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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

岩石压缩破坏强度的一种理论估值方法

依据简单加载试验结果可靠地预测复杂载荷条件下岩石的破坏强度仍是一项挑战性任务。以Mohr-Coulomb准则力学模型的能量描述为基础,提出一种应用单轴压缩试验估值岩石压缩破坏强度的理论方法。包括由破坏面上一点弹性变形能与裂纹表面能守恒关系给出的压缩破坏临界能量条件,以及在常剪切弹性模量和体积变化服从体积应力幂指数律条件下,从临界能量条件导出的岩石真三轴压缩破坏强度判据。不同于已提出的各种岩石破坏准则,这个判据考虑到了岩石的变形和开裂特征。3个材料参数不由强度试验数据的拟合确定,而是单轴压缩试验信息的计算结果。应用实例分析表明,它的强度预测结果达到了Hoek-Brown经验强度准则关于试验数据最优拟合的精度水平。     

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。     

水–力耦合作用下页岩力学特性及其损伤本构模型研究

通过开展不同渗透水压力与三轴压缩作用下的页岩试验，分析页岩的变形、强度和破坏特征，建立考虑渗透压作用的页岩全应力–应变损伤本构模型。结果表明：(1)在常规三轴压缩和渗透水压力共同作用下，页岩的强度明显弱化，残余强度受渗透压的影响较大。(2)在不同围压和渗透水压力作用下，页岩从剪切破坏到拉剪复合破坏再到陡倾角剪切破坏，共计产生5种不同的剪切破坏形式。(3)在常规三轴压缩和渗透水压力共同作用下，页岩强度仍满足M-C强度准则，但内摩擦角和黏聚力均随渗透压力的增大而降低。(4)建立能够反映页岩在不同围压和渗透压作用下的应力–应变全过程的损伤本构模型，并可通过总损伤变量–应变曲线预测页岩的残余强度，理论曲线与试验数据吻合较好。     

页岩气藏缝网压裂力学分析

采取岩石力学分析法,计算页岩气藏中天然裂缝张开压力和延伸后沟通压力,分析层理对岩石强度的影响,并给出层理薄弱面形成剪切裂缝的力学条件。结果表明:以前的设计所需井底压力较高,当考虑地层中天然裂缝的张开和延伸沟通后,在较低的井底压力下,就能够形成复杂的裂缝网络;页岩层理会降低岩石的整体强度,在一定的井底压力下,岩石发生破碎,有利于形成缝网;页岩层理薄弱面在较低的压力下容易产生剪切裂缝,这是页岩气藏形成复杂缝网系统的重要基础。因此,对于天然裂缝和层理比较发育的页岩气藏,可以不需要达到以往的较高设计和施工压力就能形成缝网。     

钻井液浸泡对库车组泥岩强度的影响及应用研究

 通过岩石三轴抗压实验研究包含在用钻井液体系在内的多套钻井液体系对库车组泥岩强度特性的影响。在已有钻井液性能评价方法的基础上,结合泥岩受不同钻井液体系浸泡24 h后所表现出的应力–应变规律及浸泡前后岩石力学性能、岩石变形和破坏规律,对现用钻井液体系进行筛选和优化研究,获得对该泥岩地层具有更好稳定作用的钻井液体系;通过对不同钻井液体系浸泡前后岩石的强度测试结果,计算分析不同体系下的地层坍塌压力变化,成果应用到现场钻井,稳定井壁及提速效果显著。研究表明：通过优化钻井液体系可以调整和改变泥岩地层的强度特性,最佳状态下的钻井液应该使泥岩浸泡前后表现出基本相同的应力–应变规律;在现有钻井液评价技术中引入岩石强度特性研究成果,不仅将泥岩与钻井液的化学力学耦合作用主动地引到钻井液体系的优化设计当中,而且为从源头上遏制钻井液与目标泥岩地层之间可能出现的化学力学耦合作用对泥岩地层井壁稳定带来的不确定影响奠定了理论基础和方法基础;把钻井液体系设计与优化和井壁力学稳定性相结合,为获得钻井目标泥岩地层坍塌压力,实现低密度钻井液安全、高效钻井奠定了基础;泥岩与不同钻井液体系接触后表现出的变形破坏规律是泥岩地层钻井液稳定井壁性能优化的重要依据,根据泥岩浸泡前后应力–应变特征的研究可以实现对钻井液性能的评价和优选。     

高温下页岩三轴压缩实验及井壁稳定研究

通过高温下页岩的三轴压缩实验,结合井壁稳定分析理论,进行了高温下页岩的力学特性及井壁稳定性研究。结果表明:高温引起页岩强度劣化,在温度低于150 ℃时,温度对页岩强度劣化主要体现在粘聚力弱化,在温度超过150 ℃时,温度会进一步导致页岩内摩擦角减小。钻井液与地层间的温差将在井周附加热应力,随着远离井壁,温差附加径向热应力先增加后降低,在距离井壁一定位置出现最大值,而附加的切向热应力在井壁处最大。随着温差增加,井壁坍塌压力增加,并且附加热应力引起的坍塌压力增幅逐渐超过页岩粘聚力弱化引起的坍塌压力增幅。研究结果对于钻井施工,优化钻井液设计具有重要的意义。     

