水化作用对南海东部泥页岩地层井壁坍塌的影响分析

在我国南海东部油气田钻遇韩江组和珠江组的钻井过程中,常遇到泥页岩井壁坍塌问题,制约了钻井速度,造成了一定的经济损失。为此,分析了该地区泥页岩地层井壁失稳机理,通过试验确定了泥页岩吸水扩散系数,研究了泥页岩吸水对其抗压强度、弹性模量等力学参数的影响规律,根据Mohr-Coulomb准则计算了泥页岩水化后井壁坍塌压力随井眼钻开时间的变化规律。这对解决该海域泥页岩地层井壁坍塌问题有较大的指导意义。     

苏里格气田泥页岩井壁水化损伤失稳周期确定

钻井过程中复杂的应力和固液作用,使围岩产生了水化扩散和水化膨胀,改变了其中的应力场和力学参数,从而导致泥页岩井壁失稳。通过试验研究,探讨了泥页岩井壁围岩水化随时间和空间的变化规律以及岩石弹性模量和抗压强度随含水率变化的损伤弱化规律,进而结合强度变形破坏理论推导出泥页岩遇水后的损伤演化方程、损伤演化极限方程和确定坍塌周期的方法。应用该方法,得出苏里格气田泥页岩井壁坍塌周期为6.8 d左右。     

玉门油田青西区块易坍地层井眼坍塌周期研究

玉门油田地层的岩性复杂,砂岩、砾岩、膏盐岩、石膏质泥岩、白云岩和泥岩分布的规律性差,地层中这些岩性交互出现,加之部分构造中含有厚度差异巨大的推覆体地层,使地质预测的难度大,预测的准确性差,这种 复杂地层往往使井身结构设计、建井周期和预期目标相差非常大。由于膏盐岩、石膏质泥岩和泥岩易水化膨胀,导致井周岩石的应力状态将会发生变化,表现为坍塌压力随水化时间和地层到井轴的距离的改变而改变。因此,在考虑水化的情况下,井眼的稳定性不能用固定的坍塌压力值来表示,需要确定地层的修正坍塌压力,进而比较准确的确定坍塌周期。
     

一种基于页岩损伤规律的井壁坍塌压力确定方法

页岩的破坏有劈裂式、单剪切式、双剪切式等3种模式,而目前常用于预测井壁坍塌压力的Mohr-Coulomb准则仅适用于发生单剪切式破坏的井壁。针对该问题,首先基于最小耗散能原理和损伤力学,建立了包括页岩损伤演化方程、损伤阈值应变计算式、极限损伤变量计算式的页岩损伤力学模型;然后,以具有代表性的塔里木盆地群库恰克地区页岩地层标准岩心为研究对象,进行了常三轴抗压室内试验,并将试验得到的应力-应变曲线与理论曲线进行了对比分析,发现吻合较好;最后,将理论模型与室内试验结果相结合,研究了应变能密度与岩石破坏时应变、损伤阈值应变之间的关系曲线,并确定出维持井壁稳定的最低钻井液密度。分析认为,利用该种维持井壁稳定最低钻井液密度的确定方法,可以确定页岩地层的井壁坍塌压力。     

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。      

一种基于页岩损伤规律的井壁坍塌压力确定方法

页岩的破坏有劈裂式、单剪切式、双剪切式等3种模式,而目前常用于预测井壁坍塌压力的Mohr-Coulomb准则仅适用于发生单剪切式破坏的井壁。针对该问题,首先基于最小耗散能原理和损伤力学,建立了包括页岩损伤演化方程、损伤阈值应变计算式、极限损伤变量计算式的页岩损伤力学模型;然后,以具有代表性的塔里木盆地群库恰克地区页岩地层标准岩心为研究对象,进行了常三轴抗压室内试验,并将试验得到的应力-应变曲线与理论曲线进行了对比分析,发现吻合较好;最后,将理论模型与室内试验结果相结合,研究了应变能密度与岩石破坏时应变、损伤阈值应变之间的关系曲线,并确定出维持井壁稳定的最低钻井液密度。分析认为,利用该种维持井壁稳定最低钻井液密度的确定方法,可以确定页岩地层的井壁坍塌压力。      

