层理性泥页岩井壁失稳机制的FLAC3D 数值分析

 在层理性泥页岩钻井过程中经常出现井壁失稳,影响钻井的顺利进行。考虑层理性泥页岩的岩块和层理特性,采用层理岩石单元和层理面单元的组合模型描述层理性地层的破坏模式。利用有限差分数值模拟软件FLAC3D建立层理性泥页岩井眼的有限差分计算模型,模拟了实际钻井过程。和均质地层对比,分析了层理性泥页岩井眼的塑性区分布、井眼位移和次生应力分布特点。数值模拟再现了层理面的变形破坏现象,描述了层理面的滑移特征。研究结果表明,数值模拟结果和实际钻井现象相吻合,层理面上下两侧位移差最大为0.8mm,层理面滑移位移是错动位移的8.13倍,证明了层理面的滑移是层理性泥页岩井壁失稳的根本原因。分别模拟了地应力、层理面空间分布、井眼轨迹参数和井眼尺寸对倾斜层理直井和水平层理斜井的变形破坏规律。     

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．     

顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺优化选择

根据岩石力学、弹塑性力学理论建立了顺层钻孔周围煤体塑性区应力分布数学模型,分析了顺层抽采钻孔施工过程中周围煤体破坏规律及应力分布状态。数值模拟了采用水泥砂浆封孔、聚氨酯封孔、胶囊封堵-压力注浆封孔三种工艺下钻孔周围煤体应力分布规律,三种封孔工艺分别通过改变钻孔支护阻力、钻孔周围煤体物性参数等方式进行模拟。结果表明:胶囊封堵-压力注浆封孔工艺可有效封堵裂隙,加固钻孔周围破碎煤体,对钻孔周围煤体应力分布的控制效果优于现有的封孔工艺,对于顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺有一定的指导意义。     

裂缝储集层的完井特点

裂缝性储层具有裂缝分布不均匀性及在一定条件下发生闭合、垂直发育等特点，运用常规钻井和完井方法不易取得好的勘探开发效果。对裂缝储层的基本特征、裂缝闭合机理、钻开裂缝的方法以及完井底部结构特点进行了分析，提出对于裂缝储层应使用裸眼完井方法，并指出在钻开储层时适当提高钻井液的密度，对保护油气层有利。裂缝储层中水平井完井应采用裸眼、筛管、衬管、封隔器等完井措施，不必用水泥封闭套管，因为井眼在同一岩层中不存在压力差异。     

两向水平应力不等条件下泥浆密度的确定

降低泥浆液柱压力对油气层的压差和保持井壁稳定是钻井工程亟待解决的问题,对于地应力异常地区显得更为迫切。为了解决油气层污染和井壁稳定的难题,在弹塑性力学理论和岩石力学理论的基础上,应用摩尔—库伦屈服准则,阐述了井眼周围岩石弹塑性状态的形成机理及应力、位移的分布情况,推导出了井眼塑性屈服范围和泥浆液柱压力、水平地应力以及岩石强度的关系式。与其它理论相比,该理论所确定的保持井眼稳定的泥浆密度范围更广,有利于降低对油气层的压差和近平衡钻井。同时,也提出了一些具体技术来保证这一理论的应用。     

裂缝储集层的完井特点

裂缝性储层具有裂缝分布不均匀性及在一定条件下发生闭合、垂直发育等特点，运用常规钻井和完井方法不易取得好的勘探开发效果。对裂缝储层的基本特征、裂缝闭合机理、钻开裂缝的方法以及完井底部结构特点进行了分析，提出对于裂缝储层应使用裸眼完井方法，并指出在钻开储层时适当提高钻井液的密度，对保护油气层有利。裂缝储层中水平井完井应采用裸眼、筛管、衬管、封隔器等完井措施，不必用水泥封闭套管，因为井眼在同一岩层中不存     

防砂井的合理完井方式

防砂工艺和效果与完井方式有密切的关系，提出并分析了四种完井方式．在条件允许的情况下，采用裸眼砾石充填进行先期防砂完井，可以获得较好的油、气流通能力和较厚的砾石层，可下入大直径的滤砂管，这种完井方法有利于防砂．对于用射孔方式完成的井，如果预测有出砂倾向，则应采用大直径套管作为生产套管，以高密度射出大直径的孔．对于胶结差的疏松产层则建议采用渗透性人工井壁完井．     

