基于ABAQUS水平井钻进过程中的井壁稳定性分析
发布时间：2021-10-11 08:00
页岩气、页岩油的勘探开发是继煤层气、致密砂岩气等非常规能源之后的又一次能源变革,对此世界各国都开展了相应的理论研究与现场应用。钻井过程中页岩储层的不稳定,主要形式有井壁坍塌、井漏、缩径、卡钻等。储层的不稳定延长了钻井周期,加大了页岩气开发成本。引起井壁失稳的主要原因是钻井过程打破了井壁原有的地应力平衡状态,其次井壁储层岩石的强度会在钻井液等侵入后发生软化,引起井眼周围应力场重新分布,形成应力集中使得岩石的天然裂缝和衍生缝扩展、延伸、贯通,最后导致井壁失稳。此外,由于页岩储层渗透率较低,直井钻井方式已不能满足产能需求,为此只能采用水平井的开采方式来提高产能,但对于水平井在钻遇大斜度井段和水平井段时,地层极易发生坍塌、卡钻等井壁不稳定现象,尤其对于页岩等层理性地层的开发,更加大了对井壁稳定性的要求以及给水平井钻井工艺带来了挑战。所以,分析页岩水平井井壁稳定机理对页岩勘探开发尤为重要。本文从以下四个方面来研究页岩水平井的井壁稳定性:（1）岩土工程中的渗流问题属于非稳态渗流,在钻进过程中,地层孔隙压力的变化,首先给骨架中的有效应力带来改变,从而引起孔隙度、渗透率的变化;其次,上述变化又会带来孔...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线
西安石油大学硕士学位论文8第二章岩土的流固耦合原理2.1岩土介质渗流-应力耦合理论流固耦合理论是结合了固体力学和渗流力学后形成的一个力学分支，它主要研究岩石力学中岩体与流体相互作用[38]。近年来国内外岩土工程界热衷于对岩石低渗透性进行研究，而我国在低渗透油气田开发应用和石油与天然气运输储存等工程上，需在复杂的地质结构中进行地下工程施工，都涉及了岩土的流固耦合原理。2.1.1渗流-应力耦合的力学机理传统的流固耦合认为岩土的渗透率和孔隙度是个定值，不会随着耦合作用的发生产生变化。但实际的耦合作用中，骨架中的有效应力会随着孔隙压力的改变而发生变化，从而渗透率、孔隙度也会有变动，随后孔隙压力和孔隙中的流体又会受到渗透率和孔隙度的影响。因此需要把岩体强度的改变或本身的形变与孔隙中流体的流动规律所造成的影响也考虑进去，是岩体中应力场和渗流场之间的相互耦合作用[39]。介质的变形和水体流动之间的相互作用产生了流-固耦合的现象，这种相互作用的原理如图2-1所示。其中过程I和II称为“直接耦合”，是由于空隙水和介质的变形相互作用而导致的；过程III和IV为“间接耦合”，是由于渗透系数随着孔隙度的变化而发生相应的改变，而渗透系数和孔隙度又会随着有效应力的改变而改变。而孔隙的减少会引起介质中的水分减少，介质的强度也会随之增大。“间接耦合”可以引起非线性的耦合系统，致使岩石的渗透系数出现各项异性。图2-1流-固耦合相互作用机理
西安石油大学硕士学位论文10示。有效应力指的是固体颗粒骨架承担并且通过固体颗粒间的相互接触而传递的应力。孔隙压力指的是孔隙中流体所承担或传递的应力，并且孔隙流体只能承受法向应力，不能承受剪切应力。当地层岩石受到外载荷的作用后，固体颗粒骨架会产生部分形变，从而引起岩石的渗透率、孔隙度等发生对应的变动。当固体颗粒骨架发生形变后，孔隙中流体的流动状况和流体压力也会发生变化，所以由固体颗粒骨架和孔隙流体来承担外载荷的作用[40]。图2-2有效应力原理示意图采用Biot有效应力的方法，定义将岩石所受到的拉应力为正值，定义在非饱和的区域以孔隙压力为负值，在饱和区的孔隙压力受到压力为正值。Biot有效应力的表达式为：ppwijijij1"（2-6）式中，ij为总应力；ij"为有效应力；p分别和为孔隙气压力；wp为孔隙水压力；通常接近1，取1；为Biot系数，表达式为：SVKK-1（2-7）式中，SK为固体颗粒的压缩模量；VK为岩石的体积压缩模量。于是，有效应力的表达式可表示为：ppspsijijwwwijijij1"（2-8）式中，p为孔隙气压力和孔隙水压力的平均值。可通过相关实验研究来计算毛细压力wcppp与饱和度ws的函数关系来解决非饱和流体的问题。饱和度ws与渗透系数存在着一定的关系，可表示为：30wskk（2-9）2.1.4应力平衡方程和渗流连续方程本节主要研究水和空气两相流体，假设水无粘滞性，且空气不溶于水。与此同时假
