2010年5月21日煤層氣水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬探討1三維離散元煤層氣研討會(huì)匯報(bào)提綱1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2離散單元理論簡(jiǎn)介3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬4結(jié)論與建議2三維離散元煤層氣研討會(huì)1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀

由于我國(guó)的煤多為中高階煤、強(qiáng)度較低，清水鉆井條件下井壁不穩(wěn)定，易發(fā)生垮塌、鉆具落井等事故。目前水平井發(fā)生垮塌的井?dāng)?shù)占已鉆井總數(shù)的32.65%。一方面造成經(jīng)濟(jì)損失，另一方面影響煤層氣開(kāi)發(fā)的大局。井號(hào)水平段總進(jìn)尺(m)是否充氣煤層垮塌、卡鉆事故備注晉平2-21211.18m否4次落魚(yú)事故由于設(shè)計(jì)及施工不當(dāng)引起晉平2-44283否多次垮塌，卡鉆7次煤層長(zhǎng)時(shí)間浸泡引起吉平1井/否3套EM-MWD儀器落井最后該井放棄鉆進(jìn)DNP018488是1次卡鉆，1次儀器落井DNP077058是1次卡鉆PZP02井組2-16222是發(fā)生了一次卡鉆2-23379是無(wú)DS02-12063否發(fā)生了3次卡鉆由于地質(zhì)認(rèn)識(shí)不清，提前完鉆FZP井組是4次垮塌，3套LWD儀器落井共9口井，6口井發(fā)生了11次煤層垮塌3三維離散元煤層氣研討會(huì)1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)70年代，美國(guó)礦務(wù)局在阿巴拉契亞、勇士、皮申斯、圣胡安和尤因塔等盆地針對(duì)煤層井壁穩(wěn)定開(kāi)展了大量的研究。上世紀(jì)90年代，吐哈盆地在油氣鉆井中經(jīng)常碰到西山窯、八道灣煤層，煤層坍塌嚴(yán)重，自此煤層坍塌問(wèn)題引起了廣大中國(guó)鉆井工程師的注意。

2005年以后，煤層氣開(kāi)發(fā)進(jìn)入了加速的階段，煤層井壁坍塌問(wèn)題日益突出，煤層井壁穩(wěn)定技術(shù)已成為煤層氣鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國(guó)年鉆井?dāng)?shù)量分布圖4三維離散元煤層氣研討會(huì)1.1研究的主要區(qū)塊沁水盆地3#煤層吐哈盆地西山窯、八道灣

塔里木盆地依奇克里克區(qū)塊侏羅系和三疊系煤層鄂爾多斯盆地山西組、太原組和本溪組

1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀5三維離散元煤層氣研討會(huì)1.2研究的階段2005年以前，井壁穩(wěn)定主要出現(xiàn)在油氣井鉆井中。鉆井目的層不是煤層，煤層不是生產(chǎn)層。煤層井壁穩(wěn)定的主要問(wèn)題是煤層坍塌。2005年以后，井壁穩(wěn)定主要出現(xiàn)在煤層氣井中。煤層是鉆井的目的層、是生產(chǎn)層。煤層井壁穩(wěn)定的問(wèn)題存在于煤層氣開(kāi)發(fā)的三個(gè)方面：鉆井、壓裂、生產(chǎn)。在中國(guó)，以煤層氣的開(kāi)發(fā)作為分界線，煤層井壁穩(wěn)定研究大致可分為兩個(gè)階段。1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀6三維離散元煤層氣研討會(huì)1.3主要的研究方法

理論方法數(shù)值分析實(shí)驗(yàn)研究1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀7三維離散元煤層氣研討會(huì)1.3主要的研究方法理論方法1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀1996年，S.E.Laubach等對(duì)煤層中的裂紋進(jìn)行了簡(jiǎn)單的斷裂力學(xué)分析對(duì)于垂直、受均一載荷的平面裂紋，它的走向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于高度。

