石油工程岩石力学

丛书序

序

前言

绪论

第1章岩石的基本性质和变形特征

1.1岩石力学性质室内试验

1.1.1岩石单轴压缩试验

1.1.2岩石三轴抗压试验

1.1.3岩石的拉伸破坏试验

1.1.4岩石蠕变及其机理

1.2岩石的变形与强度

1.2.1Mohr-Coulomb准则

1.2.2Drucker-Prager准则

1.2.3Griffith准则

1.2.4Griffith准则的Murrel推广

第2章岩石力学的孔隙弹性理论

2.1孔隙度和渗透率

2.1.1孔隙度

2.1.2渗透率

2.2静态孔隙弹性理论

2.3多重孔隙介质的有效应力定律

2.4各向异性裂隙介质的应力相关渗透率张量和本构方程

2.4.1应力无关渗透率张量

2.4.2应力相关渗透率张量

2.5油藏压实与地面变形

2.5.1油藏压实与地面变形的机理

2.5.2油藏开采引起的地面变形预测模型

第3章井壁围岩的应力状态

3.1垂直井井壁围岩应力分布

3.2大斜度井、水平井的井壁围岩应力分布

3.3化学作用对井壁的应力状态的影响

3.3.1水化地层本构方程

3.3.2井壁围岩吸水规律

3.3.3泥页岩的水化膨胀应变

3.3.4泥页岩材料的力学参数E、γ

3.4套管对井壁的应力状态的影响

第4章油田地应力及确定方法

4.1地应力的概念

4.1.1岩体自重产生的地应力

4.1.2构造应力

4.1.3温度变化产生的附加应力

4.1.4总原地应力

4.2地应力的确定方法

4.2.1油田地应力测量方法概述

4.2.2水力压裂法测地应力

4.2.3井壁崩落法确定地应力的方向

4.2.4岩石声发射Kaiser效应测定地应力

4.2.5复合地应力测量方法

4.2.6地破试验与差应变结合确定地应力的方法

4.2.7地破试验与多极子测井相结合的方法

4.3分层地应力解释方法

4.4动态地应力理论

4.4.1流动模型

4.4.2考虑有效应力的应力平衡方程

4.4.3耦合算法

4.4.4计算实例

第5章钻井过程中的井壁稳定问题

5.1井壁力学失稳的形式与原因

5.2井壁坍塌剥落

5.2.1岩石破坏的强度准则

5.2.2井壁坍塌处的应力

5.2.3井壁应力的非线性修正

5.2.4井壁坍塌压力的计算

5.3井壁破裂

5.4安全钻井液密度窗口

5.5大斜度井和水平井的井壁稳定

5.5.1安全钻井液密度窗口的确定方法

5.5.2大位移井井壁稳定性影响因素分析

5.6地层各向异性对岩石强度和井壁稳定的影响

5.6.1弱面对强度的影响

5.6.2直井稳定的弱面问题

5.6.3斜井稳定的弱面问题

5.7塑性地层的井眼缩径

5.7.1理想弹塑性模型

5.7.2硬化模型

5.7.3软化模型

5.7.4基于拉格朗日元法的膏盐岩地层的缩径变形分析

5.8黏弹性地层的井眼变形

5.8.1试验技术和方法

5.8.2岩石蠕变微观机制的研究

5.8.3岩石蠕变模型和本构方程

5.8.4盐岩蠕变的本构关系

5.8.5维持不同缩径率所需的安全钻井液密度下限(饱和盐水或油基钻井液)

