頁巖氣、頁巖油的勘探開發(fā)是繼煤層氣、致密砂巖氣等非常規(guī)能源之后的又一次能源變革,對此世界各國都開展了相應(yīng)的理論研究與現(xiàn)場應(yīng)用。鉆井過程中頁巖儲層的不穩(wěn)定,主要形式有井壁坍塌、井漏、縮徑、卡鉆等。儲層的不穩(wěn)定延長了鉆井周期,加大了頁巖氣開發(fā)成本。引起井壁失穩(wěn)的主要原因是鉆井過程打破了井壁原有的地應(yīng)力平衡狀態(tài),其次井壁儲層巖石的強(qiáng)度會在鉆井液等侵入后發(fā)生軟化,引起井眼周圍應(yīng)力場重新分布,形成應(yīng)力集中使得巖石的天然裂縫和衍生縫擴(kuò)展、延伸、貫通,最后導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。此外,由于頁巖儲層滲透率較低,直井鉆井方式已不能滿足產(chǎn)能需求,為此只能采用水平井的開采方式來提高產(chǎn)能,但對于水平井在鉆遇大斜度井段和水平井段時,地層極易發(fā)生坍塌、卡鉆等井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象,尤其對于頁巖等層理性地層的開發(fā),更加大了對井壁穩(wěn)定性的要求以及給水平井鉆井工藝帶來了挑戰(zhàn)。所以,分析頁巖水平井井壁穩(wěn)定機(jī)理對頁巖勘探開發(fā)尤為重要。本文從以下四個方面來研究頁巖水平井的井壁穩(wěn)定性:（1）巖土工程中的滲流問題屬于非穩(wěn)態(tài)滲流,在鉆進(jìn)過程中,地層孔隙壓力的變化,首先給骨架中的有效應(yīng)力帶來改變,從而引起孔隙度、滲透率的變化;其次,上述變化又會帶來孔... 

【文章來源】：西安石油大學(xué)陜西省

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

技術(shù)路線

西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文8第二章巖土的流固耦合原理2.1巖土介質(zhì)滲流-應(yīng)力耦合理論流固耦合理論是結(jié)合了固體力學(xué)和滲流力學(xué)后形成的一個力學(xué)分支，它主要研究巖石力學(xué)中巖體與流體相互作用[38]。近年來國內(nèi)外巖土工程界熱衷于對巖石低滲透性進(jìn)行研究，而我國在低滲透油氣田開發(fā)應(yīng)用和石油與天然氣運輸儲存等工程上，需在復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行地下工程施工，都涉及了巖土的流固耦合原理。2.1.1滲流-應(yīng)力耦合的力學(xué)機(jī)理傳統(tǒng)的流固耦合認(rèn)為巖土的滲透率和孔隙度是個定值，不會隨著耦合作用的發(fā)生產(chǎn)生變化。但實際的耦合作用中，骨架中的有效應(yīng)力會隨著孔隙壓力的改變而發(fā)生變化，從而滲透率、孔隙度也會有變動，隨后孔隙壓力和孔隙中的流體又會受到滲透率和孔隙度的影響。因此需要把巖體強(qiáng)度的改變或本身的形變與孔隙中流體的流動規(guī)律所造成的影響也考慮進(jìn)去，是巖體中應(yīng)力場和滲流場之間的相互耦合作用[39]。介質(zhì)的變形和水體流動之間的相互作用產(chǎn)生了流-固耦合的現(xiàn)象，這種相互作用的原理如圖2-1所示。其中過程I和II稱為“直接耦合”，是由于空隙水和介質(zhì)的變形相互作用而導(dǎo)致的；過程III和IV為“間接耦合”，是由于滲透系數(shù)隨著孔隙度的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變，而滲透系數(shù)和孔隙度又會隨著有效應(yīng)力的改變而改變。而孔隙的減少會引起介質(zhì)中的水分減少，介質(zhì)的強(qiáng)度也會隨之增大�！伴g接耦合”可以引起非線性的耦合系統(tǒng)，致使巖石的滲透系數(shù)出現(xiàn)各項異性。圖2-1流-固耦合相互作用機(jī)理

