第1讲井壁稳定力学定义、现状及发展趋势-中原
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第八章 井壁稳定
易于发生井壁失稳的地区
高构造应力地区，如逆掩断层、 高构造应力地区，如逆掩断层、山前构造带或 大倾角地层 异常高孔隙压力 水敏性地层 裂缝性地层 低强度地区
垂直于地层层理钻进井眼较稳定 对裂缝性地层， 对裂缝性地层，提高钻井液密度不一定有助于防止 坍塌 崩落后的井眼比圆形井眼更稳定 构造运动剧烈地区有可能通过优化井眼方位来改善 稳定性； 稳定性； 减少井眼裸露时间是有益的 强抑制、严封堵、 强抑制、严封堵、合理密度是防塌钻井液设计的方 向 冷却钻井液有助于防塌
井眼稳定分析所需资料
区域地质构造；岩性剖面 测井资料（井径、声波、密度、自然伽玛等） 录井资料 钻井设计任务书、井史及完井地质报告 岩心、岩性、岩相、岩石物性分析资料 地层漏失试验及事故记录 其他部门的研究结果（地质、开发部门） 钻井过程中的其他测试资料
分析步骤
判断井眼失稳性质（化学、力学、疏松岩层、 塑性岩层） 了解构造背景、准确判定地应力特征； 分析岩性剖面，收集岩心、测井资料； 应用分析软件进行分析 将分析结果与钻进实际进行对比，进行必要的 修正； 结合钻井液特性、井眼轨迹进行预测，并提出 维护井眼稳定的措施。
力学方面的研究: 力学方面的研究: 岩石力学研究主要包括原地应力状态的确定、 岩石力学研究主要包括原地应力状态的确定、岩 石力学性质的测定、井眼围岩应力分析， 石力学性质的测定、井眼围岩应力分析，最终确定保 持井眼稳定的合理泥浆密度。 持井眼稳定的合理泥浆密度。 化学和力学耦合研究 泥浆化学和岩石力学耦合起来研究， 泥浆化学和岩石力学耦合起来研究，尽可能多地 搜集井眼情况资料（ 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， 情况），尽可能准确地估计岩石的性能，确定起主要 ），尽可能准确地估计岩石的性能 作用的参数有哪些。 作用的参数有哪些。
第八章-井壁稳定
1 2 1 1 2 1a r2 2 f P wP p
a r2 2P w 1 2 H h 1 a r2 2 1 2 H h 1 3 r a 4 4 c2 os
1 2 1 1 2 1a r2 2 f P wP p
z v 2 H h a r 2 c2 o s 1 2 1 1 2 f P w P p
打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的 是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近 产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。
井壁失稳问题的工程分类：
缩径(out of gauge holes )： 井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动；
这些事故的发生会严重拖延了钻井周期，明显增加钻井成本， 并给后续工作带来不利影响。严重时可使部分井眼报废甚至使整个 井眼报废。
二、井壁不稳定的原因及其研究方法
1、井壁不稳定的原因 如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度 (shear strength )而产生剪切破坏（shear failure,表现为井眼坍塌 扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力(collapse pressure)； 如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力 (tensile stress )大于岩石的抗拉强度(tensile strength )时，将 产生拉伸破坏（ tensile failure,表现为井漏），此时的临界井眼压 力定义为破裂压力(fracture pressure )。 因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近 的应力状态(stress state )，达到稳定井眼的目的。
对于直井、均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力的情 况，井壁围岩的应力状态：
a r2 2P w 1 2 H h 1 a r2 2 1 2 H h 1 3 r a 4 4 c2 os
1 2 1 1 2 1a r2 2 f P wP p
z v 2 H h a r 2 c2 o s 1 2 1 1 2 f P w P p
