井眼尺寸对井壁稳定性影响研究

根据岩石强度的尺寸效应理论,讨论了岩石的尺寸效应对强度的影响;并以此建立了井眼尺寸对井壁坍塌压力、破裂压力的影响规律的预测模型。将该模型应用于克拉玛依油田呼2井的井壁稳定性预测,发现:5 in、6 in小井眼的坍塌压力分别比常规井眼8(1/2)in坍塌压力降低了3.2%和1.1%;而破裂压力分别增加了0.22%和0.14%。井眼尺寸越小,其对应的坍塌压力值越小而破裂压力值越大;小井眼钻遇地层的安全泥浆密度窗口比常规井眼安全泥浆密度窗口宽,井眼尺寸越小,对维持井壁稳定的泥浆密度要求降低。     

页岩储层微小井眼钻井坍塌压力计算方法

 我国页岩储层钻探方面处于起步阶段,钻井过程中复杂情况频发,井壁坍塌问题严重.借鉴北美地区页岩气钻井经验,对比我国四川盆地与北美Haynesville的页岩气水平井井身结构,发现随井眼尺寸减小,钻井复杂情况有所降低.研究过程中,结合岩石强度的尺寸效应理论,比较不同强度尺寸模型的优缺点,优选Vutukuri模型分析微小井眼井壁围岩的强度变化规律,并根据McLamore各向异性破坏准则确定岩石单轴抗压强度随主应力与层理面法向之间夹角的关系,以此作为页岩储层强度准则;根据定向井坍塌压力计算方法分析井周应力状态,结合尺寸效应与强度准则,分别得出标准井眼和微小井眼在层理性地层中的坍塌压力随井眼轨迹的变化规律,同时探究了固定井眼方位下的坍塌压力随井斜角变化规律.对比不同井斜角下两者的差距,结果表明,不论直井或定向井,采用微小井眼均能显著降低钻井坍塌压力,降低幅度约为10%左右,研究结论揭示了小井眼减少钻井复杂的内在原因.     

考虑尺寸效应的井壁坍塌压力统一强度理论解

针对目前井壁坍塌压力理论计算中未考虑井眼尺寸的问题,依据双剪统一强度理论,引入中间主应力参数b,通过理论分析和实践验证,推导了考虑井眼尺寸的垂直井井壁坍塌压力计算表达式。分析了井眼尺寸、b值、岩石完整性等因素变化对井壁坍塌压力的影响。结果表明:井眼尺寸对浅层井壁稳定的影响较大,井眼扩大或井深增加,井壁坍塌压力相应增加;随着井眼尺寸增大,中间主应力对深层井壁坍塌压力的影响逐渐增加;同一深度处围岩整体性越差,井壁坍塌压力相应越高。本文所推导垂直井井壁坍塌压力计算公式可以对不同井眼尺寸的井壁坍塌压力做出预测,同时考虑中间主应力效应可以充分发挥井壁围岩的强度,为现场低密度钻井液的应用提供理论支持。     

长水平段钻井泥岩井壁坍塌周期分析

泥页岩地层井壁失稳是国内外各油气田钻井过程中普遍存在且至今未能完全解决的世界性难题;但在致密泥岩长水平段钻进时,井壁失稳问题更加突出。考虑化学势差、水力压差和岩石骨架变形的耦合作用,同时考虑泥岩吸水引起的强度弱化,提出了泥岩流-固-化多场耦合坍塌周期分析模型。利用该模型,定量分析了泥岩渗透率、吸水扩散吸附系数、钻井液活度和膜效率对地层孔隙压力、地层强度以及坍塌周期的影响规律。结果表明:1泥岩渗透率越小,阻碍水力压力传递的能力越强,地层孔隙压力增长越慢,井眼坍塌周期越长;2钻井液化学作用对井周压力传递和坍塌周期影响显著,当钻井液活度高于地层活度时,井眼附近孔隙压力显著增大,井眼坍塌周期缩短;膜效率越大,则地层孔隙压力和井眼坍塌周期变化幅度越大;3泥岩强度弱化是影响坍塌周期变化的重要因素。随着吸水扩散系数增大,近井地层泥岩强度迅速降低,井眼坍塌周期显著缩短;4研究区域沿最小水平地应力方向水平钻进时,井眼坍塌周期最长,随着与水平最小地应力夹角的不断增大,井眼坍塌周期不断缩短,沿最大水平地应力方向时,井眼坍塌周期最短。     