泥页岩井壁稳定影响因素分析

 考虑泥页岩钻井液体系中电化势渗透产生的流体流动和离子运移以及与固体变形的联合作用,提出泥页岩井壁稳定耦合新模型。通过有限元计算泥页岩井壁周围孔隙压力场和应力场,分析泥页岩及钻井液性能参数对井壁周围地层坍塌破坏系数和坍塌压力的影响。研究结果表明,泥页岩渗透率增大,溶质扩散系数增大,泥页岩单位表面电荷数减小有利于泥页岩井壁稳定。通过使用高浓度、高反射系数的钻井液能够提高泥页岩井壁的稳定性,对于泥页岩地层使用过高的钻井液密度反而会导致井壁不稳定。泥页岩钻井液体系膨胀系数减小,泥页岩水化程度能够减轻。在钻井液浓度大于泥页岩孔隙流体浓度的情况下化学反渗透可能使泥页岩失水,与大尺寸井眼相比,小尺寸井眼坍塌破坏指数随时间变化较显著。     

焦石坝地区页岩气水平钻井井壁稳定性实验研究

为揭示涪陵焦石坝地区页岩储层井壁岩石垮塌失稳诱因,探索页岩气水平井井壁垮塌主要控制因素,应用室内力学实验测试方法,研究了井下应力环境下页岩岩体力学空间各向异性及层理缝面力学性质,并结合焦页1HF井水平井实钻井下复杂情况,探讨了页岩的独特力学特性及其影响井壁岩石垮塌失稳的力学机理。实验结果表明:焦石坝页岩岩体平行层理极为发育,层理缝面间力学强度弱,沿层理走向的页岩剪切强度远低于垂直层理走向;焦石坝地区页岩具有极强的力学参数各向异性,页岩的力学参数变化与取心方向密切相关,当取心方向与层理法向夹角β满足β=0°和β=90°时,页岩力学强度最高,在30°β90°范围内,页岩力学强度呈先减小后增加的趋势,β=60°时,页岩力学强度最低。该研究成功解释了涪陵焦石坝地区页岩水平钻井井壁岩石垮塌失稳的力学主控因素,为焦石坝地区页岩气水平钻井井身结构及工程参数优化设计奠定基础,具有较高的现场应用价值。     

Practical application of failure criteria in determining safe mud weight windows in drilling operations简

Wellbore instability is reported frequently as one of the most significant incidents during drilling operations. Analysis of wellbore instability includes estimation of formation mechanical properties and the state of in situ stresses. In this analysis, the only controllable parameter during drilling operation is the mud weight. If the mud weight is larger than anticipated, the mud will invade into the formation, causing tensile failure of the formation. On the other hand, a lower mud weight can result in shear failures of rock, which is known as borehole breakouts. To predict the potential for failures around the wellbore during drilling, one should use a failure criterion to compare the rock strength against induced tangential stresses around the wellbore at a given mud pressure. The Mohr–Coulomb failure criterion is one of the commonly accepted criteria for estimation of rock strength at a given state of stress. However, the use of other criteria has been debated in the literature. In this paper, Mohr–Coulomb, Hoek–Brown and Mogi–Coulomb failure criteria were used to estimate the potential rock failure around a wellbore located in an onshore field of Iran. The log based analysis was used to estimate rock mechanical properties of formations and state of stresses. The results indicated that amongst different failure criteria, the Mohr–Coulomb criterion underestimates the highest mud pressure required to avoid breakouts around the wellbore. It also predicts a lower fracture gradient pressure. In addition, it was found that the results obtained from Mogi–Coulomb criterion yield a better comparison with breakouts observed from the caliper logs than that of Hoek–Brown criterion. It was concluded that the Mogi–Coulomb criterion is a better failure criterion as it considers the effect of the intermediate principal stress component in the failure analysis.     

地层坍塌压力及井壁稳定对策研究

泥页岩井壁失稳给钻井施工带来很多难题，并造成了巨大的经济损失。应用固体力学方法推导出了井壁围岩应力方程，由泥页岩水化应力试验确定了泥页岩水化应力特性，由Mohr-Coulomb强度准则计算出维持井壁稳定的钻井液密度．此种方法已在部分油田得到应用，并取得了较好的效果。     

多场耦合作用下泥页岩地层强度分析

研究多场耦合作用下井眼围岩的强度变化问题。在石油钻井环境中，钻井液中存在多种化学成分，钻井液时刻与井壁发生作用，导致井眼周围岩石力学参数为时间的函数。在实验基础上得到岩石强度参数与含水量的关系，基于渗流力学理论，建立孔隙压力与岩石黏聚力及内摩擦角的关系，为研究化学作用对强度参数的影响提供前提，进而进行多孔介质多场耦合作用下的应力分析，建立化学作用对岩石强度参数影响的关系模型。所得结论可深化对泥页岩井壁稳定性的认识，具有一定的工程实用价值。     

岩石材料的非线性强度与破坏准则研究

将三维应力条件下岩石材料的非线性强度特性,分解为偏平面上的非线性与子午面上的非线性,在偏平面上研究中主应力效应,在子午面上研究静水压力效应,以及中主应力与静水压力的耦合效应。通过八面体面外法线方向与空间滑动面外法线方向二者之间的线性插值,提出统一强度理论的物理模型,每一种材料对应于一个特定的剪切破坏面,进而建立广义非线性强度理论,该理论具有明确的物理模型、清晰的物理概念,4个相互独立的材料参数均具有明确的物理意义,在主应力空间的强度面连续光滑。通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可较好地描述不同类型岩石材料的非线性强度特性。基于广义非线性强度理论提出2种变换应力空间,将广义非线性强度理论分别变换为2个新空间中的Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,通过5种岩石材料的真三轴强度试验结果的验证表明,该理论可以在变换应力空间中以Drucker-Prager准则、Mohr-Coulomb准则的形式应用。