基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性
发布时间：2021-11-16 09:38
为了准确了解煤岩井壁稳定性及坍塌规律,基于3DEC离散元软件,完成了对煤层井壁稳定的仿真模拟分析,验证了3DEC离散元软件应用于煤岩井壁稳定研究的可行性和相对于弹性力学连续性介质理论的优越性。考虑到简化计算和边界效应,物理模型采用内外双重建模;为更好地反映煤岩井周割理情况,内层模型采用离散型裂隙网络（discrete fracture network,DFN）技术。通过与不考虑割理面的弹性力学连续介质模型对比,验证了割理发育对煤岩井壁稳定的影响;通过位移云图来评价煤岩直井和水平井的井壁稳定性和垮塌掉落情况,且三维模型直观地展示了井壁失稳过程;完成了有效液柱压力、割理和井眼走向对煤岩井壁稳定的影响分析,得出结论:随着有效液柱压力的增大,井壁稳定性越来越强;割理尺寸、密度和产状的情况对井壁稳定仿真模拟影响巨大,模拟前应充分统计割理分布情况;在所设条件下,沿最大水平主地应力方向的水平井较直井更加稳定。
【文章来源】：科学技术与工程. 2020,20(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
物理模型
塔里木油田库车北部构造带迪北区块2012～2016年间共完钻7口井,每口井均钻遇煤层。煤层主要分布在侏罗系中统克孜努尔组和下统阳霞组,埋深普遍超过4 000 m。由于煤岩本身特性,煤层段易发生井径扩大、井眼坍塌、遇阻卡钻、钻井液漏失等井下复杂情况。同时,经实钻证实,库车北部构造带侏罗系煤系地层井壁稳定性差,且煤系地层油气水活跃,安全密度窗口窄,事故复杂频发,大斜度井条件下安全钻井问题更加突出。以DB-X01井为例,煤岩与割理力学参数如下:煤岩体积模量1.5 GPa,剪切模量0.9 GPa,密度为1 267 kg/m3。割理法向刚度为6.82 GPa,割理剪切刚度15.9 MPa,割理内聚力为2.4 MPa,割理内摩擦角12°。
在有限次迭代后,观测点位移趋于稳定,模型达到平衡,如图2所示。根据图3所示位移云图可知,在井壁处的最大径向位移3.76 cm,达到井眼尺寸的18.8%,说明已经发生了井壁失稳。受割理面的影响,率先出现块体掉落的方位并不严格对应于最大水平主应力方位,而是被割理切割而成的较小块体先行掉落。但整体上而言,仍是沿着最大水平主应力方向位移较大,与岩石力学经典理论相符合。且根据位移云图可得出结论,割理面的出现使得煤岩块体的位移表现出非连续性,是由于割理弱面的存在,根据弱面准则,割理面先于煤岩本体发生破坏。在观测点位移图中(图4),(0.1,0,0)和(-0.1,0,0)两点的位移大于(0,0.1,1)、(0,-0.1,1)的位移,是由于(0.1,0,0)和(-0.1,0,0)两点在最大水平主应力方向。然而,(0.1,0,0)和(-0.1,0,0)两点虽然处于应力对称位置,但点(0.1,0,0)的位移仍大于点(-0.1,0,0)的位移,这是因为虽然两个观测点的应力大小相等,但是两点所在的位置割理发育情况不同,导致了位移的差异,这也证明了割理在研究煤岩地层井壁稳定中的重要性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤中弱面对煤岩抗拉强度影响的力学试验分析[J]. 艾池,李晓璇,李玉伟,贾丹,张军. 中国煤炭地质. 2017(02)
[2]基于3DEC的隧道开挖围岩变形特性研究[J]. 高永涛,柴金飞,吴顺川,金爱兵. 矿业研究与开发. 2015(08)
[3]吐哈盆地沙尔湖凹陷侏罗系煤层气勘探新认识[J]. 李新宁,梁辉,姚梦多,蒲振山,郑玉萍,张品,李宏伟,贾雪莉,王德润. 科学技术与工程. 2015(16)
[4]层理性泥页岩大斜度井井壁稳定性研究[J]. 赵凯,邓金根,蔚宝华,谭强,袁俊亮. 科学技术与工程. 2013(05)
[5]离散单元法评价煤层井壁稳定性[J]. 尹虎,李黔,郭亮,蒋理波,李强. 天然气工业. 2012(11)
[6]三维离散元在煤层水平井井壁稳定中的应用[J]. 屈平,申瑞臣,付利,张学磊,杨恒林. 石油学报. 2011(01)
[7]节理岩体数值计算方法及其应用（一）:方法与讨论[J]. 朱焕春,Brummer Richard,Andrieux Patrick. 岩石力学与工程学报. 2004(20)
