陈勉--井壁稳定讲稿(应用篇)

岩石破碎力学钻井工程岩石力学1985钻井工程岩石力学岩石破碎力学采油工程岩石力学1992油藏工程岩石力学199670年代前80年代90年代岩石破碎力学声发射仪LocanAT-14MTS-816岩石力学实验机大尺寸真三轴模拟试验架深井高围压破岩模拟实验架金刚石钻头整套生产设备•井壁稳定研究的意义•在油气勘探开发中，钻井费用占了石油工业勘探开发费用的40~80%，研究和发展先进适用的钻井技术是降低钻井成本的主要着力点。•钻井过程由于井壁失稳而造成复杂情况，如井壁垮塌、缩径、漏失及储层保护等问题具有普遍性。井眼围岩失稳所造成的钻井质量和安全问题，采用常规理论和和技术往往很难驾驶这种局面，每年消耗在处理类似复杂问题上的费用达十亿美元以上，并且严重制约了油气的勘探开发步伐。井壁稳定的研究方法一、力学方法1、基于测井资料的钻后检测方法2、基于录井资料的实钻监测方法3、基于地震资料的钻前预测方法井壁稳定的研究方法二、化学方法1、抑制水化2、抑制分散3、抑制膨胀4、实现离子活度平衡井壁稳定的研究方法三、耦合方法1、半透膜水化应力模型2、井壁垮塌周期预测井壁稳定的研究方法一、力学方法二、化学方法三、耦合方法井壁稳定的研究方法力学方法1、基于测井资料的钻后检测方法(70年代国外开始系统研究,80年代国内开始研究,目前已经发展成为成熟的经典方法,schlumberger,bp,黄荣樽（1985）等2、基于录井资料的实钻监测方法(国内外系统的应用和研究不多,有一些与岩屑有关的研究，如exxon(1994),程远方（2000）3、基于地震资料的钻前预测方法(80年代国外有过一些粗浅的研究,90年代末石油大学研究出系统的预测方法,领先于国外。陈勉（1999）凯塞尔实验流程图和岩芯取样图LocanAT声发射仪MTS伺服增压器MTS控制器MTS液压源压力微机供液反馈排量伺服控制声发射探头45度45度围压声发射法测地应力流程图岩芯取样示意图板壳单点校核法预测区域地应力场分布-0.001.002.003.004.005.006.007.008.009.000.000.501.001.502.002.503.00依依2依依52.9依依2依依依依依依依依依依依依依MPa/100m依研究现状1989年以前：从力学和化学两方面探索。70~90年间：开始出现力学与化学相结合尝试性研究，主要体现试验研究90年代之后：力学因素与化学因素耦合在一起的泥页岩稳定研究开始进入定量化数学描述的阶段存在的问题局限于钻后分析，结果适用性差；应用流固耦合或力学与化学耦合理论，但大都为均匀地应力条件，因此发展的理论工程适用性差；钻前井壁稳定性预测是空白领域，第一口探井安全泥浆密度的确定是一个十分迫切需要解决的工程问题。研究内容井壁稳定力学的相关理论研究安全泥浆密度确定方法研究层速度井壁稳定钻前预测研究地震记录井壁稳定钻前预测研究保持井壁稳定的途径可通过四个途径提高井壁稳定：泥浆类型泥浆密度泥浆流变性和水力参数钻井实践井壁稳定的钻后分析技术研究通过对井壁应力状态分析和岩石强度条件研究，建立了坍塌压力和破裂压力钻后分析模型；100H)K()1K(PCK2)3(22phHmPPStfhHp3井壁稳定的钻后分析技术对依南2井、依南4井、依深4井、依西1井、克孜1井进行了钻后井壁稳定分析；与现场实际情况对比，符合率高于85%依南2井井壁稳定分析00.20.40.60.811.21.41.61.822.218002000220024002600280030003200340036003800400042004400460048005000520054005600井深泥浆密度井径扩大率井段内最大的井径扩大率，1表示井径扩大100%破裂压力坍塌压力实用泥浆密度1.21.31.41.51.61.71.81.922.12.22.32.480010001200140016001800200022002400260028003000320034003600380040004200440046004800依南4井井壁稳定分析井深泥浆密度井壁易坍塌，井径扩大率最大至60%，下钻遇阻，返出掉块多，提高密度后，掉块明显减少。