打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的 是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近 产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。
井壁失稳问题的工程分类：
缩径(out of gauge holes )： 井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动；
这些事故的发生会严重拖延了钻井周期，明显增加钻井成本， 并给后续工作带来不利影响。严重时可使部分井眼报废甚至使整个 井眼报废。
二、井壁不稳定的原因及其研究方法
1、井壁不稳定的原因 如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度 (shear strength )而产生剪切破坏（shear failure,表现为井眼坍塌 扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力(collapse pressure)； 如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力 (tensile stress )大于岩石的抗拉强度(tensile strength )时，将 产生拉伸破坏（ tensile failure,表现为井漏），此时的临界井眼压 力定义为破裂压力(fracture pressure )。 因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近 的应力状态(stress state )，达到稳定井眼的目的。
对于直井、均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力的情 况，井壁围岩的应力状态：
[实用参考]钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术
![[实用参考]钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术](https://img.taocdn.com/s3/m/594a2d172f60ddccda38a055.png)
– 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
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
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
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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
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实例分析
2
PART 1
参考文献展示
参考文献
3
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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
18
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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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物理知识应用实践之钻井井壁稳定性的力学分析
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
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
谈谈定向井井壁稳定问题
谈谈定向井井壁稳定问题从岩石力学、地球物理测井、工程录井、环空水力学和钻井液化学等方面分析定向井井壁稳定问题，以实现对钻井液性能、井身结构及其它工程参数的优化设计。
标签：定向井岩石应力；地层压力；地层破裂压力液柱压力数学模型引言导致井眼出现失稳问题的因素包括天然的原因和人为的原因。
在天然的原因方面包括：地质构造类型和原地应力，孔隙度渗透性及孔除中的流体压力等；在人为的原因方面包括：钻井液的性能，泥页岩化学作用的强弱，钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。