基于双剪统一强度理论的垂直井井壁坍塌压力解

针对钻井过程中井壁坍塌压力的理论计算值与实测值存在较大差异的问题,依据井壁力学模型和双剪统一强度理论,通过理论分析和实践验证,推导得出了不考虑渗透作用的垂直井井壁坍塌压力统一解表达式,并分析了不同b值、不同深度、不同强度准则下井壁坍塌压力的变化趋势。结果表明:当井深一定时,随着b值的增大,井壁坍塌压力相应降低。同一b值条件下,随着井深的增加,井壁坍塌压力相应提高。中间主应力对浅层井壁坍塌压力的影响较深层大,中间主应力的引入对井壁岩石强度的提升有着积极作用。文中建立的井壁坍塌压力解公式可以通过改变b值的大小调整中间主应力的贡献,以适应不同地质条件下垂直井井壁的坍塌压力计算。     

页岩层理对水平井井壁稳定的影响

中国南方海相页岩气区硬脆性页岩储层层理/裂缝发育,层理性页岩水平井钻井井壁坍塌问题已严重制约页
岩气勘探开发进程。为此,以线弹性井壁稳定力学模型和单一弱面强度理论为基础,建立了考虑页岩层理产状、层理
弱面强度、岩石强度、水平井方位、强度弱化（含水量）等因素影响的层理性页岩水平井井壁稳定模型。在此基础上定
量分析了层理产状和含水量对水平井井壁坍塌压力的影响。结果表明：坍塌压力与层理面产状、井眼方位关系密切,
地层倾角0°<θDIP<15°、75°<θDIP<90° 时有利于水平井井壁稳定;页岩层理弱化是导致井壁坍塌失稳的重要原因,无论
层理产状如何变化,随着层理含水量的增加,井壁坍塌压力迅速增加,坍塌压力增量约为4.30～22.62 MPa,含水量20%
时坍塌压力增幅可达100%。     

层理性页岩水平井井壁稳定性分析

基于孔隙弹性力学和单结构面强度理论,建立层理性页岩水平井井壁稳定力学分析模型,分析层理面产状(走向、倾角)、井眼轨迹(井眼方位)和层理面强度弱化对水平井井壁稳定的影响。研究结果表明:页岩层理面产状和层理面强度弱化是导致水平井井壁坍塌失稳的主要因素;层理面倾角为0°~30°时,沿着任何方位钻水平井的井壁稳定性都比较差,而层理面倾角为30°~90°时,沿特定方位钻水平井的井壁稳定性却比较好的,这便为井眼钻进方位的优化设计提供重要依据;层理面强度弱化的影响可以比层理面产状的影响更大,不同产状下坍塌压力差异可达0.45 g/cm3,而层理面强度弱化导致的井壁坍塌压力可增加约0.54 g/cm3;钻井液在渗透作用下沿层理面侵入地层,导致层理面黏聚力和内摩擦角降低,使井壁岩石更容易沿层理产生滑移,从而加剧井壁坍塌失稳的风险。最后,采用该模型在四川东南部威远构造第一口页岩气水平井W201-H1井进行了验证,井壁坍塌压力分析结果与实际情况吻合良好。     

泥页岩井壁坍塌周期分析

应用力学/化学耦合理论对泥页岩井壁延迟坍塌机理进行了分析.以多孔介质渗流力学为基础,建立了近井壁地层孔隙压力的计算模型,计算了不同时期的临界坍塌压力,分析了钻井液物性参数对井壁稳定性的影响,得到了近井壁地层孔隙压力及强度参数在时空域内的分布,以及一定钻井液密度下泥页岩井壁坍塌破坏的时间.算例分析表明,在同一膜效率下,随着钻井液水活度增加,坍塌周期缩短;在同一钻井液水活度下,提高膜效率可以延长坍塌周期;钻井液水活度越小,膜效率的影响越显著.现场选择钻井液时,同时考虑水活度和膜效率并根据井壁坍塌压力改变钻井液密度,效果才会更好.     