水平裂缝压裂井眼位移的有限元计算

用有限元法分别对有１～３条水平裂缝井眼在压裂时油层附近的井眼位移分布进行了计算。计算结果表明，增加裂缝数，并未使井眼位移的影响范围和位移的绝对值成倍增加，而是使裂缝周围区域的岩石更加紧密，同时还使裂缝处的水泥环承受巨大的拉应力，这样可能导致水泥环被破坏。该计算结果可用于分析和研究压裂对油层孔隙度及渗透率的影响     

复杂结构井变质量管流与地层渗流耦合模型

基于井筒液体流动与管路液体流动的流动相似性,并综合考虑了不同完井方式下地层渗流、水平段变质量管流、弯曲段和垂直段多相管流之间的耦合作用,采用整体压力系统分析方法建立了不同完井方式(裸眼完井及射孔完井)复杂结构井地层渗流与变质量管流耦合模型.该模型可求解多分支井在考虑各分支间在主井眼井底相互干扰的情况下的协调产量与协调流压以及各分支在协调点的产量贡献和各分支水平段沿程压力分布及产量分布.此外,还模拟分析了射孔完井方式下三分支水平井自喷采油时的整体压力系统.结果表明,该模型对于多分支水平井不同完井方式下协调产量及协调压力的求解具有一定的指导意义.     

水平裂缝压裂井眼位移的有限元计算

用有限元法分别对有１－３条水平裂缝井眼在压裂时油层附近的井眼位移分布进行了计算。计算结果表明，增加裂缝数，并未使井眼位移的影响范围和位移的绝对值成倍增加，而是使裂缝周围区域的岩石更加紧密，同时还使裂缝处的水泥环承受巨大的拉应力，这样可能导致水泥环被破坏，该计算结果可用于分析和研究压裂对油层孔隙度及渗透率的影响。     

疏松砂岩储层裸眼完井可行性评价——以胜坨油田二区沙二段储层为例

完井方式的选择对油气田开发至关重要，裸眼完井具有简单、方便、成本低和产量高等优势，但也容易发生井壁失稳，特别是对于疏松砂岩储层而言，因此在确定采用裸眼完井之前，必须先对其在目标储层的可行性进行评价。本文以胜坨油田二区沙二段储层为例进行研究，该层段为一套疏松砂岩储层，胶结程度不高，为确定其裸眼完井是否可行，本文在 公式法的基础上，考虑油气渗流所引起的附加应力，建立了井壁岩石周向应力的计算方法，提出了改进后的井壁稳定性评价模型。根据目标储层现有地质、测井及测试及室内实验方法获得的资料，应用上述模型，进行了目标储层井壁稳定性评价，并进一步分析了井斜角度、压力衰减和储层产水三个因素对井壁失稳的影响，与现有完井方式进行了对比分析，得出胜坨油田二区沙二段储层裸眼完井是不可行的认识，应采用套管完井并辅以防砂固井等措施。该结论对于其它疏松砂岩储层同样适用。     

基于有限元的南缘高泉试验水平井稳定性评价

南缘高泉背斜清水河组储层具有三高一深(即高温、高压、高产和超深)特征,国内尚无成熟完井案例可循。为优选合适的完井方式,针对目标区试验水平井分别建立了预孔筛管完井、套管射孔完井的井筒和地层的稳定性模型,对其全生命周期井壁稳定性开展了数值模拟研究。结果表明,当井筒沿着最小水平主应力方向时,孔眼应力集中在平行于最小水平主应力方向最大,在垂直于最小水平主应力方向最小,井筒的破坏会从外壁孔眼处开始;筛管和套管只会产生部分塑性变形,变形量小于5%,发生挤毁可能性不大,但生产后期筛管完井地层必定会发生坍塌,固井后的射孔地层相对比较稳定,从井壁稳定性出发对目标区此类三高一深特征水平井可优先推荐采用射孔进行完井。     

