深层岩石力学与技术金衍中国石油大学（北京）石油天然气工程学院面对钻采工程的对象，各类岩石我们遇到这样一些问题：•钻头破岩效果差，钻速慢•井壁失稳，钻井复杂事故频发•地层漏失，密度窗口窄•测试压差、油嘴与储层的匹配•不同开发阶段，水力裂缝有效沟通储层及长期有效性•储层出砂、防砂及出砂管理•套管损坏与预防•开采过程，储层孔隙结构变形与渗透率的变化提纲•岩石力学管理钻井技术•储层不伤害测试技术•控制压裂技术一、岩石力学管理钻井技术岩性孔隙压力坍塌压力破裂压力可钻性井身结构设计复杂事故提示钻头选型钻井液密度及体系钻进参数钻前钻进钻头附近及前方100m 岩性变化孔隙压力坍塌压力破裂压力可钻性复杂情况控制破岩效果评价钻井液调整钻进参数调整钻后地应力孔隙压力复杂情况力学化学耦合分析地层封堵能力评价与提高提高机械钻速的方法为下一口井提供系列完整解决方案1.钻前预测技术资料预处理地震特征参数提取地震测井关系建模声波、密度、岩性地震、测井和地质资料井旁地震道地震记录神经网络学习、已钻井段的地震特征参数、声波及密度测井资料神经网络应用、待钻井段的地震特征参数纵波速度和地层密度横波速度、泥质含量、孔隙度、有效应力动态杨氏模量、泊松比静态杨氏模量、泊松比粘聚力、内摩擦角、抗拉强度地层孔隙压力上覆地层压力最大和最小水平地应力坍塌压力、破裂压力、可钻性安全钻井液密度范围钻头选型井身结构地质建模井位1结果1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 3600 39001 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8PpPbPfSv11.11.21.31.41.51.61.71.81.922.12.22.3500700900110013001500170019002100230025002700290031003300350037003900410043004500¾®ÉîÄཬÃܶÈʵ¼ÊÒªÇóµÄÆÁÑÔ¤²âµÄÆÁÑѹÁ¦Ô¤²âµÄÌ®ËúѹÁ¦Êµ¼ÊÒªÇóµÄÌ®ËúѹÁ¦依南4井井壁稳定预测与实际要求的安全泥浆密度范围比较2.随钻岩石力学管理钻井技术钻前数据录井MWDLWDPWD岩性ECDACGR岩石力学模型修正钻头附近及前方100m岩性变化孔隙压力坍塌压力破裂压力可钻性复杂情况控制破岩效果评价钻井液调整钻进参数调整3.山前构造带井壁失稳与堵漏技术泥页岩井壁坍塌周期的定量预测技术泥浆渗入面泥页岩岩样井壁泥页岩水化性质的实验测量技术泥页岩井壁稳定性分析及坍塌周期预测软件深层盐膏岩蠕变控制技术•深层盐膏岩地质成形与地应力反演MPa 92.11OD =τF C 01020304050600510152025303540平均应力 /MPa八面体剪应力 /M P a 盐膏岩力学特性弹性区扩容区流动区根据盐岩井壁八面体剪应力分别为12-14MPa 设计的SLK3井钻井液密度和实际钻井液密度如图。
实际钻井液密度τoct =12MPa τoct =14MPa 22502500275030003250350037504000425045004750500052501.31.41.51.61.71.81.92.0钻井液密度 /g /c m 3井深 / mSLW2井按八面体剪应力设计5097-5420m盐层钻井液密度为1.95g/cm3 -2.0g/cm3。
若采用欠饱和盐水钻井液密度1.6g/cm3，缩径速度和缩径率见表。
井深m钻井液密度2.0g/cm3钻井液密度1.6g/cm 缩径速度mm/h缩径率%缩径速度mm/h缩径率%51000.1310.08420.3080.198 52000.1370.08810.3230.208 53000.1440.09230.3400.218 54000.1520.09760.3560.229 55000.1670.10700.3740.241工程实用型的泥浆密度设计图谱泥浆矿化度和温度对深部盐膏岩三维蠕动关系三维地层变形的盐层套管载计算技术及套管强度设计理论•从三维地层变形的角度分析套管的套损机理，针对深层钻井井眼变形的特点，建立三维套管蠕动压力图谱，在三维应力状态下分析了套管的套损机理并提出了进行管柱设计新方法。
背斜构造地应力变化导致套损机理背斜闭圈成因是潜四段下部可塑性的盐丘上拱的结果，属于横弯褶皱。
横弯褶皱形成过程易引起岩层上边界的张裂缝以及岩层界面处剪裂缝隙密度大。
H σHσq注水导致泥岩水化注入水进入泥岩层泥质岩层中亲水矿物的吸水软化导致套管外壁地应力的非均匀性增大。
加速蠕变进程，加快套管外载的增长速度。
泥岩吸水软化导致套管损坏地层变形错动高压注水重力作用注采压差井底压力接近或超过上覆岩层重力，上覆层受水压“浮托”作用。
注入水进入软弱夹层，降低岩层有效正应力和岩石抗剪强度。
