锦州25-1油田井壁稳定问题

 锦州25-1油田沙河街组地层井壁失稳严重,为解决该油田的井壁失稳问题,对该油田的泥页岩矿物组分进行了分析,开展了泥页岩的力学及水化特性实验,分析了锦州25-1油田沙河街组泥页岩的岩石力学特性和井壁失稳机制.研究发现,沙河街组地层层理性泥页岩和水敏性泥页岩共同发育;层理性泥页岩具有显著的各向异性,易发生沿层理面的剪切滑移,造成井壁失稳;水敏性泥页岩在钻井液作用下会发生水化膨胀,导致井周地层的力学性质和应力状态发生变化,表现为坍塌压力随井眼钻开时间的改变而改变;两种地层相互影响造成油田复杂事故频发.结合室内实验结果,建立了合理钻井液密度的确定方法,研究了锦州25-1油田层理性泥页岩坍塌压力随井眼轨迹的分布规律和水敏性泥页岩的水化坍塌周期,给出了保证安全钻进的工程对策,该油田的井壁失稳问题必须在优化井眼轨迹和选择合理钻井液密度基础上,并增强钻井液的封堵性和抑制性才能解决.     

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.     

水化对泥页岩地层“安全”钻井的影响

泥页岩地层与其它“惰性”岩石不同,当其与水基钻井液接触时,岩体强度、内部应力都将随钻井液类型及地层与钻井液的接触时间变化而变化,因此,一个有效的力学本构方程应该能够体现出发生在泥页岩地层中的力学和物理化学动态过程,Yew C H等在这一领域作了开创性工作;并引用Yew C H等提出的水化应力模型,计算分析了水化对水敏性泥页岩地层井周应力分布状态,地层坍塌应力和破裂应力的影响。     

聚胺高性能水基钻井液特性评价及应用

根据泥页岩水化特点和多元协同抑制思路,构建了聚胺高性能水基钻井液。介绍了该体系的关键处理剂聚胺页岩抑制剂、包被抑制剂、铝盐封堵防塌剂和清洁润滑剂。通过屈曲硬度实验和粘结实验对比评价了聚胺高性能水基钻井液与几种典型防塌钻井液的性能。结果表明,聚胺页岩抑制剂能在低浓度下最大限度降低黏土水化层间距,有效抑制黏土水化膨胀。聚胺页岩抑制剂与铝盐封堵防塌剂复配后能显著阻缓孔隙压力传递。聚胺高性能水基钻井液抑制性和清洁润滑性突出,与油基钻井液接近。聚胺高性能水基钻井液在胜利油田田305区块进行了成功应用,解决了该区块泥页岩井壁失稳问题。     

泥页岩水化-力学耦合模拟实验装置的研制

为进一步深入井壁稳定机理研究,利用压力传递原理推导了泥页岩极低渗透率计算公式,并给出了半透膜效率的计算公式,研制了泥页岩水化-力学耦合模拟实验装置(SHM仪),建立了压力传递实验新方法.利用该方法定量测定了泥页岩极低渗透率和泥页岩与水基钻井液体系半透膜效率.结果表明,具有极低渗透率的泥页岩与水基钻井液之间存在半透膜效应,半透膜效率与无机盐的种类有关,且泥页岩渗透率和半透膜效率可通过物理-化学的方法得以改善.     

南堡油田硬脆性泥页岩地层井壁失稳原因实验

冀东南堡油田中深层硬脆性泥页岩地层钻井过程中,井壁垮塌现象频发。为充分认识中深层硬脆性泥页岩井壁失稳机理,减少此类事故的发生,通过开展研究目标微观结构、理化特征以及钻井液对其力学特性影响的实验研究,定量研究了该区块影响井壁失稳的因素。结果表明:东二段至沙河街组泥页岩的矿物以黏土、石英为主,具有一定的脆性特征;阳离子交换容量高,岩石水化能力较强;宏观层理、裂缝、微观裂纹均较发育,应力释放及钻具扰动易使岩石发生劈裂或滑移;液相沿裂缝侵入地层导致岩石水化膨胀,降低泥页岩结构强度;在钻井液正压差作用下,产生水力尖劈作用,导致地层破碎,诱发井壁失稳。因此,预防此类泥页岩地层井壁失稳需严格控制钻井液滤失量,加强钻井液的封堵能力。针对该区块的室内实验研究,为该区块硬脆性泥页岩的安全、高效钻进提供了理论支撑,同时也为同类型地层的井壁失稳机理研究提供了技术参考。     

