第1講.井壁穩(wěn)定力學(xué)定義、 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)-中原

1、第1講 井壁穩(wěn)定力學(xué)的定義、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)陳勉中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院陳勉中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 院長(zhǎng)國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)石油工程學(xué)科評(píng)議組 召集人全國(guó)博士后管理委員會(huì)專家組 成員全國(guó)工程碩士指導(dǎo)委員會(huì)石油工程領(lǐng)域 組長(zhǎng)匯報(bào)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(shì)儲(chǔ)層儲(chǔ)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(jī)理，解決鉆井復(fù)雜問(wèn)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(yán)重漏失）遇水分散的層理性泥頁(yè)巖（鉆井復(fù)雜：井壁坍塌）油氣鉆井中鉆遇的復(fù)雜地層強(qiáng)度較低的

2、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(wèn)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(wèn)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(wèn)題造成阻卡油氣鉆井中的漏失問(wèn)題高孔高滲地層的滲漏鉆井液密度過(guò)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(guò)程中通過(guò)鉆井液密度、鉆井液體系和鉆井工藝三者的協(xié)同來(lái)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?jī)?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(shí)現(xiàn)安全

3、、高效鉆井油氣井工程井壁穩(wěn)定力學(xué)的研究對(duì)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(bào)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(shì) 井壁穩(wěn)定技術(shù)經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)走向理論然后指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的螺旋式、階段化發(fā)展的進(jìn)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(wèn)題l 如深井、高溫大段鹽、膏、泥層的井壁穩(wěn)定如深井、高溫大段鹽、膏、泥層的井壁穩(wěn)定; ;l 山前高陡構(gòu)造、破碎地層井壁穩(wěn)定問(wèn)題山前高陡構(gòu)造、破碎地層井壁穩(wěn)定問(wèn)題l 氣體鉆井轉(zhuǎn)換泥漿后的井壁穩(wěn)定問(wèn)題氣體鉆井轉(zhuǎn)換泥漿后的井壁穩(wěn)定問(wèn)題2.井漏問(wèn)題(主要是指惡性漏失)及由

4、此引發(fā)的一些井下復(fù)雜問(wèn)題至今無(wú)一有效可靠的技術(shù)。主要由工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決問(wèn)題。 “惡性漏失惡性漏失”主要表現(xiàn)為漏失厲害并且很難堵住。它常有兩種不同的情況：主要表現(xiàn)為漏失厲害并且很難堵住。它常有兩種不同的情況：l 較大的天然裂縫及溶洞引起的有進(jìn)無(wú)出的嚴(yán)重較大的天然裂縫及溶洞引起的有進(jìn)無(wú)出的嚴(yán)重( (漏速很大、很難堵住漏速很大、很難堵住)漏失漏失l 長(zhǎng)井段低承壓地層長(zhǎng)井段低承壓地層“隨機(jī)性、多點(diǎn)漏失隨機(jī)性、多點(diǎn)漏失” ” ( (漏速很大、很難堵住漏速很大、很難堵住)問(wèn)題問(wèn)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(wèn)題: 當(dāng)漏、噴、塌、當(dāng)漏、噴、塌、位于同一裸眼井段位于同一裸眼井段( (同層同層

5、) )，則引發(fā)出多種復(fù)雜問(wèn)，則引發(fā)出多種復(fù)雜問(wèn)題題: :主要?dú)w納為窄或負(fù)安全密度窗口的安全鉆井復(fù)雜問(wèn)題，成為目前鉆井主要?dú)w納為窄或負(fù)安全密度窗口的安全鉆井復(fù)雜問(wèn)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(fù)安全密度窗口的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(fù)安全密度窗口的安全鉆井問(wèn)題則更為復(fù)雜、困難和危險(xiǎn)安全鉆井問(wèn)題則更為復(fù)雜、困難和危險(xiǎn), ,是我們當(dāng)前重點(diǎn)攻關(guān)解決的重大是我們當(dāng)前重點(diǎn)攻關(guān)解決的重大難題。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)天然因素人為因素鉆井液的性能（失水、粘度、密度）鉆井液的性能（失水、粘度、密度）鉆井液和泥頁(yè)巖化學(xué)作用的強(qiáng)弱（水

