2010年5月21日煤層氣水平井井壁穩定數值模擬探討1三維離散元煤層氣研討會匯報提綱1煤層氣井壁穩定研究現狀2離散單元理論簡介3水平井井壁穩定數值模擬4結論與建議2三維離散元煤層氣研討會1煤層氣井壁穩定研究現狀

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定，易發生垮塌、鉆具落井等事故。目前水平井發生垮塌的井數占已鉆井總數的32.65%。一方面造成經濟損失，另一方面影響煤層氣開發的大局。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是發生了一次卡鉆2-23379是無DS02-12063否發生了3次卡鉆由于地質認識不清，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煤層氣井壁穩定研究現狀

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，煤層井壁穩定技術已成為煤層氣鉆井的關鍵技術之一。我國年鉆井數量分布圖4三維離散元煤層氣研討會1.1研究的主要區塊沁水盆地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煤層氣井壁穩定研究現狀5三維離散元煤層氣研討會1.2研究的階段2005年以前，井壁穩定主要出現在油氣井鉆井中。鉆井目的層不是煤層，煤層不是生產層。煤層井壁穩定的主要問題是煤層坍塌。2005年以后，井壁穩定主要出現在煤層氣井中。煤層是鉆井的目的層、是生產層。煤層井壁穩定的問題存在于煤層氣開發的三個方面：鉆井、壓裂、生產。在中國，以煤層氣的開發作為分界線，煤層井壁穩定研究大致可分為兩個階段。1煤層氣井壁穩定研究現狀6三維離散元煤層氣研討會1.3主要的研究方法

理論方法數值分析實驗研究1煤層氣井壁穩定研究現狀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煤層氣井壁穩定研究現狀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煤層氣井壁穩定研究現狀2002年，劉向君等在連續介質力學井壁穩定性分析的基礎上，采用簡化的巖石軟弱面地質模型和力學模型分析了具有節理等軟弱面地層的井壁穩定性。金衍等也采用了相似的方式對軟弱面地層的井壁穩定性進行了分析。基質塊體軟弱面只適合數值模擬分析，其實質為離散元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煤層氣井壁穩定研究現狀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育巖體的強度準則，可反映裂縫發育特征及尺寸效應的影響，并且可反應煤巖應力-應變的非線性關系。近似分析，模型中有多個定性參數10三維離散元煤層氣研討會1.3主要的研究方法數值分析1煤層氣井壁穩定研究現狀2000年，李嗣貴把煤層視為節理地層，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，張開的節理面越多，節理張開的距離越大，井壁越不穩定。對割理的地質特性沒能真實反映11三維離散元煤層氣研討會1.3主要的研究方法數值分析1煤層氣井壁穩定研究現狀2006年，張哲基于對巖石細觀力學本構關系的認識，利用RFPA2D滲流與應力耦合作用分析系統，分析了煤層氣開采過程中煤層水平井眼的尺寸效應。煤層井壁失穩的主要問題是割理、裂隙發育，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主要的研究方法數值分析1煤層氣井壁穩定研究現狀2007年朱榮東等利用有限元法分析了裂縫對井壁穩定的影響不連續地層中，裂縫尖端出現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，不連續地層中的裂縫更容易失穩，井眼趨于不穩定裂紋尖端分析示意圖13三維離散元煤層氣研討會1.3主要的研究方法數值分析1煤層氣井壁穩定研究現狀2008年,Thomas利用FLAC3D分析了煤層水平井的穩定性。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的井眼對比中發現2井眼的穩定性高于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煤層氣井壁穩定研究現狀含碳量抗壓強度

除開一系列的常規強度測試外，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關系，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煤層氣井壁穩定研究現狀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。觀測裂紋的動態擴展1煤層氣井壁穩定研究現狀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

高度非連續與儲層保護的矛盾復雜地質構造1煤層氣井壁穩定研究現狀18三維離散元煤層氣研討會匯報提綱1煤層氣井壁穩定研究現狀2離散單元理論簡介3水平井井壁穩定數值模擬4結論與建議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值計算方法，更是一種巖石力學的思維模式。結構力學和巖石力學有機的統一，不連續介質和連續介質力學之間的有機統一。

是技術更是藝術！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面兩類，以塊體為最小研究單位。不連續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面剛度模型

不連續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煤層氣井壁穩定研究現狀2離散單元理論簡介3水平井井壁穩定數值模擬4結論與建議26三維離散元煤層氣研討會3水平井井壁穩定數值模擬3DEC軟件3DEC軟件是基于三維離散元的商業軟件。適用于各種地下工程的穩定性分析。主要特點：不連續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水平井井壁穩定數值模擬煤層的幾何建模面割理端割理

建立一個1×1×1的塊體利用虛擬節理技術對塊體進行切割，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計分布規律生成面割理和端割理28三維離散元煤層氣研討會3水平井井壁穩定數值模擬劃分網格和局部虛擬切割利用虛擬節理技術，可以實現井壁的動態破壞模擬利用內外雙層模型和局部加密技術提高計算精度、減少計算時間29三維離散元煤層氣研討會3水平井井壁穩定數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外雙層模型技術，邊界條件對內層模型的影響較小。30三維離散元煤層氣研討會3水平井井壁穩定數值模擬結果分析井眼走向對井壁穩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，少部分已經脫落，大部分都出現了松動。特別是在井眼的頂底區域，塊體破壞相當嚴重。可能是因為垂向地應力為最大地應力。31三維離散元煤層氣研討會3水平井井壁穩定數值模擬結果分析割理密度對井壁穩定性的影響

當割理密度為40條/m時，井壁幾乎完全失穩。而在割理密度為20條/m時，井壁周圍的塊體出現了較大的松動，但整體并沒有失穩。割理密度越大，井壁的穩定性越差。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水平井井壁穩定數值模擬結果分析井底壓力對井壁穩定性的影響

井底壓力為0MPa的時候，井眼周圍塊體破壞嚴重，井壁處于失穩狀態。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定狀態。

7MPa的時候井眼周圍沒有任何塊體松動，井壁穩定。

不同井底壓力下的位移33三維離散元煤層氣研討會3水平井井壁穩定數值模擬結果分析井徑對井壁穩定性的影響

在井底壓力為5MPa時候，井徑為20cm的井眼保持穩定，但井徑為40cm的井眼已經產生破壞了。井眼的穩定性存在尺寸效應。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煤層氣井壁穩定研究現狀2離散單元理論簡介3水平井井壁穩定數值模擬4結論與建