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。     

弹性参数各向异性对页岩井周应力的影响

为研究层理性页岩地层井周应力分布及其对井壁稳定性的影响,针对页岩力学参数的各向异性特点,建立了基于横观各向同性材料本构关系的弹性理论分析模型,运用该模型计算井周应力,并与各向同性材料下的应力分布进行对比,获取了页岩地层弹性参数各向异性对井周应力分布的影响规律,同时对井壁稳定状况进行了评估。研究表明:井周应力分布对弹性模量各向异性的敏感性强于泊松比各向异性,相同的弹性模量与泊松比各向异性影响下的井周应力分布形态具有相似性,但弹性模量与泊松比各向异性比的增减导致的井周应力增减变化相反,弹性参数各向异性对井壁破裂压力的影响远大于对坍塌压力的影响,显著地影响井眼近井壁地带的破裂压力。     

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...     

页岩横观各向同性储层水平井井周应力预测模型

致密页岩储层进行水平井钻井和压裂改造时,为了精确确定页岩气储层水平井的井周应力,在页岩岩石力学特性的基础上,建立了考虑页岩横观各向同性的本构模型和页岩气储层的地应力模型,并进而建立了页岩气储层水平井的井周应力模型。通过分析页岩气水平井井周应力的分布规律,结果表明:水平和垂直弹性模量比、地应力比和孔隙压力对井周应力的分布有较大影响,而泊松比的影响相对比较小。该致密页岩储层水平井井周应力的计算方法,可为页岩气水平井的钻井和压裂改造提供理论参考和指导。     

页岩储层水平井井周应力预测模型

致密页岩储层进行水平井钻井和压裂改造时,为了精确确定页岩气储层水平井的井周应力,在页岩岩石力学特性的基础上,建立了考虑页岩横观各向同性的本构模型和页岩气储层的地应力模型,并进而建立了页岩气储层水平井的井周应力模型。通过分析页岩气水平井井周应力的分布规律,结果表明：水平和垂直弹性模量比、地应力比和孔隙压力对井周应力的分布有较大影响,而泊松比的影响相对比较小。该致密页岩储层水平井井周应力的计算方法,可为页岩气水平井的钻井和压裂改造提供理论参考和指导。     

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.     

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。     

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。     

各向异性杆扭转问题的各向同性化边界元分析

提出了采用扭转函数和应力函数求解各向异性杆扭转问题的各向同性化边界元法 ,导出了其基本方程和边界条件 ,并给出了坐标变换式 .利用各向同性杆扭转问题的简单基本解 ,按边界元法求解 ,经逆变换得到所需的应力分量和位移分量 .扭转函数法尤适用于多连域和求截面翘曲 ,并可消除区域积分 .算例表明 ,该方法简单有效     

页岩水化对岩石应力分布的影响

页岩气钻井井壁不稳定是钻井过程中的一个重要难题,含水量的多少直接影响岩石应力分布。根据现场数据得到含水量随时间和距井眼轴线距离的变化规律。通过力学与化学耦合的总吸附水量模型表征含水量和应力分布关系,并且考虑地层的各向异性。将假设地层为各向同性时的水化应力和地层为各向异性时的应力耦合。通过计算机编程分别得到径向应力、切向应力和垂向应力随井周角和距井眼轴线距离之间的三维关系图。结果表明,页岩径向应力,切向应力和垂向应力随距井眼轴线距离的增加而减小,说明在井壁处水化膨胀造成应力值很高,随距离井眼轴线距离的增加钻井液入侵减小,从而水化膨胀应力逐渐减小。切向应力和垂向应力随井周角变化明显,是由于地应力非均匀性造成的,页岩的水化增加了地层的不稳定性。     

页岩水化对岩石应力分布关系的影响

页岩气钻井井壁不稳定是钻井过程中的一个重要难题,含水量的多少直接影响岩石应力分布.根据现场数据得到含水量随时间和距井眼轴线距离的变化规律.通过力学与化学耦合的总吸附水量模型表征含水量和应力分布关系,并且考虑地层的各向异性.将假设地层为各向同性时的水化应力和地层为各向异性时的应力耦合.通过计算机编程分别得到径向应力、切向应力和垂向应力随井周角和距井眼轴线距离之间的三维关系图.结果表明,页岩径向应力,切向应力和垂向应力随距井眼轴线距离的增加而减小,说明在井壁处水化膨胀造成应力值很高,随距离井眼轴线距离的增加钻井液入侵减小,从而水化膨胀应力逐渐减小.切向应力和垂向应力随井周角变化明显,是由于地应力非均匀性造成的,页岩的水化增加了地层的不稳定性.     

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.     

各向异性地层井壁破裂压力预测

地层破裂压力对于钻井和水力压裂非常重要,但直井破裂压力预测往往忽略了地层各向异性的影响。考虑岩石各向异性影响,推导直井井壁应力分布模型,建立各向异性地层破裂压力计算方法,并分析层理产状、各向异性程度、地应力及孔隙压力的影响。结果表明:低角度层理对破裂压力几乎无影响,而高角度层理对破裂压力影响显著;向最大水平地应力方向倾斜的层理,其破裂压力最低,极端情况下甚至比各向同性地层低50%,对井壁稳定极为不利;岩石各向异性程度越高,对破裂压力的影响越大;随着水平地应力比值和孔隙压力的增加,破裂压力整体上逐渐减小,而且地应力影响明显高于岩石各向异性,水平地应力比值增加后,岩石各向异性的影响进一步加剧;该模型提高了破裂压力计算的精度。     

