三维离散元煤层气研讨会

1中国石油集团钻井工程技术研究院2010年5月21日煤层气水平井井壁稳定数值模拟探讨2汇报提纲1煤层气井壁稳定研究现状2离散单元理论简介3水平井井壁稳定数值模拟4结论与建议31煤层气井壁稳定研究现状由于我国的煤多为中高阶煤、强度较低，清水钻井条件下井壁不稳定，易发生垮塌、钻具落井等事故。目前水平井发生垮塌的井数占已钻井总数的32.65%。一方面造成经济损失，另一方面影响煤层气开发的大局。井号水平段总进尺(m)是否充气煤层垮塌、卡钻事故备注晋平2-21211.18m否4次落鱼事故由于设计及施工不当引起晋平2-44283否多次垮塌，卡钻7次煤层长时间浸泡引起吉平1井/否3套EM-MWD仪器落井最后该井放弃钻进DNP018488是1次卡钻，1次仪器落井DNP077058是1次卡钻PZP02井组2-16222是发生了一次卡钻2-23379是无DS02-12063否发生了3次卡钻由于地质认识不清，提前完钻FZP井组是4次垮塌，3套LWD仪器落井共9口井，6口井发生了11次煤层垮塌41煤层气井壁稳定研究现状上世纪70年代，美国矿务局在阿巴拉契亚、勇士、皮申斯、圣胡安和尤因塔等盆地针对煤层井壁稳定开展了大量的研究。上世纪90年代，吐哈盆地在油气钻井中经常碰到西山窑、八道湾煤层，煤层坍塌严重，自此煤层坍塌问题引起了广大中国钻井工程师的注意。2005年以后，煤层气开发进入了加速的阶段，煤层井壁坍塌问题日益突出，煤层井壁稳定技术已成为煤层气钻井的关键技术之一。5101071829182823201410599661073105039300170200400600800100012001990年1991年1992年1993年1994年1995年1996年1997年1998年1999年2000年2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年年份钻井数（口）0102030405060200020012002200320042005200620072008时间(年)产量(亿方)井下抽采(亿方)地面开发(亿方)我国年钻井数量分布图51.1研究的主要区块沁水盆地3#煤层吐哈盆地西山窑、八道湾塔里木盆地依奇克里克区块侏罗系和三叠系煤层鄂尔多斯盆地山西组、太原组和本溪组1煤层气井壁稳定研究现状61.2研究的阶段2005年以前，井壁稳定主要出现在油气井钻井中。钻井目的层不是煤层，煤层不是生产层。煤层井壁稳定的主要问题是煤层坍塌。2005年以后，井壁稳定主要出现在煤层气井中。煤层是钻井的目的层、是生产层。煤层井壁稳定的问题存在于煤层气开发的三个方面：钻井、压裂、生产。在中国，以煤层气的开发作为分界线，煤层井壁稳定研究大致可分为两个阶段。1煤层气井壁稳定研究现状71.3主要的研究方法理论方法数值分析实验研究acicism]/[3311煤层气井壁稳定研究现状81.3主要的研究方法理论方法1煤层气井壁稳定研究现状1996年，S.E.Laubach等对煤层中的裂纹进行了简单的断裂力学分析对于垂直、受均一载荷的平面裂纹，它的走向长度远大于高度。裂纹走向的两端点相比裂纹上下的两高点而言，后者应力集中的程度更大2/1I)2/(hK没有提出更进一步的判断模型91.3主要的研究方法理论方法1煤层气井壁稳定研究现状2002年，刘向君等在连续介质力学井壁稳定性分析的基础上，采用简化的岩石软弱面地质模型和力学模型分析了具有节理等软弱面地层的井壁稳定性。金衍等也采用了相似的方式对软弱面地层的井壁稳定性进行了分析。13sin1cos2sin1sin1Cffffffctgf)(基质块体软弱面只适合数值模拟分析，其实质为离散元101.3主要的研究方法理论方法1煤层气井壁稳定研究现状2008年，ThomasGentzis提出利用Hoek-Brown模型分析煤岩的破坏。