第1讲井壁稳定力学的定义、现状及发展趋势-中原

1、第1讲 井壁稳定力学的定义、现状及发展趋势陈勉中国石油大学（北京）石油工程学院陈勉中国石油大学（北京）石油工程学院 院长国务院学位委员会石油工程学科评议组 召集人全国博士后管理委员会专家组 成员全国工程硕士指导委员会石油工程领域 组长汇报提纲一、井壁稳定力学的定义二、井壁稳定力学研究现状及手段三、井壁稳定力学研究的发展趋势储层储层隔层油气钻井中需要钻穿不同性质的地层，井壁稳定技术主要是分析地层性质，澄清钻井复杂机理，解决钻井复杂问题，提高钻井效率。油气钻井中钻遇的复杂地层裂缝、孔洞发育的碳酸盐岩（钻井复杂：严重漏失）遇水分散的层理性泥页岩（钻井复杂：井壁坍塌）油气钻井中钻遇的复杂地层强度较低的

2、疏松砂岩（钻井复杂：缩径或散塌，起下钻阻卡）具有蠕变特性的盐膏岩（钻井复杂：缩径阻卡）油气钻井中的井壁坍塌问题高地应力造成坍塌弱固结地层散塌裂缝性、破碎性地层坍塌油气钻井中的阻卡问题蠕变地层造成阻卡 地层坍塌造成阻卡定向井键槽造成阻卡井眼清洁问题造成阻卡油气钻井中的漏失问题高孔高渗地层的渗漏钻井液密度过高压裂地层造成漏失断层、不整合面、破碎带漏失碳酸盐岩地层裂缝、溶洞漏失井壁稳定的力学定义是什么？定义：井壁稳定是钻井过程中通过钻井液密度、钻井液体系和钻井工艺三者的协同来确保井眼不坍塌、不破裂、不缩径。油气井工程井壁稳定力学的研究内容 ：如何保证钻遇地质体结构的稳定如何降低钻井复杂情况，实现安全

3、、高效钻井油气井工程井壁稳定力学的研究对象：钻遇地质体砂岩、泥岩、碳酸盐岩、盐膏岩层理、裂缝、断层汇报提纲一、井壁稳定力学的定义二、井壁稳定力学研究现状及手段三、井壁稳定力学研究的发展趋势 井壁稳定技术经历了从经验走向理论然后指导现场的螺旋式、阶段化发展的进程！井壁稳定研究面临的难题井壁稳定研究面临的难题1.复杂地层条件下的井壁稳定问题l 如深井、高温大段盐、膏、泥层的井壁稳定如深井、高温大段盐、膏、泥层的井壁稳定; ;l 山前高陡构造、破碎地层井壁稳定问题山前高陡构造、破碎地层井壁稳定问题l 气体钻井转换泥浆后的井壁稳定问题气体钻井转换泥浆后的井壁稳定问题2.井漏问题(主要是指恶性漏失)及由

4、此引发的一些井下复杂问题至今无一有效可靠的技术。主要由工程经验来解决问题。 “恶性漏失恶性漏失”主要表现为漏失厉害并且很难堵住。它常有两种不同的情况：主要表现为漏失厉害并且很难堵住。它常有两种不同的情况：l 较大的天然裂缝及溶洞引起的有进无出的严重较大的天然裂缝及溶洞引起的有进无出的严重( (漏速很大、很难堵住漏速很大、很难堵住)漏失漏失l 长井段低承压地层长井段低承压地层“随机性、多点漏失随机性、多点漏失” ” ( (漏速很大、很难堵住漏速很大、很难堵住)问题问题井壁稳定研究面临的难题3.窄安全密度窗口安全钻井问题: 当漏、喷、塌、当漏、喷、塌、位于同一裸眼井段位于同一裸眼井段( (同层同层

5、) )，则引发出多种复杂问，则引发出多种复杂问题题: :主要归纳为窄或负安全密度窗口的安全钻井复杂问题，成为目前钻井主要归纳为窄或负安全密度窗口的安全钻井复杂问题，成为目前钻井工程亟待解决的重大技术难题，而喷和漏构成的窄或负安全密度窗口的工程亟待解决的重大技术难题，而喷和漏构成的窄或负安全密度窗口的安全钻井问题则更为复杂、困难和危险安全钻井问题则更为复杂、困难和危险, ,是我们当前重点攻关解决的重大是我们当前重点攻关解决的重大难题。难题。 井壁稳定研究面临的难题井壁失稳的原因井壁失稳天然因素人为因素钻井液的性能（失水、粘度、密度）钻井液的性能（失水、粘度、密度）钻井液和泥页岩化学作用的强弱（水

