气体钻井井壁稳定严究.ppt
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胜利石油管理局钻井工艺研究院中石化工程技术研究院胜利分院2011-6第二届石油工程新技术青年论坛气体钻井井壁稳定性研究气体钻井井壁稳定性研究报告提纲报告提纲个人简介个人简介气体钻井及井壁稳定研究现状气体钻井及井壁稳定研究现状目标与任务目标与任务前期工作前期工作技术关键及路线技术关键及路线技术经济效益分析及预测技术经济效益分析及预测王王宗宗钢钢,中共党员,山东省特聘教授,泰山学者。
2010年归国前在德国萨克森州开姆尼兹工业大学(TU-Chemnitz)机械工程系高级科学家,从事材料力学方面的科研工作。
教育背景教育背景1999年7月本科毕业于山东理工大学汽车学院;2002年7月硕士毕业于清华大学工程力学系;2007年10月以色列理工学院(Technion-IIT)机械系哲学博士学位。
个人简介个人简介个人简介个人简介科研背景材料失效分析,断裂,裂纹扩展;工程材料的强度计算;机械结构的振动模态分析;机械系统稳定性分析及控制;固体中的应力波;工程计算及有限元模拟。
科研成果科研成果1.工程矢量力学,机械工业出版社,2003年5月,ISBN:
7111113322。
2.AdiabaticShearFailureandDynamicStoredEnergyofColdWork,D.Rittel,Z.G.WangandM.Merzer,(2006)Phys.Rev.Letters,Vol.96(7),075502-1-075502-4.3.SomeExperimentsonAdiabaticShearFailure,D.Rittel,Z.G.WangandM.Merzer,(2006)J.ofPhysicsIVFrance,Vol.134,835-838.4.GeometricalImperfectionandAdiabaticShearBanding,D.Rittel,Z.G.WangandA.Dorogoy,(2007)Int.J.ImpactEng.Vol.35(11),1280-1292.5.Thermo-mechanicalAspectsofAdiabaticShearFailureofAM50andTi6Al4VAlloys,D.RittelandZ.G.Wang,(2008)MechanicsofMaterialVol.40,629-635.6.Non-UniformImpactExcitationofaCylindricalBar,B.Karp,A.DorogoyandZ.G.Wang,(2009)J.SoundandVibrationVol.323(3-5),757-771.个人简介个人简介科研成果科研成果7.OnthePlasticWavePropagationAlongSpecimensLengthinSHPBTest,Z.G.WangandL.W.Meyer,(2009)ExperimentalMechanics(inpress).8.Adiabaticshearbandcreationandplasticworkcomputationalfittingsandtheirphysicalimplications,M.MerzerandZ.G.Wang,(2010)MechanicsofMaterial(submitted).9.InfluenceofThermalSofteningandPreloadontheOnsetofAdiabaticShearBand,Z.G.Wang,M.MerzerandD.Rittel,The30thIsraeliConferenceonMechanicalEngineering,Tel-Aviv,Israel,May29-30,2005.10.ExperimentalInvestigationofAdiabaticShearFailure,D.Rittel,Z.G.WangandM.Merzer,InternationalConferenceonComputational&ExperimentalEngineeringandSciences,Chennai,India,December1-6,2005.11.SomeExperimentsonAdiabaticShearFailure,D.Rittel,Z.G.WangandM.Merzer,8thinternationalconferenceonmechanicalandphysicalbehaviorofmaterialsunderdynamicloading,Dijon,France,September11-15,2006.12.3rdInternationalConferenceonHighSpeedForming,Dortmund,Germany,March11th-12th,2008.个人简介个人简介气体钻井研究现状气体钻井研究现状气体钻井技术是一种由气体压缩设备在地面注入气体到井眼内,作为钻井循环介质的钻井技术。