6、化膨脹）鉆井液和泥頁(yè)巖化學(xué)作用的強(qiáng)弱（水化膨脹）井眼周圍鉆井液侵入帶的深度和范圍井眼周圍鉆井液侵入帶的深度和范圍井眼裸露的時(shí)間井眼裸露的時(shí)間鉆井液的環(huán)空反速對(duì)井壁的沖刷作用鉆井液的環(huán)空反速對(duì)井壁的沖刷作用循環(huán)波動(dòng)壓力和起下鉆的激動(dòng)壓力循環(huán)波動(dòng)壓力和起下鉆的激動(dòng)壓力井眼軌跡井眼軌跡鉆柱對(duì)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(jī)理與控制方法地層分類地層的失穩(wěn)機(jī)理與控制方法敏感性頁(yè)巖地層 失穩(wěn)機(jī)理控制方法裂縫性地層Germanovich觀點(diǎn)李鷺光觀點(diǎn)地層的失穩(wěn)機(jī)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:地層的失穩(wěn)機(jī)理與控制方法強(qiáng)度各向異性地

7、層微觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)：地層的失穩(wěn)機(jī)理與控制方法研究方法井壁穩(wěn)定研究方法匯報(bào)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(shì)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(zhǎng)期方向。井壁穩(wěn)定力學(xué)機(jī)理發(fā)展趨勢(shì)利用隨鉆測(cè)量工具來(lái)利用隨鉆測(cè)量工具來(lái)獲得井壁的實(shí)時(shí)信息獲得井壁的實(shí)時(shí)信息結(jié)合測(cè)井資料來(lái)分析結(jié)合測(cè)井資料來(lái)分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性井壁的力學(xué)穩(wěn)定性利用對(duì)巖屑的測(cè)量獲利用對(duì)巖屑的測(cè)量獲得擬聲波測(cè)井結(jié)果和得擬聲波測(cè)井結(jié)果和巖石強(qiáng)度參數(shù)來(lái)分析巖石強(qiáng)度參數(shù)來(lái)分析井壁的力學(xué)穩(wěn)定性井壁的力學(xué)穩(wěn)定性鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可以直接獲得地下資料

8、，：可以直接獲得地下資料，精度較高精度較高缺點(diǎn)缺點(diǎn)：設(shè)備成本高，井徑不規(guī)則：設(shè)備成本高，井徑不規(guī)則時(shí)影響精度時(shí)影響精度優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，成本低廉：操作簡(jiǎn)單，成本低廉缺點(diǎn)缺點(diǎn)：鉆屑采集困難：鉆屑采集困難(非膠結(jié)地非膠結(jié)地層、鉆井液漏失等層、鉆井液漏失等)，大孔隙鉆，大孔隙鉆屑顆粒加工困難等問(wèn)題屑顆粒加工困難等問(wèn)題井壁穩(wěn)定力學(xué)機(jī)理發(fā)展趨勢(shì)井壁穩(wěn)定力學(xué)機(jī)理發(fā)展趨勢(shì)中國(guó)石油大學(xué)（北京）巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室介紹人員組成：人員組成：陳陳 勉勉 教授，教授，方向負(fù)責(zé)人、石油工程學(xué)院院長(zhǎng)，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員方向負(fù)責(zé)人、石油工程學(xué)院院長(zhǎng)，國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)石油與天然氣學(xué)科召集人會(huì)石油與天然氣學(xué)科召集人金金 衍衍 教授，教

9、授，教育部新世紀(jì)人才教育部新世紀(jì)人才陳康平陳康平 教授，教授，美國(guó)總統(tǒng)基金獲得者美國(guó)總統(tǒng)基金獲得者張廣清張廣清 教授，教授，拔尖人才拔尖人才侯冰侯冰 講師講師盧運(yùn)虎盧運(yùn)虎 講師講師實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員2 2人人在校博士研究生在校博士研究生1313人，碩士研究生人，碩士研究生3434人人近五年標(biāo)志性成果1.1.國(guó)家獎(jiǎng)及省部級(jí)獎(jiǎng)國(guó)家獎(jiǎng)及省部級(jí)獎(jiǎng)“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”20092009年年 國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，第一單位、第國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，第一單位、第1 1、4 4、7 7完成人完成人20092009年年 北京市技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，第二單位、第北京市技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，第二單位、

