用测井资料分析压裂漏失及井壁应力崩落的机理和特征

本文分析了造成井漏和井壁崩落的各种原因后,指出压裂漏失和应力崩落是影响钻井速度的两个重要因素。进而分析了压裂漏失和应力崩落的机理与特征,建立了压裂和应力崩落的临界条件判别式以及它们的测井响应,从而为用测井资料诊断压裂漏失与应力崩落提供了方法。最后对如何预防这两个工程问题的发生进行了讨论,认为优选泥浆密度和了解地应力的方向及大小并正确应用于钻井工程是解决这些问题的关键所在。     

低渗透油气田重复压裂诱导应力场模拟研究

重复压裂井中新裂缝重定向的主要影响因素有人工裂缝、孔隙压力变化、地层温度变化。应用弹性力学、孔隙弹性理论以及热弹性理论建立三者相应的诱导应力场数学模型,并用ANSYS软件进行诱导应力的计算。结果表明：诱导应力在最大水平主应力方向和最小水平主应力方向的改变量不同,在最大水平主应力方向上应力变化值高于最小水平主应力方向上的变化值;如果诱导应力差大于初始水平应力差,则初始最大水平应力方向将变为目前最小水平应力方向,重复压裂新裂缝将垂直于初始裂缝方向起裂。     

径向井立体压裂裂缝扩展数值模拟

基于有限元-无网格法，考虑压裂液流动与岩石基质变形的耦合作用，建立了径向井压裂裂缝扩展数值模型，模拟了径向井压裂裂缝形态，定量表征了径向井对裂缝的诱导作用，揭示了方位夹角、水平主应力差与岩石基质渗透率等对裂缝形态演化的影响机制。研究表明，同层双分支径向井压裂时径向井间存在挤压作用，当径向井沿最小水平主应力方向对称分布且方位夹角大于15°时，挤压作用减小了径向井的裂缝引导长度，当径向井沿最大水平主应力方向对称分布时，挤压作用增大了径向井的裂缝引导长度。裂缝形态由径向井的纠偏作用、径向井间的挤压作用与最大水平主应力的偏转作用共同控制。当径向井沿最小水平主应力方向对称分布时，径向井的裂缝引导长度随着方位夹角的增大逐渐减小，当径向井沿最大水平主应力方向对称分布时，径向井的裂缝引导长度随着方位夹角的增大先减小后增大。径向井的裂缝引导长度随水平主应力差的增大而减小。岩石基质渗透率增大，径向井周围基质的孔隙压力增大，对裂缝的诱导作用增强。     

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井壁的张性破裂和剪切垮塌，是钻井过程中经常遇到的井壁稳定性问题，严重地影响着钻井的速度、质量及成本，对部分新探区还会因井壁不稳定而无法钻达目的层，延误勘探开发的速度，影响其综合经济效益。文章基于线弹性力学模型计算分析了地应力场对直井、水平井井眼轨迹设计和稳定性的影响。结果表明，当垂向应力为原地最大主应力时，垂直井眼最不容易发生剪切垮塌，其次是沿着原地最小水平主应力方向的水平井眼；当垂向应力为原地中间主应力时，垂直井眼最不稳定、最容易发生剪切垮塌；当垂向应力为原地最小主应力时，平行于原地最大水平主应力方向的井眼最不容易发生剪切垮塌，平行于原地最小水平主应力方向的井眼最容易发生剪切垮塌。相同钻井条件下，与原地三个主应力的中间主应力平行的井眼比沿着原地最大、最小主应力方向的井眼更容易发生张性漏失。因此，为预防和减少井下复杂事故，井眼应尽可能避开原地中间主应力方向，原地应力大小及方向的准确确定对于优化钻井和降低钻井成本都具有重要的现实意义。     