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。      

川南龙马溪组深层页岩井壁失稳原因分析及对策

川南龙马溪组深层页岩储层在钻井过程中井壁失稳严重,井下遇阻现象频发,增加了施工成本与后期作业难度.为此,开展井下岩心水理化及力学性能实验研究,结合实验结果综合分析龙马溪组地层动、静态井壁失稳原因,并制订井壁稳定技术对策.结果表明:川南地区龙马溪组地层页岩脆性矿物含量高,岩性整体致密,力学强度高;垮塌井段内小层交替变化频...     

川南地区龙马溪组页岩润湿性分析及影响讨论

国内外大部分学者研究认为泥页岩表面润湿性为水湿,而页岩气藏中页岩岩石存在有机质影响,页岩表面润湿性表现比较复杂,因此选择四川盆地龙马溪组野外露头及井下岩心进行分析,通过开展一系列实验,研究分析了龙马溪组页岩润湿性,并从3个方面初步探索讨论了润湿性对页岩气藏的影响。研究结果表明龙马溪组页岩表面既亲油又亲水,且页岩表面更倾向于油湿,页岩岩石孔隙表面处润湿性存在差异,出现非均匀润湿性即斑状润湿|页岩自吸吸水率、吸油率随时间增加而先上升后趋于稳定,页岩自吸吸水率大于自吸吸油率|页岩浸泡在水中水化应力随着时间增加而先呈上升后趋于稳定,而先浸泡白油后浸泡水中水化应力上升速度减慢|页岩硬度随浸泡时间增加、浸泡温度升高以及浸泡压力增大而呈下降趋势,其中浸泡白油中硬度下降幅度较小,而浸泡水中硬度下降幅度较大|页岩表面吸附特性与表面自由能有关,表面自由能随水接触角减小而增大,同时页岩表面亲油对气态烃有较强吸附能力|页岩表面亲水性易造成水锁,而表面亲油性可减轻水锁伤害,页岩气藏水锁伤害评价应考虑页岩表面既亲油又亲水特性影响|油基钻井液对页岩强度影响较小,而水基钻井液对页岩强度影响较大,易造成井壁失稳,水基钻井液体系优化需考虑抑制其水化作用。     

泥页岩井壁稳定耦合研究

从实验和理论研究2个方面,对近年来国内外泥页岩井壁稳定耦合研究的现状进行了分析。目前,泥页岩井壁稳定耦合研究主要有3种方法:一是通过泥页岩水化实验和吸水实验,用热弹性比拟法研究由于含水量变化引起的水化应力;二是通过压力传递实验,用非平衡热动力法研究化学渗透作用引起岩石内部孔隙压力变化而导致的附加应力;三是通过压力传递与水化实验,用总水势法研究基于膨胀机理和耦合渗透流动而导致的膨胀应力。通过分析认为,泥页岩井壁稳定的研究虽然取得了一定成效,但仍然存在着复杂的问题和不足,还需要进一步深化机理和应用方面的研究。     

基于井眼坍塌角度和坍塌深度预测模型的泥岩水平段井壁稳定性评价方法

在水平井钻进过程中,泥岩水化会导致岩石强度逐渐降低。目前依据临界坍塌压力确定的钻井液密度只能维持初始阶段井眼平衡,难以保持整个钻进过程中水平井井壁稳定。为此,根据线弹性岩石力学理论,结合Mohr-Coulomb准则,建立了泥岩水化后的井眼坍塌角度和坍塌深度模型,分析不同地应力作用下井眼的破坏程度和扩径率。结果表明,井眼坍塌深度随着岩石强度衰减而增大,总体坍塌面积增大;随着岩石浸泡时间增加,岩石强度和弹性模量逐渐减小,岩石泊松比和内摩擦角逐渐增大,适时调整钻井液密度才能减少岩石强度衰减造成的井眼坍塌。在一口水平井案例应用中,利用建立的岩石强度衰减井眼扩径率模型,设计了井眼扩径率与合理钻井液密度匹配图版,根据该图版适时定量调整钻井液密度,可有效改善井眼坍塌风险。该方法可为水平井地层强度衰减的井壁稳定评价及合理钻井液密度设计提供理论依据。     

