井壁稳定性评价准则分析

井壁坍塌失稳大多由于井周岩石的剪切破坏造成,而剪切破坏准则的选择是井壁稳定性预测的关键因素。通常使用的Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则都存在明显的缺点,致使井壁稳定性预测结果不准确。于是,引进了一种新的破坏准则——Mogi-Coulomb准则。该准则较为合理地考虑了中间主应力对岩石强度的影响,使强度预测结果更加准确。为验证其优势,利用岩石真三轴试验数据对3种准则的强度预测结果进行了对比分析。结果表明:在真三轴应力状态下,Mogi-Coulomb准则预测岩石强度的精度要高于Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,且具有表达简单、使用方便、预测结果准确等优点。因此,建议推广使用Mogi-Coulomb准则预测井壁稳定性。     

硬脆性泥页岩地层井壁稳定性研究

北部湾盆地流沙港组属于典型硬脆性泥页岩地层,地层层理、微裂缝发育明显,非均质性强,钻井过程中易引发井下复杂情况和事故。基于页岩理化室内实验结果及力学参数,根据页岩水化分析结果和页岩破坏准则,建立了井壁稳定力化耦合模型。实例验证及影响因素分析结果表明:本文建立的井壁稳定力化耦合模型能更准确预测地层坍塌压力分布;层理面的存在会显著增加地层坍塌压力当量密度,不同层理产状使得坍塌压力分布更为复杂;当硬脆性泥页岩与流体作用时,岩石强度下降且层理面受水化影响更为明显,从而导致坍塌压力上升,尤其清水作用后地层坍塌压力上升幅度明显高于钻井液作用。本文研究结果可为泥页岩地层井壁稳定性研究提供参考。     

基于扩容强度准则的硬脆性泥岩坍塌压力计算模型

在低围压下，硬脆性泥岩在应力状态达到峰值强度前易发生扩容，当应力状态超过扩容强度后，钻井液水化作用对岩石强度的削弱增快增大，引起井壁坍塌，需制定合理的钻井液密度保持井壁稳定性。采用实验研究和理论分析相结合的方法，对硬脆性泥岩组构特征、水理性质、变形规律、强度准则和预应力后的浸泡钻井液强度变化规律进行研究，推导了基于扩容强度准则的硬脆性泥岩的井壁坍塌压力计算模型和参数计算方法，并进行了实例分析。结果表明，钻井液密度高于以峰值强度为准则计算的坍塌压力，低于以扩容强度为准则的坍塌压力，导致井周地层进入扩容状态，井周地层产生应力诱导微裂隙，激发了钻井液水化作用是井壁坍塌的根源。以扩容强度为准则确定坍塌压力，制定钻井液密度更加合理。     

大位移井井壁稳定机理及安全密度窗口分析

从井壁稳定的岩石力学机理出发,分析大位移井周的应力分布规律,建立大位移井井壁稳定的力学模型.根据库仑一摩尔强度准则和最大拉应力破裂准则,计算大位移井的井壁坍塌压力与泥浆安全密度窗口.利用Visual Basic语言编制了大位移井井壁稳定分析计算软件,分析影响大位移井井壁稳定性的因素,并计算大位移井的井壁坍塌压力与泥浆安全密度窗口.采用某油田的实际资料,计算出在不同井斜角和井斜方位角下的坍塌压力与泥浆安全密度窗口.计算结果表明,大位移井井壁坍塌压力、安全密度窗口与原地应力状态、井斜角和井斜方位角有直接关系,并提出了最优的井眼轨迹设计方案.     

海洋大位移井井壁力学稳定性研究

大位移井的井壁稳定对海洋油气开发过程中的正常钻井十分重要。文章从大位移井井壁稳定的岩石力学机理出发,分析大位移井井壁围岩的应力状态,根据地壳岩石的特性建立了海洋大位移井井壁稳定的各向同性线弹性力学模型,并根据库仑—摩尔强度准则和最大拉应力破裂准则给出了大位移井井壁坍塌、井壁破裂的条件。利用VisualBasic语言编制了Windows环境下的大位移井井壁稳定分析计算软件,利用该软件分析了影响大位移井井壁稳定性的因素,并定量计算大位移井的井壁坍塌压力。对东海某气田的实际资料进行计算处理表明,大位移井井壁坍塌压力与井斜度和井斜方位角有着直接的关系。大位移井井壁坍塌压力随井斜角与井斜方位角的变化规律主要由地层的原地应力状态决定。     

温度对岩石力学特性及井壁稳定性的影响

高温下地层岩石力学特性会发生明显转变,因此井壁稳定分析时需考虑温度的影响。文章开展了不同温度下岩石三轴压缩试验,分析计算了井壁当量坍塌压力和破裂压力随温度变化规律。试验结果表明,抗压强度和弹性模量均随着温度升高而逐渐降低,而泊松比随着温度升高先升高后降低。利用Mohr-Coulomb准则、MogiCoulomb准则和拉伸破坏准则分析了不同温度下井壁当量坍塌压力和当量破裂压力,结果表明随着温度降低,当量坍塌压力降低的幅度小于当量破裂压力降低幅度,安全钻井液密度范围逐渐变窄;随着温度升高,当量坍塌压力升高的幅度小于当量破裂压力升高幅度,安全钻井液密度范围逐渐变宽。由于M-C准则未考虑中间主应力σ_2的影响,所得结果较保守;随着温度升高,安全井眼轨迹分布区域略微减小。     

