中國石油大學(xué)巖石力學(xué)模擬試題詳解

中國石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育《巖石力學(xué)》課程綜合練習(xí)題中國石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育《巖石力學(xué)》課程綜合練習(xí)題#坍塌時，井壁上發(fā)生的是剪切破壞，常用的破壞準(zhǔn)則有Mohre-Coulomb準(zhǔn)則。2Ccos91+sin0o'= + -C'1-sin91-sin93式中：O1為有效最大主應(yīng)力，MPa；a3為有效最小主應(yīng)力，MPa。U為內(nèi)摩擦角C為內(nèi)聚力，Mpa由于剪切破壞是由于鉆井液柱壓力較小引起的的，故Or最小應(yīng)力，分一下兩種情況：當(dāng)軸向主應(yīng)力ov為最大主應(yīng)力時，將o1=Ov，o3=Or帶入上式通過計算得到鉆井液柱壓力，進(jìn)而得到坍塌壓力當(dāng)量密度；對于垂直井眼，有o-aP=2Ccos9+1+sin9(P-aP)vp1-sin9 1-sin9wp當(dāng)周向主應(yīng)力O。為最大主應(yīng)力時，將01=0。，O3=Or帶入上式通過計算得到鉆井液柱壓力，進(jìn)而得到坍塌壓力當(dāng)量密度。對于垂直井眼，有3o-o-P-aP=2Ccos9+1+sin9(P-aP)Hhwp1-sin91-sin9wpP式中P為地層坍塌壓力，換算成當(dāng)量泥漿密度為：P=二*100w wH5、如何計算破裂壓力？巖石的抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的幾分之幾甚至十幾分之幾，因此在拉伸應(yīng)力的作用下，很容易被拉伸破壞。對于井眼結(jié)構(gòu)來說，當(dāng)井內(nèi)鉆井液液柱壓力過高時，在井壁處會出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過地層的抗拉強(qiáng)度時，就會出現(xiàn)拉伸破壞，發(fā)生井漏事故。按最大拉應(yīng)力理論，井壁應(yīng)力滿足以下等式時，井壁巖石將處于張性極限平衡狀態(tài)：o=-S0min t式中：S為巖石的抗拉強(qiáng)度。t對于垂直井而言，有：P=3q—o—aP+SfhHpt式中P為地層破裂壓力，換算成當(dāng)量泥漿密度為：f3o—o—aP+Sp=hH ptx100fH6、當(dāng)坍塌壓力大于破裂壓力時，應(yīng)怎樣選擇泥漿密度？一般而言，鉆井液存在一個合適的密度窗口，即p坍塌＜p鉆井液＜p破裂，由鉆井液密度所產(chǎn)生的液柱壓力要小于地層的破裂壓力。）因為如果鉆井液密度所產(chǎn)生的液柱壓力大于地層的破裂壓力，將把地層壓漏，必須進(jìn)行堵漏處理。井壁出現(xiàn)了坍塌，可以通過及時地循環(huán)鉆井液而把巖屑攜帶上來。7、簡述鉆井過程做破裂壓力試驗求取原地應(yīng)力的過程？地層破裂壓力試驗包括地層的破裂、裂紋的延伸、瞬時停泵裂縫閉合及裂縫重張等環(huán)節(jié)。瞬時停泵壓力即為最小水平主地應(yīng)力，破裂壓力與重張壓力的差為抗拉強(qiáng)度，由破裂壓力公式可進(jìn)一步求出最大水平主地應(yīng)力。8、影響井眼圍巖應(yīng)力狀態(tài)和破壞準(zhǔn)則的因素有哪些？概括起來，影響井眼圍巖應(yīng)力狀態(tài)和破壞準(zhǔn)則的因素可分為四大類：（1）地質(zhì)力學(xué)因素，原地應(yīng)力狀態(tài)、地層孔隙壓力、原地溫度、地質(zhì)構(gòu)造特征等。這些因素是不可改變的，只能準(zhǔn)確地確定它們。（2）巖石的綜合性質(zhì)，巖石的強(qiáng)度和變形特征、孔隙度、含水量、粘土含量、組成和壓實情況等。（3）鉆井液的綜合性質(zhì)，化學(xué)組成、連續(xù)相的性質(zhì)、內(nèi)部相的組成和類型、與連續(xù)相有關(guān)的添加劑類型、泥漿體系的維護(hù)等。特別是對于泥頁巖和泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖，鉆井液對它們的物理力學(xué)性質(zhì)的影響非常大。（4）其它工程因素，包括打開井眼的時間、裸眼長度、井身結(jié)構(gòu)參數(shù)（井深、井斜角、方位角）、壓力激動和抽吸等。