水平井定向射孔裂缝起裂与穿层特征数值分析

为了探索水力裂缝的起裂形式和受控因素影响以及水力裂缝扩展至产层隔层界面处的穿层特征,运用基于有限元的数值模拟方法建立数值模型对其进行分析和研究,重点探讨了压裂双裂缝形成的可能性和条件,模拟了裂缝延伸至产层与隔层界面处的穿层现象。结果表明,地应力差和射孔方位角对压裂裂缝的起裂形式影响显著,地应力差越大,则裂缝从射孔方向起裂的可能性越小,方位角越大,从射孔方向起裂的可能性也越小,此时若水泥环失效,裂缝可从井壁大主应力方向起裂;若满足岩层物理力学与压裂条件,裂缝同时从射孔方向和井壁大主应力方向起裂的双裂缝起裂形式是可能的;在裂缝延伸过程中,产层与隔层弱胶结界面可使裂缝钝化或滑移成“T”型裂缝,弹性模量较小的隔层有利于裂缝穿层并继续延伸。数值分析结果可对水平井射孔参数优化及水力压裂施工提供些许参考。     

页岩气“井工厂”不同压裂模式下裂缝复杂程度研究

为了不断优化页岩气"井工厂"的压裂模式,通过建立多裂缝相互干扰诱导应力数学模型,在考虑多井多缝的前提下,建立了多裂缝影响下的诱导应力场有限元模型,对单井逐次压裂、跳跃式压裂、两口水平井同步压裂、拉链式压裂以及改进的拉链式压裂等5种压裂模式进行模拟,对比分析了不同水平路径下诱导应力的变化情况以及最小水平主应力方向的变化规律,并重点讨论了由于压裂次序不同所导致的诱导应力场差异。研究结果表明:(1)裂缝周围的近井筒地带产生的诱导压应力最大,裂缝尖端处产生的诱导拉应力最大;(2)对于两口水平井压裂,靠近补偿井一侧的裂缝尖端诱导拉应力更大,两井的中间位置主要受到诱导拉应力的作用;(3)最小水平主应力方向偏转主要集中在裂缝尖端区域,裂缝数量增多,最小水平主应力的偏转范围和偏转幅度均增大;(4)改进拉链式压裂在各条路径上产生的诱导应力均为最大,对于靠近两口井中间区域各点的诱导应力值影响尤其大,可以有效增加压裂裂缝的复杂程度。结论认为,该研究成果可以为页岩气"井工厂"压裂的复杂裂缝网络预测和压裂模式优化提供帮助。     

大庆长垣X71区块扶余油层现今地应力研究及应用

为了研究X71区块扶余油层现今地应力与人工裂缝的关系,指导注采井网部署,利用波速各向异性法和无源微地震法确定现今地应力方向,并通过声发射法和水力压裂法测量井点现今地应力。建立有限元模型,对X71区块扶余油层现今地应力场进行数值模拟。研究结果表明:扶余油层最大水平主应力为NEE—SWW方向,最小水平主应力为NNW—SSE方向,断层位置为应力低值区,构造低部位为应力高值区;人工裂缝沿最大水平主应力方向延伸,因此按最大水平主应力方向进行注采井网布置比较合理。     

分析钻井泥浆微漏失 改进裂缝性油藏评价

泥浆漏失能够反映出油藏中渗透裂缝的存在o利用电磁流星计测出泥浆漏失导致的流入裂缝和流出裂缝的流量值,在时域上分析测井数据,判断是否存在泥浆漏失.根据不同的时间-流量增量曲线能够判断出漏失泥浆在天然裂缝与压裂裂缝中的流动状态及油藏物性的变化,钻井参数的变化能够区别天然裂缝和压裂裂缝.     