考虑有效膜压力的坍塌压力计算模型

川渝气区风险探井欠平衡井段的井眼扩径率普遍较高,井眼扩径率介于20%~30%,最高可达140%,增加了风险探井的钻探风险,而且欠平衡钻井井壁稳定的问题也尚未得到有效解决。为此,针对欠平衡井段井壁失稳机理开展了研究,提出了计算欠平衡钻井井壁坍塌压力的方法:通过引入有效膜压力系数,结合达西定律、地层流体状态方程、连续性方程,求解出井周压力分布解析解;依据叠加原理得到了井周应力分布模型,并采用Mohr-Coulomb准则推导出维持井壁稳定的最低钻井液密度计算模型;研究了欠平衡、过平衡、欠平衡转过平衡3种典型工况下的井周压力演化规律,并总结了欠平衡钻井井壁失稳的规律。结论认为:该模型反映了泥饼对井壁稳定的影响,由其计算得到的坍塌压力比常规模型计算所得的结果要高,说明有效膜压力系数对井壁坍塌的影响显著,而岩石强度(内聚力、内摩擦角)、地应力、岩石孔隙度等参数对井壁坍塌的影响则相对较小,采用该模型计算的结果更加符合现场实际。     

页岩层理弱面对井壁坍塌影响分析

受层理特征的影响,页岩地层的井壁坍塌形状与坍塌压力不再与各向同性地层表现一致。基于Jaeger弱面强度准则计算了井壁坍塌区域分布与坍塌压力大小,结果表明:井壁坍塌是页岩基质与弱面破坏叠加的结果,且当层理弱面倾斜角增大时,井壁坍塌逐渐受层理弱面破坏主导,坍塌方位不再与水平最小地应力方位一致,即井壁坍塌区域发生偏转,井壁坍塌形状由对角破坏演变为四角破坏;各向异性地层井壁坍塌压力只沿水平最小地应力(层理面倾向)对称分布,最优钻井方位不再仅沿水平最小地应力方位,而是应结合层理弱面的倾向,尽量减小井眼轨迹与层理弱面法向夹角;考虑钻井液侵入对井周地层压力的改变与地层强度的降低,钻井液的使用应在确保井壁力学稳定性的同时提高钻井液封堵性且使用尽量小的钻井液密度。本文研究结果可为预防页岩井眼钻进过程中井壁坍塌提供参考。     

破碎性地层坍塌压力计算模型

破碎性地层裂缝、微裂缝及层理十分发育,地层各向异性明显,地层坍塌压力高,安全钻井液密度窗口窄,在低井筒液柱压力下井壁易垮塌,在高井筒液柱压力下又容易发生井漏。不同于均质各向同性地层,这类地层的井壁围岩力学稳定性主要取决于这些单元体结构面的强度(抗滑能力)。当单元体所受应力超过了其结构面抗滑能力时,井壁围岩即出现滑动失稳。由均质各向同性地层井壁力学稳定性分析理论出发,引入地层岩石破碎程度指数Bd来定量的描述地层岩石破碎程度对井壁围岩等效应力状态的影响,并根据Mohr-Coulomb准则建立了破碎性地层坍塌压力计算式,Bd值越大,井壁坍塌压力越大,井壁越易失稳,实例计算表明所建立的模型计算结果与工程实际吻合较好。     

川西深层井壁稳定及参数敏感性研究

井壁稳定性研究足工程方案决策的重要依据,以Mohr-Coulomb准则为基础,分析了对井壁稳定性判断产生影响的各项参数,以及在川鸡深层条件下,井壁稳定性判断中各项参数对地层坍塌压力和破裂压力计算结果的影响程度。通过实例分析表明,在川西深层条件下,地应力、地层孔隙压力和岩石的弹性系数等参数的准确程度对井壁稳定性分析结果影响程度最大,而其它岩石力学参数的影响次之。分析结果同时证明,如果在川西深层采用定向井钻井,其井壁稳定性将不会因为井斜角、相对方位角的变化而变差,且地层破裂压力会随井斜角和相对方位角的增加而大幅提高。     