龙马溪组页岩强度评价与分析

准确全面地评价页岩储层的岩石强度,对页岩水平井井壁稳定性研究具有重要意义。针对龙马溪组页岩储层的特性,采用抗压法、屈曲硬度法和刻划测试法等多种评价方法,对其页岩抗压强度进行了综合评价与分析。评价表明,龙马溪组页岩的抗压强度大体为100~300 MPa,平均为123.71 MPa;与水接触后,页岩微裂缝附近的抗压强度可降低80%左右。研究表明,龙马溪组页岩的抗压强度受矿物组分相对富集的影响较大,石英含量高、黏土矿物含量低的区域抗压强度大;微裂隙对页岩整体强度具有决定性影响;在页岩水平井采用水基钻井液钻进时,必须加强对微裂隙的封堵能力,才能有效降低井壁失稳的风险。      

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。     

昭通龙马溪组页岩坍塌风险分层研究与应用

昭通国家级页岩气示范区龙马溪储层灰岩分布不均,采用高密度油基钻井液钻井时坍塌、溢流、气侵等井下复杂事故频发。统计26口井的复杂工况发现,地质分层与井下工况发生层位的关联性较差。首先对地质分层和复杂事故的非关联性分析,总结为储层地质力学参数各向异性、纵向水平应力差异、井眼轨迹与地层倾角、岩性差异和弱面结构等因素。以安全钻进为主要目标,在工程角度提出井壁坍塌风险分层。相较传统地质分层不仅考虑岩性差异,井壁坍塌风险分层还综合了岩石弱面结构、地应力状态和钻进参数等综合指标。最后针对典型井复杂小层进行坍塌风险评价,进行安全钻井液密度窗口优化和优选井斜角和方位角。建议按安全钻井液密度窗口下限进行钻进,在高坍塌风险层提高钻井液的封堵性、降低井壁渗透率能够在很大程度上避免复杂事故发生。探索井壁坍塌风险分层能有效指导钻井工程作业,优化工程设计方案,为深部页岩储层长水平段安全钻井提供科学依据。     

物理-化学耦合作用下泥页岩坍塌周期应用研究

基于泥页岩地层井壁周期性失稳的特点,将泥页岩地层视为孔隙介质进行分析,根据多孔热弹性理论及泥页岩的本构关系,考虑泥页岩地层在温度、孔隙压力、泥页岩水化等因素的耦合作用,建立了耦合数学模型,得出了不同泥浆体系和不同泥浆密度下泥页岩井壁的坍塌周期。在西部巨厚、复杂的泥页岩地层井壁失稳的研究中表明,其应用效果和实际情况吻合较好。     

川渝地区龙马溪组页岩储层水化特征评价方法

为有效评价页岩地层水化特征变化规律,引入了新评价方法,并对川渝地区龙马溪组页岩的储层水化特征进行了评价。分析了川渝地区龙马溪组页岩的岩石组构和理化特征,证明滚动回收、线性膨胀等常规试验方法不能有效评价不同钻井液条件下龙马溪组页岩的井眼稳定性能;分别介绍了基于岩石强度刻划技术的页岩力学性能评价方法、基于CT层析成像技术的裂缝扩展评价方法和基于压力穿透技术的微裂缝封堵评价方法,并用取自川渝地区龙马溪组的页岩岩心进行了评价试验。试验发现,岩石连续刻划技术可定量评价页岩微观组构对水化后页岩强度的影响程度,CT层析成像技术可用于直观描述水化后页岩内部微观结构的变化,压力穿透试验可有效评价压力在页岩中的穿透效应,并可指导页岩封堵材料粒径的选择。研究表明,上述3种方法可有效评价川渝地区龙马溪组页岩水化后性能的变化,可作为该地层井眼稳定性评价的常用方法。      

