力—化耦合作用下泥页岩井眼动态破坏分析

为进一步研究中深层硬脆性泥页岩在水化条件下的井眼失稳问题,基于泥页岩矿物组成、微观结构及力学试验研究,考虑泥页岩吸水扩散、强度弱化、化学势变化以及流体流动对固体变形的影响,建立了泥页岩井壁稳定流—固—化耦合模型,提出了模拟泥页岩井眼动态破坏过程方法,并应用建立的模型计算实例井井眼动态破坏过程。结果表明:开挖后井眼围岩渗流场的变化不足以引起井眼继续破坏,水化效应对井眼扩大率的影响起决定作用,井眼扩大率随钻井液浸泡时间的增大而增大。提出的模型可有效模拟硬脆性泥页岩井眼动态破坏过程,计算出的井眼动态破坏过程与实际钻井基本一致。     

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。     

基于损伤理论的硬脆性泥页岩井壁稳定分析

硬脆性泥页岩地层的失稳破坏机理是非常规油气开发工作者的重点研究对象之一。从硬脆性泥页岩微裂缝的角度出发,将微裂缝视为硬脆性泥页岩的损伤,通过随机函数确定微裂缝的分布,将损伤力学和断裂力学相结合建立了硬脆性泥页岩的损伤本构模型。利用FLAC3D软件将硬脆性泥页岩的损伤破坏模型应用到井壁稳定分析中,并通过计算结果分析了钻井液、微裂缝形态等在硬脆性泥页岩破坏中占有的比重。计算结果显示,硬脆性泥页岩对钻井液的敏感度以及硬脆性泥页岩微裂缝的发育程度对井壁稳定影响最大,硬脆性泥页岩微裂缝的方向对井壁稳定影响很小。因此,钻井液的封堵性和密度是确保硬脆性泥页岩稳定的重要手段,控制钻井方向对维持硬脆性泥页岩稳定的作用有限。     

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.     

泥页岩多场耦合流变模型

在泥页岩井壁稳定性分析中,考虑岩石的流变特性和初始微缺陷造成的损伤及其耦合发生过程中的演化扩展,以经典半透膜渗透理论和多孔介质有效应力原理为基础,建立了泥页岩岩石应力场、化学场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,给出了泥页岩在力学与化学耦合下蠕变损伤的有限元分析格式,分析了其对应力场、孔隙压力、渗透率的影响。结果表明:井壁围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性特性,应力最大值不在井壁上,而是在近井壁地带,在井眼附近会形成应力集中,造成井眼破坏,导致井壁失稳;围岩孔隙压力随时间、距离的增长而增大后趋于平衡;岩石蠕变损伤发展引起渗透率先减小后增大,其演化率与岩石的裂缝扩展一致。     

钻井液密度对裂缝性泥页岩地层坍塌压力影响的力化耦合研究

 缝性地层井壁失稳是钻井工程中经常遇到工程难题之一,裂缝发育地层常伴随严重的井壁坍塌,具有水化性质的裂缝性地层在钻井液侵入后更易发生坍塌。扫描电镜观察某油田泥页岩发育的层理实际为尺寸极小的微裂缝,使用XRD 衍射仪测定了该泥页岩黏土矿物质量分数为30%~40%,泥页岩水化性质较强。通过剪切实验测定了泥页岩吸水后的抗剪强度,求解了不同含水量裂缝面的黏聚力及内摩擦角。建立了钻井液滤液向地层内的渗流方程及裂缝性地层坍塌压力方程,计算了不同钻井液密度和浸泡时间的坍塌压力。计算结果表明,高钻井液密度导致钻井液滤液向裂缝内加速渗流,裂缝面强度降低导致地层更加容易坍塌。裂缝性地层井壁失稳不宜提高钻井液密度稳定井壁,应采用措施提高钻井液封堵性及抑制性,降低钻井液滤液侵入量。     

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.     

