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绪论1

第1章 岩石的基本性质和变形特征4

1．1 岩石力学性质室内试验5

1．1．1 岩石单轴压缩试验7

1．1．2 岩石三轴抗压试验12

1．1．3 岩石的拉伸破坏试验14

1．1．4 岩石蠕变及其机理16

1．2 岩石的变形与强度19

1．2．1 Mohr-Coulomb准则21

1．2．2 Drucker-Prager准则27

1．2．3 Griffith准则28

1．2．4 Griffith准则的Murrel推广30

第2章 岩石力学的孔隙弹性理论31

2．1 孔隙度和渗透率31

2．1．1 孔隙度31

2．1．2 渗透率32

2．2 静态孔隙弹性理论34

2．3 多重孔隙介质的有效应力定律40

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44

2．4．1 应力无关渗透率张量44

2．4．2 应力相关渗透率张量45

2．5 油藏压实与地面变形50

2．5．1 油藏压实与地面变形的机理51

2．5．2 油藏开采引起的地面变形预测模型52

第3章 井壁围岩的应力状态56

3．1 垂直井井壁围岩应力分布56

3．2 大斜度井、水平井的井壁围岩应力分布58

3．3 化学作用对井壁的应力状态的影响61

3．3．1 水化地层本构方程62

3．3．2 井壁围岩吸水规律63

3．3．3 泥页岩的水化膨胀应变64

3．3．4 泥页岩材料的力学参数E、V64

3．4 套管对井壁的应力状态的影响65

第4章 油田地应力及确定方法67

4．1 地应力的概念67

4．1．1 岩体自重产生的地应力67

4．1．2 构造应力68

4．1．3 温度变化产生的附加应力68

4．1．4 总原地应力68

4．2 地应力的确定方法69

4．2．1 油田地应力测量方法概述69

4．2．2 水力压裂法测地应力70

4．2．3 井壁崩落法确定地应力的方向72

4．2．4 岩石声发射Kaiser效应测定地应力76

4．2．5 复合地应力测量方法83

4．2．6 地破试验与差应变结合确定地应力的方法86

4．2．7 地破试验与多极子测井相结合的方法87

4．3 分层地应力解释方法91

4．4 动态地应力理论93

4．4．1 流动模型93

4．4．2 考虑有效应力的应力平衡方程94

4．4．3 耦合算法96

4．4．4 计算实例97

第5章 钻井过程中的井壁稳定问题99

5．1 井壁力学失稳的形式与原因99

5．2 井壁坍塌剥落100

5．2．1 岩石破坏的强度准则100

5．2．2 井壁坍塌处的应力102

5．2．3 井壁应力的非线性修正103

5．2．4 井壁坍塌压力的计算105

5．3 井壁破裂105

5．4 安全钻井液密度窗口107

5．5 大斜度井和水平井的井壁稳定108

5．5．1 安全钻井液密度窗口的确定方法109

5．5．2 大位移井井壁稳定性影响因素分析110

5．6 地层各向异性对岩石强度和井壁稳定的影响114

5．6．1 弱面对强度的影响115

5．6．2 直井稳定的弱面问题115

5．6．3 斜井稳定的弱面问题117

5．7 塑性地层的井眼缩径118

5．7．1 理想弹塑性模型118

5．7．2 硬化模型121

5．7．3 软化模型122

5．7．4 基于拉格朗日元法的膏盐岩地层的缩径变形分析125

5．8 黏弹性地层的井眼变形129

5．8．1 试验技术和方法130

5．8．2 岩石蠕变微观机制的研究131

5．8．3 岩石蠕变模型和本构方程132

5．8．4 盐岩蠕变的本构关系133

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）135

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137

5．9 水敏性泥页岩地层临界坍塌时间的确定方法141

5．9．1 泥页岩水化应力的本构关系141

5．9．2 泥页岩水化应力的求解142

5．9．3 地层临界坍塌时间的确定144

5．9．4 现场应用144

5．10 维持井壁稳定的充气钻井液密度确定方法145

5．10．1 井筒温度场控制方程146

5．10．2 一维两相流条件下井筒压力场147

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148

