井壁穩(wěn)定力學

內容概要

　　《中國石油大學（北京）學術專著系列：井壁穩(wěn)定力學》從巖石力學的基本理論著手；系統(tǒng)地闡述了不同地層性質（如各向同性、各向異性）、不同變形特性（彈性、塑性、流變）和不同巖性的井壁圍巖穩(wěn)定力學的基本理論、基本原理，側重介紹井壁圍巖失穩(wěn)的原因與力學模型，分析了井壁圍巖失穩(wěn)的影響因素，可為油氣井井筒安全提供理論和技術支撐。
　　《中國石油大學（北京）學術專著系列：井壁穩(wěn)定力學》可供高等院校、石油相關企業(yè)油氣井工程、油氣田開發(fā)工程、測井工程等專業(yè)師生、科技人員參考應用。

作者簡介

　　金衍，男，漢族，1972年8月生于浙江省臨海市?，F(xiàn)任中國石油大學（北京）石油工程學院教授、博士生導師，油氣井工程系副主任，中國巖石力學與工程學會深層巖石力學委員會副主任。主要從事石油工程巖石力學的教學和科研工作。獲國家科學技術進步獎（二等）1項，省部級科技進步特等獎1項、一等獎2項，發(fā)表論文107篇，出版專著2部，獲國家發(fā)明專利9項。

書籍目錄

叢書序
序
前言
第1章 緒論
1.1 井壁穩(wěn)定力學的定義
1.2 井壁穩(wěn)定力學的研究現(xiàn)狀
1.2.1 地層的失穩(wěn)機理與控制方法
1.2.2 地層失穩(wěn)的影響因素
1.2.3 地層失穩(wěn)的研究方法
1.3 發(fā)展趨勢
1.3.1 井壁穩(wěn)定力學機理
1.3.2 井壁穩(wěn)定預測
第2章 井壁圍巖彈性狀態(tài)的應力分布
2.1 非滲透井壁的井周圍巖彈性應力
2.1.1 主地應力在井坐標系中的轉換
2.1.2 井壁應力狀態(tài)的彈性解
2.1.3 直井井壁應力狀態(tài)
2.2 滲透井壁的井周圍巖彈性應力（不考慮時間效應）
2.2.1 本構方程
2.2.2 井壁周圍應力
2.2.3 徑向流的井壁周圍應力
第3章 各向同性線彈性地層的井壁穩(wěn)定力學問題
3.1 基本概念
3.1.1 坍塌壓力
3.1.2 破裂壓力
3.2 直井壁坍塌與破裂
3.3 斜井壁坍塌與破裂
3.3.1 坍塌壓力和破裂壓力模型
3.3.2 坍塌和破裂的影響因素
3.3.3 井壁滲透性的影響
3.3.4 地層強度的影響
3.3.5 地應力□／□的影響
3.4 溫度對井壁失穩(wěn)的影響
3.4.1 井筒溫度場變化引起的坍塌壓力變化
3.4.2 一維兩相流條件下井筒壓力場
3.4.3 井筒溫度壓力變化的實例分析
第4章 各向異性線彈性的井壁穩(wěn)定力學問題
4.1 井壁圍巖各向異性與變形
4.1.1 彈性模量（各向異性比）對井壁應力的影響
4.1.2 水平地應力比對井壁應力的影響
4.1.3 井眼穩(wěn)定性分析
4.2 井壁圍巖強度各向異性與破壞
4.2.1 弱面的破壞條件
4.2.2 直井的破壞
4.2.3 水平井的破壞
4.2.4 斜井的破壞
第5章 井壁穩(wěn)定力學的塑性問題
5.1 井周應力的理想彈塑性解
5.2 巖石軟化問題
5.2.1 軟泥巖的應力-應變曲線
5.2.2 應變軟化問題求解方法
5.3 井壁圍巖力學參數(shù)變化對其穩(wěn)定性的影響
第6章 井壁穩(wěn)定力學與化學耦合問題
6.1 泥頁巖的礦物組成及結構特點