裂紋走向的兩端點(diǎn)相比裂紋上下的兩高點(diǎn)而言，后者應(yīng)力集中的程度更大沒(méi)有提出更進(jìn)一步的判斷模型8三維離散元煤層氣研討會(huì)1.3主要的研究方法理論方法1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2002年，劉向君等在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)井壁穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，采用簡(jiǎn)化的巖石軟弱面地質(zhì)模型和力學(xué)模型分析了具有節(jié)理等軟弱面地層的井壁穩(wěn)定性。金衍等也采用了相似的方式對(duì)軟弱面地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行了分析?；|(zhì)塊體軟弱面只適合數(shù)值模擬分析，其實(shí)質(zhì)為離散元9三維離散元煤層氣研討會(huì)1.3主要的研究方法理論方法1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2008年，ThomasGentzis提出利用Hoek-Brown模型分析煤巖的破壞。該模型更適合裂縫發(fā)育巖體的強(qiáng)度準(zhǔn)則，可反映裂縫發(fā)育特征及尺寸效應(yīng)的影響，并且可反應(yīng)煤巖應(yīng)力-應(yīng)變的非線性關(guān)系。近似分析，模型中有多個(gè)定性參數(shù)10三維離散元煤層氣研討會(huì)1.3主要的研究方法數(shù)值分析1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2000年，李嗣貴把煤層視為節(jié)理地層，并利用二維離散元軟件UDEC對(duì)煤層井眼周?chē)膽?yīng)力、位移及裂縫張開(kāi)情況進(jìn)行了一系列分析計(jì)算當(dāng)井壁存在鉆井液滲入時(shí)，鉆井液密度越高，張開(kāi)的節(jié)理面越多，節(jié)理張開(kāi)的距離越大，井壁越不穩(wěn)定。對(duì)割理的地質(zhì)特性沒(méi)能真實(shí)反映11三維離散元煤層氣研討會(huì)1.3主要的研究方法數(shù)值分析1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2006年，張哲基于對(duì)巖石細(xì)觀力學(xué)本構(gòu)關(guān)系的認(rèn)識(shí)，利用RFPA2D滲流與應(yīng)力耦合作用分析系統(tǒng)，分析了煤層氣開(kāi)采過(guò)程中煤層水平井眼的尺寸效應(yīng)。煤層井壁失穩(wěn)的主要問(wèn)題是割理、裂隙發(fā)育，巖石脆性大、強(qiáng)度低，在地應(yīng)力、煤巖自重及其他外界因素的耦合作用下，煤巖體發(fā)生斷裂破壞。最大主應(yīng)力分布圖12三維離散元煤層氣研討會(huì)1.3主要的研究方法數(shù)值分析1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2007年朱榮東等利用有限元法分析了裂縫對(duì)井壁穩(wěn)定的影響不連續(xù)地層中，裂縫尖端出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中隨著井眼壓力升高，裂縫尖端等效I型應(yīng)力強(qiáng)度因子變大，不連續(xù)地層中的裂縫更容易失穩(wěn)，井眼趨于不穩(wěn)定裂紋尖端分析示意圖13三維離散元煤層氣研討會(huì)1.3主要的研究方法數(shù)值分析1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2008年,Thomas利用FLAC3D分析了煤層水平井的穩(wěn)定性。在沒(méi)有泥餅的情況下，在0.5s時(shí)，鉆井液的侵入深度僅有0.2m，而在600s的時(shí)候侵入深度為2.2m

在6和2的井眼對(duì)比中發(fā)現(xiàn)2井眼的穩(wěn)定性高于6的。14三維離散元煤層氣研討會(huì)1.3主要的研究方法實(shí)驗(yàn)研究1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀含碳量抗壓強(qiáng)度

除開(kāi)一系列的常規(guī)強(qiáng)度測(cè)試外，還需要一些特殊的測(cè)試。煤巖的灰分測(cè)試實(shí)驗(yàn)

煤巖的含碳量與煤巖的強(qiáng)度存在函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)定煤巖的含碳量即可測(cè)定煤巖強(qiáng)度?？梢欢ǔ潭鹊膹浹a(bǔ)煤巖取芯困難15三維離散元煤層氣研討會(huì)

利用應(yīng)力路徑的方法，進(jìn)行一組單軸抗壓強(qiáng)度和四組三軸測(cè)試，可以確定煤巖的破壞包絡(luò)線。1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀1.3主要的研究方法實(shí)驗(yàn)研究16三維離散元煤層氣研討會(huì)

利用掃描電鏡疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可以測(cè)定完整煤巖的抗拉強(qiáng)度，避免割理等的干擾。觀測(cè)裂紋的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀1.3主要的研究方法實(shí)驗(yàn)研究ABADC17三維離散元煤層氣研討會(huì)1.4存在的難點(diǎn)問(wèn)題

高度非連續(xù)與儲(chǔ)層保護(hù)的矛盾復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀18三維離散元煤層氣研討會(huì)匯報(bào)提綱1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2離散單元理論簡(jiǎn)介3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬4結(jié)論與建議19三維離散元煤層氣研討會(huì)2離散元理論簡(jiǎn)介概況

離散單元法不僅僅是一種數(shù)值計(jì)算方法，更是一種巖石力學(xué)的思維模式。結(jié)構(gòu)力學(xué)和巖石力學(xué)有機(jī)的統(tǒng)一，不連續(xù)介質(zhì)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)之間的有機(jī)統(tǒng)一。

是技術(shù)更是藝術(shù)！20三維離散元煤層氣研討會(huì)

離散單元法把巖體分為巖石塊體和不連續(xù)面兩類(lèi)，以塊體為最小研究單位。不連續(xù)面一方面作為塊體的邊界，另一方面作為塊體之間力作用的傳媒。

基本原理一不連續(xù)面巖石塊體2離散元理論簡(jiǎn)介21三維離散元煤層氣研討會(huì)基本原理二

離散單元法認(rèn)為巖體在外部的擾動(dòng)下，巖體最終會(huì)達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡或完全破壞。2離散元理論簡(jiǎn)介22三維離散元煤層氣研討會(huì)基本分類(lèi)

