁(yè)巖材料的力學(xué)參數(shù)E、γ3.4 套管對(duì)井壁的應(yīng)力狀態(tài)的影響第4章 油田地應(yīng)力及確定方法4.1 地應(yīng)力的概念4.1.1 巖體自重產(chǎn)生的地應(yīng)力4.1.2 構(gòu)造應(yīng)力4.1.3 溫度變化產(chǎn)生的附加應(yīng)力4.1.4 總原地應(yīng)力4.2 地應(yīng)力的確定方法4.2.1 油田地應(yīng)力測(cè)量方法概述4.2.2 水力壓裂法測(cè)地應(yīng)力4.2.3 井壁崩落法確定地應(yīng)力的方向4.2.4 巖石聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)測(cè)定地應(yīng)力4.2.5 復(fù)合地應(yīng)力測(cè)量方法4.2.6 地破試驗(yàn)與差應(yīng)變結(jié)合確定地應(yīng)力的方法4.2.7 地破試驗(yàn)與多極子測(cè)井相結(jié)合的方法4.3 分層地應(yīng)力解釋方法4.4 動(dòng)態(tài)地應(yīng)力理論4.4.1 流動(dòng)模型4.4.2 考慮有效應(yīng)力的應(yīng)力平衡方程4.4.3 耦合算法4.4.4 計(jì)算實(shí)例第5章 鉆井過(guò)程中的井壁穩(wěn)定問(wèn)題5.1 井壁力學(xué)失穩(wěn)的形式與原因5.2 井壁坍塌剝落5.2.1 巖石破壞的強(qiáng)度準(zhǔn)則5.2.2 井壁坍塌處的應(yīng)力5.2.3 井壁應(yīng)力的非線性修正5.2.4 井壁坍塌壓力的計(jì)算5.3 井壁破裂5.4 安全鉆井液密度窗口5.5 大斜度井和水平井的井壁穩(wěn)定5.5.1 安全鉆井液密度窗口的確定方法5.5.2 大位移井井壁穩(wěn)定性影響因素分析5.6 地層各向異性對(duì)巖石強(qiáng)度和井壁穩(wěn)定的影響5.6.1 弱面對(duì)強(qiáng)度的影響5.6.2 直井穩(wěn)定的弱面問(wèn)題5.6.3 斜井穩(wěn)定的弱面問(wèn)題5.7 塑性地層的井眼縮徑5.7.1 理想彈塑性模型5.7.2 硬化模型5.7.3 軟化模型5.7.4 基于拉格朗日元法的膏鹽巖地層的縮徑變形分析5.8 黏彈性地層的井眼變形5.8.1 試驗(yàn)技術(shù)和方法5.8.2 巖石蠕變微觀機(jī)制的研究5.8.3 巖石蠕變模型和本構(gòu)方程5.8.4 鹽巖蠕變的本構(gòu)關(guān)系5.8.5 維持不同縮徑率所需的安全鉆井液密度下限(飽和鹽水或油基鉆井液)5.8.6 維持不同縮徑率所需的安全鉆井液密度下限(欠飽和鹽水鉆井液)的要求5.9 水敏性泥頁(yè)巖地層臨界坍塌時(shí)間的確定方法5.9.1 泥頁(yè)巖水化應(yīng)力的本構(gòu)關(guān)系5.9.2 泥頁(yè)巖水化應(yīng)力的求解5.9.3 地層臨界坍塌時(shí)間的確定5.9.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用5.10 維持井壁穩(wěn)定的充氣鉆井液密度確定方法5.10.1 井筒溫度場(chǎng)控制方程5.10.2 一維兩相流條件下井筒壓力場(chǎng)5.10.3 維持氣井井壁穩(wěn)定的有效安全鉆井液密度的確定方法5.10.4 應(yīng)用實(shí)例5.11 油田開(kāi)發(fā)中后期調(diào)整井鉆井液密度的確定方法5.11.1 儲(chǔ)層坍塌壓力、破裂壓力的變化5.11.2 橢圓狀井眼的抗失穩(wěn)能力5.11.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用5.12 氣體鉆井井壁穩(wěn)定性分析5.12.1 以往氣體鉆井井壁穩(wěn)定模型的評(píng)價(jià)5.12.2 氣體鉆井井壁穩(wěn)定力學(xué)模型5.12.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證第6章 水力壓裂6.1 水力裂縫的起裂6.1.1 水力裂縫起裂模型6.1.2 斜井中裂縫起裂6.1.3 射孔對(duì)破裂壓力的影響6.2 三維壓裂模型6.2.1 水力壓裂的力學(xué)模型概述6.2.2 水力壓裂三維模型6.3 巖石斷裂韌性6.3.1 斷裂韌性測(cè)試研究現(xiàn)狀6.3.2 斷裂力學(xué)理論6.3.3 SNBD試件斷裂韌性的計(jì)算6.3.4 斷裂韌性試驗(yàn)研究6.3.5 測(cè)井資料預(yù)測(cè)巖石斷裂韌性6.4 水力壓裂大型物理模擬試驗(yàn)理論與方法6.4.1 水力壓裂模擬試驗(yàn)中的相似準(zhǔn)則6.4.2 室內(nèi)試驗(yàn)裝置及檢測(cè)技術(shù)6.5 裂縫干擾6.5.1 水力裂縫相互干擾的機(jī)理6.5.2 天然裂縫對(duì)水力裂縫的影響6.6 非均質(zhì)地層壓裂6.6.1 分層介質(zhì)壓裂模擬6.6.2 地層中阻流帶對(duì)水力裂縫的影響6.7 水力裂縫轉(zhuǎn)向6.7.1 井筒附近裂縫轉(zhuǎn)向6.7.2 新井轉(zhuǎn)向壓裂6.7.3 水平井壓裂6.8 重復(fù)壓裂6.8.1 重復(fù)壓裂裂縫重定向機(jī)理6.8.2 重復(fù)壓裂數(shù)學(xué)模型及有限元數(shù)值解6.8.3 重復(fù)壓裂裂縫因素影響分析第7章 出砂問(wèn)題7.1 油氣井出砂概述7.1.1 出砂的危害7.1.2 油氣井出砂的影響因素7.1.3 油氣井出砂的機(jī)理7.1.4 