井壁稳定力学定义、现状与发展趋势-中原

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第一页，共37页。第一页，共37页。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第二页，共37页。第二页，共37页。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。第三页，共37页。第三页，共37页。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）第四页，共37页。第四页，共37页。油气钻井中钻遇的复杂地层强度较低的疏松砂岩（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）第五页，共37页。第五页，共37页。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、破碎性地层坍塌第六页，共37页。第六页，共37页。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第七页，共37页。第七页，共37页。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、溶洞漏失第八页，共37页。第八页，共37页。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、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……第九页，共37页。第九页，共37页。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第十页，共37页。第十页，共37页。

在石油钻井中，井眼稳定（boreholestability）问题是世界范围内普遍存在的问题。哈利伯顿公司最新统计：全球每年花费在井壁稳定上的开支不低于80亿美元。保持井壁稳定一直是钻井技术中一份额十分重要的课题，在我国表现十分普遍，在油气勘探开发中有着重要的作用。

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！第十一页，共37页。第十一页，共37页。塔里木油田上第三系破碎性泥页岩地层、下第三系盐膏层、株罗系、三叠系、二叠系、石炭系川东碳酸盐岩地层川西硬脆性泥页岩地层南海地区乐东组、珠海组、莺歌海组中原油田盐层缩径江苏油田的阜宁组渤海湾的馆陶组、明化镇组、沙河街组等松辽盆地的嫩江组、青山口组、泉口组塔河油田巴楚组、桑塔木组和奥陶系第十二页，共37页。第十二页，共37页。1.复杂地层条件下的井壁稳定问题如深井、高温大段盐、膏、泥层的井壁稳定;山前高陡构造、破碎地层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”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：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…)漏失长井段低承压地层“随机性、多点漏失”(漏速很大、很难堵住…)问题第十三页，共37页。第十三页，共37页。3.窄安全密度窗口安全钻井问题:

当漏、喷、塌、…位于同一裸眼井段(同层)，则引发出多种复杂问题: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,是我们当前重点攻关解决的重大难题。

第十四页，共37页。第十四页，共37页。井壁失稳天然因素人为因素地质构造类型和原地应力地层的岩性和产状含粘土矿物的类型弱面的存在和及其倾角层面的胶结情况裂隙节理的发育孔隙度渗透率及空隙中流体压力等钻井液的性能（失水、粘度、密度）钻井液和泥页岩化学作用的强弱（水化膨胀）井眼周围钻井液侵入带的深度和范围井眼裸露的时间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井眼轨迹钻柱对井壁的摩擦和碰撞第十五页，共37页。第十五页，共37页。第十六页，共37页。第十六页，共37页。第十七页，共37页。第十七页，共37页。井壁稳定力学机理（H.M.Westergard）20102000199019801970196019501940井壁稳定力化耦合井壁稳定化学研究Gray、Darley、Chenevert