导致井眼失稳的最根本因素就是在形成井眼的过程中，井眼四周的应力场、化学力出现了变化，导致井壁应力集中的问题，致使井内钻液的压强不可以和底层的地应力重新建立起平衡的关系。
如果井内的钻井液液柱比坍塌的压力还要低的时候，井壁的岩石就会被破坏，这时候的塑性岩石会对井中产生塑性的流动，最后出现缩径的问题，而脆性的岩石就可能会发生坍塌的问题，导致井径的增大，如果当钻井液的液柱压力要比破裂时压力还要高的情况下，井壁内四周的岩石就会被拉伸导致出现井漏的问题。
此外，钻井液的密度最好是让井内的液柱和地层孔隙的压力能够互相平衡。
一、井壁应力分布因为上覆岩层的压力不能很好的和井轴重合，原来的水平地应力也就不能和井轴正交，所以井眼四周的岩石在切向正应力与法相正应力的共同作用之下处在三维应力的情况之下。
不仅正压力作用在井轴垂直平面井壁四周的岩石，剪应力也作用在井轴垂直平面与岩石之上，它们都严重的影响着井壁岩石的形态，对井壁岩石有破坏作用。
二、井壁岩石破坏准则当前许多人为拉伸断裂的机制操纵着地层的压裂情况，也就是说，如果当一个有效的主应力的大小能够与岩石拉伸的强度值相同时就会发生底层破裂的情况。
三、岩石强度参数的确定为了能够对全井段进行连续预测，仅凭室内岩心试验是不够的。
而要充分利用相关的间接资料，其中最完整的莫过于测井资料。
因此，将测井资料的处理与岩心试验结合起来，确定所需要的地层参数。
井壁稳定性问题的研究与进展
井壁稳定性问题的研究与进展作者：姜春丽来源：《科学与财富》2016年第07期摘要：本文从三个方面分别阐述了国内外关于井壁稳定的研究与进展。
从二十世纪中叶开始关于井壁稳定机理的研究经历了试验摸索到定量描述的阶段。
与此同时井壁模拟实验装置也在各种研究的需求下诞生并一路发展。
先进的钻井液技术，新型处理剂钻井液体系的应用也大大提高了井壁稳定性能，减少了井下复杂情况的发生。
关键词：井壁稳定；泥页岩；钻井液石油钻井过程中所遇到的井壁失稳大致可分为破碎体失稳、塑性体失稳和泥页岩失稳，其中泥页岩失稳就占90%以上[1-2]。
在油气勘探开发前，地层泥页岩处于力学、物理、化学、流体力学的各种平衡状态，在油气勘探开发过程中，原有物理化学条件发生改变，各种平衡状态被破坏，系统逐渐向另一种平衡状态过渡，加之泥页岩本身的脆弱及其极强的物理化学敏感性，因而经常给油气勘探开发带来各种问题。
一、井壁稳定性机理研究进展井壁稳定性问题的研究，早在二十世纪中叶就己经开始[3]。
从研究思路来说，可以归结到以下三大类：井壁稳定的力学研究；泥页岩稳定的化学因素研究；泥页岩稳定的力学与化学耦合研究。
从国内外在这方面研究的发展过程来看，可以将泥页岩水化力学与化学耦合研究分为两个阶段：七十年代初到九十年代初的实验摸索阶段；九十年代以后的对化学影响定量描述的阶段。
1970年，M.E.chenevert[4]开始研究页岩吸水以后力学性质的变化；通过实验观察了页岩密度、屈服强度、吸水膨胀与吸水量之间的关系，并测量了页岩吸附水量与时间和距离的关系。
1989年，C.H.Yew和M.EChenevert在定量化研究中迈出了第一步[5]。
他们首先假设泥页岩为渗透各向同性的基础上，再结合质量守恒方程，得到柱坐标内的吸水量方程。
再将泥页岩的力学性质与其总含水量（总吸附水量）相关联，然后又将水化膨胀应变与总含水量W相关联，便可求得力学与化学耦合后的应力、应变及位移。
井壁稳定性解析课件
max
P 3 H
h
[ (1 2 ) 1
](P Pp )
min
P 3 h
H
[ (1 2 ) 1
](P Pp )
70 60 50 40 30 20 10
0
90
180
270
360
50 45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
0
90
180
270
360
井周地层应力状态
Pt
3 H
h
2C K K2 1
K2
1 P
Pf 3 h H P St
K ctg(45 )
2
注意各符号表示的物理意义。
定向井井周地层应力状态
3 z1
β
z
y
o
r
γ
θ
x
α
1
β
y1 α
2
x1
东营组地层斜井井壁稳定性分析
最大水平地应力方位： 井壁坍塌风险最高
坍塌压力随井 斜方位的变化
监测裂缝扩展和关井后的压 力，准确确定最小主应力
volume
(after Gaarenstroom et al., 1993)
典型的水力压裂试验曲线
破裂漏失 出现剪切 裂缝
停泵
裂缝重张
井口压力
裂缝闭合
时间
利用水力压裂试验数据计算地应力：
地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力 裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底 压力
