钻井液浸泡对库车组泥岩强度的影响及应用研究

 通过岩石三轴抗压实验研究包含在用钻井液体系在内的多套钻井液体系对库车组泥岩强度特性的影响。在已有钻井液性能评价方法的基础上,结合泥岩受不同钻井液体系浸泡24 h后所表现出的应力–应变规律及浸泡前后岩石力学性能、岩石变形和破坏规律,对现用钻井液体系进行筛选和优化研究,获得对该泥岩地层具有更好稳定作用的钻井液体系;通过对不同钻井液体系浸泡前后岩石的强度测试结果,计算分析不同体系下的地层坍塌压力变化,成果应用到现场钻井,稳定井壁及提速效果显著。研究表明：通过优化钻井液体系可以调整和改变泥岩地层的强度特性,最佳状态下的钻井液应该使泥岩浸泡前后表现出基本相同的应力–应变规律;在现有钻井液评价技术中引入岩石强度特性研究成果,不仅将泥岩与钻井液的化学力学耦合作用主动地引到钻井液体系的优化设计当中,而且为从源头上遏制钻井液与目标泥岩地层之间可能出现的化学力学耦合作用对泥岩地层井壁稳定带来的不确定影响奠定了理论基础和方法基础;把钻井液体系设计与优化和井壁力学稳定性相结合,为获得钻井目标泥岩地层坍塌压力,实现低密度钻井液安全、高效钻井奠定了基础;泥岩与不同钻井液体系接触后表现出的变形破坏规律是泥岩地层钻井液稳定井壁性能优化的重要依据,根据泥岩浸泡前后应力–应变特征的研究可以实现对钻井液性能的评价和优选。     

水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

为了研究水－岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压，不同循环流速条件下，对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩，红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化学作用后；3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：（1）水溶液对岩石的力学效应与水－岩化学作用密切相关；（2）岩石的化学损伤与水－岩化学反应强度成正比；（3）水－岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应；（4）影响岩石化学损伤的主要因素有；岩石的物理性质和矿物成分，水溶液的化学性质，岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性，水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。     

川东自流井地层岩石力学参数的试验研究

本文用岩心实验的方法对川东地区自流井地层岩石进行了研究，茆是井壁稳定力学模型中的相关系数，建立了岩石抗剪强度破坏条件，为力泞求解及确定平衡压力当量密度提供了可靠垢数据。平衡压力当量密度的理论计算结果与实钻资料吻合。为该地区钻井液的正确选取提供了理论依据的设计方法。     

泥岩蠕变损伤试验研究

 在岩石蠕变过程中,施加载荷超过某个应力水平后,其强度会随着时间和应力逐渐降低,这种损伤规律可以定量地用岩石基本力学参数如弹性模量E、黏聚力c和内摩擦角j 降低的多少来反映。对宝鸡市秦源煤矿泥岩进行8个不同应力水平、3个不同时间段蠕变试验,采用单试件法测得泥岩蠕变过程中各力学参数E,c,j的变化值,对试验数据进行分析,建立该泥岩E,c,j随应力水平、长期强度及时间的耦合函数关系,它们之间呈指数衰减变化。分析耦合函数中各个系数的特点,得到泥岩力学参数损伤规律的通用表达式,式中各参数物理意义明确,测试简单。其研究结果为建立岩石损伤流变本构模型奠定基础。     

由实钻资料反演地应力及井壁稳定

 目前确定石油工程中地应力的方法均存在各自的局限性,为了得到直接反应地应力大小和方向的信息,提出一种基于实钻资料确定地应力的新方法,不将井眼看作理想的圆筒,而是通过力学分析建立井壁围岩的变形程度与岩石物理力学性质、地应力、孔隙压力及钻井液密度的关系,在此基础上由钻井液录井和常规测井,反演出地应力及孔隙压力,并进一步计算井壁坍塌和破裂压力。研究发现,破裂压力计算值与实测值符合较好,而反演得到的孔隙压力与实用钻井液密度符合,说明该方法合理可行。若结合随钻测量,该方法可实现地应力及井壁稳定的实时预测,应用前景广阔。     

正交各向异性地层井壁围岩应力新模型

 常规石油工程岩石力学分析中,通常把地层正交各向异性简化为横观各向同性,然而该简化在某些地层条件下并不适用。对实钻岩芯进行的力学性质测试结果表明,在垂直于井眼轴线平面内,不同方向岩石力学性质的差异是客观存在的。在各向异性材料力学的基础上,利用叠加原理,分别考虑钻井液柱压力、水平最大地应力以及水平最小地应力单独作用 种情况,建立正交各向异性地层井壁围岩应力分析新模型。实例计算结果表明,无论水平地应力是否均匀,只要地层力学性质是各向异性的,那么井壁岩石处的周向应力必然呈现非均匀分布特征。而且,地层各向异性条件下的井壁围岩应力极值均比各向同性条件下要大。因此,地层力学性质的各向异性使井壁岩石的受力状态明显恶化。这一特征应该在今后的相关工程问题力学分析中予以重视。     