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。     

定面射孔对压裂初始裂缝形态的影响研究

定面射孔是致密油水力压裂改造的一种新型完井措施。利用大尺寸真三轴水力压裂实验系统开展了300 mm×300mm×300 mm立方体试样定面射孔压裂物模试验,结合有限元三维应力分析,研究了定面射孔相位角对水力压裂初始裂缝形态的影响机制。研究结果表明:定面射孔各射孔道之间的应力干扰改变了近井筒应力分布格局,导致沿定面射孔方向水力裂缝呈倾斜状及迂曲状扩展,背离射孔方向裂缝形态为近垂直状形态。随射孔相位角减小,孔道间应力干扰增大、裂缝起裂压力提高,各射孔均产生破裂进而形成横向倾斜压裂平面。利用定面射孔技术可控制压裂初始裂缝呈非对称、非规则扩展形态,增加近井筒水力裂缝的复杂性。     

井周煤层气渗流及恒压下煤岩力学特性试验

利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,进行0.5和1.0 MPa煤层气渗流压力、0.5和1.0 MPa煤层气恒定压力条件下原煤样全应力-应变过程三轴压缩试验,研究井周煤层气渗流特征及煤层气渗流与恒压对煤岩力学性质的影响。结果表明:煤岩渗透系数和煤层气流量随轴向应变增加先降低,在屈服点减小到最低点后逐渐增大,最后趋于稳定;煤层气恒压下的煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量显著低于相应煤层气渗流压力下的值;恒定煤层气压力越大,煤岩三轴抗压强度、屈服强度和弹性模量越小;煤层气渗流压力越大,煤岩三轴抗压强度、屈服强度、弹性模量越小;研究结果可为煤层气欠平衡钻井压力控制、固井及储层改造等设计与施工提供技术支持。     

水平井压裂裂缝起裂及裂缝延伸规律研究

水平井压裂可以有效提高低渗透油气藏水平井的采油速度和最终采收率,裂缝起裂和裂缝延伸规律是水平井压裂的关键问题之一.建立了水平井压裂裂缝起裂压力计算模型,通过分析求解模型可以得出:井筒方位角不同,最小水平主应力和垂直主应力对裂缝的起裂压力影响规律不同,在井筒方位角为0°时最不容易起裂,而在井筒方位角为90°时最容易起裂;对比分析了现有裂缝延伸模型,得出全三维裂缝延伸模型适合水平井压裂裂缝延伸模拟;分析了产层和盖层的应力差对裂缝缝高的影响,计算结果表明,当隔层与产层的应力差大于5MPa时,裂缝被限制在产层内.     

天然气水合物藏井眼蠕变缩径研究

天然气水合物作为储量丰富的清洁能源备受世界各国的关注,但水合物储层的不稳定性使得其钻井和开采都存在困难.当井眼钻开后,水合物储层的蠕变特性会造成井眼缩径,进而影响水合物井的钻井安全.对冻土水合物地层在井眼钻开后的井眼缩径进行分析.结果表明:缩径发生时井眼不同方位地层将以不同速率进行缩径,但随着时间的增加,不同方位处的缩径速率趋于相同;随着水合物层埋深的增加,井眼的蠕变量将呈近线性增加;井眼的蠕变缩径速率将随着地应力非均匀性的增大而增大;随着水合物饱和度的增加,井眼的缩径速率降低.研究结果可为水合物地层钻井液密度的选取提供理论依据.     

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。     

水平井酸化数值模拟

对水平井进行酸化是提高其产能的重要途径之一。在水平井的酸化过程中,酸液一方面沿水平井筒流动,同时还沿井筒管壁流向井筒周围的储层,所以酸化过程实际上是井筒变质量流动和周围油藏渗流的耦合过程。对水平井筒流动及其周围储层的渗流进行了流动分析,建立了井筒流动模型、流动剖面模型和油藏渗流模型。将这些模型进行耦合,得到了描述水平井酸化过程的耦合模型。通过对模型数值求解,预测了注入酸的分布,分析了注入参数对酸化效果的影响,为选择合理的布酸方式提供了理论依据。