盐岩地层井眼缩径控制技术新方法研究

防止盐岩卡钻传统的措施是采用饱和盐水泥浆,阻止盐岩溶解,加大泥浆密度,减缓盐岩向井眼方向的流动,防止缩径。但这种以提高泥浆密度为前提的盐层钻井在高温、高地应力区域,不能从根本上解决盐岩层卡钻的问题,因为实际钻井中泥浆密度不能无限制地增大,否则其他岩性层段易产生复杂情况,并且影响钻速。提出了解决这类问题的新方法,采用适当密度的欠饱和盐水泥浆,通过词整氯根(NaCl浓度),让欠饱和盐水泥浆能满足井眼截面盐溶解速率与盐层的缩径率平衡,从而达到防止盐岩卡钻的目的,并在实际钻中得到较为有效的应用。     

深层盐岩本构关系及其在石油钻井工程中的应用研究

在大量现场盐岩蠕变力学试验的基础上，对盐岩的蠕变特性进行了研究，分析了稳态蠕变规律，提出了稳态蠕变三维分析方程，并针对深层盐岩地区石油钻井中的泥浆密度确定难题，采用FLAC^3D软件，给出了优化的泥浆密度图谱，为合理进行钻井液密度设计奠定了基础。     

云应盐矿盐岩蠕变特性试验研究

针对我国盐矿盐岩杂质多、泥岩夹层多的特点,通过对云应盐矿盐岩、含夹层盐岩两种不同盐岩试样进行不同围压、不同轴压下的蠕变试验,研究云应盐矿两种岩样的蠕变特性,通过试验数据建立其蠕变本构关系,并获得相应的蠕变参数。通过对两种岩样的蠕变参数比较发现,含夹层盐岩的稳态蠕变率对偏应力变化的的敏感性要略高于纯盐岩,而其对围压变化的敏感性要远低于纯盐岩。研究结论可用于盐岩体工程长期稳定性分析中。     

具有流变特性的盐岩相似材料的研制及应用

为有效反映盐岩油气储库介质的蠕变变形特征与变化规律,以金坛盐岩储气库为背景工程,根据地质力学模型试验相似原理和原岩物理力学参数,通过大量的材料配比和相应材料试件的力学参数试验,研制出了基本满足相似条件且具有显著流变特性的盐岩相似材料。该相似材料采用精铁粉、石英砂和重晶石粉为骨料,以松香酒精溶液为胶结剂按照规定的配比拌合压实而成。材料力学试验表明：研制的盐岩相似材料具有明显的弹性变形、延塑性变形、应变硬化、应变软化和剪涨破坏特征。材料在低应力时以减速蠕变和等速蠕变为主,高应力时以减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变为主,盐岩相似材料与盐岩原岩的蠕变特性基本一致。将该材料应用到金坛盐岩地下储气库注采气三维地质力学模型试验中,有效获得注采交变气压变化过程中洞周径向位移和径向应变的变化规律,较好反映了盐岩储库介质的流变力学特性。     

层状盐岩体非线性蠕变本构模型

 针对由不同岩层交替而组成的层状盐岩体,建立泥岩夹层和盐岩复合体代表单元,根据应变协调原理,从细观力学分析角度通过考虑泥岩夹层弹性性质、盐岩弹性及蠕变力学特性以及两相体积含量建立层状盐岩体宏观各向异性非线性蠕变增量型本构模型,分析层状盐岩在蠕变过程中因保持细观应变协调而产生的应力重分布问题,给出新本构模型ABAQUS有限元二次开发增量迭代算法实现方法,对一层状盐岩体简单试样算例进行初步计算分析验证,分析计算与试验结果吻合较好,表明该本构模型能反映细观应变协调时层状盐岩体宏观蠕变力学特性,该模型将为层状盐岩体内硐室长期稳定性分析提供理论计算基础。     