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
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井壁稳定力学机理发展趋势
复杂岩性地层井壁失稳仍然是制约井壁稳定技术发展的关键难 题，也是井壁稳定技术攻关的长期方向。
敏感性页岩地层
裂缝性地层 流变地层（软泥岩、膏盐岩） 为提高油气采收率和钻速为目的的特殊工艺井、 新技术带来的井壁稳定力学机理的研究
井壁稳定力学机理发展趋势
钻井 过程 中实 时预 测
中国石油大学（北京）岩石力学实验室介绍
人员组成：
陈 勉 教授，方向负责人、石油工程学院院长，国务院学位委员 会石油及天然气学科召集人
金 衍 教授，教育部新世纪人才 陈康平 教授，美国总统基金获得者 张广清 教授，拔尖人才 侯冰 讲师 卢运虎 讲师 实验技术人员2人 在校博士研究生13人，硕士研究生34人
钻井液类型 钻井液密度 钻井液流变性和水力参数 钻井实践
地层的失稳机理及控制方法
裂缝性 地层
Germanovich 观点
李鹭光观点
预先存在的裂缝在应力集中作用下开始 发育，及井眼边界的相互作用使裂缝不 稳定发展，边界发生移动，使下一条裂 缝扩展。上述过程不断重复直至井眼边 界的改变足以制止这种不稳定状态，达 到破坏的最终程度
第1讲 井壁稳定力学的定义、现状 及发展趋势
陈勉
中国石油大学（北京）石油工程学院
陈勉
中国石油大学（北京）石油工程学院 院长 国务院学位委员会石油工程学科评议组 召集人 全国博士后管理委员会专家组 成员 全国工程硕士指导委员会石油工程领域 组长
汇报提纲
一、井壁稳定力学的定义 二、井壁稳定力学研究现状及手段 三、井壁稳定力学研究的发展趋势
井壁稳定技术经历了从经验走向理论然后指 导现场的螺旋式、阶段化发展的进程！
井壁稳定研究面临的难题
塔河油田巴楚组、 桑塔木组和奥陶系
塔里木油田上第三系破碎 性泥页岩地层、下第三系 盐膏层、株罗系、三叠系、 二叠系、石炭系
中原油田盐层缩径
川西硬脆性泥页岩地层
川东碳酸盐岩地层
松辽盆地的嫩江组、 青山口组、泉口组
岩石的成因
微观结构
有层理等 具有不同胶结物 颗粒大小不同有优势指向
强度各向 异性地层
构造应力历史：在变形过程中产生了裂缝、节理
宏观结构： 视为横观各向同性
重点考察弱面的影响
井壁稳定研究方法
弹塑性力学理论方法
研究方法
井壁稳定统计方法 井壁失稳引起的钻井作业失败风险评估
汇报提纲
一、井壁稳定力学的定义 二、井壁稳定力学研究现状及手段 三、井壁稳定力学研究的发展趋势
实验室实验能力
MTS-816岩石力学三轴试验机 美国高温高压岩石多功能流变仪
X-射线衍射仪
声发射测试系统
岩心渗透率测试仪
美国高温高压线性膨胀仪
实验室实验能力
井筒变形大型物理模拟实验装置
防砂管柱实验装置
承压堵漏实验评价装置
水力压裂大型物理模拟实验装置
弯曲井眼套管强度测试实验装置
实验室研究方向
深部地层工程地质特征研究； 深层地应力测量技术； 深部地层环境下的岩石力学性质； 岩石应力、渗透性的声学响应特性及岩石物理力学性质的地球物理解释； 构造应力场的数值模拟及其在油气勘探及开发中的应用； 深层岩石中天然裂缝的形态、分布和预测理论； 固液耦合理论及在油藏工程中的应用； 井壁围岩稳定性研究； 岩石破碎机理研究； 人工裂缝的起裂、延伸及水力压裂工程设计； 弱固结地层的固相产出问题； 地层错动、蠕变及套管损坏问题； 数值方法在石油工程岩石力学中的应用研究； 石油工程岩石力学的物理模拟技术研究。
地层的失稳机理及控制方法
敏感性页岩地层
地层分类
裂缝性地层 流变地层（软泥岩、膏盐岩）
强度各向异性地层
地层的失稳机理及控制方法
敏感性 页岩地 层
失稳机理 控制方法
应力重新分布：引发井壁失稳 层理面弱面：引发井壁剪切或拉伸破坏 低渗透性：导致有效应力降低引发失稳 预先存在的裂缝：钻液渗入引发块状崩塌
油气钻井中需要钻穿不同性质的地层，井壁稳定 技术主要是分析地层性质，澄清钻井复杂机理， 解决钻井复杂问题，提高钻井效率。
储层 隔层 储层
油气钻井中钻遇的复杂地层
裂缝、孔洞发育的碳酸盐岩 （钻井复杂：严重漏失）
遇水分散的层理性泥页岩 （钻井复杂：井壁坍塌）
油气钻井中钻遇的复杂地层
强度较低的疏松砂岩
力学不稳定——根本原因
地层倾角的大小
岩体破碎程度
关键因素
外来流体侵入的程度
地层的失稳机理及控制方法
流变地层 (软泥岩、 膏岩盐)
力学角度： 软泥岩、膏盐岩具有较强的流动性，高温下
流动性加，当钻开地层后，原应力场的改变
使地层向着井眼方向流动，造成缩径。
物理学角度: 盐的溶解则导致井壁坍塌，造成卡钻
地层的失稳机理及控制方法
井壁稳定力学机理发展趋势
p 井壁稳定要做到“先知先觉”，避免钻井过程中的“遭遇战”， 降低钻井风险，缩短钻井周期。