地层孔隙压力变化对井壁稳定性的影响研究

受长期注采工程作业的影响,地层孔隙压力将发生大幅度波动,从而导致地层的岩石强度、地应力相对开采初期已发生较大变化,且横向分布更为复杂,进而诱发、加剧井壁失稳,井下复杂状况频发。理论与实验相结合研究了孔隙压力变化对砂岩地层岩石强度及地层坍塌压力的影响,结果表明：（1）岩石强度与地层孔隙压力呈负相关,随地层孔隙压力增大,地层岩石强度、弹性模量呈线性递减;（2）地层孔隙压力变化将影响调整井的井壁稳定状态,压裂、注水、注聚等工程作业导致井周地层孔隙压力增大,将加剧井眼失稳;而在一定限度内,油气的压力衰减式开采将降低地层坍塌压力,利于井眼保持稳定。     

不同围压下岩石材料强度尺寸效应的数值模拟

应用岩石破裂过程分析系统,对不同围压下不同尺寸岩石材料进行了数值模拟试验．研究了围压与岩石材料强度尺寸效应之间的关系．结果表明,围压越大,岩石材料强度尺寸效应越不明显,即围压能够降低尺寸对岩石强度的敏感程度．岩石材料的非均质性不是一个静态变量,而是一个动态参数,与岩石材料内部裂纹的损伤演化密切相关．低围压时,岩石试件内材料并未趋于均匀化,非均质性显著,强度尺寸效应明显;而高围压时,岩石试件内材料由低到高逐渐屈服破坏,材料趋于均匀化,均质性较好,因而强度尺寸效应不明显．     

辽东湾太古界地层裸眼完井可行性力学分析

辽东湾太古界潜山变质岩地层中油气蕴藏丰富,开发中储层段水平井拟采用裸眼完井。但如果储层强度过低,裸眼段在生产过程中可能发生井壁坍塌,造成复杂事故。根据太古界变质岩地层岩心力学实验结果,建立了测井数据分析变质岩地层强度的模型,对太古界地层强度随垂深的变化进行计算,并利用裸眼完井井壁稳定分析方法计算稳定井壁所需的最低井底流压,得出生产中允许的最大生产压差。计算结果表明,受风化壳影响太古界变质岩地层存在低强度带,在下套管封固住上部低强度地层后,采用裸眼完井是可行的,但实际生产压差不能高于计算得到的极限生产压差。     

鄂尔多斯气井钻井岩石力学特征描述难点及对策

鄂尔多斯探区的气井钻遇多套复杂地层,利用常规方法计算的地层坍塌压力、漏失压力、可钻性等钻井岩石力学特征参数误差较大,导致前期钻井施工中井壁垮塌与漏失严重、钻头选型效果不佳。针对鄂尔多斯气井钻井岩石力学特征描述的难点,根据工区实际情况完善了水敏性泥页岩地层坍塌压力计算方法、破碎性地层漏失压力求取方法、岩性多变地层可钻性分析方法,利用测井、钻井、地质、测试等资料描述了坍塌压力、漏失压力、可钻性的分布特征;并依据其提出了工程建议。在富县、定北工区的现场应用情况表明该方法具有较好的适用性,为优质快速钻井技术提供了准确全面的基础信息。     

岩屑声波法地层压力监测技术研究与应用

提出了通过岩屑提取地层信息、为钻井井壁稳定性计算提供必要参数的方法，即通过测量地面岩屑的声波时差，反演得到地层岩石的声波时差，利用岩石的声学性质与力学参数的关系得到地层岩石的力学参数，结合地应力参数，得到井壁周围岩石的应力分布，计算地层的孔隙压力、坍塌压力和破裂压力。对于预探井，在没有测井资料的情况下，利用该方法可以有效地进行地层压力监测。在两口预探井中进行了随钻监测地层压力的现场试验，证明该方法是有效的。虽然该方法在声波测量过程中还有一定的局限性，对最终计算结果的精确度会产生一定影响，但与单纯的地震资料相比，其精确度已大大提高。     

