第1講井壁穩(wěn)定力學(xué)的定義、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,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)位委員會石油工程學(xué)科評議組召集人全國博士后管理委員會專家組成員全國工程碩士指導(dǎo)委員會石油工程領(lǐng)域組長,匯報提綱,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,儲層,儲層,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）,油氣鉆井中鉆遇的復(fù)雜地層,強度較低的疏松砂巖（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,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：全球每年花費在井壁穩(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)驗走向理論然后指導(dǎo)現(xiàn)場的螺旋式、階段化發(fā)展的進程！,井壁穩(wěn)定研究面臨的難題,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)驗來解決問題?！皭盒月┦А敝饕憩F(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無出的嚴重(漏速很大、很難堵住)漏失長井段低承壓地層“隨機性、多點漏失”(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:主要歸納為窄或負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)成的窄或負安全密度窗口的安全鉆井問題則更為復(fù)雜、困難和危險,是我們當(dāng)前重點攻關(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)空反速對井壁的沖刷作用,循環(huán)波動壓力和起下鉆的激動壓力,井眼軌跡,鉆柱對井壁的摩擦和碰撞,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）,強度各向異性地層,地層的失穩(wěn)機理與控制方法,敏感性頁巖地層,失穩(wěn)機理,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),鉆井實踐,鉆井液類型,裂縫性地層,Germanovich觀點,李鷺光觀點,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，使下一條裂縫擴展。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、膏鹽巖具有較強的流動性，高溫下流動性加，當(dāng)鉆開地層后，原應(yīng)力場的改變使地層向著井眼方向流動，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)機理與控制方法,強度各向異性地層,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,重點考察弱面的影響,地層的失穩(wěn)機理與控制方法,研究方法,彈塑性力學(xué)理論方法,井壁穩(wěn)定統(tǒng)計方法,井壁失穩(wěn)引起的鉆井作業(yè)失敗風(fēng)險評估,井壁穩(wěn)定研究方法,匯報提綱,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,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)機理發(fā)展趨勢,利用隨鉆測量工具來獲得井壁的實時信息結(jié)合測井資料來分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性,利用對巖屑的測量獲得擬聲波測井結(jié)果和巖石強度參數(shù)來分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性,鉆井過程中實時預(yù)測,優(yōu)點：可以直接獲得地下資料，精度較高,缺點：設(shè)備成本高，井徑不規(guī)則時影響精度,優(yōu)點：操作簡單，成本低廉,缺點：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)機理發(fā)展趨勢,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，縮短鉆井周期。確保以提高機械鉆速、提高采收率為目的的新技術(shù)、新工藝的順利實施。建立井壁穩(wěn)定信息數(shù)據(jù)綜合管理與實時應(yīng)用的井壁穩(wěn)定遠程快速決策系統(tǒng)。也是二十一世紀鉆井工程技術(shù)發(fā)展的主要內(nèi)容。,井壁穩(wěn)定力學(xué)機理發(fā)展趨勢,中國石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)實驗室介紹,人員組成：,陳勉教授，方向負責(zé)人、石油工程學(xué)院院長，國務(wù)院學(xué)位委員會石油與天然氣學(xué)科召集人金衍教授，教育部新世紀人才陳康平教授，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虎講師實驗技術(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.國家獎及省部級獎,“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年國家科技進步二等獎，第一單位、第1、4、7完成人,2009年北京市技進步一等獎，第二單位、第2、3完成人,“高應(yīng)力強水敏深層鉆井圍巖穩(wěn)定技術(shù)及工業(yè)化應(yīng)用”,“深部儲層應(yīng)力與裂縫擴展的動態(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)會特等獎，第一單位、第1、3、5完成人,“非平面水力裂縫設(shè)計方法及控制壓裂提高油氣產(chǎn)量技術(shù)”,2007年教育部科技進步一等獎，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)會科技進步二等獎，第一單位,“定向井井壁失穩(wěn)控制技術(shù)與應(yīng)用”,2010年中石油集團科技進步二等獎，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（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):113-128,APOGCE，30Oct.07,Jakarta,Indonesia,國際會議8篇專著3部,得到國際同行權(quán)威的高度評價,APOGCE，30Oct.07,Jakarta,Indonesia,實驗室實驗?zāi)芰?常規(guī)巖石力學(xué)參數(shù)測試地應(yīng)力測試井壁穩(wěn)定模擬水力壓裂模擬出砂模擬及防砂評價巖石可鉆性評價套管損壞物理模擬與腐蝕評價,國家重點實驗室的組成部分211井壁穩(wěn)定實驗室中石油鉆井重點實驗室井壁穩(wěn)定研究室中石油儲層改造重點實驗室壓裂物理模擬研究室教育部重點實驗室的組成中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會深層巖石力學(xué)專業(yè)委員會,MTS-816巖石力學(xué)三軸試驗機,美國高溫高壓巖石多功能流變儀,X-射線衍射儀,聲發(fā)射測試系統(tǒng),巖心滲透率測試儀,美國高溫高壓線性膨脹儀,實驗室實驗?zāi)芰?井筒變形大型物理模擬實驗裝置,承壓堵漏實驗評價裝置,防砂管柱實驗裝置,水力壓裂大型物理模擬實驗裝置,彎曲井眼套管強度測試實驗裝置,實驗室實驗?zāi)芰?實驗室研究方向,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；巖石破碎機理研究；人工裂縫的起裂、延伸及水力壓裂工程設(shè)計；弱固結(jié)地層的固相產(chǎn)出問題；地層錯動、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,