【参考文献】：
期刊论文
[1]泥页岩层井壁稳定问题与钻井液体系的优化——以伊拉克格拉芙油田为例[J]. 高鹏. 重庆科技学院学报(自然科学版). 2019(03)
[2]修正剑桥模型在深水浅层石油钻井井壁稳定中的应用[J]. 陈卓,邓金根,蔚宝华. 力学与实践. 2019(03)
[3]致密油体积压裂水平井流固全耦合流动模拟[J]. 任龙,苏玉亮,周德胜,詹世远,景成,孙健. 岩石力学与工程学报. 2019(S1)
[4]基于渗流和水化的泥页岩破裂压力计算模型[J]. 赵晓姣,屈展,樊恒,王萍,安风菊. 应用力学学报. 2019(02)
[5]定向井坍塌压力上限对钻井安全密度窗口的影响[J]. 袁俊亮,周建良,邓金根,吴旭东,王名春,张帆. 石油钻采工艺. 2018(05)
[6]诺1井钻井液技术及复杂情况处理[J]. 邱春阳,叶洪超,王兴胜,温守云,陈二丁,张海青. 钻井液与完井液. 2017(06)
[7]弹性参数各向异性对页岩井周应力的影响[J]. 曹文科,邓金根,蔚宝华,刘伟,李扬. 西安石油大学学报(自然科学版). 2016(05)
[8]基于核磁共振的脆硬性泥页岩水化损伤演化研究[J]. 王萍,屈展. 岩土力学. 2015(03)
[9]鄂尔多斯盆地Z区长8超低渗透率储层地应力特征研究[J]. 赵军龙,孙鹏,蔡振东,何小菊. 测井技术. 2015(01)
[10]各向异性地层中斜井井壁失稳机理[J]. 卢运虎,陈勉,袁建波,金衍,滕学清. 石油学报. 2013(03)
博士论文
[1]流固耦合作用下岩体渗流演化规律与突水灾变机理研究[D]. 黄震.中国矿业大学 2016
[2]井壁稳定问题的断裂损伤力学机理的研究[D]. 郑贵.哈尔滨工程大学 2005
硕士论文
[1]地应力测量方法及岩爆分析研究[D]. 李振刚.安徽理工大学 2018
[2]页岩水平井应力—应变场分析及数值模拟[D]. 刘海峰.西安石油大学 2017
[3]强渗流场作用下砂岩的渗流特性及渗流损伤破坏机理试验研究[D]. 梁健业.厦门大学 2017
[4]基于损伤机理的井壁应力分布及井壁稳定性研究[D]. 魏明国.东北石油大学 2014
[5]地应力与井壁稳定性关系研究[D]. 梁涛.中国地质大学(北京) 2012
本文编号：3430114
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
技术路线
西安石油大学硕士学位论文8第二章岩土的流固耦合原理2.1岩土介质渗流-应力耦合理论流固耦合理论是结合了固体力学和渗流力学后形成的一个力学分支，它主要研究岩石力学中岩体与流体相互作用[38]。近年来国内外岩土工程界热衷于对岩石低渗透性进行研究，而我国在低渗透油气田开发应用和石油与天然气运输储存等工程上，需在复杂的地质结构中进行地下工程施工，都涉及了岩土的流固耦合原理。2.1.1渗流-应力耦合的力学机理传统的流固耦合认为岩土的渗透率和孔隙度是个定值，不会随着耦合作用的发生产生变化。但实际的耦合作用中，骨架中的有效应力会随着孔隙压力的改变而发生变化，从而渗透率、孔隙度也会有变动，随后孔隙压力和孔隙中的流体又会受到渗透率和孔隙度的影响。因此需要把岩体强度的改变或本身的形变与孔隙中流体的流动规律所造成的影响也考虑进去，是岩体中应力场和渗流场之间的相互耦合作用[39]。介质的变形和水体流动之间的相互作用产生了流-固耦合的现象，这种相互作用的原理如图2-1所示。其中过程I和II称为“直接耦合”，是由于空隙水和介质的变形相互作用而导致的；过程III和IV为“间接耦合”，是由于渗透系数随着孔隙度的变化而发生相应的改变，而渗透系数和孔隙度又会随着有效应力的改变而改变。而孔隙的减少会引起介质中的水分减少，介质的强度也会随之增大。“间接耦合”可以引起非线性的耦合系统，致使岩石的渗透系数出现各项异性。图2-1流-固耦合相互作用机理
