考虑温度效应的高温高压直井井壁稳定性规律

海外A区块探井的高温高压井段因频繁发生井漏、卡钻等井下复杂情况,井壁不稳定,导致原井眼报废。根据经典的坍塌压力和破裂压力计算模型,钻井液安全密度窗口为0.2 g/cm3,但实际作业过程中发现在高温高压井段安全密度窗口更窄。由于温度变化产生的温变应力会对井壁稳定性造成影响,因此考虑井壁温度效应,探索了温度变化对高温高压直井井壁稳定性的影响。通过分析井壁附加温变应力场,建立了考虑温度效应的坍塌压力和破裂压力计算模型,发现了温度变化对井壁稳定性的影响规律。低温钻井液在高温地层循环产生的附加温变应力,使地层坍塌压力和破裂压力减小。该方法为该区块后续生产井的顺利实施提供了技术支撑,相比探井,钻井周期大幅缩短。考虑温度效应的地层坍塌压力和破裂压力计算模型,对今后窄安全密度窗口高温高压直井的井壁稳定性研究具有参考价值。     

温度及渗流对疏松砂岩储层钻井液密度窗口的影响规律研究

在井壁稳定分析中,将疏松砂岩储层作为孔隙介质,依据孔隙热弹性小变形应力叠加原理,建立温度及井壁渗流等多种因素影响下,疏松砂岩储层井眼周围有效应力计算模式,结合井壁岩石破坏准则,给出了地层坍塌压力、破裂压力计算模式,研究了温度变化和井壁渗流等因素对安全钻井液密度窗口的影响规律,为确定疏松砂岩地层的安全钻井液密度窗口提供理论依据.研究结果表明,随着地层渗透性增大,地层破裂压力降低,坍塌压力升高,安全钻井液密度范围变小;井壁温度降低,地层坍塌压力和破裂压力同时降低,安全钻井液密度范围变窄;井壁温度升高,地层破裂压力和坍塌压力同时升高,安全钻井液密度范围变宽.但在温度降低及井壁渗流综合影响下,地层承压能力大幅下降,地层坍塌压力也降低,为了保证钻井安全,应适当降低钻井液密度.     

高温井地层温度变化对井壁稳定性影响规律研究

高温井钻井过程中保持井壁稳力的常规方法中并没有考虑地层温度变化的影响,为安全钻井带来了隐患.从钻井过程中井壁及地层温度场的数值模拟和附加温变应力下井壁周围应力场的计算出发,研究了井壁及地层温度变化规律和井周围岩应力状态.依据控制体单元能量守恒原理建立了钻井过程中井壁及地层温度场控制方程,并利用有限差分法对控制方程进行了离散,并对数值求解方法进行了优化,实现了温度场的快速计算.依据孔隙介质热弹性理论对井壁周围的应力分布规律进行了计算,结合地层的强度准则确定了考虑温度变化情况下地层坍塌压力、破裂压力的计算模型,为高温井安全钻井液密度窗口的设计提供了依据.     

莺歌海盆地DF13-1气田井壁稳定性研究

DF13-1气田是高温高压气田,温度会对井壁稳定产生很大影响。传统的井壁稳定模型多未考虑温度的影响,为研究东方13-1气田的井壁稳定,在室内试验的基础上研究了该气田地层强度纵向分布规律,建立了考虑温度效应的井壁稳定分析模型,分析了温度对井壁稳定性的影响。指出在DF13-1 气田钻井最大的挑战是井
壁温度降低使破裂压力大幅降低,从而导致钻井液漏失,而钻井液密度过低又无法压住地层高压,准确预测地层破裂压力是DF13-1气田安全钻井的关键。在高温高压储层钻井时,考虑井壁温度变化的影响能提高安全钻井液密度窗口预测精度,对实际钻井具有指导意义。     