p 确保以提高机械钻速、提高采收率为目的的新技术、新工艺的 顺利实施。
p 建立井壁稳定信息数据综合管理及实时应用的井壁稳定远程快 速决策系统。也是二十一世纪钻井工程技术发展的主要内容。
4. Ozkaya（美国）
COMPUTERS & GEOSCIENCES, 29 (2): 143-153 MAR 2003
5. Roegiers（美国）
Oklahoma research report 2005-R05
6G.ROUDN.DPWeAtTEeRr,（42荷(4兰): ）509-515 JUL-AUG 2004
研究井壁失稳的角度
研究井壁失稳的角度
井壁稳定的研究现状
井壁稳定力化耦合 化学影响定量描述
实验摸索阶段 （M.E.Chenevert） 井壁稳定化学研究 Gray、Darley、Chenevert 井壁稳定力学机理 （H.M.Westergard）
•1940 •1950 •1960 •1970 •1980 •1990 •2000 •2010
人为因素
地质构造类型和原地应力 地层的岩性和产状 含粘土矿物的类型 弱面的存在和及其倾角 层面的胶结情况 裂隙节理的发育 孔隙度渗透率及空隙中流体压力等
钻井液的性能（失水、粘度、密度） 钻井液和泥页岩化学作用的强弱（水化膨胀） 井眼周围钻井液侵入带的深度和范围 井眼裸露的时间 钻井液的环空反速对井壁的冲刷作用 循环波动压力和起下钻的激动压力 钻井柱眼对轨井迹壁的摩擦和碰撞
当漏、喷、塌、…位于同一裸眼井段(同层)，则引发出多种复杂问 题:主要归纳为窄或负安全密度窗口的安全钻井复杂问题，成为目前钻 井工程亟待解决的重大技术难题，而喷和漏构成的窄或负安全密度窗口 的安全钻井问题则更为复杂、困难和危险,是我们当前重点攻关解决的 重大难题。
井壁失稳的原因
天然因素 井 壁 失 稳
汇报提纲
一、井壁稳定力学的定义 二、井壁稳定力学研究现状及手段 三、井壁稳定力学研究的发展趋势
井壁稳定研究面临的难题
在石油是 世界范围内普遍存在的问题。
哈利伯顿公司最新统计：全球每年花费在井壁稳定上的开 支不低于80亿美元。
保持井壁稳定一直是钻井技术中一份额十分重要的课题， 在我国表现十分普遍，在油气勘探开发中有着重要的作用。
“大幅度提高油气产量的非平面压裂技术及工业化应用” 2009年 北京市技进步一等奖，第二单位、第2、3完成人
“高应力强水敏深层钻井围岩稳定技术及工业化应用” 2008年 中国岩石力学及工程学会特等奖，第一单位、第1、3、5完成人
“非平面水力裂缝设计方法及控制压裂提高油气产量技术” 2007年 教育部科技进步一等奖，第一单位、第1、3、5完成人
APOGCE，30 Oct.07,Jakarta,Indonesia
实验室实验能力
常规岩石力学参数测试 地应力测试 井壁稳定模拟 水力压裂模拟 出砂模拟及防砂评价 岩石可钻性评价 套管损坏物理模拟及腐蚀评价
国家重点实验室的组成部分 211井壁稳定实验室 中石油钻井重点实验室井壁 稳定研究室 中石油储层改造重点实验室 压裂物理模拟研究室 教育部重点实验室的组成 中国岩石力学及工程学会深 层岩石力学专业委员会
利用随钻测量工具来 获得井壁的实时信息 结合测井资料来分析 井壁的力学稳定性
优点：可以直接获得地下资料， 精度较高
缺点：设备成本高，井径不规则 时影响精度
利用对岩屑的测量获 得拟声波测井结果和 岩石强度参数来分析 井壁的力学稳定性
优点：操作简单，成本低廉
缺点：钻屑采集困难(非胶结地 层、钻井液漏失等)，大孔隙钻 屑颗粒加工困难等问题
“深部储层应力及裂缝扩展的动态耦合理论及应用研究”
近五年标志性成果
2.国家发明专利
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
项目名称 利用地震层速度钻前预测坍塌压力及破裂压力方法 利用地震记录预测井眼待钻井段坍塌压力和破裂压力的方法 一种随钻预测钻头底下地层孔隙压力的方法 一种随钻预测钻头底下地层坍塌压力和破裂压力的方法 一种评价筛管筛网挡砂性能的装置 一种评测防砂筛管的防砂性能的装置、系统及方法 大尺寸真三轴钻井堵漏评价装置 应力敏感性地层钻井堵漏模拟评价装置 一种利用测井资料检测高压盐水层孔隙压力的方法 高压盐水层区域分布的识别方法 一种利用测井资料预测碳酸盐岩地层孔隙压力的方法 一种可视化实时监测水力裂缝扩展的方法 一种计算岩石II型断裂韧性的方法 一种盐下水平井造斜段钻井液密度确定方法
近五年标志性成果
1.国家奖及省部级奖
2011年中国石油及化学工业学会科技进步二等奖，第一单位 “定向井井壁失稳控制技术及应用” 2010年 中石油集团科技进步二等奖，第二单位、第3、6、9完成人 “库车前缘隆起带盐下水平井钻井技术研究及实践” 2009年 国家科技进步二等奖，第一单位、第1、4、7完成人