钻井液类型对井壁稳定的影响实例与防塌机理分析

针对东海油气田N区块钻井过程中易发生井壁坍塌的问题,通过梳理分析N5区块及周边构造三口探井地质条件、地层特性、测井数据,基于地质力学与岩石力学基本原理计算了井壁坍塌压力;并对使用水基钻井液和油基钻井液的钻井工况进行对比。研究发现在钻井液密度高于坍塌压力的情况下,使用密度相对较低的油基钻井液即能够保持井壁稳定,无阻卡等复杂问题。使用水基钻井液钻井,则部分泥页岩井段井径扩大,起下钻明显阻卡,处理复杂问题耗时较长。分析主要原因,在于油基钻井液能够降低泥页岩水化程度,减缓钻井液向微裂隙中的渗流,抑制微裂隙扩展,提高钻井液对井壁的有效支撑作用。因此,在东海油气田复杂泥页岩地层钻井中,使用油基钻井液能够更好地保持井壁稳定,避免或减少钻井复杂问题。     

泥页岩水化-力学耦合模拟实验装置的研制

为进一步深入井壁稳定机理研究，利用压力传递原理推导了泥页岩极低渗透率计算公式，并给出了半透膜移率的计算公式，研制了泥页岩水化-力学耦合模拟实验装置（SHM仪），建立了压力传递实验新方法。利用该方法定量测定了泥页岩极低渗透率和泥页岩与水基钻井液体系半透膜效率。结果表明，具有极低渗透率的泥页岩与水基钻井液之间存在半透膜效应，半透膜效率与无机盐的种类有关，且泥页岩渗透率和半透膜效率可通过物理-化学的方法得以改善。     

准噶尔盆地玛湖凹陷泥页岩水化特性及分类研究

准噶尔盆地玛湖凹陷在使用水基钻井液钻进时,因所用钻井液体系与地层配伍性差,导致地层崩落掉块严重,井壁失稳频发;且储层损害较大。为解决所存在的问题,对取自玛湖凹陷的岩样进行了全岩矿物成分与黏土矿物分析。在相关分析的基础上对该区块泥页岩的水化特性进行了预测;并通过水化膨胀与水化分散实验对所预测的泥页岩水化特性进行了验证。在室内实验的基础上,建立了泥页岩水化特性分类图版概念;并利用此图版对玛湖凹陷泥页岩的水化特性进行了准确和直观的分类界定,为今后开展的适用于该区块的多元协同钻井液体系中各个单元的权重设计,以及整个钻井液体系的技术研究提供了重要的理论指导依据,最终实现钻井液体系与地层的配伍,服务钻井作业。     

刚性约束环境下蓬莱镇组泥岩水化膨胀特征

泥岩水化膨胀是影响井壁稳定性的重要因素,目前对距离井壁一定深度处于刚性约束条件下的泥岩水化膨胀特征尚无研究。文章通过模拟刚性约束环境,研究压力、离子类型以及矿化度对蓬莱镇组泥岩水化膨胀特征的影响规律,以此为现场生产以及室内实验提供指导。实验结果表明,随着压力增大,泥岩水化膨胀应力增加,而轴向应变以及密度差则减小,即刚性约束条件下泥岩吸收少量流体后将发生明显水化,且较小的水化膨胀应变将引起较大的水化膨胀应力。同时,钾盐对刚性约束条件下的泥岩水化具有明显抑制作用,且抑制剂矿化度越高,抑制泥岩水化能力越强。为此建议,在实际钻井工况条件下,泥岩层段位置越深,越要注意防止泥岩水化,在钻井液安全密度窗口之内,尽量使用高矿化度以及高化合价抑制性盐类。在地面实验测试泥岩水化膨胀时,应添加一个应力释放所引起的附加值,以避免实验结果偏于保守。     

