岩石力学8章分析解析课件

1、 第一节 井壁失稳(unstable borehole)的原因及危害 在石油钻井中，井眼稳定(borehole stability )问题是世界范围内普遍存在的问题。每年由此造成的直径经济损失达数亿美元之巨。因此国内外许多研究机构都在致力于此项研究。 第八章 井 壁 稳 定(borehole stability) 在钻井之前，深埋在地下的岩层受到上覆岩层压力（overburden pressure） 、最大水平地应力(maximu horizontal in site stress )、最小水平地应力(minimum horizontal in site stress )和孔隙压力(pore

2、pressure )的共同作用，处于平衡状态。 打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁(borehole wall )岩石失去了原有的支持，取而代之的是泥浆静液压力(mud hydrostatic pressure )，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近产生很高的应力集中(stress concentration )，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。 井壁失稳(unstable borehole)问题的工程分类： 缩径(out of gauge holes )：井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动； 井漏(lost circulation )：井眼压力大于地层破裂压力；

3、井塌(borehole collapse )：井眼压力小于地层破裂压力，同时容易发生井喷(blowout )事故。 一、井壁不稳定的危害 在我国各大油田的长期勘探开发过程中，井壁不稳定问题一直比较突出。如环渤海湾地区主要表现为馆陶、明化镇组泥页岩地层的水化膨胀，造成缩径卡钻事故；东营底、沙河街、孔店组泥页岩地层的剥落掉块，造成井径扩大(out of gauge hole )、坍塌卡钻(stuck drill pipe )、电测质量低下、固井不合格等工程事故；一些特殊层位如：生物灰岩、裂隙性玄武岩、软弱砂岩的井塌井漏等。 这些事故的发生会严重拖延了钻井周期，明显增加钻井成本，并给后续工作带来不利

4、影响。严重时可使部分井眼报废甚至使整个井眼报废(lost well )。 二、井壁不稳定的原因及其研究方法 1、井壁不稳定的原因 如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度(shear strength )而产生剪切破坏（shear failure,表现为井眼坍塌扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力(collapse pressure)； 如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力(tensile stress )大于岩石的抗拉强度(tensile strength )时，将产生拉伸破坏（ tensile failure,表现为井漏），此时的临界井眼压力定义为

5、破裂压力(fracture pressure )。 因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近的应力状态(stress state )，达到稳定井眼的目的。 2、井壁失稳与岩石破坏类型的关系 井壁失稳(unstable borehole)时岩石的破坏类型主要有两种：拉伸破坏(tensile failure)、剪切破坏（shear failure )。 剪切破坏又分为两种类型: 一种是脆性破坏，导致井眼扩大，这会给固井、测井带来问题。这种破坏通常发生在脆性岩石中，但对于弱胶结地层由于冲蚀作用也可能出现井眼扩大； 另一种是延性破坏，导致缩径，发生在软泥岩、砂岩、岩盐等地层，在工程上遇

6、到这种现象要不断地划眼，否则会出现卡钻现象。 拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可造成井喷。 实际上井壁稳定与否最终都表现在井眼围岩的应力状态。如果井壁应力超过强度包线，井壁就要破坏；否则井壁就是稳定的。 3、井壁失稳的原因 通过以上分析，可以发现，影响井壁稳定的因素概括起来可分为四大类： （1）地质力学因素，原地应力状态(in site stress state )、地层孔隙压力(formation pore pressure ) 、原地温度、地质构造特征(geological structural feature)等。这些因素是不可改变的，只能准确地确定它们。 （2）岩石的综合性质，岩石

7、的强度(rock strength )和变形(deformation )特征等、孔隙度(porosity )、含水量、粘土含量(clay content )、组成和压实情况等。 （3）钻井液(drilling fluid )的综合性质，化学组成、连续相的性质、内部相的组成和类型、与连续相有关的添加剂类型、泥浆体系的维护等。特别是对于泥页岩和泥质胶结的砂岩，钻井液对它们的物理力学性质的影响非常的大。 （4）其它工程因素，包括打开井眼的时间、裸眼长度、井身结构参数（井深、井斜角、方位角azimuth angle ）、压力激动和抽吸(surge and swab pressure)等。 这些因素和参

