页岩气储层井壁坍塌压力研究

页岩气储层各向异性强,易发生井壁失稳。利用四川盆地所取页岩气储层岩芯测试钻井液对页岩基体及层理面强度的影响规律,结合单一弱面准则,建立页岩气井井壁稳定预测模型,分析层理面倾角、钻井方位、钻井时间及钻井液类型等因素对页岩储层水平井坍塌压力的影响规律。研究结果表明：层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁会发生本体破坏;沿最小水平地应力方位附近钻进水平井最容易发生井壁坍塌;随钻井时间的增加,坍塌压力逐渐升高,井壁破坏形式可能会由初始的页岩基体破坏变为层理面破坏;使用油基钻井液比使用水基钻井液更容易保持井壁的长期稳定。研究结果可以为页岩气井钻井设计提供参考依据。     

弱层理面地层的井壁稳定性分析

研究了弱层理面地层的井壁稳定特征。首先,在斜井井壁应力、弱层理面的岩石强度、弱层理面法线与井壁最大主应力方向夹角的基础上,建立了考虑弱层理面的坍塌压力计算方法。其次,建立了在下半球投影图中表示不同井斜和井方位的坍塌压力以及层理面方向的方法,为研究井眼轨迹和层理面对井壁稳定性的影响创造了条件。最后,通过算例,全面分析了三种不同应力模式下,井眼轨迹和弱层理面对井壁稳定影响的规律。结果表明,弱层理面是弱层理面地层井壁稳定的主要控制因素,井眼轴线和层理面法线的夹角越小,井壁越稳定,夹角越大,井壁越危险。优化井眼轨迹是解决弱层理面井壁失稳问题的有效方法。     

页岩层理对水平井井壁稳定的影响

中国南方海相页岩气区硬脆性页岩储层层理/裂缝发育,层理性页岩水平井钻井井壁坍塌问题已严重制约页岩气勘探开发进程。为此,以线弹性井壁稳定力学模型和单一弱面强度理论为基础,建立了考虑页岩层理产状、层理弱面强度、岩石强度、水平井方位、强度弱化(含水量)等因素影响的层理性页岩水平井井壁稳定模型。在此基础上定量分析了层理产状和含水量对水平井井壁坍塌压力的影响。结果表明:坍塌压力与层理面产状、井眼方位关系密切,地层倾角0°<θDIP<15°、75°<θDIP<90°时有利于水平井井壁稳定;页岩层理弱化是导致井壁坍塌失稳的重要原因,无论层理产状如何变化,随着层理含水量的增加,井壁坍塌压力迅速增加,坍塌压力增量约为4.30～22.62MPa,含水量20%时坍塌压力增幅可达100%。     

基于渗流-应力-损伤耦合模型的泥页岩井壁稳定性研究

石油钻井过程中,泥页岩地层井壁稳定性研究十分复杂。本文在连续损伤力学理论基础上,将塑性损伤演化及渗流相互耦合的概念引入Mohr-Coulomb破坏准则,建立了基于等效塑性应变的损伤演化模型,给出了泥岩的渗透性的演化方程。以中国西部某油田实际钻井过程为例,建立了井壁稳定分析模型。计算过程中考虑了围岩损伤引起的弹性模量、黏聚力和渗透系数的变化,得到了井壁围岩损伤、渗透系数、应力、塑性应变、孔隙压力和位移的分布规律。结果表明,井壁附近岩石的损伤演化对围岩塑性区的塑性应变和应力分布有明显影响。钻井液密度的高低,会造成井壁在水平最小主应力方向上的剪切损伤或在水平最大主应力方向上的拉伸损伤。当损伤达到极限时,会造成井壁围岩的破坏。     

