复杂载荷下深层脆性页岩力学性能及破坏规律实验研究

四川自贡、泸州等区块深层页岩硬度高、脆性强、层理缝发育,水平钻井过程中井下阻卡、溢流等事故频发。针对该问题,通过开展深层脆性页岩钻井液封堵性实验及不同卸载围压速度下力学性能实验,研究了钻井液的封堵性及起钻速度对脆性页岩力学性能的影响及页岩破坏规律。实验结果表明:钻井液封堵性对深层脆性页岩强度和弹性模量具有明显影响,封堵性好时,页岩抗压强度可达350 MPa,弹性模量为16 000 MPa;封堵性差时,页岩抗压强度仅为40 MPa,弹性模量为6 000 MPa;围压卸载速度越快,脆性页岩越容易发生破坏,即起钻速度过快会导致井底有效液柱压力降低,引发井壁岩石崩落;井底压力环境下页岩多为沿层理裂缝发生破裂。该研究解释了复杂工况下深层脆性页岩力学性能及破坏规律,为现场制订防塌工艺措施提供了科学依据。     

深层脆性页岩力学性能及井壁稳定性研究

四川盆地中部龙马溪组页岩地层硬度高、脆性强,钻井过程中井壁坍塌严重,阻卡频发。为解决钻井过程中井壁坍塌问题,测试了以四川盆地自201井为代表的深层页岩微细观组构、水理化性能及力学性能参数各向异性特征,并考虑井眼轨迹、层理缝产状、井筒-地层耦合渗流效应、层理缝力学弱面效应等因素,建立了深层脆性页岩水平井井壁稳定理论模型。实验结果表明:深层页岩脆性矿物含量高达70%,水化膨胀性极低,页岩基质力学强度高,但层理缝间强度低,页岩容易沿层理缝滑移崩落。模型计算结果表明:层理缝力学弱面效应影响明显,当井眼轨迹与层理缝面法向之间夹角满足一定角度,井壁倾向沿层理缝剪切滑移垮塌;井筒-地层间渗流效应不可忽略,压力穿透效应降低钻井液的有效径向支撑力,诱发层理缝起裂、延伸至崩落,合理的钻井液密度及有效封堵性可提高深层页岩水平井井壁稳定性。研究成果揭示了深层脆性页岩井壁坍塌作用机理,可为深层脆性页岩水平井关键工程参数设计提供理论依据。     

页岩水平井井眼轨迹方位与层理面产状的关系

准确掌握层理面产状对页岩水平井井眼轨迹方位选取的影响规律,能有效预防井壁坍塌,节约钻井成本。对长宁区块H1井龙马溪组岩心进行三轴压缩实验,依据页岩岩石强度单一弱面剪切破坏准则和页岩水平井井壁应力分布模型,建立了页岩水平井井壁坍塌压力计算模型。利用页岩水平井测井资料和岩石力学实验数据,采用数值模拟方法,得到层理面产状对页岩水平井井壁坍塌压力的影响规律。当页岩层理面倾向一定时,随层理面倾角的逐渐增大,页岩水平井井壁坍塌压力当量密度范围逐渐变宽。当层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面的剪切破坏;当层理面倾角大于45°时,井壁岩石发生本体破坏,且当井壁岩石发生本体破坏时,页岩水平井沿层理面倾向的相反方向钻进有利于井壁稳定。     

松辽盆地古龙页岩水平井井壁失稳机理

松辽盆地古龙页岩层理发育,层理密度高,黏土矿物以伊利石为主,质地偏硬脆性.古龙页岩水平井施工中反复出现坍塌卡钻、井眼扩大等井壁失稳问题.为了大幅度提高水平井的井壁稳定性,开展了岩石力学测试,建立有限元应力—流场耦合模型,求取不同工况条件下井壁稳定的坍塌压力上限.结果表明:井斜角、井斜方位、弱结构面数和弱结构面倾角是井筒...     

钻井卸载对泥页岩地层井壁稳定性的影响

钻进泥页岩地层时井壁易失稳,且井周岩石极易因钻井卸载产生诱导缝,导致岩石强度降低,从而加剧井壁失稳。因此,为确保泥页岩地层井壁的稳定,采用三轴力学试验仪模拟钻井卸载过程中的岩石应力变化过程,分析了卸载对泥页岩力学特性的影响,采用回归方法回归了泥页岩内聚力、内摩擦角与卸载幅度的关系,并将该关系引入到常规井壁稳定性模型中,建立了考虑卸载作用的泥页岩井壁稳定性模型。结果表明:卸载会使泥页岩的强度降低,随着卸载幅度变大,泥页岩强度的降低幅度增大;考虑卸载作用后,泥页岩地层的坍塌压力增大,尤其在高地应力和各向异性较强的泥页岩地层,由卸载造成的坍塌压力增量更为明显;井筒与最小水平主应力的夹角较小时,可以降低卸载对泥页岩井壁稳定性的影响。研究结果表明,卸载对泥页岩地层坍塌压力的影响不可忽视,进行钻井液设计时应考虑卸载对坍塌压力的影响。      

