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匯報提綱1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2離散單元理論簡介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1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀

由于我國的煤多為中高階煤、強度較低，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)生垮塌的井數(shù)占已鉆井總數(shù)的32.65%。一方面造成經(jīng)濟損失，另一方面影響煤層氣開發(fā)的大局。井號水平段總進尺(m)是否充氣煤層垮塌、卡鉆事故備注晉平2-21211.18m否4次落魚事故由于設計及施工不當引起晉平2-44283否多次垮塌，卡鉆7次煤層長時間浸泡引起吉平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DS02-12063否發(fā)生了3次卡鉆由于地質(zhì)認識不清，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1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀

上世紀70年代，美國礦務局在阿巴拉契亞、勇士、皮申斯、圣胡安和尤因塔等盆地針對煤層井壁穩(wěn)定開展了大量的研究。上世紀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，煤層坍塌嚴重，自此煤層坍塌問題引起了廣大中國鉆井工程師的注意。

2005年以后，煤層氣開發(fā)進入了加速的階段，煤層井壁坍塌問題日益突出，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。我國年鉆井數(shù)量分布圖4三維離散元煤層氣研討會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)定的問題存在于煤層氣開發(fā)的三個方面：鉆井、壓裂、生產(chǎn)。在中國，以煤層氣的開發(fā)作為分界線，煤層井壁穩(wěn)定研究大致可分為兩個階段。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1.3主要的研究方法

理論方法數(shù)值分析實驗研究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等對煤層中的裂紋進行了簡單的斷裂力學分析對于垂直、受均一載荷的平面裂紋，它的走向長度遠大于高度。

裂紋走向的兩端點相比裂紋上下的兩高點而言，后者應力集中的程度更大沒有提出更進一步的判斷模型8三維離散元煤層氣研討會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)力學井壁穩(wěn)定性分析的基礎上，采用簡化的巖石軟弱面地質(zhì)模型和力學模型分析了具有節(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軟弱面地層的井壁穩(wěn)定性進行了分析?；|(zhì)塊體軟弱面只適合數(shù)值模擬分析，其實質(zhì)為離散元9三維離散元煤層氣研討會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)育巖體的強度準則，可反映裂縫發(fā)育特征及尺寸效應的影響，并且可反應煤巖應力-應變的非線性關(guān)系。近似分析，模型中有多個定性參數(shù)10三維離散元煤層氣研討會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對煤層井眼周圍的應力、位移及裂縫張開情況進行了一系列分析計算當井壁存在鉆井液滲入時，鉆井液密度越高，張開的節(jié)理面越多，節(jié)理張開的距離越大，井壁越不穩(wěn)定。對割理的地質(zhì)特性沒能真實反映11三維離散元煤層氣研討會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，張哲基于對巖石細觀力學本構(gòu)關(guān)系的認識，利用RFPA2D滲流與應力耦合作用分析系統(tǒng)，分析了煤層氣開采過程中煤層水平井眼的尺寸效應。煤層井壁失穩(wěn)的主要問題是割理、裂隙發(fā)育，巖石脆性大、強度低，在地應力、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。最大主應力分布圖12三維離散元煤層氣研討會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)明顯的應力集中隨著井眼壓力升高，裂縫尖端等效I型應力強度因子變大，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。在沒有泥餅的情況下，在0.5s時，鉆井液的侵入深度僅有0.2m，而在600s的時候侵入深度為2.2m

在6和2的井眼對比中發(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1.3主要的研究方法實驗研究1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀含碳量抗壓強度

除開一系列的常規(guī)強度測試外，還需要一些特殊的測試。煤巖的灰分測試實驗

煤巖的含碳量與煤巖的強度存在函數(shù)關(guān)系，通過測定煤巖的含碳量即可測定煤巖強度。可一定程度的彌補煤巖取芯困難15三維離散元煤層氣研討會

利用應力路徑的方法，進行一組單軸抗壓強度和四組三軸測試，可以確定煤巖的破壞包絡線。1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀1.3主要的研究方法實驗研究16三維離散元煤層氣研討會

利用掃描電鏡疲勞試驗機進行三點彎曲試驗可以測定完整煤巖的抗拉強度，避免割理等的干擾。觀測裂紋的動態(tài)擴展1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀1.3主要的研究方法實驗研究ABADC17三維離散元煤層氣研討會1.4存在的難點問題

高度非連續(xù)與儲層保護的矛盾復雜地質(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匯報提綱1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2離散單元理論簡介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2離散元理論簡介概況

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

是技術(shù)更是藝術(shù)！20三維離散元煤層氣研討會

離散單元法把巖體分為巖石塊體和不連續(xù)面兩類，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離散元理論簡介21三維離散元煤層氣研討會基本原理二

離散單元法認為巖體在外部的擾動下，巖體最終會達到動力學平衡或完全破壞。2離散元理論簡介22三維離散元煤層氣研討會基本分類

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

不連續(xù)面的力學特性主要通過切向剛度和法向剛度來描述。塊體之間的相互作用二維三維2離散元理論簡介24三維離散元煤層氣研討會力學模型二塊體運動和變形模型

對于剛性塊體，運動完全遵循牛頓第二定律對于可變形塊體，一方面塊體作為一個整體會運動，運動符合牛頓定律；另一方面會產(chǎn)生變形。剛性塊體可變形塊體2離散元理論簡介25三維離散元煤層氣研討會匯報提綱1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2離散單元理論簡介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：不連續(xù)面的建模和計算方便快捷；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1×1×1的塊體利用虛擬節(jié)理技術(shù)對塊體進行切割，在Z方向用間隔0.1m的平面，x方向用間隔0.25m的平面，把地層分割成一個個長方體按統(tǒng)計分布規(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)，可以實現(xiàn)井壁的動態(tài)破壞模擬利用內(nèi)外雙層模型和局部加密技術(shù)提高計算精度、減少計算時間29三維離散元煤層氣研討會3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬邊界條件和初始條件

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

應力邊界條件和速度邊界條件采用內(nèi)外雙層模型技術(shù)，邊界條件對內(nèi)層模型的影響較小。30三維離散元煤層氣研討會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

井眼周圍塊體有些許滑移和個別塊體脫落。井眼周圍的塊體，少部分已經(jīng)脫落，大部分都出現(xiàn)了松動。特別是在井眼的頂?shù)讌^(qū)域，塊體破壞相當嚴重?？赡苁且驗榇瓜虻貞樽畲蟮貞?。31三維離散元煤層氣研討會3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果分析割理密度對井壁穩(wěn)定性的影響

當割理密度為40條/m時，井壁幾乎完全失穩(wěn)。而在割理密度為20條/m時，井壁周圍的塊體出現(xiàn)了較大的松動，但整體并沒有失穩(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，對于同樣尺寸的井眼來說產(chǎn)生的尺寸效應就越大。20條/m40條/m32三維離散元煤層氣研討會3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果分析井底壓力對井壁穩(wěn)定性的影響

井底壓力為0MPa的時候，井眼周圍塊體破壞嚴重，井壁處于失穩(wěn)狀態(tài)。井底壓力為4MPa的時候，井眼周圍有少許塊體松動，但整體觀井壁處于穩(wěn)定狀態(tài)。

7MPa的時候井眼周圍沒有任何塊體松動，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3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬結(jié)果分析井徑對井壁穩(wěn)定性的影響

在井底壓力為5MPa時候，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。當井徑越大時，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匯報提綱1煤層氣井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2離散單元理論簡介3水平井井壁穩(wěn)定數(shù)值模擬4結(jié)論與建