温度对超深裂缝性地层井壁稳定性的影响

温度效应对钻井井壁围岩稳定性的影响不可忽略,特别是超深（>6000 m）裂缝性地层。传统考虑温度效应的坍塌压力预测模型主要适用于连续性地层,温度对裂缝性地层坍塌压力影响的文献研究较少。针对上述问题,首先通过杜哈梅原理确定温度变化产生的诱导应力场,然后利用坐标转换,考虑裂缝渗流场和温度场耦合,获得裂缝面上应力分布特征,最后,将裂缝面应力场代入岩石破坏准则,建立了考虑温度效应的裂缝性地层井壁失稳预测力学模型,研究了温度和裂缝特征对井壁稳定性的影响。研究表明,相同应力和裂缝产状条件下,钻井液循环引起的井壁温度降低增大了井壁垮塌的程度,这与传统模型认为循环引起的温度降低有助于井壁稳定的结论相反;井筒液柱压力一定的条件下,井壁稳定性随裂缝产状发生变化,存在裂缝产状敏感区。对于超深裂缝性地层,随着钻井液循环导致井壁围岩温度降低,增大了井壁失稳风险和程度,在防止井壁失稳的坍塌压力当量密度设计方面应考虑温度和裂缝特征的影响。     

温度对超深裂缝性地层井壁稳定性的影响

温度效应对钻井井壁围岩稳定性的影响不可忽略,特别是超深（>6000 m）裂缝性地层。传统考虑温度效应的坍塌压力预测模型主要适用于连续性地层,温度对裂缝性地层坍塌压力影响的文献研究较少。针对上述问题,首先通过杜哈梅原理确定温度变化产生的诱导应力场,然后利用坐标转换,考虑裂缝渗流场和温度场耦合,获得裂缝面上应力分布特征,最后,将裂缝面应力场代入岩石破坏准则,建立了考虑温度效应的裂缝性地层井壁失稳预测力学模型,研究了温度和裂缝特征对井壁稳定性的影响。研究表明,相同应力和裂缝产状条件下,钻井液循环引起的井壁温度降低增大了井壁垮塌的程度,这与传统模型认为循环引起的温度降低有助于井壁稳定的结论相反;井筒液柱压力一定的条件下,井壁稳定性随裂缝产状发生变化,存在裂缝产状敏感区。对于超深裂缝性地层,随着钻井液循环导致井壁围岩温度降低,增大了井壁失稳风险和程度,在防止井壁失稳的坍塌压力当量密度设计方面应考虑温度和裂缝特征的影响。      

BZ13-1油田井壁稳定性研究及应用

位于渤海中部海域的BZ13-1油田在前期钻井中存在溢流、井漏、阻卡等较多复杂问题,制约了钻井速度。井壁稳定的力学分析方法主要利用钻井资料、测井资料、录井资料等,分析地层压力、地应力、地层强度参数的分布规律,结合岩体强度准则计算坍塌压力与破裂压力,得出钻井安全密度窗口。通过对BZ13-1油田井壁稳定性进行分析,得出了高压层、易漏失层、易坍塌层位置,并据此对开发井进行井身结构设计,分析结果在开发井钻井中取得了良好的应用效果,有效减少了钻井复杂问题。     

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。     

沁水盆地煤层气井坍塌压力预测

针对煤层气井井壁稳定问题,应用力学分析方法从井壁应力分布入手,根据斜井井壁稳定力学模型,分别结合Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,建立水平井筒井壁坍塌压力计算公式。应用所建立的公式对沁水3#煤层羽状水平井坍塌压力进行了预测。计算结果表明,井眼沿最大水平主应力方向时,坍塌压力为负值,这种情况下煤层气井不会坍塌,井眼稳定;当井眼沿最小主应力方向时,坍塌压力高于或者略低于地层压力,说明煤层羽状井眼不稳定,会产生煤粉;当井眼介于最大和最小水平主应力之间时,其坍塌压力在所计算的两个压力之间。     

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。     

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。      

漠河冻土模拟岩样三轴力学试验及强度多元回归分析

在冻土地层钻探过程中,不合理的作业方案可能引发井壁坍塌、井口沉降等一系列工程问题,而弄清深层冻土力学演化规律是施工设计的基础.为此,用漠河冻土重塑了不同深度冻土的模拟岩样,开展了不同围压、温度条件下的冻土三轴力学试验,分析了不同条件下的冻土应力–应变曲线特征.通过多元回归方法对冻土强度进行了统计分析,进一步构建了冻土强...     

Study on Mechanisms of Borehole Instability in Naturally Fractured Reservoir During Production Test for Horizontal Wells

During the production test for horizontal wells, down-hole pressure will drop down significantly to induce the crude oil flowing out of the wellbore, which always leads to wellbore collapse problems, especially in naturally fractured reservoirs. Hence, some special researches on this problem were carried out. Based on the mechanisms of wellbore stability and failure criterion of weak plane, the authors established the stress state around the horizontal wellbore and mathematical model of minimum down-hole pressures required to maintain the wellbore stable. This model is complex nonlinear equations, which involves several variables, including natural fracture occurrences, wellbore orientation, in situ stress, and rock strength. The combination impacts of these variables on the minimum down-hole pressure were quantified by solving this nonlinear model. The study helps deepen the understanding of the mechanisms of wellbore stability in naturally fractured reservoir.