硬脆性泥页岩渗流-应力耦合井壁坍塌压力计算方法

硬脆性泥页岩的井壁坍塌是制约我国油气资源战略向深部地层成功转移的重要技术瓶颈。建立了裂缝渗流-应力耦合作用下孔隙压力的计算模型,选用弱面破坏准则,综合考虑各向异性、裂缝产状、井眼轨迹、地应力、渗流应力的影响建立了硬脆性泥页岩井壁坍塌压力的计算方法,分析了裂缝渗流、井眼轨迹和裂缝产状对坍塌压力的影响规律。研究发现,钻井液沿裂缝渗流导致坍塌压力升高,渗流初期坍塌压力升高较快,随时间推移,升高量逐渐逐渐减小;在高倾角裂缝中沿裂缝倾向钻进水平井坍塌压力较低。改善钻井液的封堵性、流变性和润湿性,减缓钻井液沿裂缝面的渗流,避免在坍塌压力较高的区域钻井,是该类地层安全钻井的关键。     

南海神狐海域水合物地层多物理场耦合模型及井壁坍塌规律分析

为了研究水合物地层钻井过程中井壁及近井地层力学稳定性的演化规律,采用ABAQUS软件建立考虑水合物相变的"热?流?固"多物理场耦合井壁稳定分析模型,通过自适应网格方法模拟地层的坍塌过程,并对不同钻井时间、钻井液温度及钻井液密度下井壁坍塌演化规律进行分析.基于分析结果建立不同钻井液温度、钻井液密度及钻井时间时的井眼扩径图...     

川南深层各向异性页岩井壁失稳力学机理

川南页岩埋藏深、岩性复杂、质地硬脆、层理发育、地应力复杂,水平井钻井井壁失稳事故时常发生,严重阻碍了深层页岩气高效开发进程。为此,以川南深层龙马溪页岩为对象,实验测定了页岩各向异性弹性和强度参数,通过成像测井分析了层理产状,通过室内实验和测井资料确定了地应力大小和方位,建立了各向异性页岩井壁坍塌压力模型,分析了不同地层条件的坍塌压力,并以川南深层页岩气井为例进行了验证。结果表明,页岩基质黏聚力和内摩擦角为13.00 MPa、39.50°,层理黏聚力和内摩擦角为11.10 MPa、28.50°,层理倾角5°～15°、倾向NE110°～NE120°;水平最大主应力114.69～117.23 MPa、水平最小主应力93.79～94.57 MPa、垂向地应力108.42～112.81 MPa;综合考虑弹性和强度各向异性计算的坍塌压力最高,强度各向异性的影响明显大于弹性各向异性;沿水平最大主应力钻进的水平井稳定性最好,其次为直井和小角度定向井,沿水平最小主应力方向钻进水平井时稳定性最差; L20X井实钻情况与预测结果基本一致,证实了模型的准确性。     

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。     

平面正交各向异性材料弹塑性问题的基本解

根据已有的正交各向异性材料平面弹性问题的位移基本解,推导了此类材料平面弹塑性问题普遍意义下的基本解,即这些基本解不仅包括了弹性与塑性情况,而且还可以直接用于各向同性和正交各向异性情况。在求解塑性区域内点应力时,引入了一种处理内点奇异积分的解析方法,并给出了相应的积分结果,这一结果同样也可直接适用于各向同性情况。上述结果为使用边界元法分析平面正交各向异性材料弹塑性问题奠定了基础。     

井壁失稳判断准则及应用分析

为了研究现场实际情况下适用的井壁失稳判断准则 ,根据井壁不稳定性理论和机理的分析 ,综合评价了库仑 -摩尔准则、Lade准则和 Drucker- Prager准则及其修正形式 ,以及每个准则的应用特点 .采用常规三轴压缩 Drucker- Prager破坏准则 ,进行了在水平各向同性地层和水平各向异性地层条件下 ,对保持井壁稳定所需的临界钻井液密度和临界钻井液含盐量与井眼方位角和井斜角之间的关系进行了分析和计算 .结果表明 :在水平应力各向同性的应力场 ,钻井液密度相对于井眼方位角显示了明显的对称性 ,但是 ,随着井斜角的增加而增加 ;在水平应力各向异性的应力场 ,钻井液密度相对于井眼方位角等于 90°处具有明显的对称性 ,随着井斜角的增加而增加 ,但井斜角等于60°～ 1 2 0°范围内例外 ;对于不同的井眼方位角和井斜角 ,为保持井壁稳定 ,钻井液应具有一定高的含盐量 .     

深层脆性页岩水平井裸眼完井井壁稳定性研究

常规页岩气储层改造工艺为套管射孔与多级压裂改造相结合,施工成本高、周期长,若实施水平井段裸眼完井可一定程度降低成本、缩短周期,但水平裸眼井段井壁稳定是实施裸眼完井的前提条件。通过对威荣地区龙马溪组页岩水理化及力学性能进行实验研究,结合建立的裸眼完井理论模型评价威荣地区页岩水平段裸眼完井井壁稳定性。结果表明,龙马溪组页岩为脆性层理页岩,岩体较为致密,力学强度高,力学各向异性明显;现场油基、水基钻井液对岩石膨胀性能及力学性能的改变不明显,现场所用钻井液与该地层配伍程度高;井眼轨迹、层理缝走向、力学各向异性等可对裸眼井段稳定性产生影响,致使不同方向井筒内应力差异明显,沿最小水平主应力方向钻水平井井壁稳定性最好,完井工况下井壁坍塌压力当量密度在1.26 g/cm³,完井投产初期井壁存在轻微崩落掉块,但崩落范围小于30 °,判断认为威荣区块龙马溪组页岩地层可考虑采用水平井裸眼完井方式。