6、化膨胀）钻井液和泥页岩化学作用的强弱（水化膨胀）井眼周围钻井液侵入带的深度和范围井眼周围钻井液侵入带的深度和范围井眼裸露的时间井眼裸露的时间钻井液的环空反速对井壁的冲刷作用钻井液的环空反速对井壁的冲刷作用循环波动压力和起下钻的激动压力循环波动压力和起下钻的激动压力井眼轨迹井眼轨迹钻柱对井壁的摩擦和碰撞研究井壁失稳的角度研究井壁失稳的角度井壁稳定的研究现状地层的失稳机理与控制方法地层分类地层的失稳机理与控制方法敏感性页岩地层 失稳机理控制方法裂缝性地层Germanovich观点李鹭光观点地层的失稳机理与控制方法流变地层(软泥岩、膏岩盐)力学角度：物理学角度:地层的失稳机理与控制方法强度各向异性地

7、层微观结构宏观结构：地层的失稳机理与控制方法研究方法井壁稳定研究方法汇报提纲一、井壁稳定力学的定义二、井壁稳定力学研究现状及手段三、井壁稳定力学研究的发展趋势复杂岩性地层井壁失稳仍然是制约井壁稳定技术发展的关键难题，也是井壁稳定技术攻关的长期方向。井壁稳定力学机理发展趋势利用随钻测量工具来利用随钻测量工具来获得井壁的实时信息获得井壁的实时信息结合测井资料来分析结合测井资料来分析井壁的力学稳定性井壁的力学稳定性利用对岩屑的测量获利用对岩屑的测量获得拟声波测井结果和得拟声波测井结果和岩石强度参数来分析岩石强度参数来分析井壁的力学稳定性井壁的力学稳定性钻井过程中实时预测优点优点：可以直接获得地下资料

8、，：可以直接获得地下资料，精度较高精度较高缺点缺点：设备成本高，井径不规则：设备成本高，井径不规则时影响精度时影响精度优点优点：操作简单，成本低廉：操作简单，成本低廉缺点缺点：钻屑采集困难：钻屑采集困难(非胶结地非胶结地层、钻井液漏失等层、钻井液漏失等)，大孔隙钻，大孔隙钻屑颗粒加工困难等问题屑颗粒加工困难等问题井壁稳定力学机理发展趋势井壁稳定力学机理发展趋势中国石油大学（北京）岩石力学实验室介绍人员组成：人员组成：陈陈 勉勉 教授，教授，方向负责人、石油工程学院院长，国务院学位委员方向负责人、石油工程学院院长，国务院学位委员会石油与天然气学科召集人会石油与天然气学科召集人金金 衍衍 教授，教

9、授，教育部新世纪人才教育部新世纪人才陈康平陈康平 教授，教授，美国总统基金获得者美国总统基金获得者张广清张广清 教授，教授，拔尖人才拔尖人才侯冰侯冰 讲师讲师卢运虎卢运虎 讲师讲师实验技术人员实验技术人员2 2人人在校博士研究生在校博士研究生1313人，硕士研究生人，硕士研究生3434人人近五年标志性成果1.1.国家奖及省部级奖国家奖及省部级奖“大幅度提高油气产量的非平面压裂技术与工业化应用”20092009年年 国家科技进步二等奖，第一单位、第国家科技进步二等奖，第一单位、第1 1、4 4、7 7完成人完成人20092009年年 北京市技进步一等奖，第二单位、第北京市技进步一等奖，第二单位、

10、第2 2、3 3完成人完成人“高应力强水敏深层钻井围岩稳定技术及工业化应用”“深部储层应力与裂缝扩展的动态耦合理论与应用研究”20082008年年 中国岩石力学与工程学会特等奖，第一单位、第中国岩石力学与工程学会特等奖，第一单位、第1 1、3 3、5 5完成人完成人“非平面水力裂缝设计方法及控制压裂提高油气产量技术”20072007年年 教育部科技进步一等奖，第一单位、第教育部科技进步一等奖，第一单位、第1 1、3 3、5 5完成人完成人20112011年中国石油与化学工业学会科技进步二等奖，第一单位年中国石油与化学工业学会科技进步二等奖，第一单位“定向井井壁失稳控制技术与应用”2010201

11、0年年 中石油集团科技进步二等奖，第二单位、第中石油集团科技进步二等奖，第二单位、第3 3、6 6、9 9完成人完成人“库车前缘隆起带盐下水平井钻井技术研究与实践”近五年标志性成果2.2.国家发明专利国家发明专利序号序号项项 目目 名名 称称研究方向研究方向1 1利用地震层速度钻前预测坍塌压力与破裂压力方法利用地震层速度钻前预测坍塌压力与破裂压力方法井壁稳定钻前预测井壁稳定钻前预测2 2利用地震记录预测井眼待钻井段坍塌压力和破裂压力的方法利用地震记录预测井眼待钻井段坍塌压力和破裂压力的方法3 3一种随钻预测钻头底下地层孔隙压力的方法一种随钻预测钻头底下地层孔隙压力的方法井壁稳定随钻预测井壁稳定

