三维离散元煤层气研讨会[稻谷书屋]

1、中国石油集团钻井工程技术研究院中国石油集团钻井工程技术研究院 20102010年年5 5月月2121日日 1实用内容 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 2实用内容 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 l 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。 l 目前水平井发生垮塌 的井数占已钻井总数的 32.65%。 l 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

2、.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 PZP0 2 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 3实用内容 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 l 上世纪70年代，美国矿务局在阿巴 拉契亚、勇士、皮申斯、圣

3、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。 l 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。 l 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。 我国年钻井数量分布图我国年钻井数量分布图 4实用内容 1.1 研究的主要区块 沁水盆地沁水盆地 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 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 5

4、实用内容 1.2 研究的阶段 l 2005年以前，井壁稳定 主要出现在油气井钻井中。 l 钻井目的层不是煤层， 煤层不是生产层。 l煤层井壁稳定的主要问题 是煤层坍塌。 l2005年以后，井壁稳定 主要出现在煤层气井中。 l煤层是钻井的目的层、 是生产层。 l 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 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 6实用内容 1.3 主要的研究方法 l 理论方法 l 数值分析 l 实验研究 a cici sm/ 331 1 1 煤层气井壁稳定研究现

5、状煤层气井壁稳定研究现状 7实用内容 1.3 主要的研究方法理论方法 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 l 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 l 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。 l 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 2/1 I )2/(hK 没有提出更进一步的判断模型 8实用内容 1.3 主要的研究方法理论方法 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 l 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

6、有节理等软弱面地层的 井壁稳定性。 l 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。 13 sin1 cos2 sin1 sin1 C f fffff ctgf)( 基质块体 软弱面 只适合数值模拟分析，其实质为离散元 9实用内容 1.3 主要的研究方法理论方法 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 l 2008年，Thomas Gentzis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。 32015GSI ib ee 6 1 0.5a 3

7、D9 100GSI exps 14D28 100GSI expmm a c 3 bc31 s m 近似分析，模型中有多个定性参数 10实用内容 1.3 主要的研究方法数值分析 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 l 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 l 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 11实用内容 1.3 主要的研究方法数值分析 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状

8、l 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。 l 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 12实用内容 1.3 主要的研究方法数值分析 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 l 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 l 不连续地层中，裂缝尖端出现明显的 应力集中 l 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

9、易失稳，井眼趋于不稳定 裂纹尖端分析示意图 13实用内容 1.3 主要的研究方法数值分析 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 l 2008年, Thomas利用FLAC3D分析了煤层水平井的稳定性。 l 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 l 在6和2的井眼对比中发现2井眼的稳定性高于6的。 14实用内容 1.3 主要的研究方法实验研究 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 含碳量含碳量 抗抗 压压 强强 度度 l 除开一系列的常规强度测试外， 还需要一些特殊的测试。 l 煤岩的灰分测试实验

10、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 15实用内容 l 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 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 1.3 主要的研究方法实验研究 16实用内容 l 利用扫描电镜疲劳试验机进 行三点弯曲试验 l 可以测定完整煤岩的抗拉强 度，避免割理等的干扰。 l 观测裂纹的动态扩展 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 1.3 主要的研究方法实验研究 A BA D C 17实用内容 1.4 存在的难点问题 l 高度非连续

11、l 与储层保护的矛盾 l 复杂地质构造 1 1 煤层气井壁稳定研究现状煤层气井壁稳定研究现状 18实用内容 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 19实用内容 2 离散元理论简介 概况 l 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。 l 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 ！ 20实用内容 l 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

12、 连 续 面 岩 石 块 体 2 离散元理论简介 21实用内容 基本原理二 l 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。 0F 0 E 2 离散元理论简介 22实用内容 基本分类 l 按空间维度，可分为二维和三维离散元 l 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 23实用内容 力学模型一 c s iss c n inn AukF AukF sss nnn kF kF 不连续面刚度模型 l 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。 l 块体之间的相互作用 二 维 三 维 2 离散元理论简介 24实用内容 力学模型二 块体运动和

13、变形模型 l 对于刚性块体，运动完全 遵循牛顿第二定律 l 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。 I M g m F xx i ii i i i i i s ijij i g m Fdsn u )( 2 1 )( 2 1 , , ijji ijji uu uu ijijv e ij 2 刚 性 块 体 可 变 形 块 体 2 离散元理论简介 25实用内容 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 26实用内容 3 水平井井壁稳定数值模拟 3DEC软件 l 3DEC软件是基于三维离

14、散元 的商业软件。适用于各种地下 工程的稳定性分析。 l 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。 27实用内容 3 水平井井壁稳定数值模拟 煤层的几何建模 面割理 端割理 l 建立一个111的块体 l 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 l 按统计分布规律生成面割理和端 割理 28实用内容 3 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 29实用内容 3 水平井

15、井壁稳定数值模拟 边界条件和初始条件 l 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。 l 应力边界条件和速度边界条件 l 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 30实用内容 3 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 l 井眼周围块体有些许滑移和个别块体脱落。 l 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。 31实用内容 3 水平井井壁稳定数值模拟 结果分析割理密度对井

16、壁稳定性的影响 l 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。 l 割理密度越大，井壁的稳定性越差。 l 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/m 32实用内容 3 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 l 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。 l 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。 l 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 33实用内容 3 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 l 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。 l 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