6.2 水在泥頁巖中的傳輸機理
6.2.1 半透膜滲透壓理論
6.2.2 總壓力理論
6.3 泥頁巖水化膨脹的強度特性
6.3.1 泥頁巖中水活度的測定
6.3.2 不同壓差、活度差條件下泥頁巖強度的測定
6.3.3 地層強度動態(tài)變化模型
6.4 基于線彈性理論的水化泥頁巖井壁穩(wěn)定分析
6.4.1 水化泥頁巖線性本構方程及參數(shù)確定
……
第7章 多孔介質的井壁穩(wěn)定力學問題
第8章 鹽膏巖蠕變問題
參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章緒論 1.1 井壁穩(wěn)定力學的定義 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。 井壁失穩(wěn)主要是指鉆井過程中井壁坍塌、井眼縮徑和地層破裂。從力學上看，其主要失穩(wěn)機理為井壁圍巖張性破裂和剪切破壞。井壁穩(wěn)定問題是鉆井過程中經(jīng)常遇到的復雜問題。根據(jù)哈里伯頓公司的最新統(tǒng)計，全球每年花在井壁穩(wěn)定問題上的開支不低于60億美元。 井壁失穩(wěn)問題的原因很多，包括天然和人為因素兩個方面。 在天然因素方面：有地質構造類型和原始地應力，地層的巖性和產狀，黏土礦物的類型，弱面的存在及其傾角，層面的膠結情況，地層強度，裂隙節(jié)理的發(fā)育，孔隙度，滲透率及孔隙中流體壓力等。 在人為因素方面：有鉆井液的性能（失水、黏度、密度），鉆井液和泥頁巖化學作用的強弱（水化膨脹），井眼周圍鉆井液侵入帶的深度和范圍，井眼裸露的時間，鉆井液的環(huán)空返速對井壁的沖刷作用，循環(huán)波動壓力和起下鉆的抽吸壓力，井眼軌跡的形狀，鉆柱對井壁的摩擦和碰撞等。 鉆井過程中的井壁失穩(wěn)是一個普遍性難題，受到各國科研人員的高度重視。 由于受石油鉆井工程發(fā)展歷史的影響，長期以來，研究的重點多集中于化學防塌方面。在這方面，鉆井液工作者進行了大量行之有效的工作，從化學的角度出發(fā)研制抑制泥頁巖水化、膨脹和實現(xiàn)離子活度平衡的新型鉆井液處理劑和配方，使井壁失穩(wěn)現(xiàn)象大幅度減少，但是仍然解決不了水化程度弱、強度低的泥頁巖、強地應力條件的山前構造、弱面地層和井斜及井斜方位引起的井壁失穩(wěn)難題?？梢?，解決井壁失穩(wěn)僅通過使用優(yōu)質鉆井液是不夠的，還需進行井壁穩(wěn)定力學研究。 井壁穩(wěn)定力學研究應從三個方面入手：井壁圍巖巖石力學特征、地應力和井壁穩(wěn)定力學模型研究。巖石力學特征是基礎，地應力是井壁失穩(wěn)的根本誘因，合理的井壁穩(wěn)定力學模型是解決井壁失穩(wěn)的有效途徑。結合三個方面研究，掌握地應力狀態(tài)和地層力學參數(shù)，采用合理的力學模型，獲得能控制井壁失穩(wěn)的鉆井液密度范圍，再配合使用優(yōu)質鉆井液，才能最大程度確保井壁穩(wěn)定。 1.2 井壁穩(wěn)定力學的研究現(xiàn)狀 在過去幾十年里，有關井壁穩(wěn)定的研究主要在地層的失穩(wěn)機理、控制方法、影響因素和研究方法等方面取得了顯著進展。這些研究深化了對井壁圍巖地質特征、力學特性和工程性質的認識，從而增強了利用圍巖和改造圍巖的工程能力，促進井壁穩(wěn)定力學機理和控制方法的發(fā)展。 