石油工程岩石力学大作业.docx

岩石力学大作业专 业：油气井工程专业 班 级：研油气井班姓 名： 学 号： 2023.05.25目录题目：2014-2015石油工程岩石力学大作业1已知条件1要求1第一章 前言31.1 井壁稳定研究的意义31.2 国内外研究现状及发展趋势31.3 本题的研究方法5第二章 基于测井资料分析过程62.1 地层岩性分析62.1.1 泥质含量62.1.2 井径测井分析72.1.3 岩性分析72.1.4 求取Biot系数82.2 求取弹性模量和泊松比92.2.1 声波测井解释原理92.2.2 弹性模量和泊松比92.3 求取内聚力、内摩擦角与地层抗拉强度连续剖面112.3.1 计算单点的粘聚力和内摩擦角112.3.2粘聚力、内摩擦角与地层抗拉强度的连续剖面122.4 孔隙压力分析132.4.1 求上覆岩层压力132.4.2 求地层孔隙压力6132.5水平最大和最小主应力剖面5162.6 坍塌压力、破裂压力和钻井液密度窗口5192.6.1 坍塌压力192.6.2 破裂压力192.6.3 绘制钻井液密度窗口202.6.4防止井壁坍塌合理建议212.7 分析出砂可能性5212.7.1 出砂指数法分析出砂可能性212.7.2 合理完井方式推荐222.8 水平井起裂压力计算222.8.1 水平井起裂压力计算模型222.8.2 计算起裂压力23参考文献25附录：Matlab源程序26题目：2023-2023石油工程岩石力学大作业结合所学的石油工程岩石力学课程内容及相关知识，运用给出的测井数据，对地层力学参数、孔隙压力、地应力、地层坍塌压力与破裂压力进行分析计算，得出地层力学参数、地层主应力、地层坍塌、破裂压力剖面；分析储层出砂也许性，提出完井方式建议；分析水平井裸眼压裂的起裂压力。最终形成结课作业报告。已知条件(1) A井为一口预探井、直井，位于受正断层控制的某凹陷构造，钻遇地层为第三系、第四系地层，重要为砂岩、泥岩地层，部分层位有薄层煤岩夹层。储层为3600-4100m砂岩地层。(2) 已知A井纵波时差、密度、自然伽马和井径测井数据，见附件一。(3) 已知A井钻井过程中实际使用的钻井液密度，见附件一。(4) A井钻井中的重要复杂问题是起下钻阻卡，一般通过划眼、倒划眼方法解决，一定限度上影响钻井时效。钻井中进行过两次地漏实验，分别位于井深1605m和3832m，具体数据见附件一。(5) 运用A井钻井取得的岩心进行了室内岩石力学实验，数据见表1。表1 A井岩心室内实验数据井深(m)岩心编号围压(MPa)破坏强度(MPa)备注37971-1039.52-120146.43-140215.438874-1050.65-120155.26-140201.439758-1052.59-120148.210-140187.739758-2018.4浸泡钻井液2天9-22097.510-240128.5规定1） 编写程序读取、计算、输出数据。2） 运用自然伽马测井数据简朴分析地层岩性，合理设定或求取有效应力系数。3） 运用测井数据计算分析地层的弹性模量、泊松比。4）根据抗压实验结果，依据线性莫尔-库仑准则计算粘聚力和内摩擦角，根据实验结果调整合理的系数，运用测井数据计算粘聚力、内摩擦角与地层抗拉强度的连续剖面。5） 采用地层密度积分方法计算上覆主应力，运用声波时差测井数据分析地层孔隙压力，得出孔隙压力随井深变化的连续剖面。6）根据地漏实验数据分析水平地应力大小，选取水平构造应力系数，采用适当模型计算水平主应力大小，得出水平最大和最小主应力剖面。7）采用直井均质各向同性模型计算地层坍塌、破裂压力，分析钻井液密度使用是否合理。8） 分析储层出砂也许性，推荐合理的完井方式。9）假如后期开发中在该井区垂深3980-4000m地层钻进水平井且进行压裂，分别计算向水平最大主应力和水平最小主应力方向钻进的水平井裸眼起裂压力大小。10）输出结果中单位的使用：地层强度参数采用MPa为单位，地应力、坍塌压力、破裂压力采用当量泥浆密度为单位。11） 编写结课作业报告。12）课程结课作业报告提交截止时间：2023年5月25日。第一章 前言1.1 井壁稳定研究的意义井壁稳定一般是指钻井过程中井壁的张性破坏(井漏)和剪切破坏(井塌)问题，是钻井工程中经常碰到的井下复杂情况之一，具体涉及井眼缩径、坍塌、井漏、卡钻等，特别是井漏、井喷对储层的伤害很大。井壁失稳问题是世界许多油田都普遍存在的一大难题，一直困扰着石油工业界。据有关资料介绍，世界范围内平均每年用于解决井眼失稳的费用达810亿美元，消耗的时间约占钻井总时间的5一6%。国内各油田由于井壁失稳导致的损失在钻井事故损失中所占比例仍然很大。