层状页岩储层水平井破裂压力模型

地层破裂压力对于钻井、完井和水力压裂都十分重要,但破裂压力预测时往往忽略了抗张强度各向异性的影响。为此,收集并分析了不同加载角度下页岩巴西劈裂抗张强度的各向异性特征,根据巴西劈裂实验数据对比分析了Hobbs-Barron(H-B)、Nova-Zaninetti(N-Z)、SPW和Lee-Pietruszczak(L-P)四种各向异性抗张强度准则,并基于水平井井壁应力解析解建立了考虑各向异性抗张强度后的地层破裂压力计算模型,分析了层理产状、井眼方位、各向异性程度、地应力及孔隙压力的影响。结果表明：层状页岩抗张强度各向异性特征显著,且抗张强度随着加载角的增加而增加;N-Z和L-P准则计算的抗张强度与多种页岩的实验结果吻合程度相对较好。低倾角的层理对破裂压力几乎没有影响,而高角度层理对破裂压力影响显著,各向异性影响下的破裂压力显著下降,破裂压力降幅随各向异性指数增加而降低,且最高降幅接近20%(最大值18.44%),说明各向异性的影响不能忽略。破裂压力随地应力比值σv/σH和孔隙压力的增加而减小,随地应力比值σH/σh的增加而增加,而且,地应力比值和孔隙压力增加后,各向异性的影响进一步加剧。该模型提高了地层破裂压力计算的精度,可为层状页岩地层水平井钻井、完井和水力压裂等工程设计和施工提供理论依据和参考。     

井下工程参数测量短节的有限元分析

旋转导向钻井技术能够成功实现的关键是实时测量出近钻头的钻井工程参数。为此,基于应变测试技术,研制出井下工程参数测量短节。对井下工程参数测量短节进行了有限元分析和研究,分析短节在井下的应力状况。结果表明,测量短节完全能够满足正常的井下施工要求,最大应力在铰孔孔边位置,在大圆孔和小圆孔处均出现明显的应力集中现象,在各个台阶和沟槽处也出现了不同程度的应力集中;通过理论分析找出了测量短节在钻柱上的合理安装位置,即不宜将测量短节安装的位置偏离中和点以上过多。     

井壁失稳风险的可靠度理论评价方法

国内外学者针对井壁稳定的问题已经开展了较为深入的研究,建立了多种经验模型、解析模型和数值模拟方法,但针对输入参数的不确定性及其对井壁稳定分析结果影响的研究则较少、认识尚不明确。为此,以井壁稳定力学解析模型为基础,结合可靠度理论下的一次二阶矩方法,建立了基于可靠度理论的井壁失稳风险评价方法,研究了不同钻井液当量密度下的井壁稳定可靠概率,并考察了参数不确定程度对井壁稳定分析结果的影响规律。研究结果表明:①井壁稳定输入参数的分布规律基本满足正态分布,变异系数越高,则样本数据的不确定性越强,对井壁稳定分析结果的影响将更加显著;②随着钻井液当量密度的增加,井壁垮塌的概率逐渐降低,但井壁被压漏的概率也逐渐增加,在井壁坍塌和破裂可靠概率曲线交点以下能够找到一个合适的安全窗口;③各地质因素不确定性对井眼稳定的影响顺序为:地应力孔隙压力岩石强度。结论认为,在井壁稳定分析中准确确定地应力的大小、降低其不确定程度的影响,可以提高井壁稳定评价的准确性。     

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。     

焦石坝页岩气储层水平井井壁失稳机理

焦石坝区块页岩气储层岩石层理发育,导致页岩强度各向异性特征明显,钻井过程中易发生井壁失稳问题。为此, 采用龙马溪组井下岩心开展直接剪切和三轴实验,结合单组弱面强度理论,建立了页岩强度各向异性表征方法;综合页岩强度各向异性表征方法、井壁应力分布模型,建立了页岩井壁坍塌压力计算方法;最后,以目标井JY1HF 井为例进行了实例计算与分析。结果表明:龙马溪组页岩发育了大量软弱层理,沿软弱层理剪切滑移是井壁失稳的主要力学机制;钻井液浸泡后页岩强度出现劣化,但强度劣化效应并不十分显著;常规模型计算的坍塌压力随着井斜角增加而减小,文中模型计算的坍塌压力随着井斜角先增加后减小,且计算结果与实际情况更加吻合;页岩薄弱层理的剪切滑移是井斜井段井壁垮塌的关键,而强度的劣化并不是主控因素。研究结果可为礁石坝区块和其他地区页岩气井钻井设计、轨迹优化等提供参考。     

深水表层钻井关键技术及装备研究应用现状

深水表层钻井直接决定深水钻井作业的成败。为此,调研了深水表层钻井遇到的问题,分析并总结了动态压井、喷射下导管钻井、无隔水管钻井、双梯度钻井、人工海底和三维地震等深水表层钻井关键技术及其装备的原理、技术特点、适应能力及技术难点。针对深水表层钻井遇到的困难和风险,应建立"预防为主,综合控制"的理念,增加风险预测和监测的研究。钻前应用三维地震等技术对浅层危害进行预测,降低事故发生率;在钻导管段时,将动态压井钻井和旋转导向控制技术联合使用,以提高导管下入的成功率和质量,最终实现"安全、高效、优质"钻井。     

