岩石力学-井眼周围地层应力状态及井壁稳定预测共71页
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钻孔围岩应力及稳定性
γ
B
Z
在正常条件下 P =1。如果 P >1.2，则为异常 高层压。遇到异常高压层的或然率随钻进深度加大而 增加。异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区 异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区。 异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区
' C
' C
井底的压力为 PD=Y1·Z十Py±∆P 十 ±
Y1--冲洗液比重； 冲洗液比重； 冲洗液比重 Py--井口液体压力 在伴随压力钻进时 ； 井口液体压力(在伴随压力钻进时 井口液体压力 在伴随压力钻进时)； ∆P--由于工艺原因而产生的井口压力波动值 洗井泵压力， 由于工艺原因而产生的井口压力波动值(洗井泵压力， 由于工艺原因而产生的井口压力波动值 洗井泵压力 提升或下降钻具时井内压力的变化) 提升或下降钻具时井内压力的变化
一、水平井的井眼净化 水平井井眼净化不好会导致摩阻和扭矩增加、 水平井井眼净化不好会导致摩阻和扭矩增加、 卡钻等事故。在一定的岩屑浓度下， 卡钻等事故。在一定的岩屑浓度下，流速变化可能 呈现不同的流动状态： 最高流速（紊流状态） 呈现不同的流动状态：①最高流速（紊流状态）下 岩屑均匀悬浮； 流速降低， 岩屑均匀悬浮；②流速降低，环空下部大颗粒岩屑 较多，呈非均匀悬浮； 在某一流速下， 较多，呈非均匀悬浮；③在某一流速下，全部岩屑 冲击管壁，岩屑堆积于管底，形成连续的移动床； 冲击管壁，岩屑堆积于管底，形成连续的移动床； ④流速进一步降低，床层底部颗粒基本不动，而使 流速进一步降低，床层底部颗粒基本不动， 床层增厚，有效断面减小，称为固定岩屑床。 床层增厚，有效断面减小，称为固定岩屑床。
四、水平井的防漏堵漏 由于水平井钻井液循环当量密度远高于相同垂 深的直井，加之井眼净化困难， 深的直井，加之井眼净化困难，容易发生开泵蹩漏 地层；加入的堵漏剂极易被沉积在井眼的下侧， 地层；加入的堵漏剂极易被沉积在井眼的下侧，无 法封堵井眼上侧地层，为此，应增加堵漏材料加量。 法封堵井眼上侧地层，为此，应增加堵漏材料加量。 如采用桥接堵漏，堵漏材料的加量应大于150 150— 如采用桥接堵漏，堵漏材料的加量应大于150 并提高堵漏浆液的粘度和动切力， 200kg/m3，并提高堵漏浆液的粘度和动切力，增强 携带堵漏材料的能力。 携带堵漏材料的能力。
B
Z
在正常条件下 P =1。如果 P >1.2，则为异常 高层压。遇到异常高压层的或然率随钻进深度加大而 增加。异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区 异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区。 异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区
' C
' C
井底的压力为 PD=Y1·Z十Py±∆P 十 ±
Y1--冲洗液比重； 冲洗液比重； 冲洗液比重 Py--井口液体压力 在伴随压力钻进时 ； 井口液体压力(在伴随压力钻进时 井口液体压力 在伴随压力钻进时)； ∆P--由于工艺原因而产生的井口压力波动值 洗井泵压力， 由于工艺原因而产生的井口压力波动值(洗井泵压力， 由于工艺原因而产生的井口压力波动值 洗井泵压力 提升或下降钻具时井内压力的变化) 提升或下降钻具时井内压力的变化
一、水平井的井眼净化 水平井井眼净化不好会导致摩阻和扭矩增加、 水平井井眼净化不好会导致摩阻和扭矩增加、 卡钻等事故。在一定的岩屑浓度下， 卡钻等事故。在一定的岩屑浓度下，流速变化可能 呈现不同的流动状态： 最高流速（紊流状态） 呈现不同的流动状态：①最高流速（紊流状态）下 岩屑均匀悬浮； 流速降低， 岩屑均匀悬浮；②流速降低，环空下部大颗粒岩屑 较多，呈非均匀悬浮； 在某一流速下， 较多，呈非均匀悬浮；③在某一流速下，全部岩屑 冲击管壁，岩屑堆积于管底，形成连续的移动床； 冲击管壁，岩屑堆积于管底，形成连续的移动床； ④流速进一步降低，床层底部颗粒基本不动，而使 流速进一步降低，床层底部颗粒基本不动， 床层增厚，有效断面减小，称为固定岩屑床。 床层增厚，有效断面减小，称为固定岩屑床。
四、水平井的防漏堵漏 由于水平井钻井液循环当量密度远高于相同垂 深的直井，加之井眼净化困难， 深的直井，加之井眼净化困难，容易发生开泵蹩漏 地层；加入的堵漏剂极易被沉积在井眼的下侧， 地层；加入的堵漏剂极易被沉积在井眼的下侧，无 法封堵井眼上侧地层，为此，应增加堵漏材料加量。 法封堵井眼上侧地层，为此，应增加堵漏材料加量。 如采用桥接堵漏，堵漏材料的加量应大于150 150— 如采用桥接堵漏，堵漏材料的加量应大于150 并提高堵漏浆液的粘度和动切力， 200kg/m3，并提高堵漏浆液的粘度和动切力，增强 携带堵漏材料的能力。 携带堵漏材料的能力。
岩石力学课件——第八章 井壁稳定
a2 1 1 2 z v 2 H h cos 2 r 21
f Pw Pp
上式中： H 、 h 一 分为最大和最小水平主应力；
第八章
第一节
井 壁 稳 定
井壁失稳的原因及危害
在石油钻井中，井眼稳定(borehole stability )问题是世界范围内普
遍存在的问题。每年由此造成的直径经济损失达数亿美元之巨。因此 国内外许多研究机构都在致力于此项研究。
在钻井之前，深埋在地下的岩层受到上覆岩层压力（overburden