渤海油田渤中区域中深部泥页岩地层井壁稳定性

渤中区域资源潜力巨大,是目前渤海油田勘探开发的重点区块.前期探井钻井过程中中深部东营组、沙河街组泥岩地层井壁坍塌失稳现象频发,出现蹩压、阻卡等复杂事故.为揭示渤中区域中深部泥页岩井壁失稳机理,指导开发井钻井设计,对取自渤中区域东营组泥岩岩心开展了电镜扫描、矿物组分测试、泥浆浸泡以及岩石力学等系列实验,定量刻画了该地层的理化特性、岩石力学特性以及钻井液对力学性质的影响规律.实验结果表明,该区块中深部泥页岩处于由水化膨胀性泥页岩向硬脆性泥页岩转化的过程,既具有硬脆性泥页岩层理、裂隙发育的特征,又仍表现出一定的水化膨胀和分散特征.在实验结果的基础上,利用线弹性理论和单一弱面准则,建立了考虑弱面结构和水化作用的井壁稳定模型,对渤中区域定向开发井坍塌压力及其随井斜角和井斜方位角的变化规律进行了分析,揭示了钻井液作用对坍塌压力的影响.研究结果对于渤中区域开发井安全钻井具有一定的指导意义.     

波动压力约束条件下套管与井眼之间环空间隙的研究

利用一维不稳定流动的基本方程,对套管与井眼环空间隙不同时的波动压力进行了计算,绘出了环空间隙与最大井底波动压力之间的关系曲线。根据此曲线及地层破裂压力的最大极限值,可以确定某种尺寸套管与并眼之间间隙的最小值。研究结果表明,在套管与并眼间隙相同的条件下,套管尺寸越大,井底最大波动压力也越大。从控制井底最大波动压力的角度考虑,在确定套管与井眼之间的环空间隙时,大尺寸套管应采用较大的间隙。从波动压力因素方面考虑,由浅井条件所确定的套管与井眼之间的环空间隙同样适合于深井条件。     

地质力学特征评价新方法在导向钻井优化中的应用

针对常规导向钻井技术在适用范围、预测能力与运行成本等方面的局限性,在考察岩石物理及力学参数和地球物理信息之间定量关系的基础上,将地震反演、地质统计、地震属性分析、岩石力学方法与钻井工程实际需求密切结合,提出地质力学特征评价新方法,基于其对导向钻井系统进行优化。新技术以常规地震和测井资料为基础,充分结合钻井、录井等实钻信息,钻前建立地质力学初始模型用于钻井设计,钻进过程中参考实钻资料随钻修正并更新钻前模型用于钻井工艺实时优化,其关键环节是准确预测钻头前方待钻地层的强度、地应力、孔隙压力、坍塌压力、破裂压力等力学参数。以井壁稳定预测及其工程运用为重点,论述导向钻井优化中岩石力学理论和地球物理算法结合运用的思路与技术流程,将该方法在西南、西北复杂探区进行应用。现场应用表明,优化的导向钻井系统可以达到理想的参数预测精度与工艺优化效果,指导安全、优质、快速、低成本钻井的能力得到了提高。     

过钻具小直径阵列侧向测井响应及倾斜各向异性分析

针对过钻具测井,研究小直径阵列侧向测井技术。确定电极系尺寸结构,利用数值模拟方法研究小直径电极系的井眼、围岩、侵入响应特征,与常规大直径电极系的响应进行对比分析。研究小直径电极系在斜井、水平井中的响应特征,分析井眼倾角、地层电阻率各向异性的影响规律,制作交会图版。结果表明,针对小直径电极系,需重新制作井眼影响图版,围岩、侵入响应特征与常规大直径电极系基本相同。随着井眼倾角、各向异性系数增加,视电阻率增大,曲线分离以60°倾角为界,分别呈现出高侵、低侵特征。利用视电阻率比值和均值可以做出地层水平电阻率和各向异性系数的交会图版。为过钻具小直径阵列侧向测井技术的发展及其斜井、水平井解释评价提供依据。     

元坝超深水平井井身结构优化与轨迹控制技术

元坝气田是世界上埋藏最深的海相酸性气田,其长兴组主力气藏具有埋藏超深、高温、高压、高含硫化氢、储层薄横向变化大、气水关系复杂等特征,常规直井、定向井产量低,方案设计采用水平井开发。该区钻井面临“硬、塌、卡、漏、喷、毒”等挑战,复杂事故多,施工难度大,安全风险高。为此,从地层三压力特征和实钻资料分析入手,研究提出利于封隔复杂井段的五开制井身结构方案和利于轨迹优化调整的常规定向钻具组合设计。所形成的井身结构优化和轨迹控制技术已成功应用于10 口超深水平井,保证了方案部署井的安全顺利实施,实现了优快钻井和水平段长穿优质储层的目标,完钻井测试均获得了高产,创造了多项国内外钻井工程新纪录。