10、第2 2、3 3完成人完成人“高應(yīng)力強(qiáng)水敏深層鉆井圍巖穩(wěn)定技術(shù)及工業(yè)化應(yīng)用”“深部?jī)?chǔ)層應(yīng)力與裂縫擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)耦合理論與應(yīng)用研究”20082008年年 中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)特等獎(jiǎng)，第一單位、第中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)特等獎(jiǎng)，第一單位、第1 1、3 3、5 5完成人完成人“非平面水力裂縫設(shè)計(jì)方法及控制壓裂提高油氣產(chǎn)量技術(shù)”20072007年年 教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，第一單位、第教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，第一單位、第1 1、3 3、5 5完成人完成人20112011年中國(guó)石油與化學(xué)工業(yè)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，第一單位年中國(guó)石油與化學(xué)工業(yè)學(xué)會(huì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，第一單位“定向井井壁失穩(wěn)控制技術(shù)與應(yīng)用”2010201

11、0年年 中石油集團(tuán)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，第二單位、第中石油集團(tuán)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，第二單位、第3 3、6 6、9 9完成人完成人“庫(kù)車前緣隆起帶鹽下水平井鉆井技術(shù)研究與實(shí)踐”近五年標(biāo)志性成果2.2.國(guó)家發(fā)明專利國(guó)家發(fā)明專利序號(hào)序號(hào)項(xiàng)項(xiàng) 目目 名名 稱稱研究方向研究方向1 1利用地震層速度鉆前預(yù)測(cè)坍塌壓力與破裂壓力方法利用地震層速度鉆前預(yù)測(cè)坍塌壓力與破裂壓力方法井壁穩(wěn)定鉆前預(yù)測(cè)井壁穩(wěn)定鉆前預(yù)測(cè)2 2利用地震記錄預(yù)測(cè)井眼待鉆井段坍塌壓力和破裂壓力的方法利用地震記錄預(yù)測(cè)井眼待鉆井段坍塌壓力和破裂壓力的方法3 3一種隨鉆預(yù)測(cè)鉆頭底下地層孔隙壓力的方法一種隨鉆預(yù)測(cè)鉆頭底下地層孔隙壓力的方法井壁穩(wěn)定隨鉆預(yù)測(cè)井壁穩(wěn)定

12、隨鉆預(yù)測(cè)4 4一種隨鉆預(yù)測(cè)鉆頭底下地層坍塌壓力和破裂壓力的方法一種隨鉆預(yù)測(cè)鉆頭底下地層坍塌壓力和破裂壓力的方法5 5一種評(píng)價(jià)篩管篩網(wǎng)擋砂性能的裝置一種評(píng)價(jià)篩管篩網(wǎng)擋砂性能的裝置防砂防砂6 6一種評(píng)測(cè)防砂篩管的防砂性能的裝置、系統(tǒng)及方法一種評(píng)測(cè)防砂篩管的防砂性能的裝置、系統(tǒng)及方法7 7大尺寸真三軸鉆井堵漏評(píng)價(jià)裝置大尺寸真三軸鉆井堵漏評(píng)價(jià)裝置防漏堵漏防漏堵漏8 8應(yīng)力敏感性地層鉆井堵漏模擬評(píng)價(jià)裝置應(yīng)力敏感性地層鉆井堵漏模擬評(píng)價(jià)裝置9 9一種利用測(cè)井資料檢測(cè)高壓鹽水層孔隙壓力的方法一種利用測(cè)井資料檢測(cè)高壓鹽水層孔隙壓力的方法 孔隙壓力預(yù)測(cè)孔隙壓力預(yù)測(cè)1010高壓鹽水層區(qū)域分布的識(shí)別方法高壓鹽水層區(qū)域