12、随钻预测4 4一种随钻预测钻头底下地层坍塌压力和破裂压力的方法一种随钻预测钻头底下地层坍塌压力和破裂压力的方法5 5一种评价筛管筛网挡砂性能的装置一种评价筛管筛网挡砂性能的装置防砂防砂6 6一种评测防砂筛管的防砂性能的装置、系统及方法一种评测防砂筛管的防砂性能的装置、系统及方法7 7大尺寸真三轴钻井堵漏评价装置大尺寸真三轴钻井堵漏评价装置防漏堵漏防漏堵漏8 8应力敏感性地层钻井堵漏模拟评价装置应力敏感性地层钻井堵漏模拟评价装置9 9一种利用测井资料检测高压盐水层孔隙压力的方法一种利用测井资料检测高压盐水层孔隙压力的方法 孔隙压力预测孔隙压力预测1010高压盐水层区域分布的识别方法高压盐水层区域

13、分布的识别方法 1111一种利用测井资料预测碳酸盐岩地层孔隙压力的方法一种利用测井资料预测碳酸盐岩地层孔隙压力的方法 1212一种可视化实时监测水力裂缝扩展的方法一种可视化实时监测水力裂缝扩展的方法水力压裂水力压裂1313一种计算岩石一种计算岩石IIII型断裂韧性的方法型断裂韧性的方法1414一种盐下水平井造斜段钻井液密度确定方法一种盐下水平井造斜段钻井液密度确定方法盐膏层钻井盐膏层钻井近五年标志性成果3.3.论文论文国外刊物发表论文国外刊物发表论文 2121篇篇国内核心期刊论文国内核心期刊论文 4545篇篇Tuncay,K.Tuncay,K.（美国）（美国）2. Helstrup2. Hel

14、strup （澳大利亚）（澳大利亚）3. Rutqvist3. Rutqvist,J.,J.（美国）（美国）4. Ozkaya4. Ozkaya（美国）（美国）5. Roegiers5. Roegiers（美国）（美国）6. 6. D.PeterD.Peter（荷兰）（荷兰）JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SOLID EARTH,2001,106(B1):803-817JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SOLID EARTH,2001,106(B1):803-817INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECH

15、ANICS AND MINING SCIENCES, 2004INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES, 2004，41(7): 1191-121041(7): 1191-1210COMPUTERS & GEOSCIENCES, 29 (2): 143-153 MAR 2003COMPUTERS & GEOSCIENCES, 29 (2): 143-153 MAR 2003Oklahoma research report 2005-R05Oklahoma research report 2005-R0

16、5GROUND WATER, 42 (4): 509-515 JUL-AUG 2004GROUND WATER, 42 (4): 509-515 JUL-AUG 2004Journal of Petroleum Science and Engineering,2004(43):113-128Journal of Petroleum Science and Engineering,2004(43):113-128国际会议国际会议 8 8 篇篇专著专著 3 3 部部得到国际同行权威的高度评价得到国际同行权威的高度评价APOGCEAPOGCE，30 Oct.07,Jakarta,Indonesia3

17、0 Oct.07,Jakarta,Indonesia实验室实验能力常规岩石力学参数测试常规岩石力学参数测试地应力测试地应力测试井壁稳定模拟井壁稳定模拟水力压裂模拟水力压裂模拟出砂模拟及防砂评价出砂模拟及防砂评价岩石可钻性评价岩石可钻性评价套管损坏物理模拟与腐蚀评价套管损坏物理模拟与腐蚀评价国家重点实验室的组成部分国家重点实验室的组成部分211211井壁稳定实验室井壁稳定实验室中石油钻井重点实验室井壁中石油钻井重点实验室井壁稳定研究室稳定研究室中石油储层改造重点实验室中石油储层改造重点实验室压裂物理模拟研究室压裂物理模拟研究室教育部重点实验室的组成教育部重点实验室的组成中国岩石力学与工程学会深中

18、国岩石力学与工程学会深层岩石力学专业委员会层岩石力学专业委员会MTS-816MTS-816岩石力学三轴试验机岩石力学三轴试验机美国高温高压岩石多功能流变仪美国高温高压岩石多功能流变仪X-X-射线衍射仪射线衍射仪声发射测试系统声发射测试系统岩心渗透率测试仪岩心渗透率测试仪美国高温高压线性膨胀仪美国高温高压线性膨胀仪实验室实验能力井筒变形大型物理模拟实验装置承压堵漏实验评价装置承压堵漏实验评价装置防砂管柱实验装置防砂管柱实验装置水力压裂大型物理模拟实验装置弯曲井眼套管强度测试实验装置实验室实验能力实验室研究方向深部地层工程地质特征研究深部地层工程地质特征研究；深层地应力测量技术；深层地应力测量技术；深部地层环境下的岩石力学性质；深部地层环境下的岩石力学性质；岩石应力、渗透性的声学响应特性及岩石物理力学性质的地球物理解释；岩石应力、渗透性的声学响应特性及岩石物理力学性质的地球物理解释；构造应力场的数值模拟及其在油气勘探与开发中的应用；构造应力场的数值模拟及其在油气勘探与开发