深部煤层力学参数反演和气体钻井井壁稳定性

如何确定深部煤层的地质力学参数是气体钻井井壁稳定评价的关键。基于量化的地质强度指标GSI和Hoek-Brown强度准则分析了反演深部煤层地质力学参数的方法,结合DB1井氮气钻井,以弹塑性方法分析了侏罗系炭质泥岩和煤层的井壁稳定性。研究表明,塔里木盆地依奇克里克区块侏罗系煤GSI介于45~55,变形模量约在1 560~2 850 MPa之间。井眼钻开后炭质泥岩和煤层井周存在塑性区,炭质泥岩层井周塑性区约为1.37倍井眼半径,煤层井周塑性区约为2.07~2.59倍井眼半径。塑性区应力松弛造成围压减小,导致节理岩体抵抗工程扰动的能力减弱。以工程允许塑性半径等于1.5倍井眼半径为临界稳定条件,井眼钻开后煤层会出现大面积坍塌失稳,不宜采用气体钻井;工程扰动造成炭质泥岩井眼扩径,扩径后井眼仍能保持稳定。     

基于围岩本体Mogi-Coulomb强度准则的层理性岩层斜井井壁稳定模型

 层理性地层中进行大斜度井施工的井壁失稳问题较为突出,在传统井壁稳定模型基础上,以弱面对岩石强度的弱化作用实验为依据,引入欧拉变换充分考虑三维地应力方向的任意性,利用Mogi-Coulomb准则强化中主应力对围岩本体强度的影响,结合单弱面强度准则建立分析层理性地层斜井井壁稳定问题的模型,并进一步给出计算斜井坍塌压力与破裂压力的方法与公式。实验与计算结果表明：当加载方向与弱面夹角为30°时岩石强度最低;Mogi-Coulomb准则因考虑了中主应力的影响而对围岩本体强度的估计更为有效;考虑层理弱面影响的井壁坍塌破坏区域明显增大,破坏位置也发生改变;取得最小坍塌压力值的钻井方向在空间中与层理面并非简单的垂直关系;空间中关于地应力主平面对称的井孔破裂压力相同。利用所建模型进行安全泥浆压力窗口的计算可为安全钻井以及斜井轨迹设计提供理论依据。     

节理破碎地层井壁稳定的离散元分析

由于节理破碎性地层,井眼很容易出现复杂情况.利用离散单元法中动态松弛法把非线性静力学问题化为动力学问题求解,通过可变形单元模型处理节理岩体的离散元法对煤层井眼周围的应力、位移及裂缝张开情况进行了分析计算.对于裂隙面间的渗流计算程序则采用的是二维离散元UDEC程序.通过计算发现,合理的钻井液密度对井壁稳定起着重要作用,钻井液性能也极为重要.     

泥页岩井壁应力的力学-化学耦合计算模式及数值求解方法

泥页岩井壁稳定问题在世界许多油田都存在,至今一直没有能够得到很好地解决.为此,在假定泥页岩为线弹性体的条件下,建立了均匀地应力作用下泥页岩水化后井眼周围应力分布的计算模型.对该模型利用差分方法进行了求解,并编制了Windows应用程序,该程序可计算出泥页岩水化后井眼周围岩石的含水量分布、井眼周围的应力分布及保持井壁稳定所需的坍塌压力.该研究方法及所得结论,对于解决泥页岩地层的井壁失稳问题具有较大的指导意义.     

不同岩石剪切破坏判据对井壁坍塌压力的影响分析

为了优选井壁坍塌压力预测的岩石强度准则,在综合评价M-C,MG-C和E.MG-C准则特点的基础上,结合孔弹性地层井周地应力,对保持井壁稳定的临界井底压力随方位角、井斜角的变化规律进行研究。结果表明:忽略中间主应力的M-C准则预测结果过于保守,线性MG-C准则得到了坍塌压力的最低值,考虑岩石高应力区非线性破坏特征的E.MG-C准则预测结果居中,但在高井斜角情况下,E.MG-C准则预测结果会小于MG-C的预测结果,反映出岩石非线性破坏特征对井壁坍塌压力的影响。不同地应力状态下,最佳井眼轨迹均位于最大和最小地应力平面内,且平行或偏向于最大地应力方向,原地应力分布状况和井眼的实际空间状态也在很大程度上决定了井眼的稳定性。该研究成果有利于为钻井工程设计、井眼轨迹优化提供更加精确和全面的建议。     

