热渗耦合效应对欠平衡工况井周应力的影响

欠平衡钻井过程中,地层流体向井筒内渗流和近井地带地层温度的改变均会造成近井地带孔隙压力发生变化,此外,井壁岩石温度改变还会产生热应力,这些因素均会造成井壁岩石有效应力发生变化,影响欠平衡施工过程中的井壁稳定性分析和欠压值设计。 近井地带井壁岩石温度和孔隙压力变化是一个耦合变化的过程,文 章结合实例,通过对温度-渗流耦合模型进行求解,得到了近井地带地层温度和孔隙压力在径向上的变化规律,计算出欠平衡工况下考虑地层岩石温度变化和地层流体渗流影响的井周应力。结果表明欠平衡工况下温度和孔隙压力的变化会对井周应力产生较大的影响,在对欠平衡钻井过程中的井壁稳定性分析和欠压值设计时有必要考虑热渗耦合效应的影响。     

考虑钻井液浸入的砂岩井壁坍塌模型

长时间裸露在钻井液中的砂岩地层扩径严重,通过研究钻井液侵入对井周围岩弹性模量、泊松比、黏聚力及内摩擦角等力学性能的影响,开展了井周围岩坍塌压力的研究。研究了钻井液侵入后井周应力场变化规律,并在此基础上建立了考虑钻井液侵入影响的井壁坍塌模型。通过实验与模型计算可以看出,钻井液滤失,将会在地层周围形成与原地层岩石力学特性不同的侵入区。钻井液的侵入导致侵入区弹性模量、黏聚力与内摩擦角减小,而泊松比增加,随着侵入时间的增加,弹性模量、黏聚力与内摩擦角减小越多,而泊松比上升也增加;岩石力学参数的变化与侵入时间呈现线性关系;由于弹性模量、泊松比的变化,井周应力重新分布,井壁的垮塌决定于此时的井周应力与岩石强度;井眼开挖后,井壁坍塌压力往往是先减小后增大。     

控压钻井过程中泥页岩井壁破坏分析

控压钻井过程中,控制井底压力与地层压力相当,可以减少井壁由于井底压力过小或过大引起的井壁坍塌或破裂问题。对于水敏性泥页岩地层,即使在压力平衡的情况下,由于水基钻井液和泥页岩之间的水化渗透作用,泥页岩井壁也有可能不稳定。为此,建立了控压钻井条件下泥页岩井壁稳定非线性流-固-化耦合新模型,考虑了离子扩散与岩石变形的全耦合以及流体流动和离子扩散过程的非线性;通过有限元分析泥页岩井壁周围孔隙压力场和应力场的变化,计算井壁周围地层破坏系数,检查井壁是否破坏。研究结果表明：①控制压力钻井与常规钻井相比,水化渗透引起的孔隙压力剖面变化较小,有利于泥页岩井壁稳定;②泥页岩井壁失稳主要有井壁破坏、井壁附近地层破坏两种方式且后者是有时间效应的;③现有模型与非线性全耦合模型相比,过大地预计了井周孔隙压力和总应力且其压力峰值传播较慢;④泥页岩井壁失稳后,新的泥页岩表面暴露在钻井液中继续进行水和溶质交换,井眼扩大到一定值后,发生进一步失稳的可能性较小。     

射孔水平井爆燃气体压裂裂缝起裂研究

爆燃气体压裂技术可实现水平井的经济高效开采,压裂过程中水平井方位、射孔相位与裂缝起裂密切相关,影响施工成败和压裂效果。应用叠加原理将作用于油水井壁裂缝的复杂载荷分解为单个简单载荷,根据弹性力学、线弹性断裂力学理论,基于两孔相交应力集中的力学模型推导了射孔完井方式水平井井壁处的应力场,得到了爆燃气体压裂井壁岩层动态起裂条件,通过设定与时间相关的井筒推进剂燃烧气体压力脉冲函数,可以实现水平井方位角与射孔相位角及裂缝起裂压力、起裂角及起裂时间关系的迭代求解。算例分析表明,与裸眼井相比,射孔完井裂缝的起裂压力和起裂角受水平井方位角和射孔相位角双重制约,射孔可有效降低爆燃气体压裂水平井起裂压力,不同的水平井方位角对应于不同的最优射孔相位角使起裂压力最低。     

