1、第1講 井壁穩定力學的定義、現狀及發展趨勢陳勉中國石油大學（北京）石油工程學院陳勉中國石油大學（北京）石油工程學院 院長國務院學位委員會石油工程學科評議組 召集人全國博士后管理委員會專家組 成員全國工程碩士指導委員會石油工程領域 組長匯報提綱一、井壁穩定力學的定義二、井壁穩定力學研究現狀及手段三、井壁穩定力學研究的發展趨勢儲層儲層隔層油氣鉆井中需要鉆穿不同性質的地層，井壁穩定技術主要是分析地層性質，澄清鉆井復雜機理，解決鉆井復雜問題，提高鉆井效率。油氣鉆井中鉆遇的復雜地層裂縫、孔洞發育的碳酸鹽巖（鉆井復雜：嚴重漏失）遇水分散的層理性泥頁巖（鉆井復雜：井壁坍塌）油氣鉆井中鉆遇的復雜地層強度較低的

2、疏松砂巖（鉆井復雜：縮徑或散塌，起下鉆阻卡）具有蠕變特性的鹽膏巖（鉆井復雜：縮徑阻卡）油氣鉆井中的井壁坍塌問題高地應力造成坍塌弱固結地層散塌裂縫性、破碎性地層坍塌油氣鉆井中的阻卡問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題造成阻卡油氣鉆井中的漏失問題高孔高滲地層的滲漏鉆井液密度過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、溶洞漏失井壁穩定的力學定義是什么？定義：井壁穩定是鉆井過程中通過鉆井液密度、鉆井液體系和鉆井工藝三者的協同來確保井眼不坍塌、不破裂、不縮徑。油氣井工程井壁穩定力學的研究內容 ：如何保證鉆遇地質體結構的穩定如何降低鉆井復雜情況，實現安全

3、、高效鉆井油氣井工程井壁穩定力學的研究對象：鉆遇地質體砂巖、泥巖、碳酸鹽巖、鹽膏巖層理、裂縫、斷層匯報提綱一、井壁穩定力學的定義二、井壁穩定力學研究現狀及手段三、井壁穩定力學研究的發展趨勢 井壁穩定技術經歷了從經驗走向理論然后指導現場的螺旋式、階段化發展的進程！井壁穩定研究面臨的難題井壁穩定研究面臨的難題1.復雜地層條件下的井壁穩定問題l 如深井、高溫大段鹽、膏、泥層的井壁穩定如深井、高溫大段鹽、膏、泥層的井壁穩定; ;l 山前高陡構造、破碎地層井壁穩定問題山前高陡構造、破碎地層井壁穩定問題l 氣體鉆井轉換泥漿后的井壁穩定問題氣體鉆井轉換泥漿后的井壁穩定問題2.井漏問題(主要是指惡性漏失)及由

4、此引發的一些井下復雜問題至今無一有效可靠的技術。主要由工程經驗來解決問題。 “惡性漏失惡性漏失”主要表現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無出的嚴重較大的天然裂縫及溶洞引起的有進無出的嚴重( (漏速很大、很難堵住漏速很大、很難堵住)漏失漏失l 長井段低承壓地層長井段低承壓地層“隨機性、多點漏失隨機性、多點漏失” ” ( (漏速很大、很難堵住漏速很大、很難堵住)問題問題井壁穩定研究面臨的難題3.窄安全密度窗口安全鉆井問題: 當漏、噴、塌、當漏、噴、塌、位于同一裸眼井段位于同一裸眼井段( (同層同層

5、) )，則引發出多種復雜問，則引發出多種復雜問題題: :主要歸納為窄或負安全密度窗口的安全鉆井復雜問題，成為目前鉆井主要歸納為窄或負安全密度窗口的安全鉆井復雜問題，成為目前鉆井工程亟待解決的重大技術難題，而噴和漏構成的窄或負安全密度窗口的工程亟待解決的重大技術難題，而噴和漏構成的窄或負安全密度窗口的安全鉆井問題則更為復雜、困難和危險安全鉆井問題則更為復雜、困難和危險, ,是我們當前重點攻關解決的重大是我們當前重點攻關解決的重大難題。難題。 井壁穩定研究面臨的難題井壁失穩的原因井壁失穩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）鉆井液和泥頁巖化學作用的強弱（水