不同岩石剪切破坏判据对井壁坍塌压力的影响分析EI北大核心CSCD

为了优选井壁坍塌压力预测的岩石强度准则,在综合评价M-C,MG-C和E.MG-C准则特点的基础上,结合孔弹性地层井周地应力,对保持井壁稳定的临界井底压力随方位角、井斜角的变化规律进行研究。结果表明:忽略中间主应力的M-C准则预测结果过于保守,线性MG-C准则得到了坍塌压力的最低值,考虑岩石高应力区非线性破坏特征的E.MG-C准则预测结果居中,但在高井斜角情况下,E.MG-C准则预测结果会小于MG-C的预测结果,反映出岩石非线性破坏特征对井壁坍塌压力的影响。不同地应力状态下,最佳井眼轨迹均位于最大和最小地应力平面内,且平行或偏向于最大地应力方向,原地应力分布状况和井眼的实际空间状态也在很大程度上决定了井眼的稳定性。该研究成果有利于为钻井工程设计、井眼轨迹优化提供更加精确和全面的建议。     

三维地应力BWSRM测量新方法及其测井机器人在重大工程中的应用

地壳上层岩体的应力状态是地壳最重要的性质之一,获取岩体应力状态最直接、可靠的手段是原位地应力测量.首先简要回顾地应力测量的研究历程及其发展现状,分析岩石力学与工程中常用的几种地应力测量方法和技术.重点介绍钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)这一新的三维地应力测量方法的原理,以及基于BWSRM的地应力测井机器人研制过程和...     

Seepage–stress coupled analysis on anisotropic characteristics of the fractured rock mass around roadway

Anisotropic properties of the fractured rock masses are investigated considering the coupled effect of the seepage and stress. The equivalent permeability and damage tensor of the fractured rock mass are initially examined using a series of Discrete-Fracture-Network (DFN) models with varied size and orientations from the geological investigation data of the sandstone roadway on the floor of 12# coal seam in Fangezhuang Coal Mine. A seepage–stress cross-coupling anisotropic model considering the coupled effect of the seepage and stress is described and applied to analyze the influence of the principal orientations of the joint sets on the anisotropic properties of the rock mass. It appears that the anisotropic properties of the rock mass have a great influence on the stress distribution, hydraulic conductivity coefficient and damage zone. The model may contribute to a more reasonable explanation on the dominant effect of the joint sets on deformation and failure of rock mass.     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。     

裂隙岩体渗透张量计算及其表征单元体积初步研究

基于三维节理网络模拟技术,应用渗流能量叠加原理,推导节理岩体渗透张量的理论计算公式,在此基础上提出裂隙岩体渗透表征单元体积的确定方法。该方法考虑空间节理的具体分布和连通情况,同时根据节理的开度变化和立方定理又可分析应力场对渗透张量的影响,可方便、有效地进行裂隙岩体渗透特性的分析。随后讨论节理迹长、间距、开度、产状和组数等结构面几何特征对岩体渗透特性及表征单元体积的影响。最后采用上述方法,以拉西瓦水电站右岸岩体为例,计算工程岩体的渗透张量,并分析渗透表征单元体积大小及地应力对其渗透特性的影响。研究结果在工程设计中具有应用价值。     

空气钻井中动态破岩有限元仿真研究

 空气钻井技术是以空气作为循环介质的欠平衡钻井技术,其钻头的破岩形式与常规泥浆钻井有很大的区别。在岩石力学和弹塑性力学的基础上,考虑岩石材料的各项异性、地层倾角、钻头与岩石间摩擦因数等影响因素,采用有限元方法建立空气钻井中全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维模型。通过对空气钻井中岩石的破坏机制和钻头动态破岩过程的研究以及对破岩后形成井眼、井壁和井底岩石应力应变的分析。结果表明：井底岩石受到较大拉应力的作用,使得空气钻井中破岩速度更快;干燥空气钻成的井眼井壁稳定性较好,但是一旦发生井壁不稳定性,井壁岩石将成块掉落。最后通过对钻头上随时间变化的位移分析,得到钻进各向异性地层岩石的井斜和方位的变化规律。本模型为空气钻井的破岩机制、井斜变化规律以及井壁稳定性研究提供一种新的方法,为钻头和钻具设备的研制、优化设计提供理论依据。     