浅部地层破裂压力预测研究

擅要地层的破裂压力对钻井液密度确定、井身结构设计和水力裂缝起裂形态预测有着重要的指导作用。井壁的破裂压力不仅取决于地应力，还与井眼形态和地层的强度各向异性有关。从地应力与岩石力学参数研究入手，分析井周应力场分布，根据起裂准则，建立了浅层破裂压力预测模型，并在现场得到了成功的应用。     

辽西花岗岩水–岩耦合力学特性试验研究

为了研究水–岩耦合作用对辽西花岗岩力学性质的影响,采用MTS–815岩石力学试验系统,通过对花岗岩试样施加不同的围压和孔隙水压力,对其变形破坏过程进行试验研究,分析水–岩耦合作用下辽西花岗岩的有效峰值强度、扩容现象、残余强度、峰后强度及其参数的演化规律。研究结果表明,有效峰值强度折减系数随孔隙水压力增大近似呈线性增长,但变化斜率随着围压增大而逐渐减小。在围压较小时孔隙水压对有效强度折减系数有明显的影响,在围压较大而孔隙水压较小时,施加应力压缩孔隙喉道抑制了孔隙水压对试样的作用。扩容起点是致密岩体水岩耦合作用增强的特征点,围压使得试样的扩容起点发生滞后,而孔隙水压力使得扩容起点提前发生,扩容现象与水岩耦合作用相互促进。水–岩耦合作用下试样的残余强度为对应状态峰值强度的21%~35%,Hoek-Brown常数随着围压的增大呈非线性增长,其值为3.5~5.0。峰后段试样的似内摩擦角变化不大,似黏聚力随着应变软化参数的增加有逐渐减小的趋势,而相同应变软化参数对应的似黏聚力则随着孔隙水压力的增大而减小,且似黏聚力、孔隙水压和应变软化参数间的关系可用3次样条曲面进行描述。     

超深井筒温度分布及其对围岩力学性质的影响研究

钻井液停止循环后井底温度回升,极易发生由于温度升高而造成的井壁岩石延迟破坏。为探究钻井液循环过程中,由于井筒温度变化而造成的井壁失稳问题,首先通过基于非稳态温度分布的数值计算方法,探究时间、工程参数对井筒温度分布的影响;此外,借助高温高压岩石力学试验机,进行不同温度下的细砂岩的强度实验,探究温度变化对岩石强度的影响规律。实验结果表明:钻井液开始循环后,井口附近温度随时间增加呈上升趋势,井底附近呈下降趋势,存在一个与时间有关的临界井深;温度变化主要集中在井筒附近很小的区域,并且在钻井液循环初期温度迅速降低;钻井液的排量、黏度、密度越大,井底附近的井壁温度降低幅度越大,其中,排量改变对井壁温度分布影响最为明显;温度增加使含裂缝岩样的破坏程度加剧,除滑移破坏,伴有断面破坏和端面破坏发生,在裂缝倾角–抗压强度关系中,温度升高对发生滑移的区域影响不明显;温度升高,岩样的抗压强度明显降低,应力–应变曲线变得曲折,存在明显的塑性变形段,破坏过程变得复杂。     

超临界CO2吸附效应对页岩地层井壁稳定影响研究

当利用超临界CO₂作为钻井液钻进页岩地层时，井壁稳定是重点关注问题。超临界CO₂与页岩相互作用复杂，而对于超临界CO₂吸附效应对超临界CO₂开发页岩油气资源过程中的井壁稳定性影响则研究较少。本文将超临界CO₂吸附效应对页岩变形和力学性质影响纳入到超临界CO₂渗流的多物理场耦合过程中，在超临界CO₂运输特性和热力学特性的基础上，构建考虑吸附效应的超临界CO₂钻井多物理场耦合井壁稳定模型。基于有限元数值计算方法，分析超临界CO₂钻进过程中的地层温度、孔隙压力和地层应力的时空分布规律，研究超临界CO₂吸附效应对井壁稳定性的影响。结果表明：超临界CO₂吸附效应引起的固体变形对地层温度和流体渗流没有明显影响；吸附效应对应力分布具有显著影响，吸附应变会使应力值增大，而吸附对弹性模量的影响则会使应力值降低；忽略吸附应变会小幅度低估井壁失稳风险，而忽略吸附对页岩弹...     