8、数之间相互作用、相互影响，使井壁稳定问题变得非常复杂。 4、井壁稳定的研究方法 井壁稳定性(borehole stability )的研究方法目前主要有三种：一是泥浆化学研究，二是岩石力学研究，三是化学和力学藕合起来研究。 泥浆化学方面研究: 从泥浆化学方面研究井壁稳定，主要研究泥页岩水化膨胀的机理，寻找抑制泥页岩水化膨胀(hydrate expansion )的化学添加剂和泥浆体系，最大限度地减少钻井液对地层的负面影响。 力学方面的研究: 岩石力学研究主要包括原地应力状态(in site stress state )的确定、岩石力学性质(rock mechanical character)的

9、测定、井眼围岩应力(stresses around borehole )分析，最终确定保持井眼稳定的合理泥浆密度(mud weight )。 化学和力学藕合研究 泥浆化学和岩石力学藕合起来研究，尽可能多地搜集井眼情况资料（如井眼何时以何种方式出现复杂情况），尽可能准确地估计岩石的性能，确定起主要作用的参数有哪些。第二节 井眼围岩应力(stresses around borehole )分布 要进行井壁稳定的力学分析，首要任务之一就是确定井壁围岩的应力分布规律。 一、直井井壁围岩的应力分布 下图是直井井眼(vertical borehole )力学模型，在X方向无限远处作用有最大水平主应力，在Y

10、方向无限远处作用有最小水平主应力，在井眼内部作用有钻井液的静液压力，地层内部作用有地层孔隙压力。 由于地层是线弹性的，遵循叠加原理，图8-1可分解为图8-2所示的两个模型的叠加。一是厚壁筒(thick-wall cylinder )模型，一是单向受压大板小孔应力集中模型。这两个模型都是经典的弹性力学问题，具有解析解。 单向受压无限大板小孔应力集中模型的解为： 厚壁筒模型的解为： 当井内流体与地层流体相互渗透时，还应考虑流体渗滤的作用所引起的附加应力场 。将以上三方面综合起来（或叠加起来），即得直井井壁围岩应力分布： 式中： 一 分为最大和最小水平主应力； 垂直主应力； P 地层中的原始孔隙压力

11、； P 井眼压力； 波松比； 当井壁有渗透时， ；当井壁无渗透时， 。 二、斜井围岩应力分布规律 斜井(deviated borehole )时，所建立的坐标系需要转换，再经过一系列的比较复杂的数学运算，可以得到井壁围岩的应力分布（略）。 已知井眼的应力分布规律后，根据一定的强度准则，就可以判断井壁是否发生失稳破坏。 一、井壁坍塌 井壁坍塌时，井壁上发生的是剪切破坏，常用的破坏准则有Mohre-Coulomb准则和Drucker-Prager准则。 第三节 井壁的坍塌与破裂 对于直井、均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力的情况，井壁围岩的应力状态： 根据井壁上的主应力分量的相对大小不同，

12、可能存在几种破坏情况。在 的情况下，根据Mohre-Coulomb准则有： 若井眼压力低于上式的值，井壁就会发生剪切破坏（井壁坍塌）。 随着井眼压力的提高会出现 的情况，仍根据莫尔一库仑准则，有： 若井眼压力高于上式的值，井壁就会发生剪切破坏（井壁坍塌）。可见剪切破坏存在一个低限和一个高限，在低限和高限之间井壁才能保持稳定。 对于直井、非均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力（ pore pressure ）的情况，井壁围岩的应力状态： 由上式可以看出，井壁应力分量与圆周角 有关，当 时， ， 最大。对于 的情况，剪切破坏（shear failure ）最先出现在最小水平地应力(minim

13、um horizontal in site stress )的方向。 s1s1s2s2RqrZ(reiq)图8-3 计算井壁附近应力场的坐标系s1+s22(s1s2)Opp/2qsq图8-4 井壁围岩应力随q角的分布 从上式可以看出，最小水平主应力降低，就意味着剪切破坏下限的升高。 对于斜井，井壁上存在剪应力分量，应先求出主应力分量（公式复杂） ，再利用破坏准则（failure criterion ）求解。 三、井壁破裂的判据 对于拉伸破坏一般采用最大拉应力理论： 其中 为井壁上的最小主应力； 为地层的抗拉强度。对于直井，均匀水平地应力的情况，有:对于直井，非均匀水平地应力的情况 ： 某油田井深为2600米的砂岩地层，强度符合库仑-莫尔准则，其内聚力为6.0Mpa，内摩擦角43.8，泊松比为0.2，单轴抗拉强度为0。地层的上覆岩层压力梯度为22.6Kpa/m，地层孔隙压力梯度为12.2Kpa/m，假设水平地应力均匀，且其应力梯度为17.0Kpa/m。 试确定打开该砂岩层的合理泥浆密度范围？第四节