河南油田地应力场变化趋势研究

初次人工裂缝和孔隙压力的变化产生的诱导应力将改变油气藏中的应力分布状况，当这种变化超过地层中的初始应力差时，即产生应力反转，水平最小主应力方向可能转变为水平最大主应力方向，那么重复压裂时，裂缝可自然转向，生成不同于原裂缝方向的新裂缝，而大幅度提高压裂增产置。针对长期开发的河南油田稀油油藏，应用断裂力学理论，通过建立流固耦合数学模型，预测研究了一次裂缝存在及长期生产对地应力变化的影响，为河南稀油油田重复压裂技术方案优化选择提供了重要依据。     

克深地区井壁稳定性评价及钻井工程应用

塔里木盆地克深地区裂缝性储层埋藏深,井壁失稳问题严重,建立该区考虑地层各向异性的井壁稳定性评价方法非常重要。通过对现场井壁失稳与地层弱面的相关性研究,发现弱面在强应力、高孔隙压力背景下,将先于岩石本体破坏,产生掉块、垮塌、卡钻现象。若裂缝渗透性较好,钻井液液柱压力大于孔隙压力时即有可能发生漏失,漏失压力不再由破裂压力和最小水平主应力控制,而是取决于裂缝产状和三轴应力状态之间的关系。因此对于强各向异性地层,其强度软弱面上的坍塌压力和漏失压力是钻井稳定性评价中的关键。在核定该区井壁失稳的主控地质因素是强应力背景下的裂缝弱面错动破坏的基础上,评价了克深区带横向各向异性岩体力学的稳定性,建立适用于强各向异性复杂条件下的井壁稳定性评价方法。结果表明克深裂缝性储层的安全泥浆密度窗口普遍较窄甚至无理论安全窗口,提出改善钻井液性能或者采用定向井钻探方案以减少井壁失稳的工程应对方案。现场实践应用表明,钻井液密度调整至合理范围后,井壁失稳明显减少,现场复杂问题得到有效解决。     

华北古近系及潜山内幕地层井壁稳定性研究

华北油田古近系地层以砂泥岩为主体,间或有玄武岩、煤层等,存在不同压力系统,复杂情况以垮塌、漏失、遇阻、划眼为主,潜山带灰岩地层裂缝发育,卡钻和井漏事故多发,钻井复杂事故占全井的73.62%。从矿物组分分析、岩石力学特征、地应力测试、钻井液浸泡的影响入手,探索出古近系地层井壁失稳机理。古近系地层黏土矿物含量高,岩石水化膨胀严重,地层岩石黏聚力和内摩擦角变化幅度大（6~25 MPa、26°~45°）,长时间浸泡后易形成缝网,当钻井液液柱压力高于坍塌压力达到某种程度时,裂隙宽度呈几何倍数增加,导致井壁掉块;奥陶系和蓟县系灰岩地层地应力差相对较大,岩石微裂缝发育,高地应力作用下易产生微裂缝,且多沿弱面破坏,而引起坍塌和漏失。为解决以上问题,在KCl-聚磺钻井液中引入了聚胺抑制剂和纳米防塌封堵剂BZ-PNP,提高抑制性和封堵能力,并增大润湿角,降低岩石亲水能力。该技术在阳探1、文安101x、安探1x等深井古近系地层进行了应用,取得了井壁稳定、钻井复杂事故为零的效果,其中阳探1井顺利钻穿邻井垮塌严重的大段泥页岩地层,平均井径扩大率1.8%,最大井径扩大率14.82%;安探1x风险探井钻井液密度最大为1.50 g/cm3,低于邻井的1.69 g/cm3。得出,在华北古近系地层使用密度过高的钻井液钻井,会增大微裂隙开启程度,并增加地层的吸水量,建议在井控安全前提下以高过坍塌压力当量密度15%为宜。      

微泡钻井液防漏堵漏技术在玉皇1井的应用

长段低压地层的井漏问题一直是困扰川东北地区表层井段快速钻进的主要难题之一。微泡钻井液是在不使用充气设备的条件下产生的可循环泡沫流体，在此基础上，通过添加桥堵剂形成微泡桥浆，利用微泡钻井液低液柱压力、低循环压耗及微泡桥浆的“微泡气锁”和“架桥封堵”双重作用，可有效解决长段低压地层的井漏问题。这种防漏堵漏新技术在玉皇1井表层易漏井段应用，与邻区同类井相比，钻井速度提高了3～7倍，取得了显著效果。     