该模型更适合裂缝发育岩体的强度准则，可反映裂缝发育特征及尺寸效应的影响，并且可反应煤岩应力-应变的非线性关系。32015GSIibee610.5a3D9100GSIexps14D28100GSIexpmmac3bc31sσσmσσσ近似分析，模型中有多个定性参数111.3主要的研究方法数值分析1煤层气井壁稳定研究现状2000年，李嗣贵把煤层视为节理地层，并利用二维离散元软件UDEC对煤层井眼周围的应力、位移及裂缝张开情况进行了一系列分析计算当井壁存在钻井液渗入时，钻井液密度越高，张开的节理面越多，节理张开的距离越大，井壁越不稳定。对割理的地质特性没能真实反映121.3主要的研究方法数值分析1煤层气井壁稳定研究现状2006年，张哲基于对岩石细观力学本构关系的认识，利用RFPA2D渗流与应力耦合作用分析系统，分析了煤层气开采过程中煤层水平井眼的尺寸效应。煤层井壁失稳的主要问题是割理、裂隙发育，岩石脆性大、强度低，在地应力、煤岩自重及其他外界因素的耦合作用下，煤岩体发生断裂破坏。最大主应力分布图131.3主要的研究方法数值分析1煤层气井壁稳定研究现状2007年朱荣东等利用有限元法分析了裂缝对井壁稳定的影响不连续地层中，裂缝尖端出现明显的应力集中随着井眼压力升高，裂缝尖端等效I型应力强度因子变大，不连续地层中的裂缝更容易失稳，井眼趋于不稳定裂纹尖端分析示意图141.3主要的研究方法数值分析1煤层气井壁稳定研究现状2008年,Thomas利用FLAC3D分析了煤层水平井的稳定性。在没有泥饼的情况下，在0.5s时，钻井液的侵入深度仅有0.2m，而在600s的时候侵入深度为2.2m在6和2的井眼对比中发现2井眼的稳定性高于6的。151.3主要的研究方法实验研究1煤层气井壁稳定研究现状含碳量抗压强度除开一系列的常规强度测试外，还需要一些特殊的测试。煤岩的灰分测试实验煤岩的含碳量与煤岩的强度存在函数关系，通过测定煤岩的含碳量即可测定煤岩强度。可一定程度的弥补煤岩取芯困难16利用应力路径的方法，进行一组单轴抗压强度和四组三轴测试，可以确定煤岩的破坏包络线。1煤层气井壁稳定研究现状1.3主要的研究方法实验研究17利用扫描电镜疲劳试验机进行三点弯曲试验可以测定完整煤岩的抗拉强度，避免割理等的干扰。观测裂纹的动态扩展1煤层气井壁稳定研究现状1.3主要的研究方法实验研究ABADC181.4存在的难点问题高度非连续与储层保护的矛盾复杂地质构造TensionalstressregionCompressionalstressregionsurfaceMediumdepthwellDeepwell900m1400mcoalseamcoalseammediumverticalLithostaticstresshighverticalLithostaticstressTensionalstressregionCompressionalstressregionsurfaceMediumdepthwellDeepwell900m900m1400m1400mcoalseamcoalseammediumverticalLithostaticstressmediumverticalLithostaticstresshighverticalLithostaticstress1煤层气井壁稳定研究现状19汇报提纲1煤层气井壁稳定研究现状2离散单元理论简介3水平井井壁稳定数值模拟4结论与建议202离散元理论简介概况离散单元法不仅仅是一种数值计算方法，更是一种岩石力学的思维模式。结构力学和岩石力学有机的统一，不连续介质和连续介质力学之间的有机统一。是技术更是艺术！21离散单元法把岩体分为岩石块体和不连续面两类，以块体为最小研究单位。不连续面一方面作为块体的边界，另一方面作为块体之间力作用的传媒。