這些因素和參數(shù)之間相互作用、相互影響，使井壁穩(wěn)定問題變得非常復(fù)雜。第九章水力壓裂一、填空題1、在加壓過程中，井眼的切向或垂向的有效應(yīng)力可能變成拉應(yīng)力，當(dāng)此拉應(yīng)力達(dá)到地層的（抗拉強(qiáng)度）時，井眼發(fā)生破裂。此時的壓力稱為（破裂壓力）。當(dāng)裂縫擴(kuò)展到（3）倍的井眼直徑后停泵，并關(guān)閉液壓系統(tǒng)，形成（“瞬時停泵”壓力Ps）,當(dāng)井壁形成裂縫后，圍巖被進(jìn)一步連續(xù)地劈開的壓力稱為（傳播壓力Ppro）。如果圍巖滲透性很好，停泵后裂縫內(nèi)的壓力將逐漸衰減到（地層孔隙壓力Pp）。二、判斷改錯題1、一般情況下裂縫沿垂直于最小主地應(yīng)力的方向擴(kuò)展。由于最小主地應(yīng)力一般都是水平方向的，因此裂縫一般都是垂直的。J。2、泥漿密度過低，井壁應(yīng)力將超過巖石的抗剪強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞（表現(xiàn)為井眼坍塌擴(kuò)徑或屈服縮徑），此時的臨界井眼壓力定義為破裂壓力。X。把破裂壓力改為坍塌壓力。三、簡答題1、水力壓裂有哪些基本用途？概括起來，水力壓裂有如下基本用途：（1）克服近井地帶污阻，目前的鉆井技術(shù)不可避免地造成近井地帶的污染，它包括鉆井液的液相污染和固相污染。這些污染常使油氣從地層流入井內(nèi)的能力大為減弱。水力壓裂可以在污染帶以外建立良好的油流通道。因此壓裂后的產(chǎn)量可增加幾倍到幾十倍。（2）壓開深遠(yuǎn)裂縫，提高井的產(chǎn)能。利用深穿透裂縫可以從一般油層中采出更多的石油，使油井的控制面積增大。對于滲透性極低、能慢慢滲油的地層提供大的泄油面積，從而最大限度地利用油藏能量。使原來被認(rèn)為無開采價值的地區(qū)，現(xiàn)在也能進(jìn)行有經(jīng)濟(jì)意義的開采。同時，深穿透裂縫能夠恢復(fù)并延長油井壽命。（3）協(xié)助二次采油。壓裂對于二次采油的油田有兩個重要作用：一是在一定壓力下提高注水井的吸水量；二是為生產(chǎn)井提供高流通能力的通道，增大注氣或注水效率。（4）排出油田鹽水。油井大量產(chǎn)出鹽水，嚴(yán)重限制了原油的生產(chǎn)。通過水力壓裂可以在任何一個地方打出低壓高注水量的井，供回注鹽水使用。2、水力壓裂裂縫的方位是怎樣的？裂縫總是沿著最有利的方向擴(kuò)展和傳播，一般的情況下裂縫沿垂直于最小主地應(yīng)力的方向擴(kuò)展。由于最小主地應(yīng)力一般都是水平方向，因此裂縫一般是垂直縫，對于直井，裂縫如下圖所示。直井水力壓裂垂直裂縫井眼中，水力壓裂會在垂直于最小地應(yīng)力的方向產(chǎn)生兩個對稱的裂縫翼。如果兩個水平地應(yīng)力相等，裂縫方向就很難確定。3、如何通過水力壓裂得到巖石的最大主應(yīng)力值？（1）一般來講。廣Yh作為主地應(yīng)力之一。我們可以將%與%h作比較，若唱%h，則可以肯定此時02h為最小主應(yīng)力；進(jìn)一步將0z與01h作比較，也就可以以此確定地應(yīng)力的三個主應(yīng)力。因為開裂點方位或開裂裂縫方向可以確定％2h的方位或01h的方向，所以三個地主應(yīng)力的方位也就可以相應(yīng)確定。（2）如果%hNYh，并且孔壁開裂后孔內(nèi)巖體出現(xiàn)水平裂縫，則此時。廣Yh為最小地應(yīng)力，02h與%1h各為中間主應(yīng)力及最大地主應(yīng)力，垂直開裂方向即為最大地應(yīng)力方向。5、黃榮樽法預(yù)測地層破裂壓力的公式是什么？在上世紀(jì)80年代，石油大學(xué)黃榮樽教授提出了新的預(yù)測地層破裂壓力（fracturepressur的方法，其基本假設(shè)如下：（1）地層處于非均勻構(gòu)造應(yīng)力的作用之下；（2）井眼附近存在應(yīng)力效應(yīng)；（3）井壁破裂的原因是井壁應(yīng)力超過巖層抗拉強(qiáng)度。在上述假設(shè)條件下，考慮井眼的應(yīng)力集中，得出直井的破裂壓力表達(dá)式：P=3o—o—aP+ofhHpt其中：o=—^―+wIo—aP）+aPH11-p, 1vPP