高温下页岩三轴压缩实验及井壁稳定研究

通过高温下页岩的三轴压缩实验,结合井壁稳定分析理论,进行了高温下页岩的力学特性及井壁稳定性研究.结果表明:高温引起页岩强度劣化,在温度低于150℃时,温度对页岩强度劣化主要体现在粘聚力弱化,在温度超过150℃时,温度会进一步导致页岩内摩擦角减小.钻井液与地层间的温差将在井周附加热应力,随着远离井壁,温差附加径向热应力先...     

龙马溪组页岩的力学特性及破坏模式研究

井壁稳定性是页岩气勘探开发关键技术的核心问题之一。针对页岩井壁稳定问题,以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,结合实际钻井情况,开展了不同围压、加卸载模式、取芯角度、流体浸泡等一系列岩石力学实验,为页岩气的勘探和开发提供基础数据。研究表明:四川盆地龙马溪组页岩单轴抗压强度较高,脆性较强;卸载作用造成岩样破坏更加剧烈,破坏模式更加复杂;取芯方向与层理面夹角为15°时,岩样的抗压强度和内聚力最低,夹角为45°时,岩样的破坏最剧烈;流体浸泡使岩样的强度和内聚力大幅下降,岩样以剪切破坏为主,浸泡过油基钻井液的岩样的强度和内聚力损失最小;随浸泡时间的增长,岩样的内聚力和内摩擦角先快速降低后趋于平缓。     

采用孔隙热弹性模型分析页岩井眼失稳规律

基于多孔介质连续力学,考虑各向异性页岩的热流固耦合作用,建立了各向异性多孔介质孔隙热弹性力学基本方程和页岩地层井眼稳定分析数学模型,采用MATLAB软件编制了数值求解程序,分析了流固耦合、热固耦合、热流固耦合三种不同耦合模式下井周孔隙压力、地层温度、应力分布和井眼稳定性随时间变化的特征。结果表明:数值解与解析解计算结果吻合较好(误差仅0.028%),实例井井眼扩径率计算结果与实际情况基本吻合,验证了本文模型和方法的正确性;温度和孔隙压力的改变对井周应力分布影响较大,地层温度降低、井内压力增加有利于井眼稳定,孔隙压力升高不利于井眼稳定;页岩地层井眼稳定性具有显著的时变效应,随着钻开地层时间的增加,井眼不稳定区域和井眼扩径率逐级变大。孔隙热弹性力学分析方法可用于分析不同时间的井眼失稳规律,可为解决页岩井眼失稳问题提供更加科学的计算手段和方法。     

基于非线性反演的井壁稳定随钻预测方法

常规井壁稳定预测方法计算量大、操作繁琐、适用范围有限,严重影响其实钻应用效果。通过考察声波速度、地震记录及井壁稳定参数之间的定量关系,建立起利用地震资料直接反演孔隙压力、地应力、岩石强度的模型。根据反演模型的非线性特征,结合井壁稳定参数的地质统计特性,运用随机地震反演方法预测待钻地层的孔隙压力、地应力、岩石强度,并根据反演结果进一步预测井壁稳定性。在实钻过程中,利用录井资料的实时分析和井壁稳定参数的分层地质统计模型,对钻头前方地层的井壁稳定性进行随钻预测。在川东北元坝气田的应用情况表明,本方法的综合性能相比常规方法有明显提高,具有较强的随钻预测能力。     

Numerical evaluation of the deformation behaviour of thick-walled hollow cylinders of shale

The stability of tunnels and boreholes in shales is a major problem. For example in the oil and gas industry, wellbore instability problems cost the industry many millions of dollars annually. In an attempt to minimise instability problems, detailed and careful analyses of the excavation process are often carried out at the planning stage. However, the accuracy of these analyses is highly dependent on the constitutive model adopted for the shale. One important feature of the constitutive behaviour is the dissipation of pore pressure within the shale. In this paper, two FLAC-based models are used to investigate the influence of induced pore water pressure and its dissipation on borehole deformation of a thick-walled hollow cylinder of synthetic shale. The two models are: a time-dependent model that incorporates coupled flow-mechanical interaction and a steady state time-independent analysis that only accounts for mechanical-induced pore pressure. In both models, a linear elastic-plastic constitutive model (Mohr–Coulomb) is used. Non-linear elastic-plastic and strain-softening constitutive models are also investigated in the coupled flow-mechanical analyses. The numerical predictions obtained using linear coupled Mohr–Coulomb, non-linear elastic-plastic and strain-softening constitutive models are assessed against experimental observations. The FLAC predictions use material parameters obtained from conventional laboratory tests.The investigation shows that there are large differences between predictions obtained from the coupled flow-mechanical analysis and the mechanical-induced pore pressure only simulation. The non-linear coupled Mohr–Coulomb numerical model is shown to be in good agreement with the results of the laboratory tests. The investigation also shows that the simple Mohr–Coulomb constitutive model can adequately predict the deformation in thick-walled hollow cylinders of shale. Further work needs to be done before the simple strain-softening constitutive model developed in this paper can be used confidently for shale. Otherwise, more sophisticated strain-softening constitutive models may have to be used.     