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。     

定向射孔水力压裂起裂压力研究

现有的定向井水力压裂起裂压力预测模型未同时考虑套管和水泥环的影响。为此,建立了同时考虑套管和水泥环的井周应力分布新模型,在此基础上,利用定向射孔孔周应力模型对起裂压力进行了计算与分析。研究结果表明:定向射孔套管井在最大地应力方位射孔时,套管与水泥环外部地层最容易起裂;随地层弹性模量和泊松比的增大,起裂压力逐渐升高;对比"套管+地层"、"套管+水泥环+地层"2种模型下的起裂压力,发现在考虑水泥环的情况下起裂压力更高。结合渤海油田垦利6-4区块A井现场实际压裂施工情况,将井周应力分布新模型计算得到的起裂压力与实际井底闭合压力进行对比,两者误差为5. 7%,符合现场作业实际。研究结果对于定向射孔水力压裂设计有一定的指导意义。     

径向位移对井壁稳定性影响的分析方法

为研究地层岩石在弹性状态下载荷极限和径向位移对井壁稳定性的影响,引入地层弹性载荷系数λ,建立弹性载荷系数和径向位移定量分析模型。该模型证明在井周方位90°和270°处的弹性极限载荷系数和径向位移最小,井壁承载附加应力和抗压力激动能力弱。将该模型应用于蓬莱2井须家河组地层井壁稳定性评价,研究发现,该段地层附加应力场激动时的弹性载荷系数允值应小于1.54,若弹性载荷系数大于1.82则径向位移易发生突变,导致井壁失稳扩径;径向位移下限值自上到下依次增大,井壁抗压力激动能力依次较强;泥岩与砂岩硬夹层径向位移差异较大,两者易产生接触滑动,导致井壁掉块扩径或下钻遇阻。     

多级脉冲气体加载压裂技术

多级脉冲气体松弛岩层地应力、压裂地层的过程中，裂缝内爆燃气体压力分布影响裂缝起裂扩展。应用叠加原理将作用于油水井壁裂缝的复杂载荷分解为单个简单载荷，通过设定与时间相关的气体压力分布函数，根据弹性力学、线弹性．断裂力学理论推导油水井射孔后高地应力约束条件下裂缝尖端应力强度因子，得到了爆燃气体压裂井壁岩层起裂扩展条件，该条件可以反映裂缝内随时间变化的气体压力梯度对裂缝形态的影响。算例分析和现场对比试验结果表明，多级脉冲气体加载压裂与单级高能气体压裂相比，起裂压力升高，止裂压力降低，对地层作用时间显著延长，得到的岩层裂缝长度是后者的。2～3倍，与水力压裂联作可显著降低地层破裂压力，进一步提高和改善地层渗透性。图3表1参11     

重复压裂前的地应力场分析

重复压裂是低渗透油藏增产稳产的重要措施之一,井眼周围和初次压裂裂缝附近的应力场分布对重复压裂裂缝的起裂和延伸有重要的影响。运用弹性力学和流固耦合理论,建立了原始地应力作用下的垂直井围岩应力、初次压裂裂缝诱导应力和孔隙压力诱导应力计算模型,实现了对重复压裂前井眼和裂缝附近地应力的定量研究;通过计算,得出了应力场和孔隙压力随空间和时间的变化特征。研究认为:孔隙压力变化和初次压裂裂缝在2个水平主应力方向产生的诱导应力,将改变初次压裂后井周的应力分布,并可能引起2个水平主应力的重定向;2个水平主应力的初始差值是决定应力是否发生重定向以及应力反转发生时间的关键因素。     

页岩气储层井周孔隙压力传递数值分析方法

由于页岩基质致密、层理和裂隙发育、富含黏土矿物,使得页岩具有超低渗透、各向异性和水敏等特性,钻井液与页岩接触产生的水化作用引起自由水在页岩中传输,从而导致井周孔隙压力不断变化,但现有方法并未考虑页岩物性特征的影响。为此,基于非平衡热动力学理论,建立了各向异性页岩的井周压力传递数学模型及有限差分求解方法,分析了井周压力分布特征、传递规律及影响因素。结果表明,各向异性页岩井周压力分布与井周角有关,并以主方向呈对称分布;钻井液化学作用对井周压力传递的影响显著,低浓度钻井液情况下井壁附近孔隙压力显著增加,而高浓度钻井液情况下却显著降低,井周压力传递集中在1倍井径范围内;井周孔隙压力的增加不利于井壁稳定,而孔隙压力的降低有利于井壁稳定;溶质扩散系数越小、膜效率系数越大、水力扩散系数越小,则井壁附近孔隙压力变化幅度越大;反之,孔隙压力变化幅度越小。该方法比常规方法更符合实际,且更加实用。