大位移井井壁稳定三维弹塑性有限元分析

现有井壁围岩应力求解模型大都基于平面应变假设，相对岩石真实应力状态会有一定的误差。在空间坐标变换基础上建立了大位移井井壁稳定分析三维弹塑性有限元模型，将井斜角与方位角的变化转化为井轴坐标系下地应力场应力分量的变化，保证了模型的稳定性。利用所建模型对弹性和弹塑性条件下的大位移井井壁围岩稳定性进行了研究。计算结果表明：岩石在弹塑性条件下能够通过塑性变形吸收更多能量；在相同外载条件下，弹塑性岩石比脆性岩石更稳定。经过现场实例验证，在深部弹塑性地层钻进时，可以采取比常规设计稍低的泥浆密度，即能保持井壁稳定，又可以减少地层伤害。     

岩石非线性黏弹塑性蠕变模型研究

 引进岩石时效强度理论及Kachanov损伤理论,建立以时间变量表示的岩石损伤表达式,并将其与岩石黏塑性流变参数相联系,建立包含加载时间、加载应力等变量在内的岩石黏塑性流变参数非线性表达式,代入西原模型后即建立非线性黏弹塑性蠕变模型。当岩石受到的应力大于岩石长期强度时,岩石即出现损伤,岩石内部的微结构发生变化,岩石的黏塑性流变参数将随时间非线性变化。将建立的模型编入有限元计算程序,并进行数值试验,结果表明所建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,可以统一描述软岩和硬岩的蠕变破坏过程,既可以描述软岩在加速蠕变阶段的渐变破坏过程,又可以描述硬岩在加速蠕变阶段的陡然破坏过程,具有广泛的适应能力。将大理岩、盐岩的蠕变破坏试验结果与计算模拟结果进行对比,两者基本吻合,从而验证了模型的正确性。这些成果表明所建模型将具有良好的应用前景。     

四川地区盐岩蠕变规律研究

四川盐岩地层对套管的影响主要表现在盐岩层的蠕变流动造成深井套管在较短时期内受到超常外挤压力而被挤毁，如广深一井，座三井等，经济损失十分严重。因此，盐岩地层蠕变规律研究是一项重要的基础工作。为此，研制了能加温加压的常规三轴蠕变实验装置，对深层盐岩进行常规三轴蠕变实验，获得蠕变曲线和岩石参数，建立盐岩的本构关系。在此基础上，采用有限元分析方法研究盐岩地层蠕变对井下套管的作用，得到蠕变载荷随井深，非均匀载荷井深系数，地应力不均匀系数的变化关系。研究结果对生产实践有重要的指导意义。     

钙芒硝盐岩蠕变特性的研究

 在自然界中,纯钙芒硝是以一种化合物的形式出现的,其分子式为Na2Ca(SO4)2,但在试件内部钙芒硝盐岩与泥岩互相混合,以混合物的形式出现,这就决定了其力学性质的特殊性。在不同的应力水平下,进行了长达100多天的单轴压缩蠕变试验,发现钙芒硝盐岩高应力水平蠕变速率高于低应力水平的蠕变速率,其蠕变速率在初期和后期比较大,并随时间大致呈U形分布,与NaCl岩盐相比,钙芒硝盐岩蠕变速率及蠕变量均较小。回归出钙芒硝盐岩在不同应力水平下蠕变应变随时间变化的曲线方程。对钙芒硝盐岩的蠕变模型进行初步探讨,通过对蠕变曲线与理论曲线的对比,说明同时包含弹黏塑性的西原模型能较好地反映钙芒硝盐岩的蠕变规律,并对相关参数进行了拟合。     

基于反S函数的盐岩单轴压缩全过程蠕变模型

为了研究盐岩的蠕变特性,对盐岩试件开展不同轴向应力下的单轴压缩蠕变试验。试验结果显示,盐岩稳态蠕变率和相同时刻的蠕变应变均随轴向应力增大而非线性增大,两者随轴向应力的变化规律均可用指数函数描述;盐岩蠕变过程具有非线性特征,且轴向应力越大、蠕变时间越长,非线性特征越明显。为了确定盐岩长期强度,提出一种改进的稳态蠕变率拐点法,该法确定的盐岩长期强度值与等时应力–应变曲线拐点法确定的结果非常接近,可为类似研究提供一定的借鉴。从唯象学的角度出发,通过对S形函数求反函数的方法,提出一种新的岩石单轴压缩全过程蠕变模型,并利用盐岩蠕变试验结果对模型合理性进行验证。结果表明,该模型不仅能够描述盐岩在低应力水平下的衰减蠕变和稳态蠕变,还能反映高应力水平下盐岩单轴压缩蠕变破坏全过程,特别是能够反映加速蠕变。模型以一个统一的表达式即可描述盐岩单轴压缩蠕变全过程的3个阶段,克服了元件组合模型需要分段处理的缺点;同时,该模型表达式非常简单,方便应用。     