[8]煤系泥岩组分特征及其对岩石力学性质的影响[J]. 孟召平,彭苏萍. 煤田地质与勘探. 2004(02)
[9]岩石弱面结构对井壁稳定性的影响[J]. 刘向君,叶仲斌,陈一健. 天然气工业. 2002(02)
[10]煤岩力学特性测试与煤层气井水力压裂力学机理研究[J]. 李志刚,付胜利,乌效鸣,李同林. 石油钻探技术. 2000(03)
本文编号：3498621
【文章来源】：科学技术与工程. 2020,20(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
物理模型
塔里木油田库车北部构造带迪北区块2012～2016年间共完钻7口井,每口井均钻遇煤层。煤层主要分布在侏罗系中统克孜努尔组和下统阳霞组,埋深普遍超过4 000 m。由于煤岩本身特性,煤层段易发生井径扩大、井眼坍塌、遇阻卡钻、钻井液漏失等井下复杂情况。同时,经实钻证实,库车北部构造带侏罗系煤系地层井壁稳定性差,且煤系地层油气水活跃,安全密度窗口窄,事故复杂频发,大斜度井条件下安全钻井问题更加突出。以DB-X01井为例,煤岩与割理力学参数如下:煤岩体积模量1.5 GPa,剪切模量0.9 GPa,密度为1 267 kg/m3。割理法向刚度为6.82 GPa,割理剪切刚度15.9 MPa,割理内聚力为2.4 MPa,割理内摩擦角12°。
在有限次迭代后,观测点位移趋于稳定,模型达到平衡,如图2所示。根据图3所示位移云图可知,在井壁处的最大径向位移3.76 cm,达到井眼尺寸的18.8%,说明已经发生了井壁失稳。受割理面的影响,率先出现块体掉落的方位并不严格对应于最大水平主应力方位,而是被割理切割而成的较小块体先行掉落。但整体上而言,仍是沿着最大水平主应力方向位移较大,与岩石力学经典理论相符合。且根据位移云图可得出结论,割理面的出现使得煤岩块体的位移表现出非连续性,是由于割理弱面的存在,根据弱面准则,割理面先于煤岩本体发生破坏。在观测点位移图中(图4),(0.1,0,0)和(-0.1,0,0)两点的位移大于(0,0.1,1)、(0,-0.1,1)的位移,是由于(0.1,0,0)和(-0.1,0,0)两点在最大水平主应力方向。然而,(0.1,0,0)和(-0.1,0,0)两点虽然处于应力对称位置,但点(0.1,0,0)的位移仍大于点(-0.1,0,0)的位移,这是因为虽然两个观测点的应力大小相等,但是两点所在的位置割理发育情况不同,导致了位移的差异,这也证明了割理在研究煤岩地层井壁稳定中的重要性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤中弱面对煤岩抗拉强度影响的力学试验分析[J]. 艾池,李晓璇,李玉伟,贾丹,张军. 中国煤炭地质. 2017(02)
[2]基于3DEC的隧道开挖围岩变形特性研究[J]. 高永涛,柴金飞,吴顺川,金爱兵. 矿业研究与开发. 2015(08)
[3]吐哈盆地沙尔湖凹陷侏罗系煤层气勘探新认识[J]. 李新宁,梁辉,姚梦多,蒲振山,郑玉萍,张品,李宏伟,贾雪莉,王德润. 科学技术与工程. 2015(16)
[4]层理性泥页岩大斜度井井壁稳定性研究[J]. 赵凯,邓金根,蔚宝华,谭强,袁俊亮. 科学技术与工程. 2013(05)
[5]离散单元法评价煤层井壁稳定性[J]. 尹虎,李黔,郭亮,蒋理波,李强. 天然气工业. 2012(11)
[6]三维离散元在煤层水平井井壁稳定中的应用[J]. 屈平,申瑞臣,付利,张学磊,杨恒林. 石油学报. 2011(01)
[7]节理岩体数值计算方法及其应用（一）:方法与讨论[J]. 朱焕春,Brummer Richard,Andrieux Patrick. 岩石力学与工程学报. 2004(20)
[8]煤系泥岩组分特征及其对岩石力学性质的影响[J]. 孟召平,彭苏萍. 煤田地质与勘探. 2004(02)
[9]岩石弱面结构对井壁稳定性的影响[J]. 刘向君,叶仲斌,陈一健. 天然气工业. 2002(02)
[10]煤岩力学特性测试与煤层气井水力压裂力学机理研究[J]. 李志刚,付胜利,乌效鸣,李同林. 石油钻探技术. 2000(03)
本文编号：3498621
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