pressure） 、最大水平地应力(maximu horizontal in site stress )、最小 水 平 地 应 力 (minimum horizontal in site stress ) 和 孔 隙 压 力 (pore
添加剂和泥浆体系，最大限度地减少钻井液对地层的负面影响。
力学方面的研究: 岩石力学研究主要包括原地应力状态(in site stress state )的确定、岩石力学性质(rock mechanical character)的测定、井眼围岩应力(stresses around borehole )分析，最终确定保持井眼稳定的合理泥浆密度 (mud weight )。 化学和力学藕合研究 泥浆化学和岩石力学藕合起来研究，尽可能多地搜集井 眼情况资料（如井眼何时以何种方式出现复杂情况），尽可 能准确地估计岩石的性能，确定起主要作用的参数有哪些。
（2）岩石的综合性质，岩石的强度(rock strength )和变形
(deformation )特征等、孔隙度(porosity )、含水量、粘土含量 (clay content )、组成和压实情况等。
岩石力学与井壁稳定
•泥浆密度高
•剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁
•r
•泥浆密度过大 ：地层剪切破坏 产生大量径向微 裂缝形成剪切破 碎带（造成泥浆 的大量侵入使井 壁失稳）
•
•安全泥浆密度的计算方法
•地应力
•给定的泥浆密度
•井周应力应变
•本构模型
•提高泥浆密度
•失稳
•破坏准则 •稳定
•结束
以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理 论和计算方法基本成熟
•胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起
－碎屑岩
•
•1、岩石的组构特征
3）岩石的构造
•岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在
空间上相互排列及所占的位置。
•岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔
状构造、杏仁状构造
岩石的组构特征给出岩石力学的定性 •沉性积质岩，的从构而造保：障层理我构们造的研究不出现方 •变向质性岩的的错构误造：片理构造
•
3、岩石的变形破坏规律
岩石的变形和应力受时间因素的影响。在外部条件 不变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化的现 象叫流变。
•岩石变形规律的研究就是要建立应力-应变 关系，为求解应力状态提供基础
•
3、岩石的变形破坏规律
•岩石试样的破坏形式
•
劈裂破坏
•
剪切破坏
•
延性破坏
•岩石破坏规律的研究就是要建立应力作用 下岩石是否稳定的标准
2）岩石的结构
•微结构面：存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间
的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒 间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等
•① 降低岩石强度 •② 导致岩石力学性质各向异性
•
•1、岩石的组构特征
•剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁
•r
•泥浆密度过大 ：地层剪切破坏 产生大量径向微 裂缝形成剪切破 碎带（造成泥浆 的大量侵入使井 壁失稳）
•
•安全泥浆密度的计算方法
•地应力
•给定的泥浆密度
•井周应力应变
•本构模型
•提高泥浆密度
•失稳
•破坏准则 •稳定
•结束
以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理 论和计算方法基本成熟
•胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起
－碎屑岩
•
•1、岩石的组构特征
3）岩石的构造
•岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在
空间上相互排列及所占的位置。
•岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔
状构造、杏仁状构造
岩石的组构特征给出岩石力学的定性 •沉性积质岩，的从构而造保：障层理我构们造的研究不出现方 •变向质性岩的的错构误造：片理构造
•
3、岩石的变形破坏规律
岩石的变形和应力受时间因素的影响。在外部条件 不变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化的现 象叫流变。
•岩石变形规律的研究就是要建立应力-应变 关系，为求解应力状态提供基础
•
3、岩石的变形破坏规律
•岩石试样的破坏形式
•
劈裂破坏
•
剪切破坏
•
延性破坏
•岩石破坏规律的研究就是要建立应力作用 下岩石是否稳定的标准
2）岩石的结构
•微结构面：存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间
的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒 间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等
•① 降低岩石强度 •② 导致岩石力学性质各向异性
•
•1、岩石的组构特征
井壁稳定性 调研ppt课件
15
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
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