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。     

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。     

冀东油田东营组硬脆性泥页岩井壁稳定性分析

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,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的影响程度。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。     

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。     

川西硬脆性页岩力学特征及井壁稳定性研究

在硬脆性页岩地层钻井过程中井壁失稳现象频发,严重阻碍了现场钻井作业的进程。针对小塘子组页岩钻进过程中发生的井下垮塌现象,通过开展系统室内实验测试,并结合实验数据建立的理论模型,评价分析小塘子组页岩地层的井壁稳定情况。结果显示,小塘子组页岩属于典型的硬脆性页岩,层理缝发育,在外力或高应力环境下可以产生张性裂缝;钻井液浸泡效应可降低小塘子组页岩地层力学强度,层理走向及力学弱面效应对小塘子组页岩力学性能影响明显;裂缝走向、井眼轨迹及井壁渗流场影响小塘子组页岩地层井壁稳定性,当裂缝面与井眼轴线之间夹角满足一定关系,井壁岩石容易沿裂缝面发生滑移垮塌。     

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。     

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.     

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...     

致密油开发水平井段页岩坍塌周期的确定

鄂尔多斯盆地致密油资源丰富,具有很大的开发潜力,但长庆油田A井区在页岩油长水平段钻进时井壁失稳问题突出。现有的水平井防塌技术重点关注钻井液体系优化问题,无法给出页岩的坍塌周期。本井区页岩的主导坍塌机制是钻井液滤液沿天然微裂缝渗入地层,引起黏土矿物水化,导致岩石强度降低。考虑化学势变化和流体流动与骨架变形的耦合作用以及岩石吸水扩散过程和强度弱化规律,建立致密页岩井壁坍塌周期分析模型。结果表明:活度较低、膜效率较高的钻井液可以有效抑制地层孔隙压力增长;封堵性强的钻井液可以降低地层水含量的增长,减缓地层岩石强度的弱化;A井区使用密度为1.3 g/cm3的细分散聚合物钻井液体系和复合盐钻井液体系钻进水平段时井眼坍塌周期分别为4.5和9 d,而使用油基钻井液体系时相同密度下浸泡10 d井眼扩大率仅为4%,油基钻井液体系效果最好,坍塌周期大于10 d。     

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.     

渤海中部BZ34-2EW区块防塌钻井液试验研究

对ＢＺ３４２ＥＷ区块地层岩样进行了理化性能分析和电镜分析,结果表明,该区块属于层理、裂隙发育的易剥落坍塌的硬脆性页岩地层。无机盐几乎不能抑制岩样水化膨胀,而合适的钻井液可以抑制其水化膨胀,且具有较高的页岩回收率。加入硅酸钠的低粘土相海水聚合物钻井液体系的流变性能好,抑制能力强,泥饼质量好,可用于层理、裂隙发育的硬脆性页岩地层的钻进。     

南堡沙河街组硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法

南堡沙河街组硬脆性泥页岩是典型的井壁易失稳地层,钻井过程中,井壁垮塌、漏失现象频发。目前,针对页岩井壁失稳现象,研究主要集中在结构面影响下的井壁垮塌。然而,实际钻井过程中,由于泥页岩层理、裂缝等结构面发育,导致地层漏失明显,严重制约了安全高效钻井。因此,本文基于室内力学实验,考虑页岩结构面发育特征,融合页岩沿基体破裂、沿层理或裂缝破裂及沿裂缝扩展等多类漏失机制,构建了一种新的硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法,明确了地层漏失压分布特征及影响因素。研究结果显示：层理与天然裂缝作为典型弱结构面,是硬脆性泥页岩地层漏失的主要控制因素。相比较均质地层,结构面发育的页岩地层漏失压力明显降低,安全井眼轨迹方位减少,钻井难度增大。此外,受弱结构面影响,难见沿基体的破裂漏失现象。漏失优先出现在天然裂缝面,天然裂缝对漏失影响强于层理面。研究成果可为硬脆性页岩地层钻井设计提供理论基础,对实现页岩地层安全高效钻井具有重要意义。