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。     

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。     

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。     

地层孔隙压力对井壁附近应力分布的影响

利用莫尔-库仑准则分析了地层孔隙压力对井壁附近应力分布的影响，模拟了井眼周围介质发生形变后地层孔降压力的变化模式，计算了地层孔隙介质在弹、塑性条件下，井壁发生屈服的塑性半径，从定量的角度证实了孔隙压力是影响井壁失稳的主要因素．分析认为，在假设井壁周围应力集中，地层孔隙压力是非均匀的、变化的条件下，裂缝内或孔隙内流体的流动是孔隙压力传递的途径，井眼周围的受力及介质特性的变化是导致井眼不稳定的主要原因．     

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.     

地层孔隙压力对井壁附近应力分布的影响

利用莫尔－库仑准则分析了地层孔隙压力对井壁附近应力分布的影响，模拟了井眼周围介质发生形变后地层孔隙压力的变化模式，计算了地层孔隙介质在弹，塑性条件下，井壁发生屈服的塑性半径，从定量的角度证实了孔隙压力是影响井壁失稳的主要因素。     

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%。     

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。     

层理地层基质与弱面坍塌失稳规律分析

渤海深部地层中存在大量的硬脆性泥页岩,易发生井壁失稳问题。将硬脆性泥页岩当作一种横观各向同性介质,建立了横观各向同性地层井周基质及层理弱面应力计算模型,在此基础上,获取了弹性参数各向异性、井眼轨迹及层理产状对井壁坍塌破坏的影响规律。研究表明,各向异性对层理弱面应力分布影响显著,与各向同性模型相比,误差最大约为31%;随弹性模量各向异性程度增大,井壁坍塌风险增高;直井钻进时,井壁坍塌破坏方位不仅受水平地应力方位影响,还与层理弱面的倾斜角和倾向角、井眼轨迹等参数相关。随层理面倾斜角和倾向角增大,井壁坍塌形状依次为岩石只发生沿水平最小地应力方位的基质坍塌、层理面单对角坍塌及层理面双对角坍塌,基质坍塌方位对应最小地应力方位,层理面坍塌方位与弱面的倾向方位保持一致,最优钻井方位应结合层理弱面的倾向;当定向井钻进时,井眼沿井斜30°~75°,最大地应力方位附近,坍塌最为严重。对渤中一口深井进行井壁失稳实例分析,分析结果与实际情况吻合良好,研究成果对层理地层钻井作业有一定的指导意义。     

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。     

东营组硬脆性泥页岩井壁稳定性研究

硬脆性泥页岩地层的钻井过程中,井壁垮塌现象频发,严重影响了油气田的高效开发。为减少该类地层井壁失稳问题,本文通过室内试验对硬脆性泥页岩理化特性进行分析,并定量分析钻井液作用对泥页岩影响程度。基于室内试验结果,利用线弹性理论和单一弱面准则,建立了考虑弱面结构、温场作用、水化特性的井壁稳定模型。利用该模型对井壁稳定性影响因素进行分析,结果显示：弱面结构的存在使得坍塌压力明显升高。弱面产状变化,造成坍塌压力分布复杂,不再存在单调变化的井斜方位;随温差增大,造成地层坍塌压力上升,但上升幅度相对较小;钻井液作用会显著缩减安全钻井方位范围,提高井壁垮塌风险。现场实例分析结果表明：利用提出的井壁稳定模型可以准确地预测坍塌压力分布,从而指导现场钻井作业。     

海上钻井井壁稳定性研究及应用——以A-1井为例

井壁的稳定性问题是一项急需解决的世界级难题,井壁失稳在世界范围内的各个油田中普遍存在。A-1井是一口位于东海某区块的直井,根据相邻已钻井复杂情况统计可知,该区块遇阻、掉块、卡钻等问题频发。将理论分析与数值模拟相结合,通过收集大量的地质、地震、钻井和测井资料,选择合适的理论模型,预测计算了A-1井的地应力、孔隙压力、破裂压力、坍塌压力等,绘制出了地层七压力剖面图,进而得到该井的安全钻井液密度窗口。经与实测点比对,孔隙压力和破裂压力的预测误差均小于5%。本文基于弹塑性力学理论,分析了井壁围岩的应力状态,并利用ABAQUS软件对井壁稳定性进行了数值模拟,分析了钻井液密度对井筒稳定性的影响,发现在低钻井液密度条件下,井周应变不均匀性明显,最小主应力方向上的井周应变远大于最大主应力方向上的井周应变;而在高钻井液密度下,井周应变较为均匀,没有明显的差异性。研究成果为了解目标区块井壁稳定机理提供了有力工具。     