准噶尔南缘膏泥岩地层井壁失稳机理研究*

准噶尔盆地南缘山前安集海河组和紫泥泉子组地层含有大量膏泥岩和泥岩,且存在复杂的破碎带,是该地区钻井过程中发生遇阻、卡钻、井漏等井下复杂事故的主要层段。从岩心粘土矿物组分、微观结构、岩石力学性能、岩屑分散膨胀性能等方面分析该层段的失稳机理。研究认为：安集海河组和紫泥泉子组地层均具有粘土含量(30%)、伊/蒙混层(57%)、混层比高(55%)是地层发生非均匀水化膨胀失稳的主要原因;岩屑清水热滚回收率和线性膨胀率可见地层具有高分散高膨胀的特点,极易造成井壁坍塌及钻井液性能恶化;岩心抗压强度较低,经水基钻井液浸泡后破碎或者产生裂纹,油基钻井液浸泡抗压强度下降,说明岩心本身的抗压强度低也是地层不稳定原因;另外,地层孔隙压力高,钻井液安全密度窗口窄,钻井液密度控制不当也是导致地层失稳(漏失和坍塌)的重要原因。     

冻融循环作用下泥岩的力学特性及损伤机理研究

为研究冻融循环作用下岩石的损伤特性及发展规律,以泥岩为例,对泥岩在不同次数冻融循环条件下进行了单轴压缩和超声波检测试验,并分析在不同冻融循环条件下泥岩的力学特性。结果表明:随着冻融循环次数的增加,试样的原生裂隙受到反复冻胀荷载的作用引起损伤,试样脆性减小、延性增大,单轴抗压强度、弹性模量以及纵波波速均减小;对各力学参数的劣化规律及损伤机理进行了研究,建立了呈指数型衰减的模型,结果表明单轴抗压强度、弹性模量和纵波波速的劣化随冻融循环次数的增加而增大,但增大速率却逐渐减小,趋于稳定;最后,基于波阻抗为损伤变量,建立泥岩的冻融损伤方程,结果表明泥岩的损伤随着冻融循环次数的增加而增大,但增大速率逐渐降低。     

南宁盆地软硬水平互层泥岩强度特性分析

为研究软硬水平互层泥岩的基本物理力学性质、强度特性,选取南宁盆地某典型泥岩层,通过建立水平互层泥岩模型,进行了物理力学试验、单轴抗压强度试验、三轴剪切试验、天然状态下岩石抗剪断强度试验以及现场标准贯入试验研究,着重考察了互层泥岩强度变化规律与物理力学特性的影响因素,结果表明:①互层泥岩强度低,强度变异大,天然状态下的单轴抗压强度为1.0～7.0 MPa,饱和单轴抗压强度为0.4～1.3 MPa。岩石在长期浸泡下,强度将折减约75%。②岩相变化大,裂隙发育,具有吸水膨胀失水收缩,并极易软化,水稳定性极差。③抗扰动性能差,无法准确划分风化带,具有较高的超固结特性。     

碱激发秸秆灰渣改良膨胀土试验研究

通过室内试验,探讨利用碱激发秸秆灰渣改良膨胀土的可行性及改良效果。试验研究了秸秆灰渣、碱激发秸秆灰渣改良膨胀土的基本工程性质指标、击实特性、胀缩特性及无侧限抗压强度的影响特征。试验研究结果表明,随着秸秆灰渣的增加或者碱溶液浓度的增加,膨胀土的塑性指数、自由膨胀率、膨胀量与膨胀力逐渐减小,这说明掺秸秆灰渣可有效降低膨胀土的胀缩性。击实样经养护后的膨胀试验结果表明,随着养护龄期的增加,膨胀土的膨胀力明显减小。无侧限抗压强度试验结果表明:没有经过养护的土样,碱激发秸秆灰渣对无侧限抗压强度的影响不够明显;经过7 d养护后,随着掺秸秆灰渣的增加,土样的无侧限抗压强度具有一定程度的提高,并且无侧限抗压强度存在一个峰值点。     

发泡剂含量对气泡轻质土性能的影响

流动度、容重、抗压强度是气泡轻质土物理力学性能的主要影响指标.研究结果表明:随着发泡剂含量的增加,气泡轻质土的流动度增大,当气泡含量大于2%时,发泡剂含量对流动度的影响较小;发泡剂含量对气泡轻质土的容重和抗压强度影响显著,随着发泡剂含量增加,单位体积内混合料含量减少,结构不稳定性增大,导致其容重和抗压强度快速降低.相同围压时,随着气泡含量的减小,气泡轻质土的破坏峰值逐渐增大,曲线开始由硬化型向软化型转化.研究结果不仅有助于确定发泡剂对其物理力学特性的影响,而且为工程应用的结构设计提供可行的参考依据.     