1.2.1 地層的失穩(wěn)機理與控制方法 1.2.1.1 敏感性頁巖地層 在井眼鉆開之前，地層巖石所受的地應力處于平衡狀態(tài)。當井眼形成后，被鉆掉的那部分巖石應力轉移至井壁圍巖，鉆井液為井壁提供支撐作用，應力重新分布。這樣就有可能發(fā)生巖石所受的剪應力大于巖石本身的強度而發(fā)生井壁失穩(wěn)（應力誘導）。頁巖中存在層理面，井壁失穩(wěn)可由層理弱面的剪切或拉伸破壞造成。 此外，由于頁巖的低滲透性，在鉆井過程中，巖石骨架的體積變化將引起孔隙壓力增加，導致有效應力降低，使井壁更不穩(wěn)定，提高鉆井液密度可避免井壁失穩(wěn)，但是，過分地提高鉆井液密度，地層將會被壓裂或（被動）剪切破壞。此外，若地層巖石有預先存在的裂縫，如煤，鉆井液濾液在過平衡條件下滲入裂縫，將造成地層沿裂縫破壞，其破壞特征是塊狀崩塌物。綜上所述，對力學穩(wěn)定性起決定作用的因素是：地應力的大小和方位、材料的孔隙彈性和強度物性、層理面、天然裂縫、井眼軌跡、誘發(fā)孔隙壓力和鉆井液液柱壓力。此外，頁巖的穩(wěn)定性具有時間效應，這是由于頁巖的細顆粒特性、低滲透性，但多屬孔隙型，并由地層水所飽和。 研究發(fā)現(xiàn)頁巖穩(wěn)定的機理包括孔隙壓力擴散、塑性、各向異性、毛細管效應、滲透性和物理化學交互作用。提高井壁穩(wěn)定的四個技術途徑為：鉆井液類型、鉆井液密度、鉆井液流變性和水力參數(shù)、鉆井實踐。 1.2.1.2 裂縫性地層 L.N.Germanovich認為原來就存在的裂縫在井周壓應力集中作用下開始發(fā)育，與邊界的相互作用使裂縫不穩(wěn)定發(fā)展，最后使薄層巖石發(fā)生撓曲而分離出來。 初始的破壞稍稍移動了井眼邊界，促使下一條裂縫擴展。重復上述過程直至井眼形狀的改變足以制止裂縫擴展的不穩(wěn)定狀態(tài)，這就是破壞的最終程度。原來存在的裂縫尺寸越小，破壞程度就越大。這提示我們在所討論的破壞機理占優(yōu)勢的情況下，較少微裂縫巖體預期的破壞較大。其優(yōu)點在于從巖石斷裂力學角度出發(fā)，提出裂縫性地層的井眼坍塌力學模型，從理論上來說是一種新的突破。但對于工程實際來說，由于地層的預裂縫幾何狀態(tài)及井眼打開后裂縫的變化等無法準確估計，再則裂縫性巖石的力學參數(shù)從室內實驗技術和測井解釋都難以獲得，所以從工程上說，特別對于裂縫性地層應從統(tǒng)計的觀點出發(fā)來獲得可靠的結果。 李鷺光認為破碎性高陡地層井壁失穩(wěn)的機理可以概括為如下九種方式： （1）力學不穩(wěn)定是高傾角破碎地層井壁失穩(wěn)的根本原因，關鍵因素是地層傾角的大小、巖體破碎程度及外來流體侵入的程度。 （2）地層傾角越大，地層所受構造作用越強，兩個水平主應力的大小和方向都呈現(xiàn)出非穩(wěn)定場的特征，而且大小相差懸殊。兩個水平主應力差值越大，所受的剪切應力亦越大，井壁極易沿著弱結構面破壞，使維持井壁穩(wěn)定的最小鉆井液密度增加（即安全鉆井液密度下限提高），從而使安全鉆井液密度窗口變窄。 （3）地層裂縫越發(fā)育，破碎程度越大，巖體間膠結弱，弱結構面強度低（抗張、抗剪強度均低）。維持井壁穩(wěn)定的坍塌壓力大，安全鉆井液密度下限增高，地層越破碎地層破裂壓力越低，安全鉆井液密度上限隨之降低，安全鉆井液密度窗口繼續(xù)變窄。 （4）對裂縫發(fā)育且斷層多的破碎性地層，當?shù)貙觾A角大到一定程度時，由于安全鉆井液密度下限逐漸升高，上限又逐漸降低，安全鉆井液密度范圍逐漸縮小，上限和下限將趨于重合，此時，理論上已不存在安全鉆井液密度。如果不采取有效的防塌措施，井壁失穩(wěn)將無可避免。 （5）高傾角破碎地層，因其具有“碎、松、陡”等特點，其臨界沖蝕指數(shù)低，井壁抗鉆井液沖蝕的能力差，易出現(xiàn)“沖蝕失穩(wěn)”。同時，對井內壓力波動敏感，在起下鉆和開泵等過程中易出現(xiàn)“波動失穩(wěn)”。 （6）達西濾失造成的“水力連通作用”引發(fā)井壁失穩(wěn)。 （7）潤濕造成的“毛細管擴張作用”引發(fā)井壁失穩(wěn)。 （8）縫間充填物水化造成的“水楔作用”引發(fā)井壁失穩(wěn)。 （9）破碎體本身水化膨脹造成的“推擠作用”引發(fā)井壁失穩(wěn)。 1.2.1.3 流變地層（軟泥巖、鹽膏巖） 軟泥巖、鹽膏巖地層在強地應力的作用下，發(fā)生蠕變流動，導致井眼縮徑卡鉆。 導致軟泥巖、鹽膏巖層鉆井事故的原因有以下兩個方面：從力學角度看，軟泥巖、鹽膏巖具有較強的流動性，高溫使其流動性更加明顯。在地下井眼鉆開之后，原地應力場的平衡遭到破壞，次生應力場的作用使軟泥巖、鹽膏巖地層向著井眼方向流動，直到出現(xiàn)新的平衡狀態(tài)，這種沿徑向的流動使井眼直徑減小，造成縮徑，這是鹽巖層中卡鉆的主要原因；從物理學角度看，鹽巖易溶于水，對于大段軟泥巖、鹽膏巖來說，鹽巖的溶解則導致井壁坍塌（較大塊的砂、泥巖等脫離井壁），從而加大卡鉆的可能性。 1.2.1.4 強度各向異性地層 由于大多數(shù)沉積巖是各向異性的，所以在鉆井工程中研究各向異性對強度的影響是非常重要的。對于大傾角地層的平面各向異性，尤為重要的是弱面，即地層中有一組低強度的薄弱面，在較小的鉆井液柱壓力下先于巖石本體破壞，常常引起人們意料之外的鉆井復雜情況。從微觀結構上看，巖石是非均質的和各向異性的，一方面是由于巖石的成因，如顆粒大小不同有優(yōu)勢指向，具有不同膠結物，有層理等；另一方面是由于構造應力歷史產生的，在變形過程中產生了裂縫、節(jié)理，但是若在所有方向上都視為各向異性，則材料的彈性常數(shù)太多，所以宏觀上把巖石看作彈性參數(shù)在同一層面各個方向上均相同，它們只在其垂直方向上有差別，即橫觀各向同性。對于井壁穩(wěn)定性力學分析，最重要的是要考慮弱面的影響。目前對弱面模型的研究局限于弱面的走向與最小水平地應力方向一致這一特殊情況。 1.2.2 地層失穩(wěn)的影響因素 1.2.2.1 構造地應力的影響 水平構造地應力的各向異性對坍塌壓力和破裂壓力有著顯著的影響，水平地應力比值越大，坍塌壓力和破裂壓力的差值就越小，即安全鉆井液密度窗口越窄，井壁失穩(wěn)風險越大，當水平地應力比值達到一定程度時，坍塌壓力和破裂壓力幾乎相等，甚至出現(xiàn)“負壓力窗口”，導致無法安全鉆進，由此可見，井壁的力學失穩(wěn)主要誘因是強地應力的非均勻性。 1.2.2.2 井眼軌跡的影響 井斜角和井斜方位角對斜井的井壁穩(wěn)定性有著顯著的影響。國內外大多采用孔隙彈性理論，考慮鉆井液的滲流效應，建立了大斜度井的井壁穩(wěn)定力學模型。