因此，钻井过程中井壁稳定与否，关系到能否实现安全、快速的钻进，同时.又可以尽也许的减少对储集层段的污染，减少钻井费用。所以对井壁稳定性的研究越来越受到重视，已经成为当今乃至将来研究重点。通过相关资料的研究和计算可以得出井壁岩石地层处的破裂压力及坍塌压力，从而建立相应的井壁稳定模型，可以有效的控制钻井过程中的井壁失稳，以便采用相应的措施，达成减少井下事故的发生，缩短钻井周期的目的，是实现优质、安全、高效和低成本钻井的关键。1.2 国内外研究现状及发展趋势由于钻井过程中的井壁失稳是一个世界性难题，因此受到各国科研人员的高度重视。但是，由于受石油钻井工程发展历史的影响，长期以来，研究的重点多集中于化学防塌方面。在这方面，泥浆工作者进行了大量行之有效的工作，从化学的角度出发研制克制泥页岩水化、膨胀和实现离子活度平衡的新型泥浆解决剂和配方，使井壁失稳现象大为减少，井壁稳定技术取得很大进展，但是，仍然解决不了水化限度弱、强度低的泥页岩、砂泥岩地层，强地应力条件的山前构造、弱面地层和井斜及井斜引起的井壁失稳问题，可见，解决井壁失稳仅通过使用优质泥浆是不够的，有必要从岩石力学的角度出发，进行井壁稳定力学研究。自本一世纪40年代以来，国外众多的研究者就己为解决与井壁稳定有关的岩石力学问题做出了大量的努力。这些研究最初是将力学和化学两方面的问题分开进行的，并着重于纯理论上的定性分析。随后，一些研究人员又从现场应用的角度提出了运用测井资料来研究井壁稳定的方法，比如斯伦贝谢测井公司从70年代起开始运用测井资料解释地层的力学问题，先后提供了岩石力学性质测井(MECHPRO)，力学稳定性测井(MSL)和井眼力学问题系统(IMPACT)等技术。80年代以来，特别是近年来随着水平井和大位移井的发展，这方面的研究更为受到重视，己达成定量化阶段，并开始在现场试用。国内学者将岩石力学理论用于钻井井壁稳定方面的研究起步相对较晚。80年代初期，岩石力学的研究重要是用于描述地层蠕变对套管产生的破坏作用，到90年代，在井壁稳定方面的研究有了很大的发展，黄荣蹲等人还对大斜度井和水平井井壁力学稳定性问题作了进一步的研究，其井壁稳定性模型在Aadnoy模型的基础上又附加了井壁渗透性因素和考虑了两个水平地应力不相等的情况，并指出井壁渗透性对坍塌压力的计算影响大不，但对计算破裂压力有较大的影响。随后，石油大学岩石力学研究组又集中力量开展了对泥页岩井壁坍塌的力学、化学藕合方面的研究。此外，国内学者还应用损伤力学理论，从岩体节理的变形能出发，建立了硬脆性泥页岩(含节理裂隙)的本构方程，又以实验数据为基础，用固体力学方法建立了膨胀性泥页岩水化的本构方程，根据损伤和水化膨胀的特性，建立了有限元计算模型和相应的计算程序，结合莫尔库伦准则，给出了拟定井壁稳定所需钻井液密度值的新方法。总之，井壁稳定问题的理论研究已发展到了一定的水平，并且正不断加大钻前井壁稳定的预测力度。目前国内外对井壁稳定的实时预测研究重要从两个方面来展开:第一是借助先进的随钻测量工具(UWD、MWD等)来获得井壁的实时信息，进而运用原有的相对成熟的岩石力学参数与测井数据相关公式，来分析井壁的力学稳定性:第二是运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。而实时地对当前钻头处地层的井壁稳定性进行评价，及对钻头底下地层的井壁稳定性进行预测，是当前钻井急需解决的理论和工程难题。总的来讲，井壁稳定力学研究应从3个方面入手:岩石力学参数、原地应力场和井壁稳定力学模型研究。岩石力学参数是基础，地应力是井壁失稳的主线诱因，合理的井壁稳定力学模型是解决井壁稳定问题的有效途径。结合3个方面的研究，掌握地应力状态和地层力学参数，采用合理的力学模型，得出能控制井壁失稳的泥浆密度范围，再配合使用优质泥浆，才干使得井壁失稳问题得到最大限度的减少。1.3 本题的研究方法重要运用给出的测井数据，对地层力学参数、孔隙压力、地应力、地层坍塌压力与破裂压力进行分析计算，得出地层力学参数、地层主应力、地层坍塌、破裂压力剖面；分析储层出砂也许性，提出完井方式建议；分析水平井裸眼压裂的起裂压力。第二章 基于测井资料分析过程2.1 地层岩性分析2.1.1 泥质含量地层中的泥质含量与自然读数GR的关系往往是通过实验拟定的。德莱赛测井公司在墨西哥湾采用式（2.1.1）求泥质的体积含量Vs1。 （2.1.1） （2.1.2）式中，Vsh泥质的体积含量；GCUR希尔奇指数，对于第三系地层取值3.7，老地层取值2，题目中有说明钻遇的是第三系和第四系，故其值取3.7；IGR泥质含量指数；GR、GRmax 、GRmin目的层的、纯泥页岩的和纯砂岩层的自然伽马值。