6、化膨脹）鉆井液和泥頁巖化學作用的強弱（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間井眼裸露的時間鉆井液的環空反速對井壁的沖刷作用鉆井液的環空反速對井壁的沖刷作用循環波動壓力和起下鉆的激動壓力循環波動壓力和起下鉆的激動壓力井眼軌跡井眼軌跡鉆柱對井壁的摩擦和碰撞研究井壁失穩的角度研究井壁失穩的角度井壁穩定的研究現狀地層的失穩機理與控制方法地層分類地層的失穩機理與控制方法敏感性頁巖地層 失穩機理控制方法裂縫性地層Germanovich觀點李鷺光觀點地層的失穩機理與控制方法流變地層(軟泥巖、膏巖鹽)力學角度：物理學角度:地層的失穩機理與控制方法強度各向異性地

7、層微觀結構宏觀結構：地層的失穩機理與控制方法研究方法井壁穩定研究方法匯報提綱一、井壁穩定力學的定義二、井壁穩定力學研究現狀及手段三、井壁穩定力學研究的發展趨勢復雜巖性地層井壁失穩仍然是制約井壁穩定技術發展的關鍵難題，也是井壁穩定技術攻關的長期方向。井壁穩定力學機理發展趨勢利用隨鉆測量工具來利用隨鉆測量工具來獲得井壁的實時信息獲得井壁的實時信息結合測井資料來分析結合測井資料來分析井壁的力學穩定性井壁的力學穩定性利用對巖屑的測量獲利用對巖屑的測量獲得擬聲波測井結果和得擬聲波測井結果和巖石強度參數來分析巖石強度參數來分析井壁的力學穩定性井壁的力學穩定性鉆井過程中實時預測優點優點：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缺點：設備成本高，井徑不規則：設備成本高，井徑不規則時影響精度時影響精度優點優點：操作簡單，成本低廉：操作簡單，成本低廉缺點缺點：鉆屑采集困難：鉆屑采集困難(非膠結地非膠結地層、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題屑顆粒加工困難等問題井壁穩定力學機理發展趨勢井壁穩定力學機理發展趨勢中國石油大學（北京）巖石力學實驗室介紹人員組成：人員組成：陳陳 勉勉 教授，教授，方向負責人、石油工程學院院長，國務院學位委員方向負責人、石油工程學院院長，國務院學位委員會石油與天然氣學科召集人會石油與天然氣學科召集人金金 衍衍 教授，教

9、授，教育部新世紀人才教育部新世紀人才陳康平陳康平 教授，教授，美國總統基金獲得者美國總統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 講師講師盧運虎盧運虎 講師講師實驗技術人員實驗技術人員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人人近五年標志性成果1.1.國家獎及省部級獎國家獎及省部級獎“大幅度提高油氣產量的非平面壓裂技術與工業化應用”20092009年年 國家科技進步二等獎，第一單位、第國家科技進步二等獎，第一單位、第1 1、4 4、7 7完成人完成人20092009年年 北京市技進步一等獎，第二單位、第北京市技進步一等獎，第二單位、

10、第2 2、3 3完成人完成人“高應力強水敏深層鉆井圍巖穩定技術及工業化應用”“深部儲層應力與裂縫擴展的動態耦合理論與應用研究”20082008年年 中國巖石力學與工程學會特等獎，第一單位、第中國巖石力學與工程學會特等獎，第一單位、第1 1、3 3、5 5完成人完成人“非平面水力裂縫設計方法及控制壓裂提高油氣產量技術”20072007年年 教育部科技進步一等獎，第一單位、第教育部科技進步一等獎，第一單位、第1 1、3 3、5 5完成人完成人20112011年中國石油與化學工業學會科技進步二等獎，第一單位年中國石油與化學工業學會科技進步二等獎，第一單位“定向井井壁失穩控制技術與應用”2010201

11、0年年 中石油集團科技進步二等獎，第二單位、第中石油集團科技進步二等獎，第二單位、第3 3、6 6、9 9完成人完成人“庫車前緣隆起帶鹽下水平井鉆井技術研究與實踐”近五年標志性成果2.2.國家發明專利國家發明專利序號序號項項 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測坍塌壓力與破裂壓力方法利用地震層速度鉆前預測坍塌壓力與破裂壓力方法井壁穩定鉆前預測井壁穩定鉆前預測2 2利用地震記錄預測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測井眼待鉆井段坍塌壓力和破裂壓力的方法3 3一種隨鉆預測鉆頭底下地層孔隙壓力的方法一種隨鉆預測鉆頭底下地層孔隙壓力的方法井壁穩定隨鉆預測井壁穩定