16
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
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
2
PART 1
参考文献展示
参考文献
3
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
4
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
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
18
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
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：
27
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
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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
16
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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
2
PART 1
参考文献展示
参考文献
3
Southwest petroleum university institute of petroleum engineering
岩石力学与井壁稳定性调研
4
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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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岩石力学 有压隧洞围岩的应力与稳定性PPT学习教案
第3页/共26页
第4页/共26页
应力σr和σθ的公式如下：
r
m
m2E
1m
2
B
m
m2E
1m
2
C r2
B
C
r2 (7-13)
m
m2E
1m
2
B
m
m2E
1m
2
C r2
B
Cr 2(7-14)
第5页/共26页
r
a2 r2
b2 b2
r2 a2
b2 a2 r2 pa r2 b2 a2
pb
(7-15)
u
a2 b2 r2
r2 b2 a 2
b2 a2 r2 pa r2 b2 a2
pb
(7-16)
管壁内任一点的径向位移
1 1 2r2 b2 b2 1 2t 2r2
u
E
r t2 1
pa
r t2 1
pb
式中
：
tb
a
(7-17)
第6页/共26页
二、 有压隧洞围岩的附加应力
H nae1 2
p 1 1
c
n2
H
1
3ae2
p 8
c9
第23页/共26页
（四）其它情况 1 岩石被松散冲积层覆盖时的情况 2 在斜坡附近的有压隧洞
第24页/共26页
本 章 结 束
谢 谢
第25页/共26页
第10页/共26页
根据位移相容条件，混凝土径向位移与岩石的
径向位移相等条件得：
pb p
m12E1 m2
1m2
2a2m1 1m1 2m22E2 2 b2 a2 m22E2m1 1m1
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应力σr和σθ的公式如下：
r
m
m2E
1m
2
B
m
m2E
1m
2
C r2
B
C
r2 (7-13)
m
m2E
1m
2
B
m
m2E
1m
2
C r2
B
Cr 2(7-14)
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r
a2 r2
b2 b2
r2 a2
b2 a2 r2 pa r2 b2 a2
pb
(7-15)
u
a2 b2 r2
r2 b2 a 2
b2 a2 r2 pa r2 b2 a2
pb
(7-16)
管壁内任一点的径向位移
1 1 2r2 b2 b2 1 2t 2r2
u
E
r t2 1
pa
r t2 1
pb
式中
：
tb
a
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二、 有压隧洞围岩的附加应力
H nae1 2
p 1 1
c
n2
H
1
3ae2
p 8
c9
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（四）其它情况 1 岩石被松散冲积层覆盖时的情况 2 在斜坡附近的有压隧洞
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本 章 结 束
谢 谢
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根据位移相容条件，混凝土径向位移与岩石的
径向位移相等条件得：
pb p
m12E1 m2
1m2
2a2m1 1m1 2m22E2 2 b2 a2 m22E2m1 1m1
岩石力学---第10章 地下硐室围岩应力计算及稳定性分析
y
p0
若β＝0， p0＝λp,则：
(1 m ) sin m p sin2 m 2 cos2
2 2 2
a
b
(1)
x
若β＝900， p0＝p,则：
(1 m ) 2 cos2 1 p 2 sin m 2 cos2
(2)
a
y
p
在原岩应力 p、λp作用下,则由（1） ＋（2）得：
高宽比＝1/3,λ<1
（3）两帮中点水平应力在坑道 周边为0，越往围岩内部，应力 越大，并趋于原岩应力q.