根据GR测井数据，获得最大值134.92和最小值35.213。取GRmin=30(API)，GRmax=140(API)。在Matlab中编程并绘制泥质含量随井身变化剖面图：图2-1 泥质含量随井深剖面变化图2.1.2 井径测井分析将钻头直径数据与井径测井数据绘制与一张图中：图 2-2 井眼直径在钻井过程的变化2.1.3 岩性分析自然伽马测井划分岩性原理是运用自然伽马测井曲线划分岩性，重要是根据岩层中泥质含量不同进行的。在砂泥岩剖面中，砂岩显示出最低值，粘土（泥岩、页岩）显示最高值，而粉砂岩、泥质砂岩介于中间，并随着岩层中泥质含量增长曲线幅度增大。通常规定Vsh0.7的层段是纯泥岩段，Vsh0.2的层段是纯砂岩段。井径测井中扩径重要发生在疏松砂岩段和泥质含量较高的井段，缩颈重要发生于砂岩段。结合泥质含量曲线和井径测井曲线分析地层岩性：1600m-1800m深度处，泥质含量较低（Vsh %导入测井数据（已存为loggingdata.mat）。load(C:UserswdyDesktoploggingdata.mat);L=loggingdata;l,r=size(L);DEPT=L(:,1);BIT=L(:,2);CAL=L(:,3);GR=L(:,4);DT=L(:,5);DEN=L(:,6);%绘制钻头尺寸和井眼直径测井数据曲线。subplot(1,2,2);plot(BIT,DEPT,r,CAL,DEPT,c);set(gca,YDir,reverse);xlabel(in);ylabel(深度/m); title(钻头尺寸与实际井眼尺寸对比); legend(BIT,CAL); grid on;%用GR（自然伽马测井数据）计算泥质含量。plot(GR,DEPT,m);set(gca,YDir,reverse);xlabel(API);ylabel(深度/m); title(自然伽马测井数据随深度的变化); grid on;%绘制自然伽马测井曲线，以便选取GRmin和GRmax。M=max(GR);m=min(GR);%得到M=134.9200，m=35.2130。GRmin=30;GRmax=140;IGR=(GR-GRmin*ones(l,1)./(GRmax-GRmin);GCUR=3.7;%钻遇第三系和第四系地层，希尔奇指数取3.7。Vsh=(2.(GCUR*IGR-ones(l,1)./(2.GCUR-ones(l,1);plot(Vsh,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(泥质含量);ylabel(深度/m); title(泥质含量随深度的变化关系); grid on;%运用密度测井和声波测井数据计算Biot弹性系数。DT=100/30.48*10-6*DT;%将声波测井数据单位转换为国际单位。Vp=ones(l,1)./DT*10-3;%求取纵波速度，单位是Km/s。Vs=(11.44*Vp+18.03*ones(l,1).0.5-5.686*ones(l,1);%运用经验公式求取横波速度。B=1-(DEN.*(3*Vp.2-4*Vs.2)./(2.65*ones(l,1).*(3*5.952*ones(l,1)-4*32*ones(l,1);plot(B,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(有效应力系数);ylabel(深度/m); title(有效应力系数); grid on;%用声波测井数据和密度测井资料求取弹性模量和泊松比。Ed=1000*DEN.*Vs.2.*(3*Vp.2-4*Vs.2)./(Vp.2-2*Vs.2);%求动态弹性模量。Es=0.6042*Ed-0.1989;%求静态弹性模量。plot(Es,DEPT,r);set(gca,YDir,reverse);xlabel(静态态弹性模量/MPa);ylabel(深度/m); title(地层各深度处相应的静态弹性模量); grid on;%绘制弹性模量曲线。miud=(0.5*Vp.2-Vs.2)./(Vp.2-Vs.2); %求动态泊松比。mius=0.18+0.3*miud;%求静态泊松比。plot(mius,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(静态泊松比);ylabel(深度/m); title(地层各深度处相应的静态泊松比); grid on;%绘制泊松比曲线。