按空間維度，可分為二維和三維離散元按研究對(duì)象，可分為剛體和可變形體離散元。2離散元理論簡(jiǎn)介23三維離散元煤層氣研討會(huì)力學(xué)模型一不連續(xù)面剛度模型

不連續(xù)面的力學(xué)特性主要通過(guò)切向剛度和法向剛度來(lái)描述。塊體之間的相互作用二維三維2離散元理論簡(jiǎn)介24三維離散元煤層氣研討會(huì)力學(xué)模型二塊體運(yùn)動(dòng)和變形模型

對(duì)于剛性塊體，運(yùn)動(dòng)完全遵循牛頓第二定律對(duì)于可變形塊體，一方面塊體作為一個(gè)整體會(huì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)符合牛頓定律；另一方面會(huì)產(chǎn)生變形。剛性塊體可變形塊體2離散元理論簡(jiǎn)介25三維離散元煤層氣研討會(huì)匯報(bào)提綱1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2離散單元理論簡(jiǎn)介3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬4結(jié)論與建議26三維離散元煤層氣研討會(huì)3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬3DEC軟件3DEC軟件是基于三維離散元的商業(yè)軟件。適用于各種地下工程的穩(wěn)定性分析。主要特點(diǎn)：不連續(xù)面的建模和計(jì)算方便快捷；三維立體顯示，圖像直觀且美觀。27三維離散元煤層氣研討會(huì)3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬煤層的幾何建模面割理端割理

建立一個(gè)1×1×1的塊體利用虛擬節(jié)理技術(shù)對(duì)塊體進(jìn)行切割，在Z方向用間隔0.1m的平面，x方向用間隔0.25m的平面，把地層分割成一個(gè)個(gè)長(zhǎng)方體按統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律生成面割理和端割理28三維離散元煤層氣研討會(huì)3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬劃分網(wǎng)格和局部虛擬切割利用虛擬節(jié)理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)井壁的動(dòng)態(tài)破壞模擬利用內(nèi)外雙層模型和局部加密技術(shù)提高計(jì)算精度、減少計(jì)算時(shí)間29三維離散元煤層氣研討會(huì)3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬邊界條件和初始條件

初始條件為原地應(yīng)力條件，垂直地應(yīng)力為15MPa、水平地應(yīng)力為10Ma和12MPa。

應(yīng)力邊界條件和速度邊界條件采用內(nèi)外雙層模型技術(shù)，邊界條件對(duì)內(nèi)層模型的影響較小。30三維離散元煤層氣研討會(huì)3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果分析井眼走向?qū)诜€(wěn)定性的影響面割理走向與井眼走向垂直面割理走向與井眼走向平行

井眼周?chē)鷫K體有些許滑移和個(gè)別塊體脫落。井眼周?chē)膲K體，少部分已經(jīng)脫落，大部分都出現(xiàn)了松動(dòng)。特別是在井眼的頂?shù)讌^(qū)域，塊體破壞相當(dāng)嚴(yán)重?？赡苁且?yàn)榇瓜虻貞?yīng)力為最大地應(yīng)力。31三維離散元煤層氣研討會(huì)3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果分析割理密度對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

當(dāng)割理密度為40條/m時(shí)，井壁幾乎完全失穩(wěn)。而在割理密度為20條/m時(shí)，井壁周?chē)膲K體出現(xiàn)了較大的松動(dòng)，但整體并沒(méi)有失穩(wěn)。割理密度越大，井壁的穩(wěn)定性越差。割理密度越大，切割成的塊體越小，對(duì)于同樣尺寸的井眼來(lái)說(shuō)產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)就越大。20條/m40條/m32三維離散元煤層氣研討會(huì)3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果分析井底壓力對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

井底壓力為0MPa的時(shí)候，井眼周?chē)鷫K體破壞嚴(yán)重，井壁處于失穩(wěn)狀態(tài)。井底壓力為4MPa的時(shí)候，井眼周?chē)猩僭S塊體松動(dòng)，但整體觀井壁處于穩(wěn)定狀態(tài)。

7MPa的時(shí)候井眼周?chē)鷽](méi)有任何塊體松動(dòng)，井壁穩(wěn)定。

不同井底壓力下的位移33三維離散元煤層氣研討會(huì)3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果分析井徑對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響

在井底壓力為5MPa時(shí)候，井徑為20cm的井眼保持穩(wěn)定，但井徑為40cm的井眼已經(jīng)產(chǎn)生破壞了。井眼的穩(wěn)定性存在尺寸效應(yīng)。當(dāng)井徑越大時(shí)，井周切割的塊體更多；在等徑向距離下，近井壁的裂縫、割理等越多。a井徑為20cmb井徑為40cm34三維離散元煤層氣研討會(huì)匯報(bào)提綱1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2離散單元理論簡(jiǎn)介3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬4結(jié)論與建