（4）两帮中点垂直应力在坑道周边最大，越往围岩内部，应力 逐渐减小，并趋于原岩应力p；
（5） 巷道四角处应力集中最
大，其大小与曲率半径有关。
曲率半径越小，应力集中越大， 在角隅处可达6～8。
例：不同λ和不同轴比m下，矩形坑道周边顶底板和两
帮中点处的ςθ：
矩形坑道断面长轴与原岩最大主应力方向一致时，围 岩应力分布较合理，等应力轴比时最好。
四、各种洞形围岩分布的共同特点：
（1）无论坑道断面形状如何，周边附近应力集中系数最 大，远离周边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为3— 5倍坑道半径处，围岩应力趋近于与原岩应力相等。 （2）坑道围岩应力受侧应力系数λ 、坑道断面轴比的影
式中： m——y轴上的半轴b与x轴上的半轴a的比值，即 m＝b/a； θ——洞壁上任意一点M与椭圆形中心的连线与x轴的夹角； β——荷载p0作用线与x轴的夹角； p0——外荷载。
(1 m ) 2 sin2 ( ) sin2 m 2 cos2 p0 sin2 m 2 cos2
(8－8)
岩体力学教学课件 第五章 地下洞室围岩稳定性分析
地质勘查与监测措施
加强地质勘查
在施工前进行详细的地质勘查， 了解围岩的分布、性质和结构，
为设计提供依据。
施工监测
在施工过程中进行实时监测，及 时发现围岩变形、位移等异常情
况，采取相应措施。
长期监测
在洞室使用过程中进行长期监测 ，了解围岩稳定性的变化情况，
为维护和加固提供依据。
THANKS
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有限差分法
将连续的岩体离散成有限个差分网格，通过差分方程近似描述岩体的 运动规律，对围岩的稳定性进行计算和分析。
边界元法
基于边界积分方程的数值方法，适用于求解具有复杂边界条件的围岩 稳定性问题。
无单元法
不需对岩体进行离散，而是通过节点信息直接建立数学模型，对围岩 的稳定性进行计算和分析。
物理模拟方法
解析方法
01
02
03
04
极限平衡法
基于力的平衡原理，通过分析 岩体的滑移、倾倒等极限状态 ，对围岩的稳定性进行评估。
赤平投影法
利用赤平投影原理，对岩体的 节理、断层等结构面进行投影 分析，评估围岩的稳定性。
块体理论
将岩体离散成若干个块体，基 于块体的运动规律和相互作用 ，对围岩的稳定性进行分析。
关键块体分析法
支护设计
根据围岩稳定性评价结果，进行支护 设计，包括锚杆、钢筋网、喷射混凝 土等支护措施的选择和设计。
围岩稳定性监测与预警系统
位移监测 应力监测 声发射监测 预警系统
通过位移传感器对围岩的位移量进行实时监测，包括水平位移 和垂直位移。
通过应力传感器对围岩的应力状态进行监测，包括压应力、拉 应力和剪应力。
排水降压
降低地下水位，减少水压 力对围岩的影响，提高围 岩稳定性。
岩石力学地应力PPT课件
σ0 σ90 2
1 tan 2 2
1
2 αPp KPc
tan 2 σ0 σ90 2 σ45
σ0 σ90
四、现场水压致裂法测量地应力大小
根据多孔弹性介质力学理论，从井壁受力状态出发，通过测出地层破裂压力， 裂隙重张压力，裂隙闭合压力，可求出最大、最小水平主地应力。
水力压裂试验可以比较精确地测定最小水平主地应力。测量最大水平主地应力 的精度受地层孔隙度、渗透率、孔隙连通性影响较大。
岩石力学
Rock Mechanics
地应力
主要内容
第一节 概 述 第二节 地应力的测量方法 第三节 地应力纵横向分布的计算
第一节 概 述
一、天然应力的概念
1.天然应力：人类工程活动之前，天然状态下，岩体内部存在的应 力，称为岩体天然应力或岩体初始应力，有时也称为地应力。
2.重布应力：人类进行工程建设将引起一定范围内岩体初始应力的 改变，工程建设扰动后的岩体应力称为重布应力或二次应力。
F82 N1b
F81
WZ12-1-B5
WZ12-1-6
N1a
F3
WZ12-1-5
F2
最大水平主应 力
FA
F2A
F1
南
块
2305000 20°50′
20°50′ 2305000
2304000
2304000
2303000 20°49′
20°49′ 2303000
2302000
2302000
108°52′ 278000
Principal stresses are
z
usually parallel and normal to the surface.