模型考慮了地應力的非均勻性、孔隙壓力和井眼幾何形狀的影響，得出如下斜井穩(wěn)定的一般性結論：上覆壓力為中間主應力時，隨著井斜角的增大，破裂壓力值將增加，而坍塌壓力值將減小，安全鉆液密度窗口變大。這說明，在同樣條件下，井斜角越大，鉆井越安全，換句話說，只要直井是安全的，斜井和水平井也安全。 上覆壓力為最大主應力時，隨著井斜方位角的增大，破裂壓力值將增大，坍塌壓力值將減小，這說明，朝著最小地應力方向鉆井較為安全，而最大地應力方位一般不利于鉆井。隨著井斜角的增大，破裂壓力值增大，而坍塌壓力值雖有局部減小但總體是增大的。這說明，如果鉆井液密度對直井不安全，則對斜井和水平井也不一定安全。 大位移井的井眼方位要視三個主地應力狀態(tài)而定，當垂向主地應力大于水平最大地應力且差值不大，或水平最大地應力為最大地應力時，最佳的井眼方位在水平最小地應力方向或近水平最小地應力方位，此時鉆井所要求的鉆井液密度最低。 但是，當垂向地應力比水平最大地應力大得多時，最佳井眼方位要具體分析。 1.2.2.3 鉆井液造壁性的影響 鉆井液的造壁性對井壁穩(wěn)定有著顯著的影響。不同的鉆井液性能在井壁上形成的泥餅性能差別顯著，鉆井液濾液在井壁上的滲透能力也不同，從而導致鉆井液液柱壓力的擴散程度不一樣，鉆井液液柱壓力的擴散程度越好，井壁穩(wěn)定性越差，當井壁完全滲透時，井壁穩(wěn)定性最差。根據(jù)計算，滲透系數(shù)為零時，井壁不滲透，井段井壁穩(wěn)定性最高；滲透系數(shù)為1時，井壁全滲透，井段井壁穩(wěn)定性最低，此時，坍塌壓力接近或超過破裂壓力，幾乎不可能進行鉆井作業(yè)。因此，鉆井時要求鉆井液具有良好的造壁性能，在井壁形成薄而韌的泥餅。 1.2.2.4 地層強度的影響 地層強度包括地層的黏聚力、內摩擦角和抗拉強度，地層強度增大，坍塌壓力降低，破裂壓力增大，安全鉆井液密度范圍擴大，井壁穩(wěn)定性就提高，鉆井也越安全。尤其要提出的是，地層強度對淺井井壁穩(wěn)定性有著顯著的影響，如果淺部地層強度太低，就要求大幅度提高鉆井液密度來滿足井壁穩(wěn)定。 1.2.2.5 垮塌幾何形態(tài)的影響 隨著鉆井設備、定向井控制系統(tǒng)和鉆井液體系技術的進步，以及對油藏特征掌握程度的加深，大斜度井、水平井鉆井的數(shù)量日益增加。在常規(guī)地應力（σv＞σH＞σh）的情況下不斷碰到井壁失穩(wěn)和出砂問題。通常水平井設計的指導原則是井眼方位平行于最小水平地應力，這樣有助于減小井眼軸向與垂向的主應力差，井周的應力集中程度達到最小。上述指導原則是基于努力降低井眼壓力來維持零坍塌（zerobreakout）。 井壁穩(wěn)定研究表明：穩(wěn)定的垮塌井眼是由應力轉移造成的，應力集中從裸眼垮塌起始端轉至垮塌區(qū)域的頂端，并產生準靜水壓力狀態(tài)。因此，垮塌后的井眼應該比圓形井眼穩(wěn)定。近年來利用垮塌后的幾何形態(tài)來增強隧道穩(wěn)定性的實驗研究表明，在相同的地應力條件下，垮塌后的幾何形態(tài)比圓形具有更高的開挖強度。但在某些地層，井壁垮塌后相鄰地層的強度有弱化趨勢，在這種情況下，較低的鉆井液密度反而加劇了井壁失穩(wěn)。 