流体流动和岩石变形耦合对井壁稳定性的影响

无论是过平衡钻井,还是欠平衡钻井过程,都可能导致井周围地层孔压力改变,这样就使我们通过假定地层孔隙压力恒定而得到的井周应力分布和地层的安全钻井液密度范围与实际偏离。滤饼质量直接影响到井周围流体流动的情况和井壁附近地层的孔隙压力。定量地计算分析了滤饼质量和流体流动对井周地层径向应力、周向应力、轴向应力和剪应力的影响,结果表明,一方面,随着滤饼质量的提高,井筒内流体在正压差下向地层中流动的能力和程度逐渐减小,井壁地层孔隙压力逐渐趋于原始地层孔隙压力,井壁岩石所受到的径向应力逐渐增大,井壁的稳定性逐渐变好;另一方面,地层颗粒间的接触应力逐渐增大,岩石抵抗张性破裂的能力增强,地层的破裂压力提高,井壁稳定性变好。滤饼质量好坏对低渗透地层的影响尤其显著。     

层理性泥页岩大斜度井井壁稳定性研究

层理性泥页岩的井壁失稳是制约深部油气钻井成功的关键问题之一。由于强度的各向异性,钻进大斜度井时更容易发生严重的井壁失稳问题。根据多孔介质弹性力学理论,建立了大斜度井井周应力状态,采用双重坐标转换,得到了井周集中应力在层理面上的分布。层理弱面和岩石基体均采用莫尔-库仑破坏准则,建立了层理性泥页岩大斜度井井壁稳定分析方法,综合考虑了层理面产状、井斜方位和地应力等因素的影响。研究结果表明,对特定产状的层理面而言,井斜角和方位角对井壁稳定性有重要影响。当井斜角超过一定角度后,坍塌压力急剧升高,井壁失稳风险增大,维持井壁稳定需要的钻井液密度较高,向水平最大主应力方向钻进大斜度井时坍塌压力最高,井壁失稳风险最大,应尽量避免井眼方位与水平最大主应力方向一致。     

深部地质环境对井壁稳定性的影响

井壁失稳是制约深井、超深井快速钻进的重要因素,在综合考虑深部井周应力、井周温度扰动以及孔隙压力等因素的条件下,建立了深部地质环境条件下的井壁稳定性力学评价模型。基于该评价模型,定量分析了深部复杂地质条件下地应力状态、地层温度及地层孔隙压力对井壁稳定性的影响。结果表明：（1）原地应力状态对井壁稳定性有决定性的影响,原地三个主应力差异增大,将加剧井壁失稳;（2）井壁温度升高将加剧井壁的剪切破坏失稳,而有利于减弱破裂失稳;相反,井壁温度降低,将有利于抑制井壁剪切失稳,而增大井壁张性破坏的可能性。（3）其他条件相同的情况下,地层孔隙压力升高将加剧井壁失稳。     

基于渗流-应力-损伤耦合模型的泥页岩井壁稳定性研究

石油钻井过程中,泥页岩地层井壁稳定性研究十分复杂。本文在连续损伤力学理论基础上,将塑性损伤演化及渗流相互耦合的概念引入Mohr-Coulomb破坏准则,建立了基于等效塑性应变的损伤演化模型,给出了泥岩的渗透性的演化方程。以中国西部某油田实际钻井过程为例,建立了井壁稳定分析模型。计算过程中考虑了围岩损伤引起的弹性模量、黏聚力和渗透系数的变化,得到了井壁围岩损伤、渗透系数、应力、塑性应变、孔隙压力和位移的分布规律。结果表明,井壁附近岩石的损伤演化对围岩塑性区的塑性应变和应力分布有明显影响。钻井液密度的高低,会造成井壁在水平最小主应力方向上的剪切损伤或在水平最大主应力方向上的拉伸损伤。当损伤达到极限时,会造成井壁围岩的破坏。     

川东北元坝地区元坝11井地应力建模和井壁稳定性分析

 川东北元坝地区由于地质条件复杂,多次发生井漏、坍塌、溢流等复杂井况与事故,严重影响施工周期.本文利用GMI井壁稳定性软件,依据元坝11井钻井、测井及地质资料,计算了元坝11井的岩石力学参数,并依据岩石力学实验数据,实现了杨氏模量及泊松比的动静态转化.进一步,利用压裂资料及井眼崩落法则约束最小、最大主应力,计算了最大、最小主应力.建立了元坝11井的孔隙压力、坍塌压力及破裂压力三压力剖面,预测了泥浆密度窗口,分析了元坝11井的井壁稳定性.结果表明,元坝地区陆相地层自下沙溪庙组至须家河组坍塌压力变化较大,导致泥浆密度窗口缩小,并且钻井过程中选取泥浆密度不合适,地层多为砂泥岩薄互层,导致层段多次发生复杂情况,井眼扩径明显;海相地层变化相对较小,泥浆密度窗口较大,井壁相对稳定.     