淡水泥浆侵入条件下储层电阻率的变化研究

理论分析和实验结果证实，钻井过程中，当淡水泥浆滤液电阻率相对于原始地层水电阻率大到一定程度时，油层的电阻率侵入剖面中才可能出现低阻环带；并且侵入结果使一些油层同水层具有相同的侵入特征，即高侵电阻率剖面，表现在浅感应(侧向)电阻率大于深感应(侧向)电阻率，同时均小于微球电阻率。通过实例分析可知，在使用淡水泥浆条件下，双感应测井比双侧向测井更有利于识别储层的流体性质。在实际配制泥浆时应考虑其矿化度与原始地层水矿化度的可比性，以避免由于矿化度差异造成对油层的错误评价。     

裂缝网络地层钻井液漏失模拟

针对复杂裂缝性地层的钻井液漏失问题,基于蒙特卡罗随机建模理论,构建了三维离散裂缝网络地层模型。采用宾汉模式钻井液,建立了考虑裂缝线性变形的裂缝网络地层钻井液漏失模型,并利用有限元法求解该模型,对钻井液漏失行为进行模拟。研究表明,该模型可以进行裂缝内流速、漏失速率及漏失量等动态模拟;近井筒附近裂缝内钻井液流速较高,远离井筒处裂缝内流速较低;经过对数变换后,钻井液漏失速率曲线具有明显的无规律波动现象,与单条裂缝的漏失存在明显区别,可以用于识别裂缝网络地层;裂缝应力敏感性对漏失影响较大,考虑应力敏感性后,钻井液漏失量增加;数值模拟得到的漏失量与理论漏失量十分接近,证实模型可靠度高。现场应用表明,研究成果可有效识别出裂缝网络漏失,并以此采取了合理的堵漏技术方案,堵漏一次成功。      

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贵州赤水地区碳酸盐岩裂缝性气藏存在裂缝发育，断层多，纵向产气层达十多个，各个产层裂缝发育不均一，岩性横向变化大，每个产层又形成互不连通的裂缝系统，构成多个压力系统；钻井使用的钻井液密度高，地层压力异常和漏喷并存等主要特点，致使钻井速度慢，钻井周期长。为此，通过研究分析，找出了影响钻井速度的５个主要因素，采用喷射钻井配套技术和平衡压力钻井技术相结合的方法是提高赤水地区天然气井钻井速度，缩短钻井周期的有效技术。通过旺１３井的实践表明，与近几年来同类井比较，机械钻速提高１６％，全井钻井周期缩短２８％，纯钻时间提高３２２１％，井深３４２５ｍ，最大井斜仅３９°，取得了显著的技术经济效益。同时，提出了今后提高赤水地区钻井速度，缩短钻井周期的主攻方向。     

基于随钻测井资料的地层孔隙压力预测方法研究

以往针对直井的地层孔隙压力的计算方法在大位移井、水平井和分支井中由于井斜和井水平的特殊性及复杂性会产生较大误差.等效深度法等传统方法大多是针对砂泥岩地层建立的模型,对碳酸盐岩地层不大适用.利用随钻测量(MWD)资料和随钻测井(LWD)资料,研究把斜深校正成垂深,计算出与垂深相对应的测井值及上覆地层压力,综合考虑地层岩性、孔隙度、孔隙流体类型等因素的影响,采用层速度-有效应力法建立适用于斜井段和水平井段的地层孔隙压力计算模型,实现基于随钻测井资料的地层孔隙压力预测,避免了传统方法因建立泥岩正常压实趋势线所带来的误差.将该方法应用于实际随钻地层孔隙压力预测中,处理结果与实测结果符合率高,可靠性好.随钻测井资料预测孔隙压力具有实时性,对于提高钻速、防止井喷井漏等恶性事故有非常重要的现实意义.     