:+wIo—aP)+aP、1—日 2vpp式中，W|、w。分別為o方向和空方向的構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系數(shù)。12 H h根據(jù)上兩式，可以把黃榮樽法的表達(dá)式改寫為：=a=aPp+［三T及＞7Pp）+。其中K=3—3w126、瞬時停泵壓力ISIP有什么意義？考慮致密，非滲透性地層，水力壓裂曲線如圖所示。在形成裂縫之前產(chǎn)生峰值壓力，稱為破裂壓力。裂縫形成后壓力將保持恒定或略有增加，此時的壓力是裂縫傳播壓力。如果此時停泵并關(guān)井，壓力下降到一定水平與地應(yīng)力平衡，此時的壓力稱為瞬時停泵壓力（instantaneousshutinpressure）ISIP，從原理上講裂縫閉合時，裂縫內(nèi)流體壓力是可以測量的。一般認(rèn)為瞬時停泵壓力（ISIP）等于裂縫閉第十章油井生產(chǎn)出砂一、填空題1、地層砂可以分為兩種，（充填砂）和（骨架砂），其中（充填砂）并不是防治的對象。二、判斷改錯題1、對于砂巖來說，不同膠結(jié)物的連接強(qiáng)度不同，他們的大小順序是：鐵質(zhì)〉硅質(zhì)〉鈣質(zhì)〉泥質(zhì)。X。把“鐵質(zhì)〉硅質(zhì)〉鈣質(zhì)〉泥質(zhì)”改為“硅質(zhì)〉鐵質(zhì)〉鈣質(zhì)〉泥質(zhì)”。2、砂巖中存在三種膠結(jié)類型，它們的強(qiáng)度大小為：基底膠結(jié)〉接觸膠結(jié)〉孔隙膠結(jié)。X。把“基底膠結(jié)〉接觸膠結(jié)〉孔隙膠結(jié)”改為“基底膠結(jié)〉孔隙膠結(jié)〉接觸膠結(jié)”。三、簡答題1、出砂給生產(chǎn)帶來的危害有哪些？（1）井下、井口采油設(shè)備的磨損和腐蝕產(chǎn)液中帶砂使各種采油泵、管線受到磨損，大大縮短了它們的壽命。對于輸油管線由于砂粒磨損加快了腐蝕速度；（2）井眼穩(wěn)定問題由于出砂使井眼失穩(wěn)而導(dǎo)致套管擠毀、油井報廢。通過對勝利油田某疏松砂巖區(qū)塊資料分析發(fā)現(xiàn)：隨著出砂的加劇和原地層壓力的降低，套損井逐年增加，疏松砂巖儲層油井套管損壞嚴(yán)重，總數(shù)已占10％以上，個別區(qū)塊已達(dá)30％以上。（3）出砂會導(dǎo)致減產(chǎn)或停產(chǎn)作業(yè)油井出砂磨損泵筒與柱塞，降低泵效，甚至損壞采油泵，造成油井減產(chǎn)或停產(chǎn)。2、防砂的主要對象是什么？地層砂可分為兩種：松散砂和骨架砂。當(dāng)流體的流速達(dá)到一定值時，首先使得充填于油層孔道中的未膠結(jié)的砂粒發(fā)生移動，油井開始出砂，這類充填砂的流出是不可避免的，而且起到疏通地層孔隙通道的作用；反之，如果這些充填砂留在地層中，有可能堵塞地層孔隙，造成滲透率下降，產(chǎn)量降低。因此充填砂不是防治的對象。當(dāng)流速和生產(chǎn)壓差達(dá)到某一數(shù)值時，巖石所受的應(yīng)力達(dá)到或超過它的強(qiáng)度，造成巖石結(jié)構(gòu)損壞，使骨架砂變成松散砂，被流體帶走，引起油井大量出砂。防砂的主要對象就是骨架砂，上述情況是在生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量避免的。3、出砂的控制因素有哪些？影響油井出砂的因素很多，概括起來可分為三大類：①地質(zhì)力學(xué)因素，包括：原地應(yīng)力狀態(tài)（垂直地應(yīng)力與原始水平地應(yīng)力）、孔隙壓力、原地溫度、地質(zhì)構(gòu)造等；②砂巖儲層的綜合性質(zhì)井深、砂巖的強(qiáng)度和變形特征、孔隙度、滲透率、泄流半徑、流體的組成（油、氣、水的含量及分布等）、粘土含量、巖石組成、顆粒尺寸和形狀及壓實情況等；③工程因素，包括完井類型、井身結(jié)構(gòu)參數(shù)（井深.井斜、方位、井徑）、完井液的性能、增產(chǎn)措施（壓裂、酸化等）、生產(chǎn)工藝參數(shù)（流速、生產(chǎn)壓差及流量）、油層損害（表皮系數(shù)增大）、放油或關(guān)井方案、人工舉升技術(shù)、油藏衰竭、累計出砂量等。4、什么是主動防砂法？主動防砂法包括礫石充填、繞絲篩管、化學(xué)固結(jié)和地層預(yù)強(qiáng)化等方法。礫石充填是比較重要的一種方法。主動防砂法的共同點：一是價格昂貴；二是會降低油層的滲透率，從而降低油井的生產(chǎn)能力。5、什么是穩(wěn)定砂拱法？穩(wěn)定砂拱法是用水力封隔器將井眼附近地層機(jī)械壓實的方法。其目的是改善地層顆粒之間的橋堵能力。6、如何用破壞準(zhǔn)則對出砂進(jìn)行分析？巖石的破壞形式主要有兩種：剪切破壞和拉伸破