控制油井盐层段流变缩径的泥浆密度的计算方法

利用模拟地下温压条件下的盐岩三轴蠕变试验装置，通过试验确定出中原油沙三段盐层的流变本构关系，研究出一种控制井眼收缩的泥浆密度的计算方法，并且据此绘制了相应的泥浆密度随地温及深度的变化曲线。经现场初步验证表明，曲线的预测值与现场数据具有很好的吻合。     

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。     

A population-feedback control based algorithm for well trajectory optimization using proxy model

Wellbore instability is one of the concerns in the field of drilling engineering. This phenomenon is affected by several factors such as azimuth, inclination angle, in-situ stress, mud weight, and rock strength parameters. Among these factors, azimuth, inclination angle, and mud weight are controllable. The objective of this paper is to introduce a new procedure based on elastoplastic theory in wellbore stability solution to determine the optimum well trajectory and global minimum mud pressure required (GMMPR). Genetic algorithm (GA) was applied as a main optimization engine that employs proportional feedback controller to obtain the minimum mud pressure required (MMPR). The feedback function repeatedly calculated and updated the error between the simulated and set point of normalized yielded zone area (NYZA). To reduce computation expenses, an artificial neural network (ANN) was used as a proxy (surrogate model) to approximate the behavior of the actual wellbore model. The methodology was applied to a directional well in southwestern Iranian oilfield. The results demonstrated that the error between the predicted GMMPR and practical safe mud pressure was 4% for elastoplastic method, and 22% for conventional elastic solution.     

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。     

流固耦合作用下水平定向孔壁稳定性分析

孔壁失稳是目前水平定向钻进工程中经常遇到的一个实际问题,尤其是在地表的第四纪松散地层中钻进孔壁失稳更是屡见不鲜,严重影响工程施工。针对以往研究中没有考虑渗流场对孔壁稳定性的影响问题,本文在Biot固结理论的基础之上,建立了应力场和渗流场耦合数学模型,采用有限元方法对所建立的模型进行求解。通过对某一水平定向钻进孔壁稳定性进行数值模拟,分析了在流固耦合作用下地层孔隙压力、有效应力和位移的变化规律,并分析了在不同的冲洗液压力下,地层沉降情况。研究发现,在定向钻进过程中,流固耦合作用对地层特别是井壁附近围岩的应力和变形影响很大。研究结果为钻进过程中避免孔壁失稳,合理选择冲洗液及冲洗液压力提供理论依据。     

裸眼井盐岩蠕变力学行为分析

盐岩蠕变对石油钻井危害性极大。利用有限元分析方法对井下盐岩的蠕变进行了计算分析，确定了裸眼井在非均匀地应力下，井眼的半径收缩量、蠕变闭合时间与井深、泥浆密度、地应力系数、不均匀系数、时间的关系。计算结果在现场钻井中符合较好。     

The return of drilling fluid in large diameter horizontal directional drilling boreholes

The return of drilling fluid (drilling mud) in large diameter horizontal directional drilling (HDD) boreholes is a very important issue related to mud pressure, cuttings transport and pull back force, but this problem has not been fully solved in previous research due to the complexity and uncertainty of downhole conditions. The calculation methods of mud pressure loss in the borehole annulus are briefly introduced and the equation using a Power Law model is adopted to study the drilling mud return. A typical reaming hierarchy of a large diameter HDD project has been used to study the return direction of drilling mud and volumes of drilling mud return to the exit and entry points. The research results disclosed that the drilling mud can return to both exit and entry points at the same time, with a large majority of the drilling fluid returning to the exit point if the reamer is closer to the exit point, and vice versa. A parametric study has been conducted to find out the effect of changing parameters in the calculation equation on the drilling fluid return. The drilling mud return for those boreholes with the exit point and entry point located at different elevations has also been discussed. Finally, different types of reamers and other factors such as borehole collapse and borehole shape were taken into the consideration of drilling mud return.