考虑井眼尺寸影响的小井眼坍塌压力计算方法

针对小井眼井壁坍塌问题,基于岩石强度的尺寸效应理论,采用Hoek等人的强度尺寸效应经验公式建立了岩石单轴抗压强度与试样直径之间的关系;并对此经验公式进行了修正,考虑了黏聚力、内聚擦角等岩石强度参数与试样尺寸之间的关系,建立了考虑岩石强度尺寸效应的Mohr-Coulomb强度准则。得到了考虑井眼尺寸影响的坍塌压力计算方法,并提出了两种评价岩石强度尺寸效应的方法。研究结果表明,坍塌压力存在尺寸效应,相对于常规井眼,小井眼的坍塌压力当量密度较低;而不同性质地层岩石的强度尺寸效应是不同的,岩石的非均质性越强,裂缝越发育,小井眼钻井坍塌压力的尺寸效应越强,这为评估小井眼井壁坍塌风险提供了重要参考和依据。     

硬脆性页岩基础物性实验及井壁稳定性分析

近年来,由于世界能源的需求量剧增,页岩气的勘探、开发、研究已成为石油行业关注的焦点,其中最令人关注的工程难题之一就是钻井过程中的井壁失稳问题。龙马溪组页岩更是频繁的发生严重的井壁垮塌事故,给钻井施工造成了很大的困难。通过室内实验分析龙马溪组页岩露头的矿物成分、微观结构以及力学性质,研究了其井壁失稳机理。岩心轴向与层理面法向夹角为45°~70°之间时,其破坏形式主要表现为沿层理面的剪切滑移;当夹角为60°左右时,岩石的抗压强度最低。龙马溪组页岩在纵向上呈层状分布,微孔隙、微裂缝发育,表现出很强的各向异性。采用常规的均质模型,坍塌压力计算结果往往会偏低,因此考虑含弱面结构的破坏准则进行井壁稳定性分析更接近真实情况。     

泸州区块全井段地层力学性能及井壁稳定性

泸州区块全井段岩性复杂,漏、溢、垮复杂突出,严重影响深层页岩气资源效益化开发。针对不同岩性地层特征,建立基于室内实验及现场工程参数的全井段地层力学性能及三压力预测方法与剖面的建立,具有重要的研究意义与工程价值。基于室内实验,建立不同岩性地层力学参数预测方法,评价了不同岩性地层力学参数分布规律,耦合地应力、力学实验数据及现场漏溢塌工程信息,考虑井眼轨迹、力学弱面等因素,建立了全井段孔隙压力、坍塌压力、破裂压力分布剖面。研究结果表明,须家河、茅口组低孔隙压力、裂缝发育,漏失压力低,龙潭组煤层、泥岩力学强度低,坍塌压力低,普遍在1.5左右;深部石牛栏组、龙马溪组异常高压,存在溢流风险。建立了泸州区块深层岩石力学性能及三压力剖面,可为该地区井身结构优化设计、关键工程参数设计提供科学依据。     

异常温压复合地层注热流体井井筒传热计算

考虑到储层温度、压力对于注热开采井井筒热损失的重要性,利用热量传递基本理论和能量守恒原理,建立了含有异常温压储层的注热流体井井筒热损失计算模型。分析了地温梯度和地层压力系数对岩石热物性参数的影响,计算了不同流体注入速率和不同隔热层参数下的井筒热损失程度,并讨论了地层温度压力对井筒流体稳定时间和稳定温度的影响。结果表明,对于单一的砂质沉积,地层压力系数越高,岩石的导热系数越大,热扩散系数越小;温度异常对井筒热损失影响较为明显,存在高温、低压地层的井筒热损失小,井筒流体到达稳定状态时温度较高。该模型可用于现场同类油藏的井筒沿程温度预测。     

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.     

基于真三轴强度准则分析页岩斜井坍塌风险

井壁稳定性分析常采用Mohr-Coulomb（M-C）准则,由于其忽略了中间主应力（σ₂）的影响,使得结果偏于保守。为此,给出一种考虑了σ₂影响的真三轴Mogi-Coulomb（MG-C）准则,通过拟合Yuubari页岩真三轴实验数据,评价了M-C、Drucker-Prager（D-P）和MG-C准则的适用性;基于孔隙弹性斜井井壁应力分布模型,采用3种强度准则进行了斜井相对坍塌风险的分析。研究表明,MG-C准则拟合结果最好,能够准确反映σ₂对强度的影响,岩石强度随σ₂增加,先增加后下降;采用3种强度准则计算的斜井相对坍塌风险分布规律基本一致,M-C准则计算结果偏高,D-P准则计算结果偏低,而MG-C准则比较准确地考虑了σ₂的影响,其计算结果比较适中,比较适合用于井壁坍塌压力分析。MG-C准则的材料常数可通过常规三轴岩石力学参数（内聚力和内摩擦角）计算得到,使得MG-C准则使用方便,采用测井资料分析井壁稳定可得到连续坍塌压力剖面。