西安石油大学硕士学位论文10示。有效应力指的是固体颗粒骨架承担并且通过固体颗粒间的相互接触而传递的应力。孔隙压力指的是孔隙中流体所承担或传递的应力，并且孔隙流体只能承受法向应力，不能承受剪切应力。当地层岩石受到外载荷的作用后，固体颗粒骨架会产生部分形变，从而引起岩石的渗透率、孔隙度等发生对应的变动。当固体颗粒骨架发生形变后，孔隙中流体的流动状况和流体压力也会发生变化，所以由固体颗粒骨架和孔隙流体来承担外载荷的作用[40]。图2-2有效应力原理示意图采用Biot有效应力的方法，定义将岩石所受到的拉应力为正值，定义在非饱和的区域以孔隙压力为负值，在饱和区的孔隙压力受到压力为正值。Biot有效应力的表达式为：ppwijijij1"（2-6）式中，ij为总应力；ij"为有效应力；p分别和为孔隙气压力；wp为孔隙水压力；通常接近1，取1；为Biot系数，表达式为：SVKK-1（2-7）式中，SK为固体颗粒的压缩模量；VK为岩石的体积压缩模量。于是，有效应力的表达式可表示为：ppspsijijwwwijijij1"（2-8）式中，p为孔隙气压力和孔隙水压力的平均值。可通过相关实验研究来计算毛细压力wcppp与饱和度ws的函数关系来解决非饱和流体的问题。饱和度ws与渗透系数存在着一定的关系，可表示为：30wskk（2-9）2.1.4应力平衡方程和渗流连续方程本节主要研究水和空气两相流体，假设水无粘滞性，且空气不溶于水。与此同时假
【参考文献】：
期刊论文
[1]泥页岩层井壁稳定问题与钻井液体系的优化——以伊拉克格拉芙油田为例[J]. 高鹏. 重庆科技学院学报(自然科学版). 2019(03)
[2]修正剑桥模型在深水浅层石油钻井井壁稳定中的应用[J]. 陈卓,邓金根,蔚宝华. 力学与实践. 2019(03)
[3]致密油体积压裂水平井流固全耦合流动模拟[J]. 任龙,苏玉亮,周德胜,詹世远,景成,孙健. 岩石力学与工程学报. 2019(S1)
[4]基于渗流和水化的泥页岩破裂压力计算模型[J]. 赵晓姣,屈展,樊恒,王萍,安风菊. 应用力学学报. 2019(02)
[5]定向井坍塌压力上限对钻井安全密度窗口的影响[J]. 袁俊亮,周建良,邓金根,吴旭东,王名春,张帆. 石油钻采工艺. 2018(05)
[6]诺1井钻井液技术及复杂情况处理[J]. 邱春阳,叶洪超,王兴胜,温守云,陈二丁,张海青. 钻井液与完井液. 2017(06)
[7]弹性参数各向异性对页岩井周应力的影响[J]. 曹文科,邓金根,蔚宝华,刘伟,李扬. 西安石油大学学报(自然科学版). 2016(05)
[8]基于核磁共振的脆硬性泥页岩水化损伤演化研究[J]. 王萍,屈展. 岩土力学. 2015(03)
[9]鄂尔多斯盆地Z区长8超低渗透率储层地应力特征研究[J]. 赵军龙,孙鹏,蔡振东,何小菊. 测井技术. 2015(01)
[10]各向异性地层中斜井井壁失稳机理[J]. 卢运虎,陈勉,袁建波,金衍,滕学清. 石油学报. 2013(03)
博士论文
[1]流固耦合作用下岩体渗流演化规律与突水灾变机理研究[D]. 黄震.中国矿业大学 2016
[2]井壁稳定问题的断裂损伤力学机理的研究[D]. 郑贵.哈尔滨工程大学 2005
硕士论文
[1]地应力测量方法及岩爆分析研究[D]. 李振刚.安徽理工大学 2018
[2]页岩水平井应力—应变场分析及数值模拟[D]. 刘海峰.西安石油大学 2017
[3]强渗流场作用下砂岩的渗流特性及渗流损伤破坏机理试验研究[D]. 梁健业.厦门大学 2017
[4]基于损伤机理的井壁应力分布及井壁稳定性研究[D]. 魏明国.东北石油大学 2014
[5]地应力与井壁稳定性关系研究[D]. 梁涛.中国地质大学(北京) 2012
本文编号：3430114
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