长期高压注水增大岩层孔隙压力高陡构造破碎性地层井壁稳定技术•高陡破碎性地层安全泥浆密度窗口预测技术•高陡破碎地层泥浆密度高或低都可能导致井壁严重坍塌•形成了一套KCl/硅酸钠钻井液的化学封堵护壁技术，解决了长期以来硅酸盐钻井液滤失量和流变性难以控制的技术难题•预防与处理井漏的基本思路•１、封堵漏失通道;•２、减小或消除井筒与地层之间的正压差•降低循环压耗（降排量、降泵压、新型工具）;提高地层破裂压力（当井眼附近的裂缝被堵漏材料封堵后，张力转换成了压缩力，通过作用在裂缝表面垂直方向上的压缩力与裂缝两边相连的井眼地层发生轻微移动，封堵材料的进入使裂缝宽度均匀、轻微的增大，井眼整体承压能力提高）•３、增大钻井液在漏失通道中的流动阻力。
井漏发生地质因素非地质因素1、碳酸盐岩裂缝溶洞发育2、地层欠压实，钻遇渗透层3、地层破碎4、储层压力系统复杂1、固井时水泥浆密度较高3、开泵憋漏地层钻井过程中诱导裂缝形成机理漏失压力模型究2、下钻、下套管引起激动压力过大新型高效微复合堵漏材料特殊、复杂井漏控制技术聚合物微粒膨胀态核桃壳花生壳棉籽壳云母片部分惰性骨架材料的物理机械性能新型高效微复合堵漏材料------封堵性能评价材料名称密度g ／cm 3熔点℃莫氏硬度抗压能力/MPa核桃壳1．2～1．4>148314贝壳2．7～3．1>1482．5～32．18云母2．7～2。
8>148317．6蛭石2．4～2．7>1481～1．55．6序号密度/g/cm 3抗压强度/MPa1 1.3516.02 1.4018.531.5021.5微复合堵漏浆的抗压强度新型高效微复合堵漏材料------封堵能力评价参照标准SY/T 5840-93，在聚磺基浆中加量分别为5.0%、10.0%，做5mm缝板和Ф14.28 mm弹珠的封堵性能试验。
配方试验床模拟漏失通道(mm)稳压(MPa)稳压时间(min)总漏失量(ml)备注+10%微复合材料缝板5静态/50承压＞7.0MPa0.710702.010754.210807.01075弹珠Ф14.28静态/60承压＞7.0MPa0.7101602.0101704.2101907.010200新型高效微复合堵漏材料------抗温性能评价温度对堵漏强度的影响1520253020406080100120140160温度℃堵漏强度,M P a新型高效微复合堵漏材料------酸溶性评价样品编号1234平均值酸溶率%87.284.785.086.486.6微复合堵漏剂酸溶性好，大于80%，储层堵漏可通过酸化解除对储层的污染。
新型高效微复合堵漏材料-----应用范围：1）随钻堵漏3%-5% 微复合堵漏剂提高易漏失地层的抗破能力＞5MPa，有效防止孔隙、微裂缝渗漏。
2）新层漏失、漏失层位置不确定和长裸眼段多层漏失10~15%微复合堵漏剂用于提高井壁抗破能力＞7MPa ，膨胀变形的聚合物微粒在孔道内能形成弹性堵塞，再经细惰性骨架材料的增强作用强化堵漏强度和界面交接强度，堵漏成功率显著提高。
-----现场应用效果：在塔里木油田现场试验4井次，堵漏一次成功率100%，为优质快速钻井提供了良好的保障。
•岩石力学管理钻井技术•储层不伤害测试技术•控制压裂技术•岩石力学管理钻井技术•储层不伤害测试技术•控制压裂技术控制压裂技术•2.1 地应力测量与解释技术•2.2 水力裂缝控制方法•2.3 重复压裂•2.4 超前注水压裂2.1 地应力测量与解释技术①水平地应力测量技术超深地层地应力确定方法层理地层地应力确定方法复合地应力确定方法小型压裂确定地应力方法②地应力方位确定方法井壁崩落法古地磁法板壳单点校核法③地应力解释、预测技术精细剖面解释压裂储层空间地应力预测地应力数据库技术超深地层地应力确定方法围压下的声发射凯塞尔效应测地应力0°45°90°45°45°Locan AT 声发射仪MTS 伺服增压器MTS 控制器MTS 液压源 压 力 微 机供 液 反 馈排 量 伺服控制 围压下声发射法测地应力流程图 声发射探头通过实验可获得一些不同岩性沉积岩的Kaiser点与围压之间的普通规律，根据这些规律可解释岩芯所处地层的原地应力大小。
薄层地应力确定方法波速各向异性与声发射凯塞尔效应联合测地应力结合声波各向异性的围压下的声发射Kaisir效应地应力测量的新方法，解决了困扰Kaisir实验对岩芯的高标准要求，利用薄层岩芯可测出水平主地应力大小，为深层地应力测试提供了新方法。
取心位置方位围压下的声发射Kaiser效应⎪⎩⎪⎨⎧+=+=pKhhpKHHPPασσασσ地破试验与差应变结合确定地应力的方法地层破裂试验地应力差值：差应变试验地应力比值：MH h =-σσ3nm h H ::=σσmn S P P m t p f H --+=3][ασm n S P P n t p f h --+=3][ασ差应变各个通道应变量随时间变化图地破试验压力-时间曲线MPaH 56.81=σMPah 41.67=σ复合地应力确定方法地应力方位确定方法 古地磁法③地应力解释、预测技术储层地应力动态预测方法精细剖面解释压裂储层空间地应力预测地应力数据库技术控制压裂方法调整压裂时机改变射孔参数利用断裂韧性优化液体性能三、主要技术创新点压裂时机传统压裂设计方法效果新设计方法效果。