13、分布的識(shí)別方法 1111一種利用測(cè)井資料預(yù)測(cè)碳酸鹽巖地層孔隙壓力的方法一種利用測(cè)井資料預(yù)測(cè)碳酸鹽巖地層孔隙壓力的方法 1212一種可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水力裂縫擴(kuò)展的方法一種可視化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水力裂縫擴(kuò)展的方法水力壓裂水力壓裂1313一種計(jì)算巖石一種計(jì)算巖石IIII型斷裂韌性的方法型斷裂韌性的方法1414一種鹽下水平井造斜段鉆井液密度確定方法一種鹽下水平井造斜段鉆井液密度確定方法鹽膏層鉆井鹽膏層鉆井近五年標(biāo)志性成果3.3.論文論文國(guó)外刊物發(fā)表論文國(guó)外刊物發(fā)表論文 2121篇篇國(guó)內(nèi)核心期刊論文國(guó)內(nèi)核心期刊論文 4545篇篇Tuncay,K.Tuncay,K.（美國(guó)）（美國(guó)）2. Helstrup2. Hel

14、strup （澳大利亞）（澳大利亞）3. Rutqvist3. Rutqvist,J.,J.（美國(guó)）（美國(guó)）4. Ozkaya4. Ozkaya（美國(guó)）（美國(guó)）5. Roegiers5. Roegiers（美國(guó)）（美國(guó)）6. 6. D.PeterD.Peter（荷蘭）（荷蘭）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國(guó)際會(huì)議國(guó)際會(huì)議 8 8 篇篇專著專著 3 3 部部得到國(guó)際同行權(quán)威的高度評(píng)價(jià)得到國(guó)際同行權(quán)威的高度評(píng)價(jià)APOGCEAPOGCE，30 Oct.07,Jakarta,Indonesia3

17、0 Oct.07,Jakarta,Indonesia實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ΤＲ?guī)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試常規(guī)巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)試地應(yīng)力測(cè)試地應(yīng)力測(cè)試井壁穩(wěn)定模擬井壁穩(wěn)定模擬水力壓裂模擬水力壓裂模擬出砂模擬及防砂評(píng)價(jià)出砂模擬及防砂評(píng)價(jià)巖石可鉆性評(píng)價(jià)巖石可鉆性評(píng)價(jià)套管損壞物理模擬與腐蝕評(píng)價(jià)套管損壞物理模擬與腐蝕評(píng)價(jià)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的組成部分國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的組成部分211211井壁穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)室井壁穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)室中石油鉆井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室井壁中石油鉆井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室井壁穩(wěn)定研究室穩(wěn)定研究室中石油儲(chǔ)層改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中石油儲(chǔ)層改造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室壓裂物理模擬研究室壓裂物理模擬研究室教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的組成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的組成中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)深中

18、國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)深層巖石力學(xué)專業(yè)委員會(huì)層巖石力學(xué)專業(yè)委員會(huì)MTS-816MTS-816巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)機(jī)巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)機(jī)美國(guó)高溫高壓巖石多功能流變儀美國(guó)高溫高壓巖石多功能流變儀X-X-射線衍射儀射線衍射儀聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)巖心滲透率測(cè)試儀巖心滲透率測(cè)試儀美國(guó)高溫高壓線性膨脹儀美國(guó)高溫高壓線性膨脹儀實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)芰沧冃未笮臀锢砟M實(shí)驗(yàn)裝置承壓堵漏實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置承壓堵漏實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置防砂管柱實(shí)驗(yàn)裝置防砂管柱實(shí)驗(yàn)裝置水力壓裂大型物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置彎曲井眼套管強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?shí)驗(yàn)室研究方向深部地層工程地質(zhì)特征研究深部地層工程地質(zhì)特征研究；深層地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)；深層地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)；深部地層環(huán)境下的巖石力學(xué)性質(zhì)；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；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(chǎng)的數(shù)值模擬及其在油氣勘探與開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬及其在油氣勘探與開(kāi)發(fā)