基本原理一不连续面岩石块体2离散元理论简介22基本原理二离散单元法认为岩体在外部的扰动下，岩体最终会达到动力学平衡或完全破坏。0F0E2离散元理论简介23基本分类按空间维度，可分为二维和三维离散元按研究对象，可分为刚体和可变形体离散元。2离散元理论简介24力学模型一csisscninnAukFAukFsssnnnkFkF不连续面刚度模型不连续面的力学特性主要通过切向刚度和法向刚度来描述。块体之间的相互作用二维三维2离散元理论简介25力学模型二块体运动和变形模型对于刚性块体，运动完全遵循牛顿第二定律对于可变形块体，一方面块体作为一个整体会运动，运动符合牛顿定律；另一方面会产生变形。IMgmFxxiiiiiiiisijijigmFdsnu)(21)(21,,,,ijjiijjiuuuuijijveij2刚性块体可变形块体2离散元理论简介26汇报提纲1煤层气井壁稳定研究现状2离散单元理论简介3水平井井壁稳定数值模拟4结论与建议273水平井井壁稳定数值模拟3DEC软件3DEC软件是基于三维离散元的商业软件。适用于各种地下工程的稳定性分析。主要特点：不连续面的建模和计算方便快捷；三维立体显示，图像直观且美观。283水平井井壁稳定数值模拟煤层的几何建模面割理端割理建立一个1×1×1的块体利用虚拟节理技术对块体进行切割，在Z方向用间隔0.1m的平面，x方向用间隔0.25m的平面，把地层分割成一个个长方体按统计分布规律生成面割理和端割理293水平井井壁稳定数值模拟划分网格和局部虚拟切割利用虚拟节理技术，可以实现井壁的动态破坏模拟利用内外双层模型和局部加密技术提高计算精度、减少计算时间303水平井井壁稳定数值模拟边界条件和初始条件初始条件为原地应力条件，垂直地应力为15MPa、水平地应力为10Ma和12MPa。应力边界条件和速度边界条件采用内外双层模型技术，边界条件对内层模型的影响较小。hv313水平井井壁稳定数值模拟结果分析井眼走向对井壁稳定性的影响面割理走向与井眼走向垂直面割理走向与井眼走向平行井眼周围块体有些许滑移和个别块体脱落。井眼周围的块体，少部分已经脱落，大部分都出现了松动。特别是在井眼的顶底区域，块体破坏相当严重。可能是因为垂向地应力为最大地应力。323水平井井壁稳定数值模拟结果分析割理密度对井壁稳定性的影响当割理密度为40条/m时，井壁几乎完全失稳。而在割理密度为20条/m时，井壁周围的块体出现了较大的松动，但整体并没有失稳。割理密度越大，井壁的稳定性越差。割理密度越大，切割成的块体越小，对于同样尺寸的井眼来说产生的尺寸效应就越大。20条/m40条/m333水平井井壁稳定数值模拟结果分析井底压力对井壁稳定性的影响井底压力为0MPa的时候，井眼周围块体破坏严重，井壁处于失稳状态。井底压力为4MPa的时候，井眼周围有少许块体松动，但整体观井壁处于稳定状态。7MPa的时候井眼周围没有任何块体松动，井壁稳定。不同井底压力下的位移343水平井井壁稳定数值模拟结果分析井径对井壁稳定性的影响在井底压力为5MPa时候，井径为20cm的井眼保持稳定，但井径为40cm的井眼已经产生破坏了。井眼的稳定性存在尺寸效应。当井径越大时，井周切割的块体更多；在等径向距离下，近井壁的裂缝、割理等越多。a井径为20cmb井径为40cm35汇报提纲1煤层气井壁稳定研究现状2离散单元理论简介3水平井井壁稳定数值模拟4结论与建议364结论与建议1、三维离散元能够从统计学上准确地对面割理和端割理进行建模，能够对影响井壁稳定的各个因素进行分析，分析结果符合实际。2、通过数值模拟分析，发现井眼的走向、井径、割理密度、井底压力等对井壁的稳定性影响较大。3、若在钻前用三维离散元对真实煤层进行仿真建模，并对影响井壁稳定的因素进行系统的分析，则能较好的指导钻井作业。37