1.2.2.6 鉆柱振動的影響 井眼的穩(wěn)定性（井眼擴大）與鉆柱的振動有明顯的聯(lián)系，高強度地層（如火成巖井壁）失穩(wěn)的原因是鉆柱振動過于劇烈，鉆柱撞井壁，在井壁處形成裂縫，從而導致鉆井液侵入，引起井壁巖塊剝落。 利用能量法對由鉆柱振動產生的失穩(wěn)進行定性分析，對井壁的撞擊力利用牛頓第二定律計算，再根據(jù)動量守恒，可估算出鉆柱將多少動能傳遞給井壁巖石，使井壁巖石內能顯著增加，促使裂縫的發(fā)育。解決的方法：利用“非侵入型”鉆井液，封堵裂縫，阻止鉆井液侵入，從而降低井壁失穩(wěn)，同時最大限度地減少鉆柱振動。 1.2.3 地層失穩(wěn)的研究方法 1.2.3.1 彈塑性力學理論方法 井壁圍巖材料受井周應力作用以后產生變形，從變形開始到失穩(wěn)破壞一般要經(jīng)歷兩個階段，即彈性變形階段和塑性變形階段。利用彈塑性力學理論，研究井壁圍巖受到外界應力、溫度變化及邊界約束變動等作用時，井壁圍巖彈塑性變形、破壞和應力狀態(tài)的方法叫做井壁失穩(wěn)彈塑性力學理論方法。 井壁圍巖彈塑性變形受控于井周應力狀態(tài)和圍巖材料性質。井周應力狀態(tài)的形成與變化取決于原始三維地應力狀態(tài)、井內和地層流體的壓力差、巖石的物理化學性質、井眼的幾何形狀及完善程度；同時，井周應力的變化反作用于巖石材料本身，導致巖石力學性質、材料屈服和破壞模式發(fā)生變化。根據(jù)井壁圍巖材料特性的不同，有的彈性階段較明顯，如硬脆性泥頁巖、低強度砂巖，往往彈性階段后緊跟著就破壞。有的則彈性階段很不明顯，變形一開始就伴隨著塑性變形，彈塑性變形總是耦合產生，如軟泥巖和鹽膏巖。大部分都呈現(xiàn)明顯的彈性變形階段和塑性變形階段，如膨脹性泥巖。此外，采用適合地層圍巖特性的本構關系和井壁穩(wěn)定力學模型也是彈塑性力學研究方法的重點。 對于脆性泥頁巖、低強度砂巖，一般采用線彈性模型，而對于易發(fā)生塑性變形的軟泥巖、鹽膏巖地層，目前國內外學者就巖石塑性本構關系模型進行了詳細深入的研究，有理想塑性模型、硬化模型和軟化模型等各種不同理論，還有考慮巖石的彈性參數(shù)隨塑性變形變化的彈塑性耦合模型以及巖石塑性理論的非聯(lián)合流動法則彈塑性模型等。它們各有一定的優(yōu)點和不足。若把這些計算模型應用于井眼穩(wěn)定計算，這些模型都需要通過實驗確定許多重要的參數(shù)，而且實驗的工作量是十分巨大的，這也給實際應用帶來許多不便。一般來講，計算模型越簡單，所需實驗確定的參數(shù)越少，應用也越方便，另一方面也不能精確描述巖石的彈塑性變形規(guī)律；計算模型越復雜，所需實驗確定的參數(shù)也越多，應用也不方便，……

編輯推薦

《井壁穩(wěn)定力學》編輯推薦：近年來國內外在井壁穩(wěn)定力學方面的研究已有了很大的發(fā)展，井壁穩(wěn)定力學在石油工程中的應用越來越廣泛，但目前系統(tǒng)闡述這些新發(fā)展的合適的教材與參考書卻十分缺乏。《井壁穩(wěn)定力學》旨在使讀者在學習過巖石力學的基礎上，能掌握井壁失穩(wěn)的基本力學理論及在鉆井工程中的應用?！毒诜€(wěn)定力學》可供高等院校、石油相關企業(yè)油氣井工程、油氣田開發(fā)工程、測井工程等專業(yè)師生、科技人員參考應用。

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