直到20世纪80年代,随着旋转防喷器、旋转控制头等为代表的欠平衡钻井装备的发展,这项技术才得到广泛应用。
在相同地层条件下,钻头寿命和机械钻速有大幅度提高;对油气层污染小,适合低孔、低渗、低压、低丰度油气藏勘探开发。
气体钻井非常具有潜力,是一条解决易漏地层钻井问题、保护低压低渗油藏、提高钻井速度的有效途径,但是在施工中已经暴露了气体钻井的诸多局限性。
其中,井壁稳定井壁稳定问题是限制气体钻井优势发挥的重要瓶颈瓶颈问题之一。
气体钻井条件下井眼内完全没有支撑力,在这种极端条件下井壁如何保持稳定,需要从力学上去深入研究和探讨。
气体钻井井壁稳定气体钻井井壁稳定研究现状研究现状目前在泥浆钻井条件下的坍塌压力计算为代表的井壁稳定性评估技术难以解释气体钻井条件下的井壁稳定。
国内外井壁稳定研究主要集中在泥浆钻井条件下的力学分析、耦合等研究上,在气体钻井井壁稳定研究方面还没有专门做系统深入的研究:
没有建立起适合于气体钻井条件的井壁稳定性预测模型气体钻井井壁稳定气体钻井井壁稳定研究现状研究现状对气体钻井转换介质后井壁失稳的原因目前还没有从力学上弄清,力学分析滞后,在对策制定上仍然缺乏依据和针对性;还没有形成一套把井壁稳定分析、钻前出水定量预测结合在一起的气体钻井适应性综合评估的成熟技术。
本研究重点从井壁围岩的力学特性入手,在理论分析理论分析、实验实验和数值模拟数值模拟三个方面系统研究,为进一步的实验室研究和石油工程设计及现场施工提供参考。
气体钻井井壁稳定气体钻井井壁稳定研究现状研究现状从岩石自身的宏观力学性质和微观结构及从岩石自身的宏观力学性质和微观结构及微观性质出发,深入探讨岩石的力学性质微观性质出发,深入探讨岩石的力学性质和微观结构对井壁稳定性的影响,希望能和微观结构对井壁稳定性的影响,希望能够从科学的角度分析理解岩石在石油钻井够从科学的角度分析理解岩石在石油钻井工程中的力学行为,为提高油田钻井工程工程中的力学行为,为提高油田钻井工程科研水平打下一个坚实的基础。
科研水平打下一个坚实的基础。
配套完善现有岩石力学与钻头研制实验室。
配套完善现有岩石力学与钻头研制实验室。
形成一支岩石工程力学科研队伍形成一支岩石工程力学科研队伍。
目标与任务目标与任务本课题最终目标是形成一个较为准确合理的气气体体钻钻井井井井壁壁稳稳定定预预测测方方法法。
研究内容主要包括以下几个方面:
岩石性质的实验研究;岩石力学性质和井壁稳定性的理论解释;井壁坍塌模型的动态模拟井眼稳定性预测模型。
目标与任务目标与任务2006年中国石化在配套气体钻井设年中国石化在配套气体钻井设备的同时,引进中国石油、威德福的气备的同时,引进中国石油、威德福的气体钻井施工队伍,在川东北开展了规模体钻井施工队伍,在川东北开展了规模化的气体钻井应用。
化的气体钻井应用。
自自2005年年12月月31日开始在老君日开始在老君1井井实施中国石化第一口空气钻井以来,截实施中国石化第一口空气钻井以来,截止到止到2009年年12月共实施气体钻井月共实施气体钻井113口口井,累计钻井进尺井,累计钻井进尺245900.8m,累计纯,累计纯钻进时间钻进时间35463.87h,平均机械钻速,平均机械钻速6.93m/h。
目标与任务目标与任务力学模型力学模型zOHr0直井岩石受力的模型直井岩石受力的模型考虑在柱面坐标下,考虑在柱面坐标下,井深为井深为H处的岩石处的岩石基体内任意微元,基体内任意微元,则该微元则该微元z方向受力方向受力为:
为:
Or0pir该微元受到径向、切向和圆该微元受到径向、切向和圆柱轴向的三个方向压力,构柱轴向的三个方向压力,构成无切应力的三向围压状态。
成无切应力的三向围压状态。
极坐标系下的几何方程极坐标系下的几何方程:
广广义胡克定律:
胡克定律:
力学模型力学模型型型得到径向位移的运动方程:
得到径向位移的运动方程:
极坐标下的无体力平衡方程极坐标下的无体力平衡方程:
边界条件:
边界条件:
1.当该微元远离井口时,径向的位移应为零;当该微元远离井口时,径向的位移应为零;2.在井壁上径向压力即为井内压力:
在井壁上径向压力即为井内压力:
竖直圆柱井孔周围竖直圆柱井孔周围岩石岩石受力状态受力状态为:
为:
力学模型力学模型技术关键及路线技术关键及路线气体钻井井壁稳定预测,研究路线分如下几大大步骤进行:
井壁附近岩石力学模型建立及相关力学参数测定;岩石失效准则的合理选取及判断;岩石内部微裂纹的扩展研究;井壁失稳过程的动态有限元模拟;气体钻井井壁稳定预测方法的实现。
井壁附近岩石力学模型建立及相关力学参数测定井壁稳定力学模型的建立:
竖直/水平?