深井安全钻井液密度窗口影响因素

考虑钻井液渗滤造成井壁岩石孔隙压力变化和钻井液与地层岩石温差产生的附加应力和应变,推导了孔隙度与孔隙压力和温差的理论关系,建立了考虑孔隙压力、温差及孔隙度变化的深井安全钻井液密度窗口计算模型。应用模型计算结果表明:①深井钻井井壁岩石与钻井液温差一定时,随着钻井液渗滤作用的增强,井壁岩石孔隙压力增加,导致坍塌压力增大,破裂压力减小,安全钻井液密度窗口变小,不利于安全钻井。②当井壁岩石孔隙压力一定时,若钻井液使井壁岩石降温,则随着温差的增加,坍塌压力减小,破裂压力增加,安全钻井液密度窗口范围变大,有利于安全钻井;若钻井液使井壁岩石升温,则随着温差的增大,坍塌压力增大,破裂压力减小,安全钻井液密度窗口变小,不利于安全钻井。     

高温高压钻井液P-d-T特性及其对井眼压力系统的影响

在高温高压环境下的钻井与完井,既困难,危险性又大。文中阐述了地温梯度、入口钻井液温度、钻井液类型等因素对当量静态钻井液密度的影响;建立了高温高压井中当量静态钻井液密度的计算模型;分析了钻井液密度变化对井底静压、动压、当量钻井液循环密度和动态波动压力的影响。结果表明,利用地面测量的钻井液密度计算井下压力,只适用于浅井和中深井;对于安全密度窗口很窄的高温高压井,必须考虑井筒温度和压力变化对钻井液密度及井内压力系统的影响,才能确保高温高压井的施工安全。     

基于瞬态热流固耦合的钻井井壁稳定性分析

钻井过程中,钻井液循环对井壁和地层岩石产生热交换作用,同时钻井液滤失对地层产生渗流作用,两者都会引起井周应力场的改变,影响钻井液密度参数设计,严重时会导致井壁坍塌等复杂情况。文中根据线性热弹性多孔介质理论计算了温度变化对井壁和井周地层产生的井周热应力,依据达西渗流模型和渗流控制方程计算了瞬态条件下的地层孔隙压力和井周渗流应力,依据线性叠加原理求得了瞬态热流固耦合模型的井周应力,并利用摩尔-库伦准则和抗拉强度准则分析了温度与渗流对井壁稳定性的影响。结果表明：钻井液循环对地层降温会降低地层坍塌压力和破裂压力,在井壁钻井液柱压力恒定的情况下,井周坍塌失稳区域减小,破裂失稳区域增大;钻井液向地层滤失渗流会增大地层坍塌压力和破裂压力,在井壁钻井液柱压力恒定的情况下,井周坍塌失稳区域增大,破裂失稳区域减小。计算结果对钻井过程中确定合理的钻井液密度和类型以维持井壁稳定具有指导意义。     

温度对超深井非水化地层安全钻井的影响

超深井钻井中普遍存在高温高压等地质环境，钻井过程中经常发生喷、漏、卡、塌等复杂情况。为减少复杂情况发生、研究了温度对井壁稳定性的影响，探讨了井周有效应力、岩石力学性质及钻井液密度随温度变化的规律。研究发现温度变化会产生热应力，导致孔隙弹性系数变化，从而改变井周有效应力的分布；温度升高岩石力学性质逐渐变差，并有可能产生热开裂现象，从而引发井漏、井塌等复杂事故；高温高压井中压力和温度同时起作用，但温度效应更加明显，将引起钻井液当量密度降低。综合考虑以上3 个方面，认为温度对超深井地层安全钻进具有重要影响，钻井过程中应该尽量减少起下钻次数，保持钻井液循环，该研究结果可为进一步确定合理的安全密度窗口及入口钻井液密度提供依据。     

深井超深井安全钻井液密度窗口研究进展

随着深部油气藏的勘探和开发，深井及超深井的数量大幅度增加，而深井超深井在高温高压条件下，窄安全密度窗口内的安全钻井是当前国内外都未能很好地解决的重大技术难题。确定安全钻井液密度窗口是钻井设计的重要组成部分，对于深井超深井更是具有重大意义。研究表明：温变应力、水化作用及渗流产生的附加应力场对深井超深井安全钻井液密度窗口的确定有很大影响。为此，综合考虑各种影响因素可为准确确定深井超深井的安全钻井液密度窗口提供重要依据。     