实验摸索阶段（M.E.Chenevert）化学影响定量描述第十八页，共37页。第十八页，共37页。地层分类敏感性页岩地层裂缝性地层流变地层（软泥岩、膏盐岩）强度各向异性地层第十九页，共37页。第十九页，共37页。敏感性页岩地层失稳机理控制方法应力重新分布：引发井壁失稳层理面弱面：引发井壁剪切或拉伸破坏低渗透性：导致有效应力降低引发失稳预先存在的裂缝：钻液渗入引发块状崩塌钻井液密度钻井液流变性和水力参数钻井实践钻井液类型第二十页，共37页。第二十页，共37页。裂缝性地层Germanovich观点李鹭光观点预先存在的裂缝在应力集中作用下开始发育，与井眼边界的相互作用使裂缝不稳定发展，边界发生移动，使下一条裂缝扩展。上述过程不断重复直至井眼边界的改变足以制止这种不稳定状态，达到破坏的最终程度地层倾角的大小岩体破碎程度外来流体侵入的程度力学不稳定——根本原因关键因素第二十一页，共37页。第二十一页，共37页。流变地层(软泥岩、膏岩盐)力学角度：物理学角度:软泥岩、膏盐岩具有较强的流动性，高温下流动性加，当钻开地层后，原应力场的改变使地层向着井眼方向流动，造成缩径。盐的溶解则导致井壁坍塌，造成卡钻第二十二页，共37页。第二十二页，共37页。强度各向异性地层岩石的成因构造应力历史：颗粒大小不同有优势指向在变形过程中产生了裂缝、节理具有不同胶结物有层理等微观结构宏观结构：视为横观各向同性重点考察弱面的影响第二十三页，共37页。第二十三页，共37页。研究方法弹塑性力学理论方法井壁稳定统计方法井壁失稳引起的钻井作业失败风险评估第二十四页，共37页。第二十四页，共37页。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第二十五页，共37页。第二十五页，共37页。敏感性页岩地层裂缝性地层流变地层（软泥岩、膏盐岩）为提高油气采收率和钻速为目的的特殊工艺井、新技术带来的井壁稳定力学机理的研究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第二十六页，共37页。第二十六页，共37页。利用随钻测量工具来获得井壁的实时信息结合测井资料来分析井壁的力学稳定性利用对岩屑的测量获得拟声波测井结果和岩石强度参数来分析井壁的力学稳定性钻井过程中实时预测优点：可以直接获得地下资料，精度较高缺点：设备成本高，井径不规则时影响精度优点：操作简单，成本低廉缺点：钻屑采集困难(非胶结地层、钻井液漏失等)，大孔隙钻屑颗粒加工困难等问题井壁稳定力学机理发展趋势第二十七页，共37页。第二十七页，共37页。井壁稳定要做到“先知先觉”，避免钻井过程中的“遭遇战”，降低钻井风险，缩短钻井周期。确保以提高机械钻速、提高采收率为目的的新技术、新工艺的顺利实施。建立井壁稳定信息数据综合管理与实时应用的井壁稳定远程快速决策系统。也是二十一世纪钻井工程技术发展的主要内容。井壁稳定力学机理发展趋势第二十八页，共37页。第二十八页，共37页。中国石油大学（北京）岩石力学实验室介绍人员组成：陈勉教授，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金衍教授，教育部新世纪人才陈康平教授，美国总统基金获得者张广清教授，拔尖人才侯冰讲师卢运虎讲师实验技术人员2人在校博士研究生13人，硕士研究生34人第二十九页，共37页。第二十九页，共37页。近五年标志性成果1.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”2009年国家科技进步二等奖，第一单位、第1、4、7完成人2009年北京市技进步一等奖，第二单位、第2、3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”2008年中国岩石力学与工程学会特等奖，第一单位、第1、3、5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”2007年教育部科技进步一等奖，第一单位、第1、3、5完成人2011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”2010年中石油集团科技进步二等奖，第二单位、第3、6、9完成人“库车前缘隆起带盐下水平井钻井技术研究与实践”第三十页，共37页。第三十页，共37页。近五年标志性成果2.国家发明专利序号项目名称研究方向1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3一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5一种评价筛管筛网挡砂性能的装置防砂6一种评测防砂筛管的防砂性能的装置、系统及方法7大尺寸真三轴钻井堵漏评价装置防漏堵漏8应力敏感性地层钻井堵漏模拟评价装置9一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10高压盐水层区域分布的识别方法11一种利用测井资料预测碳酸盐岩地层孔隙压力的方法12一种可视化实时监测水力裂缝扩展的方法水力压裂13一种计算岩石II型断裂韧性的方法14一种盐下水平井造斜段钻井液密度确定方法盐膏层钻井第三十一页，共37页。第三十一页，共37页。近五年标志性成果3.论文国外刊物发表论文21篇国内核心期刊论文45篇Tuncay,K.（美国）2.Helstrup

（澳大利亚）3.Rutqvist,J.（美国）4.Ozkaya（美国）5.Roegiers（美国）6.D.Peter（荷兰）JOURNALOFGEOPHYSICALRESEARCH-SOLIDEARTH,2001,106(B1):803-817INTERNATIONALJOURNALOFROCKMECHANICSANDMININGSCIENCES,2004，41(7):1191-1210COMPUTERS&GEOSCIENCES,29(2):143-153MAR2003Oklahomaresearchreport2005-R05GROUNDWATER,42(4):509-515JUL-AUG2004JournalofPetroleumScienceandEngineering,2004(43):113-128APOGCE，30Oct.07,Jakarta,Indonesia国际会议8篇专著3部得到国际同行权威的高度评价APOGCE，30Oct.07,Jakarta,Indonesia第三十二页，共37页。第三十二页，共37页。实验室实验能力常规岩石力学参数测试地应力测试井壁稳定模拟水力压裂模拟出砂模拟及防砂评价岩石可钻性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211井壁稳定实验室中石油钻井重点实验室井壁稳定研究室中石油储层改造重点实验室压裂物理模拟研究室教育部重点实验室的组成中国岩石力学与工程学会深层岩石力学专业委员会第三十三页，共37页。第三十三页，共37页。MTS-816岩石力学三轴试验机美国高温高压岩石多功能流变仪X-射线衍射仪声发射测试系统岩心渗透率测试仪美国高温高压线性膨胀仪实验室实验能力第三十四页，共37页。第三十四页，共37页。井筒变形大型物理模拟实验装置承压堵漏实验评价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第三十五页，共37页。第三十五页，共37页。实验室研究方向深部地层工程地质