考虑三向应力作用的渤南泥页岩地层坍塌压力

渤南区块罗家地区沙三储层以泥页岩为主,泥页岩厚度大、分布广,有机碳含量高,富含油气。但是该组地层微裂缝发育,岩石强度各向异性明显,加上水化作用影响,水平井钻井过程中井壁稳定问题突出,使用传统坍塌压力预测模型不能有效计算泥页岩储层的坍塌压力,普通考虑弱面的分析模型通常忽略了中间主应力对岩石强度的影响,预测结果也不如意。在对罗家地区泥页岩矿物成分和微裂缝分布情况分析的基础上,基于弱面强度理论,综合考虑三向应力的影响,建立了更精确的坍塌压力预测模型。实例分析表明,对于该区域的泥页岩钻井,一味地增大钻井液密度并不能保证井壁稳定,该区块岩石碳酸盐矿物含量较多,原始强度较高,且地层孔隙度低,如果使用控压钻井,使井底压力略低于地层压力,可增加岩石强度,增大井壁稳定性,并降低钻井成本,增加钻速。      

川南威荣页岩气田五峰组-龙马溪组页岩沉积相特征及其意义

以川南威荣页岩气田五峰组-龙马溪组典型取心井为例,基于岩心观察,有机碳测试、生物鉴定、现场含气量解析和测录井等资料开展了富有机质页岩微相划分。五峰组-龙马溪组一段沉积相主要为深水陆棚亚相,根据矿物组成不同可划分为6种微相：黏土质硅质、富硅生物、硅质黏土质、钙质黏土质、含钙富黏土和富黏土深水陆棚微相。纵向上,前4种页岩相带具有高有机质丰度（≥ 3%）、高孔隙度（≥ 5%）和高含气量特征（≥ 2 m³/t）,其中高有机质丰度为页岩气生成提供物质基础,同时生烃过程中产生大量的有机孔为页岩气赋存提供空间,尤其是富硅生物页岩脆性矿物含量高,具有高孔、高渗特征,工程上易于压裂,是页岩气富集最有利相带和页岩气勘探开发的甜点层段;横向上,这4种有利相带在威荣页岩气田的西区较厚,其勘探潜力优于东区。     

层理性地层井壁坍塌失稳规律研究

渤海油田中深部地层微裂隙、节理和层理发育,基于传统完整性地层预测的坍塌压力不符合实际,需考虑强度各向异性的影响。鉴于此,基于弹性力学与结构面强度理论,假设地层中存在一组或两组低强度弱面,建立了井壁坍塌失稳预测模型,分析了单弱面与双弱面条件下坍塌压力随弱面倾角与走向的变化规律。分析结果表明:考虑弱面存在的地层坍塌压力远大于各向同性地层;单弱面下,坍塌压力最高值随井斜角增大从弱面倾角60°～90°逐步向45°～60°转化,定向井沿弱面反向坍塌压力最低,水平井沿弱面方位与相反方位坍塌压力值相同且均为最低值;双弱面下,2组弱面倾角夹角为0°时坍塌压力最低,坍塌压力最高值随井斜角增大从弱面倾角夹角60°～90°向30°～60°转化;走向夹角为0°时坍塌压力最低,定向井坍塌压力最大值出现于夹角90°～135°和270°～315°内,水平井走向夹角相差180°时坍塌压力相同且极大值与夹角无关。采用本预测模型对渤中构造深井进行了实例分析,井壁坍塌压力分析结果与实际情况比较接近,对现场作业有一定的指导意义。     

利用测井资料计算泥页岩地层的坍塌压力

本文利用测井资料和非线性弹性理论对某油田X区块的地层坍塌压力进行计算。通过现场资料检验,该方法和结论对于保护X区块的井壁稳定及钻井设计和施工都具有指导意义。