%求取内聚力，内摩擦角和抗拉强度。C1=(ones(l,1)-2*mius).*(ones(l,1)+mius)./(ones(l,1)-mius).*DEN.2.*(Vp*1000).4.*(ones(l,1)+0.78*Vsh);%不带系数的内聚力。a=C1(2198);b=C1(2288);c=C1(2376);C=7.927e-15*C1;%通过室内岩心实验数据拟定求内聚力的系数。St=10-1*(0.0045*Es.*(ones(l,1)-Vsh)+0.008*Vsh.*Es)/12;%计算抗拉强度。KL=58.93-1.785*C;phi=2.6541*log10(KL+KL.2+1).0.5)+20;%计算内摩擦角。subplot(1,3,1);plot(C,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(内聚力);ylabel(深度/m); title(地层各深度处相应的内聚力); grid on;%绘制内聚力曲线。subplot(1,3,2);plot(phi,DEPT,c);set(gca,YDir,reverse);xlabel(内摩擦角/度);ylabel(深度/m); title(地层各深度处相应的内摩擦角); grid on;%绘制内摩擦角曲线。subplot(1,3,3);plot(St,DEPT,r);set(gca,YDir,reverse);xlabel(抗拉强度/MPa);ylabel(深度/m); title(地层各深度处相应的抗拉强度); grid on;%绘制抗拉强度曲线。 %运用积分法计算垂直主应力，计算孔隙压力。 Sigv=ones(l,1);for i=1:lSigv(i)= 0.00981*1600*2.1918+sum(0.00981*DEN(1:i);%求垂直应力。end%导入正常压实声波时差数据（已存为P.mat）。load(C:UserswdyDesktopP.mat);Gv=Sigv./DEPT/0.00981;Pp=Gv+(Gv-ones(l,1).* (37.276*DT*30.48/100*1e6-6222.1*ones(l,1)./DEPT;plot(Pp,DEPT,c);set(gca,YDir,reverse);xlabel(地层压力梯度);ylabel(深度/m); title(地层孔隙压力剖面);plot(Gv,DEPT,m);set(gca,YDir,reverse);xlabel(上覆岩层压力);ylabel(深度/m); title(上覆岩层压力当量钻井液密度井深剖面);%求最大最小水平主应力ep1 =9.3901e-4;ep2=5.1362e-4;Sigmah=mius./(1-mius).*(Sigv-B.*Pp)+B.*Pp+ep1*Es.*mius./(1-mius)+ep2*Es./(1-mius);SigmaH=mius./(ones(l,1)-mius).*(Sigv-B.*Pp)+B.*Pp+ep2*Es.*mius./(ones(l,1)-mius)+ep1*Es./(ones(l,1)-mius);PH= SigmaH./( 0.00981*DEPT);Ph= Sigmah./(0.00981*DEPT);subplot(1,3,1);plot(Ph,DEPT,m);set(gca,YDir,reverse);xlabel(最小水平主应力(g/cm3);ylabel(深度/m); title(最小水平主应力剖面);subplot(1,3,2);plot(Gv,DEPT,c);set(gca,YDir,reverse);xlabel(垂直主应力(g/cm3);ylabel(深度/m); title(垂直主应力剖面);subplot(1,3,3);plot(PH,DEPT,b);set(gca,YDir,reverse);xlabel(最大水平主应力(g/cm3);ylabel(深度/m); title(最大水平主应力剖面);%地层破裂压力、地层坍塌压力。Angle=45-phi/2;K1=cot(Angle*pi/180);UCS=2*C.*K1;rouc=(B.*(K1.2-1).*Pp+0.95*(3*SigmaH-Sigmah-UCS)./(0.95+K1.2).*DEPT)*100;%坍塌压力梯度。Pf=3*Sigmah-SigmaH-B.*Pp+St;%破裂压力rouf=1e3*Pf./(9.81*DEPT);%导入实钻钻井液密度（已存为den.mat）。load(C:Userswdy