5.8.6维持不同缩径率所需的安全钻井液密度下限(欠饱和盐水钻井液)的要求

5.9水敏性泥页岩地层临界坍塌时间的确定方法

5.9.1泥页岩水化应力的本构关系

5.9.2泥页岩水化应力的求解

5.9.3地层临界坍塌时间的确定

5.9.4现场应用

5.10维持井壁稳定的充气钻井液密度确定方法

5.10.1井筒温度场控制方程

5.10.2一维两相流条件下井筒压力场

5.10.3维持气井井壁稳定的有效安全钻井液密度的确定方法

5.10.4应用实例

5.11油田开发中后期调整井钻井液密度的确定方法

5.11.1储层坍塌压力、破裂压力的变化

5.11.2椭圆状井眼的抗失稳能力

5.11.3现场应用

5.12气体钻井井壁稳定性分析

5.12.1以往气体钻井井壁稳定模型的评价

5.12.2气体钻井井壁稳定力学模型

5.12.3现场验证

第6章水力压裂

6.1水力裂缝的起裂

6.1.1水力裂缝起裂模型

6.1.2斜井中裂缝起裂

6.1.3射孔对破裂压力的影响

6.2三维压裂模型

6.2.1水力压裂的力学模型概述

6.2.2水力压裂三维模型

6.3岩石断裂韧性

6.3.1断裂韧性测试研究现状

6.3.2断裂力学理论

6.3.3SNBD试件断裂韧性的计算

6.3.4断裂韧性试验研究

6.3.5测井资料预测岩石断裂韧性

6.4水力压裂大型物理模拟试验理论与方法

6.4.1水力压裂模拟试验中的相似准则

6.4.2室内试验装置及检测技术

6.5裂缝干扰

6.5.1水力裂缝相互干扰的机理

6.5.2天然裂缝对水力裂缝的影响

6.6非均质地层压裂

6.6.1分层介质压裂模拟

6.6.2地层中阻流带对水力裂缝的影响

6.7水力裂缝转向

6.7.1井筒附近裂缝转向

6.7.2新井转向压裂

6.7.3水平井压裂

6.8重复压裂

6.8.1重复压裂裂缝重定向机理

6.8.2重复压裂数学模型及有限元数值解

6.8.3重复压裂裂缝因素影响分析

第7章出砂问题

7.1油气井出砂概述

7.1.1出砂的危害

7.1.2油气井出砂的影响因素

7.1.3油气井出砂的机理

7.1.4出砂地层的类型及出砂特征

7.2砂拱数学模型

7.2.1砂拱稳定的数学模型

7.2.2相关的数值模型

7.3常见的出砂工程预测方法

7.4防砂方法简介

第8章岩石动力学与应用

8.1弹性介质中的纵、横波

8.2利用声波测井确定岩石的弹性和强度参数

8.2.1相关测井简介

8.2.2动静态弹性参数

8.2.3强度参数

8.3声波测井在石油工程中的应用

8.3.1孔隙压力检测

8.3.2利用声波测井资料预测地层破裂压力

8.3.3利用测井资料确定井壁的坍塌压力

8.4地震资料的工程预测理论

8.4.1层速度预测地层孔隙压力

8.4.2层速度钻前预测井壁稳定性

8.4.3层速度单因素钻前井壁稳定预测模型与应用

8.4.4层速度钻前井壁稳定预测神经网络模型与应用

8.5地震记录钻前预测井壁稳定性

8.5.1利用地震记录构建测井曲线

8.5.2声波速度与泥质含量、孔隙度的关系

8.5.3流体有效压力

8.5.4利用常规井壁稳定力学方法预测钻前井壁稳定

8.5.5利用非线性函数曲线拟合预测钻前井壁稳定

8.5.6应用实例

第9章复杂地应力条件下的套管损坏问题

9.1引言

9.1.1套管损坏机理

9.1.2套管外挤载荷分析与强度设计

9.1.3复杂地应力条件下定向井套管受力及损坏研究

9.2套管、水泥环及井壁围岩组合体弹塑性分析

9.2.1套管、水泥环及井壁围岩组合体线弹性分析

9.2.2套管、水泥环及井壁围岩组合体弹塑性分析

9.2.3非均匀地应力条件下套管、水泥环及井壁围岩组合体有限元分析

9.3复杂地应力条件下定向井套管受力有限元分析

9.3.1定向井井壁稳定三维有限元分析模型

9.3.2定向井套管受力有限元分析

9.4岩石力学性质正交各向异性对套管受力的影响

9.4.1工程背景

9.4.2各向异性与各向同性条件下井壁围岩应力及套管受力对比

参考文献

　　近十几年来陈勉教授的研究团队在国家自然科学基金、霍英东基金、国家“863”项目和中国石油天然气集团公司(中石油)、中国石油化工股份有限公司(中石化)、中国海洋石油总公司(中海油)科研项目的连续支持下，一直从事岩石力学在石油工程中的应用研究，本书就是在这些科研工作的基础上撰写而成的。书中以石油工程为背景，研究深层岩石的力学性质以及在工程中的应用，反映了作者在石油工程岩石力学方面理论研究与应用实践的新成果。例如，各向异性多重孔隙岩石的有效应力理论、地应力测量的复合方法、井壁稳定的钻前预测技术、水力压裂的物理模拟技术等。本书在理论和应用上都有独到和创新之处，具有科学意义和实用价值，对于需要研究或了解深层岩石力学及其石油工程应用的读者无疑是一本很好的参考书。　　本书系统地阐述了石油工程岩石力学的基本概念、基本原理，包括岩石力学的基本变形理论和强度理论，讨论了孔隙弹性理论的有效应力定律和本构方程。介绍了深部地层地应力的各种测量方法以及在地应力、井内压力和泥浆化学联合作用下的各种井眼围岩的应力状态。特别以井壁稳定、水力压裂、套管损坏、油井出砂和地层参数的地震、测井解释为重点，阐述了岩石力学在石油工程中应用的研究进展。书中教学推导较详尽，有关试验方法和资料亦有翔实介绍。　　本书可供高等院校钻井工程、油气田开发工程、油气储运工程、测井工程、地球物理勘探、工程地质、土木工程、岩石力学、工程力学等专业的师生，以及相关科技人员参考应用。【作者简介】　　陈勉，1962年生于辽宁省沈阳市。1982年本科毕业于北京大学力学系，1988年硕士毕业于辽宁大学数学系，1991年博士毕业于中国矿业大学北京研究生部。现为中国石油大学(北京)石油天然气工程学院院长、教授、博士生导师，国务院学位委员会地质矿业石油学科评议组成员，国家博士后管理委员会专家组成员，全国工程硕士石油工程领域协调组组长，中国岩石力学与工程学会常务理事，中国岩石力学与工程学会深层岩石力学专业委员会主任，全国政协委员。长期从事石油工程领域的教学和科研工作，先后主持国家自然科学基金、霍英东基金、“863”课题等科研项目70余项。在井壁稳定技术、水力压裂技术和深层岩石力学等方面获得了一系列基础理论和应用成果。在国内外发表学术论文160佘篇，出版专著、教材4部。