边界元法在深部地层井眼稳定中的应用

 为解决石油天然气钻井、地热钻井中深部地层井眼稳定问题,基于连续介质弹性力学建立深部地层井眼稳定平面应变问题的基本微分方程,采用边界元理论推导了井周应力和位移的边界元求解方法;通过建立井眼稳定物理模型、划分边界单元,将求解出的井周应力结果与解析解进行对比;分析了四川某油田深部地层井眼的稳定性情况。结果表明:BEM 求解应力分布与解析解吻合较好,其误差小于0.82%;实例井2500~3500 m 井段井眼稳定性分析结果与实际情况基本一致,实际钻井液密度低于坍塌压力当量密度,导致井眼扩大率普遍达到20%以上,适当提高钻井液密度能够维持井眼稳定,进一步验证了BEM 方法的准确性。该方法为井眼稳定分析提供了一种新的手段和方法。     

井壁稳定性技术研究及其在呼图壁地区的应用

为了能充分利用测井等资料较精确地计算井壁受力状态和井壁坍塌压力 ,以设计合理钻井液密度窗 ,保证钻井过程中井壁稳定性 .通过对井壁失稳现象、机理及井壁应力状态的分析和计算 ,对井壁失稳问题进行了较为深入的研究 ;结合测井资料和地层破裂试验结果 ,分析并建立了一套计算地层坍塌压力及地层相关物理力学特征参数的方法和模型 .通过应用克拉玛依油田呼 2井的测井资料进行分析计算并与实际结果进行对比 ,结果表明 :地层坍塌压力和安全钻井液密度窗的计算结果吻合现场实际情况 .所提出的方法和计算结果 ,将为呼图壁气田开发过程中安全快速钻井技术提供可靠的技术基础     

石油钻井中影响井壁稳定性因素分析

井壁失稳问题是石油钻井过程中普遍存在并一直困扰石油工业界的一个重大问题,对影响井壁失稳因素进行了分析,得出如下结论:1)石油钻井过程中若水平应力比值不变,随地应力增大钻井安全泥浆窗口增大;若地应力非均匀性增大,安全钻井泥浆窗口则减小;2)渗透作用的结果降低了井壁的稳定性;3)孔隙压力增大,安全泥浆窗口变小;4)岩性由白云岩—灰岩—砂岩—泥岩,坍塌压力上升破裂压力减小;5)岩石有损伤时井壁易发生井漏,安全泥浆窗口小钻进难度增大.     

页岩气层钻井压力穿透效应研究

页岩段井壁稳定问题是钻井工程中的难点之一,国内外许多学者在研究钻井液与页岩之间的化学势差和水化膨胀作用方面作了大量工作,但对于压力穿透方面的研究工作则相对较少。为此,通过在压力容器中充满钻井液,模拟近井壁过平衡钻井所导致的压力穿透环境,测量压力对垂直于页岩层理和平行于页岩层理方向应变的影响。结果表明,垂直于层理方向的应变随压力增大呈现出显著的阶梯式变化,同一压力作用时页岩压力穿透效应具有时间延迟效应和各向异性。通过理论分析发现,在页岩有效孔隙度一定的条件下,页岩压力穿透效应主要受滤饼渗透率、钻井液液柱压力与地层孔隙流体压力之间的压差、页岩与钻井液接触时间以及钻井液黏度的综合作用。页岩压力穿透效应对研究页岩段钻井过程中井壁稳定与控制具有重要意义。     

井壁稳定性技术研究及其在呼图壁地区的应用

为了能充分利用测井等资料较精确地计算井壁受力状态和井壁坍塌压力，以设计合理钻井液密度窗，保证钻井过程中井壁稳定性，通过对井壁失稳现象、机理及井壁应力状态的分析和计算，对井壁失稳问题进行了较为深入的研究；结合测井资料和地层破裂试验结果，分析并建立了一套计算地层坍塌压力及地层相关物理力学特征参数的方法和模型，通过应用克拉玛依油田呼2井的测井资料进行分析计算并与实际结果进行对比，结果表明L：地层坍塌压力和安全钻井液密度窗的计算结果吻合现场实际情况，所提出的方法和计算结果，将为呼图壁气田开发过程中安全快速钻井技术提供可靠的技术基础。     

Kingfisher区块过断层地应力变化规律及井壁稳定性

 Kingfisher区块断层发育,钻穿断层时井壁坍塌、钻井液漏失等复杂情况频发。根据孔隙弹性理论及Mohr-Coulomb强度准则,分析了正断层对地应力的影响规律,结合断层对地层力学性质的影响建立过断层时井壁稳定预测模型。结果表明,过正断层后垂直断层迹线水平应力明显增加;断层附近发育断层破碎带,使地层强度降低、坍塌压力升高;过断层时的安全泥浆密度窗口大大减小,为防止断层破碎带发生漏失,应以最小水平主应力作为安全泥浆密度窗口的上限;合理的钻井液密度及优良的封堵性是保证安全钻井的关键。研究结果与Kingfisher区块实钻情况吻合,对Kingfisher区块过断层时的钻井安全具有指导意义。     