国外Y区S25井堵漏技术

国外Y区HOS区域南部边缘Pabdeh地层灰岩裂缝性发育,岩性为低强度白云岩,钻进施工过程中易发生漏失,漏层分布没有规律,漏失层位多且具有连续漏失特点,在漏速对密度敏感的井段难以堵漏,且裂缝性漏失地层的承压堵漏施工困难。针对上述难点,应用DL-A高温高压堵漏实验仪器,以2 mm圆孔模板,对不同配方桥堵剂进行了模拟堵漏实验,优选出了适合2 mm孔隙和裂缝性地层的桥堵剂,提出了该地区上部地层漏失以防为主,防堵结合的技术措施;中部地层采用低密度钻井液钻穿漏层,中下部地层采用随钻堵漏与承压堵漏相结合的钻井液技术,并优化堵漏浆配方以提高地层承压能力,该项技术在S25井应用中获得了良好的堵漏效果。     

A study on wellbore stability in fractured rock masses with impact of mud infiltration

Maintaining a stable borehole is one of the major tasks encountered in the oil and gas industry due to the fact that wellbore instability-related problems will result in additional high drilling costs and have a severe impact on drilling schedule. Wellbore stability analysis has therefore been included at the well planning stage of many operating companies. However, majority of such wellbore stability analyses are based on continuum mechanics. Factors contributing to wellbore instability, such as trajectory of the wellbore, orientation and magnitude of the in situ stress field, rock properties, in situ and induced pore pressures and mud pressure, are normally considered in the analyses. In addition to failure in intact rock, wellbore instability can also be initiated along natural discontinuities, such as bedding planes and fractures, in rock masses. Furthermore, the rock masses will become more prone to wellbore instability along fractures penetrated by mud filtrate due to reduction in the fracture friction angle and loosening of blocks. In this paper, coupled numerical analyses are presented to investigate the influence of fractures in rock masses, in particular mud infiltration into the fractures, on wellbore stability under both isotropic and anisotropic stress states. Two regular fracture geometries are considered in the analyses. A simplified approach is developed to take into account the friction angle reduction of the fractures that occurs when infiltrated with mud. The results show that the presence of natural fractures and friction angle reduction of fractures due to mud infiltration significantly affect wellbore stability during drilling.     

利用测井资料评价钻井过程中的储层污染

钻井过程中的油层污染可分为泥浆固相颗粒侵入和滤液侵入2种类型.在分析泥浆污染导致的自然电位和深侧向、浅侧向、微侧向测井响应,以及含水饱和度变化量特征的基础上,归纳出了1种油层污染的定性判别方法和可动水分析污染类型的模型.给出了油层污染半径估算式,以及某井的油层污染测井评价试验图和分析数据表.     

微纳米封堵技术研究及应用

KL3-2油田开发井中东营组下段和沙河街组泥页岩易剥落掉块,导致严重的井下复杂情况。通过X射线衍射、扫描电镜、孔径分布测试、理化性能分析、岩样浸泡实验、岩样自吸水实验等,分析了该地层井壁失稳机理。结果表明:该地层脆性矿物含量高达60%以上,膨胀性黏土矿物含量低,基质微孔隙、微裂缝、层理发育,属于典型的硬脆性泥页岩。钻井液滤液在毛细管力和压差作用下沿微裂缝侵入地层内部,微裂缝、微裂隙的延伸、扩展是泥页岩地层井壁失稳的主要原因。钻井液技术对策为加强微孔、微裂缝的封堵,加强抑制,研选了微纳米封堵剂HSM和页岩抑制剂胺基硅醇HAS,构建了防塌钻井液体系。评价表明,该体系能够有效地封堵泥页岩微孔、微裂缝,阻缓压力传递。现场应用表明,微纳米封堵钻井液能显著改善滤饼质量,降低滤失量,大大减少了钻井液滤液由于压差作用侵入地层,防止由其引起微裂缝、微裂隙延伸、扩展而导致井壁不稳定和各种井下复杂情况的发生。