水平?
;岩石宏观基本力学性质的实验研究:
应力应变曲线;弹性模量、泊松比、密度;拉伸/压缩强度极限;岩石三向受压的应力应变曲线;岩石两向两向受压的应力应变曲线。
技术关键及路线技术关键及路线岩石失效准则的合理选取及判断目前关于岩石的失效准则的调研:
常用Tresca最大剪应力准则、vonMises等效应力准则;Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则、Hoek-Brown准则;石油钻井岩石特殊受力状态的合适准则针对岩石-拉伸强度:
压缩强度=1:
15;三向/两向围压占主导地位,应该用哪个准则?
考虑岩石微观力学性质及结构。
需要深入研究和实验来验证。
技术关键及路线技术关键及路线岩石失效准则的合理选取及判断技术关键及路线技术关键及路线岩石失效准则的合理选取及判断技术关键及路线技术关键及路线岩石失效准则的合理选取及判断技术关键及路线技术关键及路线岩石内部微裂纹的扩展研究岩石微观结构表征岩石作为一种多层次、多组分的微结构颗粒复合物,对其性能的认识必须建立在深入了解其结构、成分的基础上;获得各组分所占的体积比、岩石颗粒的尺寸、界面的结合模式以及岩石的空隙率。
技术关键及路线技术关键及路线岩石内部微裂纹的扩展研究岩石微观力学性能测试重点是进行岩石材料纳米压痕试验获得材料力学性能参数。
纳米压痕是一种先进的微尺度力学测量技术。
它是通过测量作用在压针上的载荷和压入样品表面的深度来获得材料的载荷-位移曲线,可测量的材料力学性能包括弹性模量、硬度、屈服强度、断裂韧性、应变硬化效应、粘弹性等。
技术关键及路线技术关键及路线井壁失稳过程的动态有限元模拟动态模拟能够直观,高效的对失稳过程进行研究观察,能够廉价快速的检验不同条件下井壁失稳时岩石的力学行为,是重要的辅助辅助手段;地层及井孔的三维CAD建模;岩石力学模型,边界条件及初始条件定义;定义单元性质划分网格;定义计算步骤及输出结果,进行计算及调试;分析及对比计算与实验结果,对井壁失稳预测模型提出修改意见和建议。
技术关键及路线技术关键及路线主要研究内容主要研究内容:
1、岩石宏观力学性质的实验研究与模型建立;2、岩石微观性质及结构的实验观察;3、合理断裂准则的选取与判断;4、井壁附近岩石微裂纹的扩展研究;5、井壁稳定性与岩石宏微观性质之间的内在关系;6、实现三维井壁失稳有限元模拟。
7、形成一套适用于气体钻井井壁稳定性分析及预测的新方法。
技术关键及路线技术关键及路线本研究以全新的视角深入的探讨气体钻井井壁失稳中,岩石的力学性质和微观结构,从科学的角度分析理解岩石的力学行为和组织结构变化。
通过本项目的实施,争取把钻井工艺研究院岩石破碎实验室建设成为有石油工程特色的高水平材料测试中心。
加快胜利油田勘探、开发,实现降低施工成本提高生产效率的目的。
技术经济效益分析及预测技术经济效益分析及预测谢谢!
中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院DrillingTechnologyResearchInstituteofShengliOilFieldDrillingTechnologyResearchInstituteofShengliOilFieldAdd:
827BeiYiRoad,DongYing,ShanDong,ChinaAdd:
827BeiYiRoad,DongYing,ShanDong,C
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- 气体 钻井 井壁 稳定