三维离散元煤层气研讨会.ppt

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1、中国石油集团钻井工程技术研究院2010年5月21日煤层气水平井井壁稳定数值模拟探讨1汇报提纲1煤层气井壁稳定研究现状2离散单元理论简介3水平井井壁稳定数值模拟4结论与建议21煤层气井壁稳定研究现状由于我国的煤多为中高阶煤、强度较低，清水钻井条件下井壁不稳定，易发生垮塌、钻具落井等事故。目前水平井发生垮塌的井数占已钻井总数的32.65%。一方面造成经济损失，另一方面影响煤层气开发的大局。井号水平段总进尺(m)是否充气煤层垮塌、卡钻事故备注晋平2-21211.18m否4次落鱼事故由于设计及施工不当引起晋平

2、2-44283否多次垮塌，卡钻7次煤层长时间浸泡引起吉平1井/否3套EM-MWD仪器落井最后该井放弃钻进DNP018488是1次卡钻，1次仪器落井DNP077058是1次卡钻PZP02井组2-16222是发生了一次卡钻2-23379是无DS02-12063否发生了3次卡钻由于地质认识不清，提前完钻FZP井组是4次垮塌，3套LWD仪器落井共9口井，6口井发生了11次煤层垮塌31煤层气井壁稳定研究现状上世纪70年代，美国矿务局在阿巴拉契亚、勇士、皮申斯、圣胡安和尤因塔等盆地针对煤层井壁稳定开展了大量的研究

3、。上世纪90年代，吐哈盆地在油气钻井中经常碰到西山窑、八道湾煤层，煤层坍塌严重，自此煤层坍塌问题引起了广大中国钻井工程师的注意。2005年以后，煤层气开发进入了加速的阶段，煤层井壁坍塌问题日益突出，煤层井壁稳定技术已成为煤层气钻井的关键技术之一。我国年钻井数量分布图41.1研究的主要区块沁水盆地3#煤层吐哈盆地西山窑、八道湾塔里木盆地依奇克里克区块侏罗系和三叠系煤层鄂尔多斯盆地山西组、太原组和本溪组1煤层气井壁稳定研究现状51.2研究的阶段2005年以前，井壁稳定主要出现在油气井钻井中。钻井目的层不是

4、煤层，煤层不是生产层。煤层井壁稳定的主要问题是煤层坍塌。2005年以后，井壁稳定主要出现在煤层气井中。煤层是钻井的目的层、是生产层。煤层井壁稳定的问题存在于煤层气开发的三个方面：钻井、压裂、生产。在中国，以煤层气的开发作为分界线，煤层井壁稳定研究大致可分为两个阶段。1煤层气井壁稳定研究现状61.3主要的研究方法理论方法数值分析实验研究1煤层气井壁稳定研究现状71.3主要的研究方法理论方法1煤层气井壁稳定研究现状1996年，S.E.Laubach等对煤层中的裂纹进行了简单的断裂力学分析对于垂直、受均一载

5、荷的平面裂纹，它的走向长度远大于高度。裂纹走向的两端点相比裂纹上下的两高点而言，后者应力集中的程度更大没有提出更进一步的判断模型81.3主要的研究方法理论方法1煤层气井壁稳定研究现状2002年，刘向君等在连续介质力学井壁稳定性分析的基础上，采用简化的岩石软弱面地质模型和力学模型分析了具有节理等软弱面地层的井壁稳定性。金衍等也采用了相似的方式对软弱面地层的井壁稳定性进行了分析。基质块体软弱面只适合数值模拟分析，其实质为离散元91.3主要的研究方法理论方法1煤层气井壁稳定研究现状2008年，ThomasG

6、entzis提出利用Hoek-Brown模型分析煤岩的破坏。该模型更适合裂缝发育岩体的强度准则，可反映裂缝发育特征及尺寸效应的影响，并且可反应煤岩应力-应变的非线性关系。近似分析，模型中有多个定性参数101.3主要的研究方法数值分析1煤层气井壁稳定研究现状2000年，李嗣贵把煤层视为节理地层，并利用二维离散元软件UDEC对煤层井眼周围的应力、位移及裂缝张开情况进行了一系列分析计算当井壁存在钻井液渗入时，钻井液密度越高，张开的节理面越多，节理张开的距离越大，井壁越不稳定。对割理的地质特性没能真实反映11

7、1.3主要的研究方法数值分析1煤层气井壁稳定研究现状2006年，张哲基于对岩石细观力学本构关系的认识，利用RFPA2D渗流与应力耦合作用分析系统，分析了煤层气开采过程中煤层水平井眼的尺寸效应。煤层井壁失稳的主要问题是割理、裂隙发育，岩石脆性大、强度低，在地应力、煤岩自重及其他外界因素的耦合作用下，煤岩体发生断裂破坏。最大主应力分布图121.3主要的研究方法数值分析1煤层气井壁稳定研究现状2007年朱荣东等利用有限元法分析了裂缝对井壁稳定的影响不连续地层中，裂缝尖端出现明显的应力集中随着井眼压力升高，裂

8、缝尖端等效I型应力强度因子变大，不连续地层中的裂缝更容易失稳，井眼趋于不稳定裂纹尖端分析示意图131.3主要的研究方法数值分析1煤层气井壁稳定研究现状2008年,Thomas利用FLAC3D分析了煤层水平井的稳定性。在没有泥饼的情况下，在0.5s时，钻井液的侵入深度仅有0.2m，而在600s的时候侵入深度为2.2m在6和2的井眼对比中发现2井眼的稳定性高于6的。141.3主要的研究方法实验研究1煤层气井壁稳定研究现状含碳量抗压强度除开一系列的常规