破裂压力较高，地层没有出现漏失。现漏失。坍塌压力与破裂压力十分接近，地层漏失严重，同时井壁坍塌，井径扩大率2060%。阻卡严重地层坍塌：破裂压力较高，地层没有漏失破裂压力坍塌压力实用泥浆密度依深4井井壁稳定分析11.11.21.31.41.51.61.71.81.922.12.2400600800100012001400160018002000220024002600280030003200340036003800400042004400井深泥浆密度砾岩地层易漏失，漏失压力低于1.15井壁易坍塌，井径扩大率大至90%，起下钻遇阻遇卡；破裂压力较高，地层没有出现漏失。坍塌压力明显高于破裂压力，地层既塌又漏，复杂事故频繁井壁易坍塌易缩径，井径扩大率大至70%，起下钻遇阻遇卡；破裂压力较高，地层没有出现漏失。破裂压力坍塌压力实用泥浆密度依西1井井壁稳定分析11.11.21.31.41.51.61.71.81.922.12.22.360080010001200140016001800200022002400260028003000320034003600380040004200井深泥浆密度坍塌压力基本大于泥浆密度，整个钻井过程，井壁垮塌严重，大量的掉块，阻卡复杂事故不断，尤其在煤层。破裂压力坍塌压力实用泥浆密度井壁稳定的钻前预测技术对于钻前井壁稳定预测技术，目前国内外在该领域的研究尚为空白。经总公司信息所查新，认为：“国内外相关文献和专家咨询表明，利用地震资料进行井壁稳定钻前分析是一项十分有意义的研究”，“国内外用地震资料求取破裂压力的研究仅有少量报道，且在方法或地层条件上存在一定的局限性”，“用地震资料求取坍塌压力未见国内外文献报道”。井壁稳定的钻前预测技术本研究从地震资料分析入手，建立了神经网络钻前预测模型，利用层速度进行井壁稳定预测。同时也建立了基于统计方法的井壁稳定预测模型。井壁稳定的钻前预测技术利用所建立的钻前井壁稳定预测技术对依南2井、依南4井、依深4井、依西1井、大北1井进行了井壁稳定预测，其预测精度高于80%；依南4井井壁稳定预测与实际要求的安全泥浆密度范围比较11.11.21.31.41.51.61.71.81.922.12.22.31500170019002100230025002700290031003300350037003900410043004500井深泥浆密度预测的破裂压力实际要求的破裂压力预测的坍塌压力实际要求的坍塌压力依深4井井壁稳定预测11.11.21.31.41.51.61.71.81.922.12.22.3500700900110013001500170019002100230025002700290031003300350037003900410043004500井深泥浆密度实际要求的破裂压力预测的破裂压力预测的坍塌压力实际要求的坍塌压力YN4井多因素模型预测的安全泥浆密度0.80.911.11.21.31.41.51.61.71.81.922.12.225002700290031003300350037003900410043004500井深，米泥浆密度，g/cm^3预测的安全泥浆密度下限预测的泥浆密度上限实用泥浆密度井壁稳定综合解释软件包研究编制完成了井壁稳定综合解释软件包，包括五个模块：岩石力学参数测井解释模块、井壁稳定实测预测与多层预测模块、孔隙压力预测模块、地应力智能分析模块、原始数据处理模块。并对软件进行了初步的现场培训。