水盐含量对寒旱区黄土状盐渍土强度特性和渗透特性的影响

为探究含盐量和含水率对黄土状盐渍土力学特性的影响,本文通过人工配制不同含盐量的黄土状盐渍土进行室内三轴试验,分析了不同含盐量和含水率条件下的黄土状盐渍土抗剪强度参数和渗透系数的变化规律。结果表明：低含水率时,盐渍土的抗剪强度参数随含盐量的增大呈现出先增大后减小的趋势,在无水硫酸钠掺量为3.2%时,抗剪强度指标达到最低；高含水率下,盐渍土的抗剪强度参数随着含盐量的增大而减小；在含盐量一定的条件下,盐渍土的抗剪强度参数均随含水率的增大而减小,且含盐量越高,抗剪强度指标随含水率的变化越明显。另外,含盐量一定时,随着含水率的增大,盐渍土的渗透系数呈现明显增大趋势；在含水率一定的条件下,盐渍土的渗透系数随含盐量的增大而减小,且含水率越高,渗透系数随含盐量的变化越大。     

流动性高强再生混凝土工作性和力学性能试验研究

为研究减水剂掺量对流动性高强再生混凝土工作性和力学性能的影响,通过改变减水剂掺量(0.45%、0.55%、0.65%、0.75%、0.85%),完成了不同再生骨料取代率(0、30%、40%、50%)的再生混凝土工作性和力学性能试验研究。研究表明:随着减水剂掺量的增加,再生混凝土坍落度值增大;减水剂掺量对再生混凝土早期抗压强度影响规律不明显;减水剂掺量为0.65%~0.75%时,再生混凝土28 d抗压强度、抗拉强度和抗折强度均有明显增加,拉压比和折压比值也达到峰值。     

新型油菜秸秆成型燃料成型工艺参数优化

为了提高油菜秸秆和造纸污泥两种废弃物的能源化利用效率,对掺入造纸污泥的油菜秸秆进行冷压成型。从污泥含量、成型压力、含水率和秸秆粒径四个方面对新型油菜秸秆成型燃料的物理性能进行测试,并以抗压强度作为衡量指标。通过单因素分析确定因素试验范围,再利用响应面法对试验结果进行分析。结果表明因素的影响主次顺序为成型压力含水率秸秆粒径污泥含量,新型油菜秸秆成型燃料的最佳成型工艺参数是:污泥含量25%,成型压力80 k N,含水率15%,秸秆粒径1 mm,这样可使成型燃料的抗压强度达到0. 206 k N。     

石灰-粉煤灰改良膨胀土试验

探讨利用粉煤灰、石灰粉煤灰作为添加剂改良合肥膨胀土的可行性与改良效果.试验研究了粉煤灰、石灰粉煤灰掺合物对膨胀土的基本工程性质指标、击实特性、胀缩性以及无侧限抗压强度的影响特征.试验研究结果表明,随着掺灰率的增加,膨胀土的塑性指数、活性指数、自由膨胀率、膨胀量、膨胀力与线缩率呈减小趋势,这说明掺粉煤灰可有效降低膨胀土的胀缩性.经过一定龄期养护后的击实样的膨胀试验结果表明,随着养护龄期的增加,膨胀土的膨胀量与膨胀力都有一定降低.无侧限抗压强度试验结果表明:没有经过养护的土样,粉煤灰对无侧限抗压强度的影响不明显;经过7d龄期养护后,随着掺粉煤灰率的增加,土样的无侧限抗压强度具有一定程度的增长,并且无侧限抗压强度存在一个峰值点.