第6章2：井壁稳定力学与化学

井内泥浆对泥页岩的化学作用,最终可以归结到对 井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力 状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力 学性能,使岩石强度降低;
另一方面产生水化膨胀,如果这种膨胀受到约束便 会产生膨胀压力,从而改变近井壁的应力状态。
井内泥浆对泥页岩的作用机制不难理解,但如何将 这种化学作用带来的力学效应加以定量化,并将其同 纯力学效应结合起来研究井壁稳定性问题,过去相当 长时间的研究中没有考虑这一问题。到目前为止,国 内外关于化学力学耦合的文献很少。从文献资料来 看,其研究方法主要表现在两个方面,即实验研究和理 论研究两方面。
岩石越来越不稳定。
2) Sv > Sh1 = Sh2 地层坍塌压力与井斜方位角无关。并且, 随着井
斜角增大, 井壁坍塌压力开始变化较小,后随井斜角 的增大, 井壁坍塌压力逐渐增大。
3) Sh1 > Sv > Sh2 根据国家地震局的水压致裂的压力测量结果表明,
在钻井深度范围内, 我国绝大多数地区处于此种应力 状态。此时, 随着井斜角的增大, 井壁坍塌压力逐渐 减小, 井壁趋于稳定。
φ= 28°, C = 18M Pa, η= 1。
3) Sh1 > S v > Sh2 原始资料: Sv = 10519M Pa, Sh1 = 11218M Pa, Sh2 = 7813M Pa,
Pp = 46103M Pa, φ=2616°, C = 23195M Pa, η= 0.4。
4) Sh1 > Sh2 > Sv 处于这种原地应力状态的现场资料极为少见, 这里给定: Sv =
研究思路：
1. 钻井液与泥页岩间的化学位差是导致水进出页岩的主要驱 动力之一。 2. 化学位差导致的水进出泥页岩改变了近井眼处孔隙压力、 页岩强度、近井眼处有效应力状态, 从而导致了井壁失稳的 发生。 3. 综合考虑钻井液与页岩相互作用时的力学与化学方面的相 互影响, 建立斜井中泥页岩井眼稳定的力学、化学耦合模型。

– 非线弹性模型
– 多孔弹性介质模型
p
Drained test Undrained test p
对于排水实验，静水应力与体积应变的关系如下：
p K fr v
对于非排水实验，静水应力与体积应变的关系为：
C p p p K fr v M
C pp 有效应力定义： p M
v=(m-p)/K
基本概念：

塑性变形
外力去除后，变形不能恢复
•屈服函数
F(,H)<0 弹性变形
F(,H)=0 塑性变形
•应变硬化
•扩容 随着塑性应变的增加，体积增大的现象。
• 典型岩石的变形特征和破坏特性
– 常温常压下岩石的力学性质 Miller将单轴压缩应力应变曲线分为六类： 弹性变形 弹-塑性变形 塑-弹性变形 塑-弹-塑性变形 塑-弹-塑性变形 弹-塑-蠕变
z zx zy
3 y yz yx
2 x xz xy 1 1 > 2 > 3
– 偏应力和八面体应力
应力可分解为偏应力和静水应力分量 平均应力（或静水应力） m= I1/3 偏应力 Sij=ij-ij m
• 静力平衡方程
z y x y
y
y y
dy
x yx zx X 0 x y z y xy zy Y 0 y x z z xz yz Z 0 z x y
• Mohr’s stress circle
1 1 1 2 1 2 cos 2 2 2 1 1 2 sin 2 2
二、钻井地质力学环境描述
（一）弹性力学基础

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岩石力学与井壁稳定性调研
煤层气井壁稳定性—极限平衡法
近井壁围岩应力分析
井壁围岩为连续体
割理引起的诱导应力分析 考虑多条割理分布的煤层应力场分析
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岩石力学与井壁稳定性调研
参考文献
发展历史
目录
研究现状
存在问题
实例分析
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PART 1
参考文献展示
参考文献
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岩石力学与井壁稳定性调研
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研究目的
阐明煤层中端割理和面割理等不连续面对 井壁稳定的影响
建模假设
煤岩块体用可变形块体来模拟 本构方程选用摩尔-库伦模型 。 面割理和端割理的本构模型 选用摩尔-库伦节理模型
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井周应力场分析
井周热应力表达式：
井周渗力场变化表达式：
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代生活和生产是相脱 节的。 如何打破基础物理 “ 无用 ”的错误偏 见？ 作者针对我校石 油类专 业学 生就业 主要 面 向油 田各 个领 域 的特
其 中，ｐ 为上覆岩层竖直方 向的平均密度 ［ ｋ ｇ ／ ｍ ２ ］． ｇ 为重力加
速度 ［ ｍ ／ ｓ ］． Ｈ为井深 ［ ｍ］ 。该 微 元 在 水平 面 内 的受 力 如 图 ２
知识和经验 ， 通过运行各种钻井设备 ，实施相应 的技术工艺 ，用钻头 在地层中形成一个规则 的井眼的过程 ，它包含有一 系列的钻井措施 和
工艺。但 是 ，钻井工程是隐蔽性很强 的地下工程 ，施工 过程中所产生 的很多问题都是不可见 的。例如 ，井壁 的稳定性 问题就是限制钻井 速 度的重要瓶颈之一。井壁如何保持稳定 ，以往 总是从岩石的化学性 质
企 业 管 理
物理知识应用实践之钻井井壁稳定性的力学分析
陈 枫 （ 山东胜利职业学院
摘
山东
东营 ２ ５ ７ ０ ０ ０ ）
要 ：井壁稳定问题是 限制钻 井速度的重要瓶 颈之一 ，为 了给钻 井现场施 工提 供强有 力的理论 基础 ，通过物理方 法，利 用柱 面坐标 ，建
立了竖直 圆柱井筒围岩力学模型 ，得到 了简化条件 下的井下岩石受 力表达式 ，指 出由于井下围岩 压力 占主导 地位 ，对造成 井壁岩石 失效的判 断
确定地层原始地应力 ，然后计算出钻井过程 形成井眼后 ，周 围地层 岩
！ ！
： 一
（ ３ ）
石的应力分布公式 ，结合地层岩石 的强度性 质数据就可确定理 论上岩 石状态被破坏 的压力 ，从而确定保持井壁稳定所需 的外 力范围 （ 主要 是钻井液液柱压力 ，可计算 出钻 井液密度 ） ，当钻井过程 中井壁 四周 地层岩石所受应力超过了岩石的强度时 ， 表现 为井壁失稳 ；当岩石井 壁 四周地层所受应力小于岩石的强 度时， 表现为井壁稳定 。 国外 已有文献对从井壁围岩的力学特性出发 ，讨论井壁 稳定性的 论述很 多，主要有 四个模 型。１ ）基 于线弹性 理论 ，通 过库伦一摩尔