井壁稳定力学的相关理论研究—有效膜压力系数非水敏性地层孔隙压力rockcakemrockcakemckkppkkpp0当泥饼致密，即0cakek时，mpp0，0ppc，说明钻井液没有渗透入井周地层，井周地层没有由于钻井液的渗透而引起孔隙压力的变化当井壁没有泥饼时，即cakek时，1，mcpp，说明钻井液不受泥饼的阻挡而渗透入井周地层，钻井液与地层流体的压差作用而引起井周地层孔隙压力最大程度的变化当10mpp时，mcpp，钻井液与地层流体的压差作用将引起井周地层孔隙压力的变化，时间t、地层半径r处的孔隙压力变化规律tpCrprrrp11井壁稳定力学的相关理论研究—S.O.Osisanya和M.E.Chenervert于1994年提出了压力渗和化学渗共同作用时的等效孔隙压力方法水敏性地层孔隙压力tCrerfppptrppTTT4)(),(000pppmT0mwVRTpln井壁稳定力学的相关理论研究—地应力假设假设三轴应力作用的地层，其两个主应力方向为水平方向和一个为垂向：这个人为假设只是方便了工程计算，但不具有合理性因为地应力假设的实际地层模型为层面变化平缓或应力松驰的沉积盆地，对于构造运动活跃地层或山前构造，主应力空间与人为假设的空间是不一致的。45度45度图2.1声发射实验岩芯取样示意xyz井壁稳定力学的相关理论研究—井周地层强度泥页岩含水量与强度有直接关系，一般来说，含水量增大，泥页岩强度降低。对不同含水量泥页岩的粘聚力进行了测量，发现含水量的增大会急剧降低泥页岩的粘聚强度，但影响程度与泥页岩的埋藏深度有关，即与其密度有关。泥页岩的粘聚力与含水量的关系可描述为：C=CB–KS(W–WB)Mpa含水量对内摩擦角的影响可采用下式：=B–187.5(W–WB)已钻井安全泥浆密度分析方法—一般分析钻井记录、测井、录井等可利用的资料地应力状态孔隙压力地层强度弹性参数岩石物理井周应力状态岩石屈服、破坏准则坍塌压力破裂压力安全泥浆密度窗口已钻井安全泥浆密度分析方法—塑性地层应变软化地层要求泥浆密度的大小不使地层进入屈服状态，原因是井下条件太复杂，抽吸压力、波动压力、温度变化等引起的滞后应力状态较难掌握。应变硬化地层可根据工程适当降低泥浆密度，密度确定方法一般根据岩样试验，确定本构模型和相关参数，采用合适的数值解法，求解不同泥密度下的应变大小。钻井工程井壁稳定一般要求井眼变形不超过一个允许量M（如10%）。已钻井安全泥浆密度分析方法—塑性地层0102030405060704045505560657075泥浆柱压力，MPa缩径率，%已钻井安全泥浆密度分析方法—流变地层钻井所遇的流变地层指的是软泥岩、盐岩和石膏等地层，根据井壁稳定问题的实际情况，蠕变是首要要解决的问题。对于钻井工程，钻遇的蠕变地层类型、性态差别很大，即使同一油田，地层相隔一定距离，类型和性态也有明显不同。因此要分区块、分类型地研究流变地层的蠕变应力—应变—时间的关系。已钻井安全泥浆密度分析方法—流变地层01234020406080100120时间(小时)应变(%)11.11.21.31.41.51.61.71.81.922.100.010.020.030.040.050.06缩径速率，1/小时泥浆密度,g/cm^3150度120度90度60度已钻井安全泥浆密度分析方法—纯盐岩地层提高泥浆密度为前提的盐层钻井技术的缺陷：在高温、高地应力的超深井区域，不能从根本上来解决盐岩层卡钻问题，因为实际钻井中浆密度不能无限制地增大，否则其它岩性层段易产生复杂情况，并且影响钻速深层盐层钻井技术：采用适当密度的欠饱和盐水泥浆，通过调整氯根，让欠饱和盐水泥浆能满足井眼截面的盐溶解速率与盐层的缩径率平衡让盐水及时地溶解缩径部分的盐和盐屑。已钻井安全泥浆密度分析方法—纯盐岩地层康2井盐层钻井泥浆密度、氯根与井径扩大率的关系已钻井安全泥浆密度分析方法—水敏性泥页岩水敏性泥页岩井壁围岩失稳时间取决于压差和地层强度弱化程度，确定不同泥浆体系和泥浆密度条件下泥页岩地层的坍塌周