出砂地層的類(lèi)型及出砂特征7.2 砂拱數(shù)學(xué)模型7.2.1 砂拱穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型7.2.2 相關(guān)的數(shù)值模型7.3 常見(jiàn)的出砂工程預(yù)測(cè)方法7.4 防砂方法簡(jiǎn)介第8章 巖石動(dòng)力學(xué)與應(yīng)用8.1 彈性介質(zhì)中的縱、橫波8.2 利用聲波測(cè)井確定巖石的彈性和強(qiáng)度參數(shù)8.2.1 相關(guān)測(cè)井簡(jiǎn)介8.2.2 動(dòng)靜態(tài)彈性參數(shù)8.2.3 強(qiáng)度參數(shù)8.3 聲波測(cè)井在石油工程中的應(yīng)用8.3.1 孔隙壓力檢測(cè)8.3.2 利用聲波測(cè)井資料預(yù)測(cè)地層破裂壓力8.3.3 利用測(cè)井資料確定井壁的坍塌壓力8.4 地震資料的工程預(yù)測(cè)理論8.4.1 層速度預(yù)測(cè)地層孔隙壓力8.4.2 層速度鉆前預(yù)測(cè)井壁穩(wěn)定性8.4.3 層速度單因素鉆前井壁穩(wěn)定預(yù)測(cè)模型與應(yīng)用8.4.4 層速度鉆前井壁穩(wěn)定預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與應(yīng)用8.5 地震記錄鉆前預(yù)測(cè)井壁穩(wěn)定性8.5.1 利用地震記錄構(gòu)建測(cè)井曲線8.5.2 聲波速度與泥質(zhì)含量、孔隙度的關(guān)系8.5.3 流體有效壓力8.5.4 利用常規(guī)井壁穩(wěn)定力學(xué)方法預(yù)測(cè)鉆前井壁穩(wěn)定8.5.5 利用非線性函數(shù)曲線擬合預(yù)測(cè)鉆前井壁穩(wěn)定8.5.6 應(yīng)用實(shí)例第9章 復(fù)雜地應(yīng)力條件下的套管損壞問(wèn)題9.1 引言9.1.1 套管損壞機(jī)理9.1.2 套管外擠載荷分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)9.1.3 復(fù)雜地應(yīng)力條件下定向井套管受力及損壞研究9.2 套管、水泥環(huán)及井壁圍巖組合體彈塑性分析9.2.1 套管、水泥環(huán)及井壁圍巖組合體線彈性分析9.2.2 套管、水泥環(huán)及井壁圍巖組合體彈塑性分析9.2.3 非均勻地應(yīng)力條件下套管、水泥環(huán)及井壁圍巖組合體有限元分析9.3 復(fù)雜地應(yīng)力條件下定向井套管受力有限元分析9.3.1 定向井井壁穩(wěn)定三維有限元分析模型9.3.2 定向井套管受力有限元分析9.4 巖石力學(xué)性質(zhì)正交各向異性對(duì)套管受力的影響9.4.1 工程背景9.4.2 各向異性與各向同性條件下井壁圍巖應(yīng)力及套管受力對(duì)比參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章 巖石的基本性質(zhì)和變形特征1.1　巖石力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)在評(píng)價(jià)地層巖石的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，一般首先應(yīng)研究：巖石的應(yīng)力狀態(tài)、地層孔隙壓力、彈性模量、強(qiáng)度以及巖石的變形形式。一般需要利用巖心材料和現(xiàn)場(chǎng)所記錄的數(shù)據(jù)（測(cè)井、錄井、地震、垂直地震剖面和各種試井資料）作為主要的數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行分析。由于測(cè)井是根據(jù)深度連續(xù)記錄聲學(xué)、電學(xué)等物理數(shù)據(jù)，所以并不能直接測(cè)量出巖石力學(xué)分析所需要的參數(shù)。例如，電纜測(cè)井并不能直接確定巖石的強(qiáng)度，而只有采用了適當(dāng)?shù)慕忉尫椒?，才有可能得到其估?jì)值。地震、錄井的數(shù)據(jù)也有同樣問(wèn)題。因此，必須進(jìn)行必要的巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以期取得相關(guān)數(shù)據(jù)。通常，巖石的強(qiáng)度和靜彈性參數(shù)是通過(guò)巖心試驗(yàn)直接測(cè)定的。但是，實(shí)驗(yàn)室中取得的巖心并不一定能完全代表所要研究的巖層的性質(zhì)，而且這些性質(zhì)在取心和加工過(guò)程中可能被改變。這就要求在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，必須重視試件的采取和制作，使之具有足夠代表性，并保持天然結(jié)構(gòu)狀態(tài)，盡可能不受不必要的影響；對(duì)試件制作要滿(mǎn)足精度要求；重視試件的構(gòu)造描述，如節(jié)理裂隙發(fā)育程度、分布情況及其方位等；還要注意試件尺寸（形狀、大小和高徑比等）、測(cè)試條件和環(huán)境對(duì)試驗(yàn)的影響。雖然通過(guò)采取適當(dāng)?shù)脑嚇訙?zhǔn)備方法能夠解決部分問(wèn)題，但仍有一部分問(wèn)題亟待解決。

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