高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,运用光学原理钻孔变形观测仪器,对f 200 mm×400 mm花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在6 000 m埋深静水应力及600 ℃以内恒温恒压下钻孔变形规律及其临界失稳条件进行深入细致的试验研究和理论分析。研究结果表明：(1) 高温高压下花岗岩中钻孔变形随温度和应力的增大表现为明显的不同阶段。4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下,钻孔变形表现为明显的黏弹性变形阶段,钻孔直径虽有减小但仍处于稳定状态,并不发生破坏;4 000～5 000 m埋深静水应力及400 ℃～500 ℃时恒温恒压下,钻孔变形表现为黏弹–塑性变形阶段,钻孔围岩有破坏的趋势,孔径开始增大;5 000 m埋深静水应力及500 ℃以上时,钻孔围岩塑性区的块裂状围岩颗粒逐渐从孔壁脱落下来,钻孔发生破坏。(2) 花岗岩中钻孔围岩在超过应力阈值和温度阈值后,即5 000 m埋深静水应力及500 ℃以外时,钻孔破坏,发生塌孔现象,花岗岩颗粒从孔壁脱落下来,钻孔直径增大。(3) 钻孔围岩在高温静水应力下,岩体最终发生破坏的应力条件为5 000～6 000 m埋深静水应力(即125～150 MPa)及500 ℃～600 ℃,其破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。(4) 高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件为4 000～5 000 m埋深静水应力,400 ℃～500 ℃。同时,根据试验研究结论,运用黏弹塑性力学理论给出高温高压下钻孔变形的分析理论,建立4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下钻孔变形的黏弹性理论模型及4 000～5 000 m,埋深静水应力400 ℃～500 ℃时恒温恒压下钻孔变形的黏弹–塑性理论模型,为我国高温岩体地热(HDR)开发与利用中钻孔稳定性及维护问题、大陆科学钻探工程(CCSD)在深孔和超深孔施工过程中遇到的钻孔稳定性问题提供科学依据和理论指导。     

Effects of borehole stress concentration on elastic wave velocities in sandstones

The stress redistribution that occurs in the vicinity of a borehole may lead to damage or failure of the rock. If the vertical stress is a principal stress, the principal stresses at the wall of a vertical well are the hoop, radial, and vertical stresses. The hoop stress varies with position around the wellbore and takes its maximum compressive value at the azimuth of the far-field minimum horizontal stress. This may lead to compressive failure at this azimuth if the compressive strength of the rock is exceeded. Recent developments in sonic logging allow the variation in elastic wave velocities with radius and azimuth around a borehole to be characterized. Since elastic wave velocities in sandstones are sensitive to changes in stress, owing to the presence of stress-sensitive grain boundaries within the rock, this allows the changes in stress to be monitored. An expansion of the elastic compliance of the grain boundaries to first order in stress shows that a radially polarized, vertically propagating shear wave is more sensitive to radial stress than to hoop stress. Close to the wellbore, however, large changes in stress occur, and any nonlinearity in the variation in compliance of the grain boundaries as a function of stress becomes important. This nonlinearity increases the sensitivity to the wellbore pressure, and can cause significant reductions in the velocity of compressional and shear waves in the vicinity of the wellbore.     

Mechanism of zonal disintegration around deep underground excavations under triaxial stress – Insight from numerical test

The failure pattern and failure mechanism around deep underground excavations under tri-axial stress, in particular the zonal disintegration at different scales, were studied through three-dimensional numerical tests. It is found that the failure patterns of deep underground openings are obviously influenced by the triaxial stress. Zonal disintegration is a general failure mode of deep surrounding rock mass under high triaxial stress, where the alternate fracture zones and intact zones are formed by the intersection of the fully developed shear dominated fractures. The circular failure pattern of zonal disintegration is only a very specific failure pattern of zonal disintegration that is more likely to be formed when the horizontal stress in the direction of tunnel axis being the maximum principal stress. Sometimes the circular failure pattern of zonal disintegration is only the miss-judgment based on the limited borehole observations. Numerical results also denote that the heterogeneities of rock masses play a very important role on the scale of zonal disintegration.