Q3原状黄土变形过程中的应变速率效应

为揭示应变速率对黄土体变形过程的影响规律,以兰州Q3黄土为对象,在不同含水率和围压条件下,系统开展黄土体应变速率效应的三轴试验研究,且以应力-应变曲线、抗剪强度、孔隙压力作为关键要素进行分析。结果表明：应力-应变曲线存在应变软化效应,高应变率促使应变软化的产生,但高含水率、高围压抑制应变软化的产生;应变速率对抗剪强度有显著影响,抗剪强度随应变速率的增大呈现先增大再减小的规律,黏聚力的变化规律与之相同,应变速率对内摩擦角的影响规律与之相反;应变速率对孔隙压力的增长趋势几乎没有影响,但孔隙压力峰值受应变速率的影响显著,且含水率和围压不同,其变化规律存在差异。Q3原状黄土变形过程中存在明显的应变速率效应,其对黄土地区工程应用和丰富黄土力学具有积极的意义。     

页岩气储层井壁坍塌压力研究

页岩气储层各向异性强,易发生井壁失稳。利用四川盆地所取页岩气储层岩芯测试钻井液对页岩基体及层理面强度的影响规律,结合单一弱面准则,建立页岩气井井壁稳定预测模型,分析层理面倾角、钻井方位、钻井时间及钻井液类型等因素对页岩储层水平井坍塌压力的影响规律。研究结果表明：层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁会发生本体破坏;沿最小水平地应力方位附近钻进水平井最容易发生井壁坍塌;随钻井时间的增加,坍塌压力逐渐升高,井壁破坏形式可能会由初始的页岩基体破坏变为层理面破坏;使用油基钻井液比使用水基钻井液更容易保持井壁的长期稳定。研究结果可以为页岩气井钻井设计提供参考依据。     

泥页岩井壁稳定影响因素分析

 考虑泥页岩钻井液体系中电化势渗透产生的流体流动和离子运移以及与固体变形的联合作用,提出泥页岩井壁稳定耦合新模型。通过有限元计算泥页岩井壁周围孔隙压力场和应力场,分析泥页岩及钻井液性能参数对井壁周围地层坍塌破坏系数和坍塌压力的影响。研究结果表明,泥页岩渗透率增大,溶质扩散系数增大,泥页岩单位表面电荷数减小有利于泥页岩井壁稳定。通过使用高浓度、高反射系数的钻井液能够提高泥页岩井壁的稳定性,对于泥页岩地层使用过高的钻井液密度反而会导致井壁不稳定。泥页岩钻井液体系膨胀系数减小,泥页岩水化程度能够减轻。在钻井液浓度大于泥页岩孔隙流体浓度的情况下化学反渗透可能使泥页岩失水,与大尺寸井眼相比,小尺寸井眼坍塌破坏指数随时间变化较显著。     

Modeling of annular fluid pressures in horizontal boring

Horizontal directional drilling (HDD) is minimally-intrusive construction method for installing underground utilities and pipelines. Today, HDD is becoming widely accepted as a cost-effective alternative to traditional open-cut construction. The occurrence of hydraulic fracturing, resulting in the migration of drilling fluid to the surface, has placed the HDD process under scrutiny, especially when considered for projects in environmentally sensitive areas. Hydraulic fracturing results when fluidic pressure within the borehole exceeds the shear strength or undrained cohesion of the strata. Models have been developed to predict borehole pressures; however, there is only limited information available on the properties of drilling returns obtained during HDD installations. A research program was undertaken to determine flow characteristics for drilling returns under a variety of soil conditions and bore penetration rates. Soil samples were gathered based on the Unified Soil Classification System (USCS) and their rheological properties were obtained for different drilling fluids and slurry densities. Presented in this paper is a methodology for predicting borehole fluid pressures over a wide range of project parameters that can be used as a guide to minimize the occurrence of hydraulic fracturing.