12、隨鉆預測4 4一種隨鉆預測鉆頭底下地層坍塌壓力和破裂壓力的方法一種隨鉆預測鉆頭底下地層坍塌壓力和破裂壓力的方法5 5一種評價篩管篩網擋砂性能的裝置一種評價篩管篩網擋砂性能的裝置防砂防砂6 6一種評測防砂篩管的防砂性能的裝置、系統及方法一種評測防砂篩管的防砂性能的裝置、系統及方法7 7大尺寸真三軸鉆井堵漏評價裝置大尺寸真三軸鉆井堵漏評價裝置防漏堵漏防漏堵漏8 8應力敏感性地層鉆井堵漏模擬評價裝置應力敏感性地層鉆井堵漏模擬評價裝置9 9一種利用測井資料檢測高壓鹽水層孔隙壓力的方法一種利用測井資料檢測高壓鹽水層孔隙壓力的方法 孔隙壓力預測孔隙壓力預測1010高壓鹽水層區域分布的識別方法高壓鹽水層區域

13、分布的識別方法 1111一種利用測井資料預測碳酸鹽巖地層孔隙壓力的方法一種利用測井資料預測碳酸鹽巖地層孔隙壓力的方法 1212一種可視化實時監測水力裂縫擴展的方法一種可視化實時監測水力裂縫擴展的方法水力壓裂水力壓裂1313一種計算巖石一種計算巖石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志性成果3.3.論文論文國外刊物發表論文國外刊物發表論文 2121篇篇國內核心期刊論文國內核心期刊論文 4545篇篇Tuncay,K.Tuncay,K.（美國）（美國）2. Helstrup2. Hel

14、strup （澳大利亞）（澳大利亞）3. Rutqvist3. Rutqvist,J.,J.（美國）（美國）4. Ozkaya4. Ozkaya（美國）（美國）5. Roegiers5. Roegiers（美國）（美國）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國際會議國際會議 8 8 篇篇專著專著 3 3 部部得到國際同行權威的高度評價得到國際同行權威的高度評價APOGCEAPOGCE，30 Oct.07,Jakarta,Indonesia3

17、0 Oct.07,Jakarta,Indonesia實驗室實驗能力常規巖石力學參數測試常規巖石力學參數測試地應力測試地應力測試井壁穩定模擬井壁穩定模擬水力壓裂模擬水力壓裂模擬出砂模擬及防砂評價出砂模擬及防砂評價巖石可鉆性評價巖石可鉆性評價套管損壞物理模擬與腐蝕評價套管損壞物理模擬與腐蝕評價國家重點實驗室的組成部分國家重點實驗室的組成部分211211井壁穩定實驗室井壁穩定實驗室中石油鉆井重點實驗室井壁中石油鉆井重點實驗室井壁穩定研究室穩定研究室中石油儲層改造重點實驗室中石油儲層改造重點實驗室壓裂物理模擬研究室壓裂物理模擬研究室教育部重點實驗室的組成教育部重點實驗室的組成中國巖石力學與工程學會深中

18、國巖石力學與工程學會深層巖石力學專業委員會層巖石力學專業委員會MTS-816MTS-816巖石力學三軸試驗機巖石力學三軸試驗機美國高溫高壓巖石多功能流變儀美國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射測試系統聲發射測試系統巖心滲透率測試儀巖心滲透率測試儀美國高溫高壓線性膨脹儀美國高溫高壓線性膨脹儀實驗室實驗能力井筒變形大型物理模擬實驗裝置承壓堵漏實驗評價裝置承壓堵漏實驗評價裝置防砂管柱實驗裝置防砂管柱實驗裝置水力壓裂大型物理模擬實驗裝置彎曲井眼套管強度測試實驗裝置實驗室實驗能力實驗室研究方向深部地層工程地質特征研究深部地層工程地質特征研究；深層地應力測量技術；深層地應力測量技術；深部地層環境下的巖石力學性質；深部地層環境下的巖石力學性質；巖石應力、滲透性的聲學響應特性及巖石物理力學性質的地球物理解釋；巖石應力、滲透性的聲學響應特性及巖石物理力學性質的地球物理解釋；構造應力場的數值模擬及其在油氣勘探與開發中的應用；構造應力場的數值模擬及其在油氣勘探與開發