西安石油大學(xué)碩士學(xué)位論文10示。有效應(yīng)力指的是固體顆粒骨架承擔(dān)并且通過固體顆粒間的相互接觸而傳遞的應(yīng)力�？紫秹毫χ傅氖强紫吨辛黧w所承擔(dān)或傳遞的應(yīng)力，并且孔隙流體只能承受法向應(yīng)力，不能承受剪切應(yīng)力。當(dāng)?shù)貙訋r石受到外載荷的作用后，固體顆粒骨架會產(chǎn)生部分形變，從而引起巖石的滲透率、孔隙度等發(fā)生對應(yīng)的變動。當(dāng)固體顆粒骨架發(fā)生形變后，孔隙中流體的流動狀況和流體壓力也會發(fā)生變化，所以由固體顆粒骨架和孔隙流體來承擔(dān)外載荷的作用[40]。圖2-2有效應(yīng)力原理示意圖采用Biot有效應(yīng)力的方法，定義將巖石所受到的拉應(yīng)力為正值，定義在非飽和的區(qū)域以孔隙壓力為負(fù)值，在飽和區(qū)的孔隙壓力受到壓力為正值。Biot有效應(yīng)力的表達(dá)式為：ppwijijij1"（2-6）式中，ij為總應(yīng)力；ij"為有效應(yīng)力；p分別和為孔隙氣壓力；wp為孔隙水壓力；通常接近1，取1；為Biot系數(shù)，表達(dá)式為：SVKK-1（2-7）式中，SK為固體顆粒的壓縮模量；VK為巖石的體積壓縮模量。于是，有效應(yīng)力的表達(dá)式可表示為：ppspsijijwwwijijij1"（2-8）式中，p為孔隙氣壓力和孔隙水壓力的平均值�？赏ㄟ^相關(guān)實驗研究來計算毛細(xì)壓力wcppp與飽和度ws的函數(shù)關(guān)系來解決非飽和流體的問題。飽和度ws與滲透系數(shù)存在著一定的關(guān)系，可表示為：30wskk（2-9）2.1.4應(yīng)力平衡方程和滲流連續(xù)方程本節(jié)主要研究水和空氣兩相流體，假設(shè)水無粘滯性，且空氣不溶于水。與此同時假

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]泥頁巖層井壁穩(wěn)定問題與鉆井液體系的優(yōu)化——以伊拉克格拉芙油田為例[J]. 高鵬.  重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版). 2019(03)
[2]修正劍橋模型在深水淺層石油鉆井井壁穩(wěn)定中的應(yīng)用[J]. 陳卓,鄧金根,蔚寶華.  力學(xué)與實踐. 2019(03)
[3]致密油體積壓裂水平井流固全耦合流動模擬[J]. 任龍,蘇玉亮,周德勝,詹世遠(yuǎn),景成,孫健.  巖石力學(xué)與工程學(xué)報. 2019(S1)
[4]基于滲流和水化的泥頁巖破裂壓力計算模型[J]. 趙曉姣,屈展,樊恒,王萍,安風(fēng)菊.  應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2019(02)
[5]定向井坍塌壓力上限對鉆井安全密度窗口的影響[J]. 袁俊亮,周建良,鄧金根,吳旭東,王名春,張帆.  石油鉆采工藝. 2018(05)
[6]諾1井鉆井液技術(shù)及復(fù)雜情況處理[J]. 邱春陽,葉洪超,王興勝,溫守云,陳二丁,張海青.  鉆井液與完井液. 2017(06)
[7]彈性參數(shù)各向異性對頁巖井周應(yīng)力的影響[J]. 曹文科,鄧金根,蔚寶華,劉偉,李揚.  西安石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2016(05)
[8]基于核磁共振的脆硬性泥頁巖水化損傷演化研究[J]. 王萍,屈展.  巖土力學(xué). 2015(03)
[9]鄂爾多斯盆地Z區(qū)長8超低滲透率儲層地應(yīng)力特征研究[J]. 趙軍龍,孫鵬,蔡振東,何小菊.  測井技術(shù). 2015(01)
[10]各向異性地層中斜井井壁失穩(wěn)機(jī)理[J]. 盧運虎,陳勉,袁建波,金衍,滕學(xué)清.  石油學(xué)報. 2013(03)

博士論文
[1]流固耦合作用下巖體滲流演化規(guī)律與突水災(zāi)變機(jī)理研究[D]. 黃震.中國礦業(yè)大學(xué) 2016
[2]井壁穩(wěn)定問題的斷裂損傷力學(xué)機(jī)理的研究[D]. 鄭貴.哈爾濱工程大學(xué) 2005

碩士論文
[1]地應(yīng)力測量方法及巖爆分析研究[D]. 李振剛.安徽理工大學(xué) 2018
[2]頁巖水平井應(yīng)力—應(yīng)變場分析及數(shù)值模擬[D]. 劉海峰.西安石油大學(xué) 2017
[3]強(qiáng)滲流場作用下砂巖的滲流特性及滲流損傷破壞機(jī)理試驗研究[D]. 梁健業(yè).廈門大學(xué) 2017
[4]基于損傷機(jī)理的井壁應(yīng)力分布及井壁穩(wěn)定性研究[D]. 魏明國.東北石油大學(xué) 2014
[5]地應(yīng)力與井壁穩(wěn)定性關(guān)系研究[D]. 梁濤.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 2012



本文編號：3430114