基于3DEC离散元的煤层井壁稳定性

为了准确了解煤岩井壁稳定性及坍塌规律,基于3DEC离散元软件,完成了对煤层井壁稳定的仿真模拟分析,验证了3DEC离散元软件应用于煤岩井壁稳定研究的可行性和相对于弹性力学连续性介质理论的优越性。考虑到简化计算和边界效应,物理模型采用内外双重建模;为更好地反映煤岩井周割理情况,内层模型采用离散型裂隙网络(discrete fracture network,DFN)技术。通过与不考虑割理面的弹性力学连续介质模型对比,验证了割理发育对煤岩井壁稳定的影响;通过位移云图来评价煤岩直井和水平井的井壁稳定性和垮塌掉落情况,且三维模型直观地展示了井壁失稳过程;完成了有效液柱压力、割理和井眼走向对煤岩井壁稳定的影响分析,得出结论:随着有效液柱压力的增大,井壁稳定性越来越强;割理尺寸、密度和产状的情况对井壁稳定仿真模拟影响巨大,模拟前应充分统计割理分布情况;在所设条件下,沿最大水平主地应力方向的水平井较直井更加稳定。     

页岩气水平井井壁裂缝起裂力学行为研究

为了弄清层状页岩各向异性对井壁裂缝起裂力学行为的影响,以四川盆地下志留系龙马溪页岩为研究对象,开展了不同角度下页岩单轴压缩和巴西劈裂实验,明确了页岩弹性和抗张强度各向异性特征,建立了考虑页岩各向异性的水平井井壁裂缝起裂力学模型,并分析了不同因素影响下井壁裂缝起裂规律。结果表明：弹性模量各向异性、地应力比值、抗张强度各向异性和孔隙压力对裂缝起裂压力影响显著,而泊松比各向异性影响较小;弹性模量各向异性、地应力比值对裂缝起裂位置和起裂倾角影响显著,而泊松比各向异性、抗张强度各向异性和孔隙压力的影响较小;井壁裂缝起裂力学行为与井眼方位密切相关,当井眼方位靠近最大或最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较小;当井眼方位同时远离最大和最小水平主应力方向时,井壁裂缝起裂力学行为差异随井眼方位的变化较大。研究结果可为页岩气水平井钻井井漏预防和水力压裂设计提供理论依据和参考。     

三向应力状态下层理性泥页岩地层井壁稳定性研究

层理性泥页岩地层钻进过程中,极易发生井壁失稳问题,严重影响了钻井作业效率,增加了勘探开发的成本。探索了层理性泥页岩地层的井壁失稳机理,开展了考虑钻井液作用下层理性泥页岩地层在真实三向应力状态下的井壁稳定性预测模型研究。研究表明:忽略中间主应力的影响不能准确预测层理性泥页岩地层坍塌的风险;钻井液滤液沿层理面的渗流会降低层理面的黏聚力和内摩擦角;并随时间的变化显现出快速降低和平缓降低两个阶段;改进的层理性泥页岩地层井壁稳定性分析模型能够真实反映地应力状态和井壁岩石的力学特性,现场应用表明其能够比较准确的预测层理性泥页岩地层的井壁稳定性。     

钻井液密度对裂缝性泥页岩地层坍塌压力影响的力化耦合研究

 缝性地层井壁失稳是钻井工程中经常遇到工程难题之一,裂缝发育地层常伴随严重的井壁坍塌,具有水化性质的裂缝性地层在钻井液侵入后更易发生坍塌。扫描电镜观察某油田泥页岩发育的层理实际为尺寸极小的微裂缝,使用XRD 衍射仪测定了该泥页岩黏土矿物质量分数为30%~40%,泥页岩水化性质较强。通过剪切实验测定了泥页岩吸水后的抗剪强度,求解了不同含水量裂缝面的黏聚力及内摩擦角。建立了钻井液滤液向地层内的渗流方程及裂缝性地层坍塌压力方程,计算了不同钻井液密度和浸泡时间的坍塌压力。计算结果表明,高钻井液密度导致钻井液滤液向裂缝内加速渗流,裂缝面强度降低导致地层更加容易坍塌。裂缝性地层井壁失稳不宜提高钻井液密度稳定井壁,应采用措施提高钻井液封堵性及抑制性,降低钻井液滤液侵入量。     

考虑井筒温度场与压力场的深井井涌风险控制

深井、超深井井筒内温度场、压力场变化幅度较大。温度场及压力场的大幅度变化影响到了钻井液密度场,进而对井控安全产生影响。建立了井筒当量密度场分布模型,利用该模型计算了钻井液循环和静止时钻井液当量密度场分布情况,并探讨了井筒温度场压力场对井控过程的影响。研究表明:深井、超深井钻井井控过程中,应该考虑井筒温度场、压力场变化对钻井液物性参数的影响;钻井液循环和静止时,实际钻井液井底当量循环密度和当量静止密度低于将钻井液作为地面常数时的当量密度,井控时应该注意适当增大钻井液密度以平衡地层孔隙压力。采取相应的措施预防环空井底压力的减小带来的溢流、井涌甚至井喷。进行井身结构设计时,可以不考虑温度场与压力场的影响;另外井控事故预防控制需要技术及管理措施相结合。