井下微流量测量装置节流压差规律研究

深层和超深层地层钻井通常存在钻井安全密度窗口窄和井控难度大等问题,传统的解决措施是对井下溢流进行早期监测,对于深井和超深井早期监测存在误差大及信息滞后等问题。鉴于此,根据井下微流量测量装置特点,以单个节流元件为基础,结合流体力学基本原理,建立了流量压差计算理论模型,并利用流体动力学模拟对理论模型进行了验证。研究结果表明:理论压差计算模型对微流量测量装置压差计算具有较高的精度和准确性;钻井过程中,流体流量增大,节流压差将会增大且增幅逐渐增大;井下环空流体稳定时,当井下发生井径缩小或溢流等复杂情况时,节流压差大于正常工况下节流压差,节流压差随井径缩小率或溢流量增大而增大且节流压差增幅逐渐增大。建议进一步建立微流量测量装置压差多相流模型,并对多种工况同时发生时井下微流量测量装置压差变化规律进行研究。所得结论可为深井和超深井钻探中溢流监测技术的现场应用提供参考。     

深水表层钻井随钻压力与温度监测装置设计

深水表层钻井随钻压力与温度监测装置是监测深水表层钻井过程中井底当量循环密度（ECD）和循环温度的重要工具。通过深水表层钻井随钻压力与温度监测装置,现场技术人员可以实时掌握井下环空压力、钻柱内压和温度等工程参数,进而了解和分析井下工况,为深水表层钻井作业和动态压井钻井技术提供指导。设计的深水表层钻井随钻压力与温度监测装置以ARM为核心,利用数据采集技术和通信技术,实现了随钻压力与温度的采集传输。完成的深水表层钻井随钻压力与温度监测装置具有体积小、功耗低、抗振动和抗高温和低温的优点。监测装置已经在我国南海第一口深水井LW6—1—1井的领眼井中成功进行应用试验,验证了其在深水无隔水管钻井条件下的机械强度、稳定性、可靠性,测量得的数据能真实反映钻井工况。     

基于可靠度理论的斜井井壁失稳风险评价方法

由于地质环境的隐蔽性和复杂性,地质力学参数和岩石力学参数具有很大的不确定性,井壁稳定分析中忽略不确定的影响可能导致钻井液密度设计不合理,进而直接影响钻井井壁稳定。国内外学者对确定参数条件下的井壁稳定开展了深入的研究,但对不确定参数条件下井壁稳定影响的研究并不深入,尤其是对于任意斜井失稳风险的评价。为此,在井壁稳定孔弹性力学模型和崩落宽度模型基础上,建立了基于可靠度理论的井壁失稳风险评估方法,采用Monte-Carlo随机方法模拟了四川盆地CW气田直井、斜井和水平井的井壁失稳风险,并系统分析了参数均值和方差对井壁失稳的影响规律。研究结果表明：①随着井斜角增加,井壁坍塌当量密度显著增加,井壁破裂当量密度显著降低,不同井型失稳风险与常规井壁稳定规律基本一致。②考虑参数不确定影响后,坍塌当量密度增加、破裂当量密度降低,安全密度窗口逐渐变窄,说明参数不确定影响不可忽略。③崩落宽度对井壁坍塌影响显著,崩落宽度越大则井壁坍塌可靠度越高,在不发生井壁失稳事故的前提下,允许适当的井壁崩落有助于提高成功钻井概率。④4参数均值和变异系数敏感性分析结果表明,影响井壁稳定最为显著的因素为地应力,其次为孔隙压力和岩石强度;随着变异系数的增加,坍塌当量密度逐渐增加、破裂当量密度逐渐降低,安全密度窗口逐渐变窄,井壁失稳的风险越高。     

基于井壁稳定分析的井眼轨迹优化方法

井壁稳定问题是钻井工程关注的焦点之一,但目前基于井壁稳定分析优化井眼轨迹方面开展的工作还很少。为此,基于斜井井壁应力分布模型和井壁失稳破坏模式,分别采用Mohr-Coulomb准则、Drucker Prager准则和拉张破坏准则导出了维持井壁稳定的钻井液安全窗口上下限计算模型,利用数值计算方法建立了安全密度窗口、安全和危险井眼轨迹的求解方法,计算和分析了6种典型地应力状态下的井壁稳定性,并分析了相应地应力状态下安全和危险的井眼轨迹。结果表明:①Mohr-Coulomb准则计算结果高于Drucker-Prager准则,主要由于Mohr-Coulomb准则忽略了中间主应力的影响,低估了地层岩石的强度;②在σ_v≥σ_Hσ_h情况下沿最小水平地应力钻进稳定性最好,σ_Hσ_vσ_h情况下钻进稳定性最好的方向为偏离最大水平地应力30°~45°的方向上,σ_(11)σ_h≥σ_v情况下沿最大水平地应力钻进稳定性最好,σ_H=σ_vσ_h情况下直井稳定性最好;③数值计算方法得出的安全井眼轨迹与AZ模型吻合较好,验证了该方法的正确性和准确性。数值计算方法可以直观给出不同轨迹下的安全密度窗口,对于窄安全密度窗口地层,可采用该方法优化井眼轨迹改善井眼稳定性。