一种准确预测钻井液安全密度窗口的新方法

准确预测钻井液安全密度窗口是井身结构设计和钻井液密度合理选择的前提。常用的钻井液安全密度窗口预测方法是基于Mohr-Coulomb破坏准则和拉伸破坏准则而建立的。但是,由于Mohr-Coulomb破坏准则未考虑中间主应力的影响,预测的钻井液密度偏高,不利于钻井提速和储层保护。为此,引入Mogi-Coulomb破坏准则,建立了3种地应力状态下预测直井钻井液安全密度窗口的新方法,克服了传统方法计算坍塌压力过于保守和计算破裂压力未考虑剪性破裂的不足。将其应用于川西地区H1井砂泥岩地层的钻井液安全密度窗口计算中,结果表明,新方法的预测结果较传统方法的计算结果更符合实际情况,且精度高、实用性强,对解决钻井中的井壁失稳问题有重要的指导意义。     

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在负压钻井过程中，地层流体不断流入井内。如果负压钻井的钻井液密度过低，造成过大的井底负压，大量的地层流体会流入井内。这不仅会给涌出地层流体的地面处理带来困难，还会造成储层垮塌，导致储层的毁灭性伤害。因此，必须确定合理的钻井液密度以避免地层坍塌。井眼形成后井筒周围的应力将伴随地层流体的流入而重新分布，由于地层岩石的力学特性不同，井筒周围应力的重新分布可能是弹性的，也可能是弹塑性的，并且与地层流体的流速密切相关。从分析井筒周围的应力分布入手，以地层不发生坍塌为条件，导出了负压钻井所需的最小钻井液密度；对影响最小钻井液密度的主要因素进行了分析，指出地层的胶结强度和原始地层压力是影响最小钻井液密度的主要因素。     

滤饼质量对井壁周围应力和井壁稳定性的影响

无论是过平衡钻井,还是欠平衡钻井过程,都可能导致井周围地层孔隙压力改变,这样就使通过假定地层孔隙压力恒定而得到的井壁周围应力分布和地层的安全钻井液密度范围与实际偏离。滤饼质量直接影响到井壁附近地层的孔隙压力,定量地分析了滤饼质量对井周地层径向应力、切向应力、轴向应力和剪应力的影响。结果表明:一方面随着滤饼质量的提高,井筒内钻井液液柱压力对井壁地层的支撑作用逐渐增强,井壁地层抗剪切垮塌的能力相应提高,井壁稳定性变好;另一方面,地层颗粒间的接触应力逐渐增大,岩石抵抗张性破裂的能力增强,地层的破裂压力提高,井壁稳定性变好。滤饼质量好坏对低渗透地层的影响尤其显著。     

考虑温度时碳酸盐岩地层破裂压力的确定

地层破裂压力（梯度）是确定地层压力检测的一个重要组成部分，对钻井、完井和压裂等施工都相当重要。塔河油田碳酸盐岩油藏为岩溶-缝洞型的特殊性油藏，储层非均质性较强，储渗空间形态各异，大小悬殊，分布不均，油气储集空间多为裂缝-孔洞型，压裂作业时，储层易受伤害。对于碳酸盐岩储层，裂缝越发育，地层破裂压力越低。在前人研究成果的基础上，综合分析了上覆岩层压力、孔隙压力、井壁应力集中、构造应力、岩石抗拉强度和温度对碳酸盐岩地层破裂压力的影响，得到了新型破裂压力模式。分析结果表明，温度对地层破裂压力的影响不容忽略。     

