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含弱面岩石的地层井壁坍塌压力预测研究

于立松  
【摘要】:随着非常规油气的大规模开发,泥页岩、煤岩等含弱面岩石的地层井壁失稳问题越来越受重视,由于层理面、割理面、微裂缝等软弱结构面的存在,把岩石的弹性、强度等性质视为各向同性的方法正受到越来越多的挑战,含弱面岩石的地层在地应力和坍塌压力预测方面都必须考虑各向异性。本文以广义胡克定律的一般表达式为基础,从各向异性材料力学角度出发,得到岩石弹性各向异性本构方程,推导建立了横观各向同性和正交各向异性地层地应力计算模型,实例分析了计算模型的误差。分析Jaeger-Cook准则和Mclamore准则对弱面岩石强度的判断机理,结合对现场泥页岩取芯实验的结果,选取Jaeger-Cook准则的判断机理,综合考虑三向应力对岩石强度的影响,建立了考虑三向应力的含弱面岩石强度模型,并分析了含弱面岩石强度随三向应力大小和弱面方向的变化规律。从张量的坐标转换基本原理出发,得到应力、应变在不同坐标系下的坐标转换关系,并将其运用到各向异性地层斜井井壁稳定分析中,通过坐标转换直接将井壁应力投影到弱面上进行分析,建立了含弱面岩石的地层井壁坍塌压力预测模型。针对不同的地应力机制,对含弱面岩石的地层井壁坍塌压力进行预测分析,总结分析了不同方位斜井和水平井的坍塌压力变化规律,给出了安全钻进方位。实例分析表明,利用含弱面岩石的地层井壁坍塌压力预测模型得到的预测值对现场施工有重要的参考价值。


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