力化耦合作用下的层理性页岩气水平井井壁失稳研究

针对现有页岩气水平井井壁稳定力化耦合分析大都仅考虑水化作用对岩石强度的影响,鲜有考虑水化应力应变影响的情况,以弹性力学和岩石力学等理论为基础,同时考虑水化作用对岩石力学参数的弱化效应和附加水化应力,建立了力化耦合作用下层理性页岩气水平井井壁坍塌压力预测模型,研究了层理性页岩气水平井井壁失稳机理,分析了影响井壁稳定的因素及影响规律。研究结果表明:存在层理面时,会使坍塌压力大幅升高;沿层理面方位钻进,井壁稳定性最好;当水化时间一定时,坍塌压力随距井壁径向距离增加而降低,水化时间越长,近井壁处易坍塌区域越大;考虑水化应力影响后坍塌压力会大幅升高,在设计钻井液密度时,不能忽略水化应力的影响。研究成果丰富了页岩气水平井井壁失稳理论,对层理性页岩气水平井钻井设计具有指导作用。      

柴油基钻井液在涪陵礁石坝区块页岩气储层的应用

涪陵礁石坝页岩气储层以泥页岩为主,黏土含量高,层理和微裂缝发育,极易发生井壁失稳。储层段钻进时采用柴油基钻井液,在JY6-3HF井进行了现场应用,应用中未出现因钻井液导致的井下故障,起下钻通畅,无掉块,电测井段井径扩大率均小于2%。现场应用表明,柴油基钻井液具有性能稳定、抑制性强、井壁稳定性好、润滑性强等特点,适用于页岩气水平井钻井施工。     

层理性泥页岩地层井壁坍塌控制方法研究

涠州12-1北油田涠二段泥页岩地层层理发育、水敏性强,虽然采用了油基钻井液钻进,但井壁垮塌等井下复杂情况仍频繁发生。该油田涠二段地层岩石力学试验结果表明,涠二段泥页岩强度具有显著的各向异性,其受到的最大主应力方向与层理面法向之间的夹角为30°～70°,岩心易发生沿层理面的剪切滑移破坏,强度远低于最大主应力方向与层理面法向平行时的最大强度,这是造成定向井井壁失稳的主要原因。结合岩石力学试验结果,将层理性泥页岩视为横观各向同性材料,建立了合理钻井液密度的确定方法,确定了定向井坍塌压力随井眼轨迹的分布规律。利用定向井坍塌压力随井眼轨迹的分布规律,对该油田的定向井钻井液密度和井眼轨迹进行了优化,成功解决了涠二段地层的井壁失稳问题。      

钻井液对页岩力学特性及井壁稳定性的影响

钻井液长期浸泡会对层理性页岩产生影响,进而影响到页岩地层的井壁稳定性。利用川南地区龙马溪组页岩开展了不同钻井液浸泡后页岩单、三轴力学实验,分析了其力学特性及破坏形式的变化特征,并探讨了井壁失稳机理。结果表明:受层理影响,页岩力学特性具有明显的各向异性特征,且具有围压效应;油基钻井液对层理面的润滑作用增强了各向异性,页岩沿层理面发生剪切破坏,破坏形式受层理面控制;水基钻井液对页岩造成水化损伤,微裂缝扩展沟通层理,降低了各向异性,易发生复合破坏,破坏形式受基质体和层理面双重控制,井壁更易失稳;黏土矿物水化作用和孔缝毛细管效应是页岩地层井壁失稳的根本原因。该研究可为层理性页岩井壁稳定分析提供参考。     

南堡3号构造深层脆性泥页岩井壁稳定机理分析与实践

冀东油田南堡3号构造深层主要是指下第三系的东二段至沙河街的地层,该层段发育着大段的脆性泥页岩,因埋藏深、压实强度大、层理及微裂缝较发育,易塌易漏,井壁失稳严重。通过对泥页岩理化特性、宏观微观结构特征、力学特性、岩石力学与钻井液化学耦合作用与失稳机理的分析研究和钻井液体系的优化评价与应用,有效地解决了该泥页岩的井壁稳定问题,形成了一套适合于南堡3号构造深层脆性泥页岩井壁稳定钻井液技术,同时也为同类复杂岩性地层的安全钻井施工提供了技术借鉴作用。