逆流自吸效应对页岩油储层坍塌压力的影响研究

页岩油储层在采用水基钻井液欠平衡钻进时,由于毛细管力作用,钻井液滤液仍会进入地层,降低地层稳定性。为此,进行了逆流自吸效应对页岩油储层坍塌压力的影响规律研究。基于两相渗流理论,建立了逆流自吸作用下的水侵模型,分析发现页岩油储层井眼附近的含水饱和度随欠压差值增大而降低;在考虑水化作用对地层岩石强度的影响的基础上,建立了井周应力模型,对页岩油储层的坍塌压力当量密度变化规律进行了分析。研究发现:逆流自吸作用下,钻井时间越长,欠压差值越小,页岩油储层坍塌压力越大,越不利于井眼稳定;当只改变欠压差值时,页岩油储层最大井径扩大率存在最小值。研究认为,建立的井周应力模型可为页岩油储层欠平衡钻井设置合理欠压差值以及调整钻井液密度提供理论依据。      

定向井坍塌压力上限对钻井安全密度窗口的影响

一般钻井安全密度窗口通过计算坍塌压力与破裂压力确定,钻井液密度过低会引起井壁坍塌。实际钻井情况反映,钻井液密度超过坍塌压力上限也会造成井壁坍塌。结合井壁成像测井,分析了高密度钻井液下的井周应力状态,建立了σ_z'＞σ_r'＞σ_θ'模式的坍塌压力上限计算模型,推导得出了直井的解析表达式与定向井的数值计算方法。结果显示:不论直井或定向井,对于强度低于某一临界值的地层,以传统的破裂压力作为安全密度窗口的上限将会低估井壁失稳风险;地层强度临界值的大小取决于主地应力、孔隙压力、有效应力系数。对定向井而言,坍塌压力上限随井斜角和方位角变化的敏感性较高,沿水平最小地应力方向钻进的井眼坍塌压力上限较高;随井斜角增大,坍塌压力上限与破裂压力值逐渐趋于接近。研究结果可防范高密度钻井液引起的井壁损伤和井塌现象。     

地层坍塌压力的计算及在新站地区的应用

新站地区地质情况比较复杂,在钻井施工过程中极易发生井塌等情况,严重者由于井塌而导致了新钻井被迫报废进尺。井壁不稳定问题已严重制约着新站地区的钻井作业,并带来了很大的经济损失。如何合理地计算地层坍塌压力,给出合理的钻井液密度,是新站地区最为关心的问题。首先通过岩石力学理论,建立起地层坍塌压力计算模型,并给出模型中的参数与测井数据之间的关系,进而利用新站地区的常规测井资料连续地计算了该区的地层坍塌压力,从而有效地指导了钻井施工,收到了良好的效果。     

车66 区块钻井过程井底压力波动及渗流规律

针对车66 区块钻井过程中易出现的阻塞、地层垮塌、井漏甚至井喷等问题,基于环空流体力学并结合地层渗透性特征,分析了在起、下钻及钻井过程中产生的抽汲压力和激动压力的大小,以及钻井液黏度、密度,井深和钻井速率对其影响的规律;依据线性渗流定律,单向流体球面向心流和平面径向流模型研究了井底负压差下进入、钻过储层的渗流规律变化及正压差条件下钻井液漏失情况,得出井底压差越大、地层渗透率越高,地层流体渗流速度越高,钻井液漏失量越大。该分析结果揭示了钻井过程中井底压力波动和井下渗流规律及其相关影响因素,为井身结构设计优化提供了必要依据。     

工程地质因素对钻井提速的影响

川西新场构造须家河组气藏埋藏深、高温、高压,岩石致密,工程地质特征复杂,平均机械钻速低,钻井复杂情况多,钻井工程难度大。通过岩石力学性质、储层敏感性、地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力等研究,认为影响钻井提速的主要工程地质因素包括：地层岩性复杂,砂泥岩频繁互层;主力产层埋藏深,岩石致密,岩石强度大,硬度大,塑性大,可钻性差,导致机械钻速低;异常高压,纵向多压力系统,安全钻井液密度窗口狭窄,井壁稳定性差,常规井身结构难以解决,储层敏感性强。通过优选钻井工艺、新型井身结构、高效钻头、新型钻井液等对策,提高了机械钻速,并对同类气藏高效钻井具有一定的借鉴意义。