5．10．4 应用实例149

5．11 油田开发中后期调整井钻井液密度的确定方法150

5．11．1 储层坍塌压力、破裂压力的变化150

5．11．2 椭圆状井眼的抗失稳能力152

5．11．3 现场应用154

5．12 气体钻井井壁稳定性分析154

5．12．1 以往气体钻井井壁稳定模型的评价155

5．12．2 气体钻井井壁稳定力学模型156

5．12．3 现场验证160

第6章 水力压裂162

6．1 水力裂缝的起裂163

6．1．1 水力裂缝起裂模型164

6．1．2 斜井中裂缝起裂167

6．1．3 射孔对破裂压力的影响174

6．2 三维压裂模型178

6．2．1 水力压裂的力学模型概述178

6．2．2 水力压裂三维模型181

6．3 岩石断裂韧性196

6．3．1 断裂韧性测试研究现状196

6．3．2 断裂力学理论197

6．3．3 SNBD试件断裂韧性的计算201

6．3．4 断裂韧性试验研究203

6．3．5 测井资料预测岩石断裂韧性211

6．4 水力压裂大型物理模拟试验理论与方法213

6．4．1 水力压裂模拟试验中的相似准则213

6．4．2 室内试验装置及检测技术220

6．5 裂缝干扰224

6．5．1 水力裂缝相互干扰的机理224

6．5．2 天然裂缝对水力裂缝的影响233

6．6 非均质地层压裂243

6．6．1 分层介质压裂模拟243

6．6．2 地层中阻流带对水力裂缝的影响253

6．7 水力裂缝转向258

6．7．1 井筒附近裂缝转向259

6．7．2 新井转向压裂262

6．7．3 水平井压裂267

6．8 重复压裂274

6．8．1 重复压裂裂缝重定向机理275

6．8．2 重复压裂数学模型及有限元数值解276

6．8．3 重复压裂裂缝因素影响分析282

第7章 出砂问题286

7．1 油气井出砂概述286

7．1．1 出砂的危害286

7．1．2 油气井出砂的影响因素286286

7．1．3 油气井出砂的机理289

7．1．4 出砂地层的类型及出砂特征290

7．2 砂拱数学模型290

7．2．1 砂拱稳定的数学模型291

7．2．2 相关的数值模型292

7．3 常见的出砂工程预测方法293

7．4 防砂方法简介295

第8章 岩石动力学与应用298

8．1 弹性介质中的纵、横波298

8．2 利用声波测井确定岩石的弹性和强度参数299

8．2．1 相关测井简介300

8．2．2 动静态弹性参数303

8．2．3 强度参数304

8．3 声波测井在石油工程中的应用305

8．3．1 孔隙压力检测305

8．3．2 利用声波测井资料预测地层破裂压力307

8．3．3 利用测井资料确定井壁的坍塌压力309

8．4 地震资料的工程预测理论309

8．4．1 层速度预测地层孔隙压力309

8．4．2 层速度钻前预测井壁稳定性311

8．4．3 层速度单因素钻前井壁稳定预测模型与应用318

8．4．4 层速度钻前井壁稳定预测神经网络模型与应用322

8．5 地震记录钻前预测井壁稳定性330

8．5．1 利用地震记录构建测井曲线330

8．5．2 声波速度与泥质含量、孔隙度的关系337

8．5．3 流体有效压力338

8．5．4 利用常规井壁稳定力学方法预测钻前井壁稳定338

8．5．5 利用非线性函数曲线拟合预测钻前井壁稳定344

8．5．6 应用实例347

第9章 复杂地应力条件下的套管损坏问题350

9．1 引言350

9．1．1 套管损坏机理350

9．1．2 套管外挤载荷分析与强度设计351

9．1．3 复杂地应力条件下定向井套管受力及损坏研究356

9．2 套管、水泥环及井壁围岩组合体弹塑性分析356

9．2．1 套管、水泥环及井壁围岩组合体线弹性分析356

9．2．2 套管、水泥环及井壁围岩组合体弹塑性分析364

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373

9．3 复杂地应力条件下定向井套管受力有限元分析384

9．3．1 定向井井壁稳定三维有限元分析模型384

9．3．2 定向井套管受力有限元分析386

9．4 岩石力学性质正交各向异性对套管受力的影响391

9．4．1 工程背景391

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392

参考文献396