流固耦合作用下气体钻井井壁稳定性分析

以经典流固耦合基础理论为根据,推导出一个井壁岩石流固耦合模型,利用ANSYS有限元分析软件对比分析了流固耦合和非流固耦合两种情况下的井壁稳定性。通过分析得出:气体欠平衡钻井时形成负压差,在负压差的作用下流体拖拽力引起的流固耦合作用对井壁岩石产生了拉应力作用,破坏了井壁岩石的抗拉性导致井壁失稳,所以流固耦合作用在气体欠平衡钻井过程中不容忽视;通过ANSYS有限元分析可知,由欠平衡钻井逐渐向过平衡过度时,井壁岩石所受的拉应力慢慢地过渡为压应力,流固耦合作用在这个过程中的影响也随之逐渐变弱,井壁的稳定性也逐渐变强。     

钻井液滤失对煤岩井壁稳定性的影响

煤岩具有割理、孔隙等多孔特性,钻井液易侵入,导致井壁围岩失稳。考虑钻井液滤失对煤岩的物理作用,以Mohr-Coulomb塑性模型为煤岩破坏准则,建立了煤岩井壁稳定评价的流固耦合模型,通过数值模拟,对比分析了钻井液滤失对煤岩应力场和渗流场的影响。结果表明:不均匀地应力的挤压作用使钻井液容易沿着最大水平地应力方向滤失;而钻井液滤失会导致孔隙压力增大,继而使井壁煤岩的应力发生改变,应力场最大值由最大水平地应力方向转移到了最小水平地应力方向,且应力极值由15 MPa增至17 MPa,不利于煤岩稳定;在正向压差条件下,钻井液会侵入煤岩孔隙,使孔隙压力增大,导致煤岩应力增大,引起煤岩失稳;因此,钻井液密度设计时应综合考虑井筒液柱支撑井壁和孔隙增压破坏井壁的影响。     

不同岩石破坏准则下水平井井壁失稳分析

在井壁失稳分析过程中,Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则是目前运用较为广泛的岩石破坏准则,但2种岩石破坏准则都存在一定的缺陷,从而造成井壁失稳分析的不准确。为此,在引入考虑中间主应力的Mogi-Coulomb准则的基础上,对比计算了不同岩石破坏准则下水平井的井壁坍塌压力值,同时就地应力对水平井坍塌压力值的影响进行了分析。研究结果表明,MohrCoulomb准则下所计算的坍塌压力值最大,Mogi-Coulomb准则下所计算的坍塌压力值次之且更接近实际,而Drucker-Prager准则下所计算的坍塌压力值最小;地应力机制对当量坍塌密度最大值随相对方位角的变化规律影响较大。     

煤层井壁稳定的时间延迟效应探讨

为预测煤层井壁钻后垮塌的可能性及延迟时间,从孔隙压力、井壁渗流入手,结合断裂力学进行了分析。基于煤层富含割理的特性,分析了孔隙压力对割理的受力影响,表明孔隙压力只影响割理表面的正应力,不影响其切应力。结合排采实例,分析了孔隙压力变化对煤岩稳定性的影响,发现孔隙压力下降会导致煤粉增加。讨论了欠平衡钻井和过平衡钻井下井壁渗流产生的孔隙压力变化情况以及由此带来的时间延迟效应。利用数值方法分析了钻井中流固耦合行为,通过拟合给出了孔隙压力随时间变化的关系。利用断裂力学井壁稳定理论,定量分析了井壁稳定的时间延迟效应,给出了具体条件下延迟时间求解公式。研究表明,在富含割理的煤层中,井壁的稳定性确实存在时间延迟效应;孔隙压力变化是时间延迟效应的主因,割理的存在是内因。     

煤层多分支水平井安全钻井技术

通过对煤层地质特征、钻井工程特点以及现场实践分析,归纳了煤层损害与井壁失稳机理,提出了煤层多分支水平井安全钻井策略。研究表明：应力敏感、流体及固相侵入、水相圈闭是煤层损害的主要类型;控制钻井液滤失量,增强滤液与煤层配伍性,提高煤层能量,完善煤层损害解除方法是保护煤层的有效手段;地质情况复杂,煤岩强度低,钻进液性能不稳、密度不合理,清水充气不均是清水充气欠平衡钻进多分支井水平井煤层损害和井壁失稳的主要机理;开展三维地震优选布井,钻井工艺,清水改性及暂堵-返排钻井液体系等配套技术研究有利于煤层多分支水平井钻井安全。     

煤层气水平井井周围岩热流固耦合数值分析

煤层气井壁失稳是影响煤层气产业化开采的重要原因之一,以宁武盆地9#煤层的煤层气水平井为研究对象,运用有限元软件分析了2种条件(不考虑热流固耦合作用的影响和考虑热流固耦合作用的影响)下井周的应力分布和变形情况。模拟结果发现:考虑热流固耦合作用时,结果与工程实际更加吻合;水平井井周围岩所受的Tresca应力、第一、第二和第三主应力均存在应力波动区域,该区域容易产生新生裂隙,降低了井周围岩的强度,容易产生井壁失稳事故;在AB弧长上,井周围岩大于8.0 cm的井段上,井周变化率大于5.0%,容易产生井壁失稳事故。     

羌塘盆地天然气水合物钻探试验井工程井壁稳定性分析

基于三维快速拉格朗日有限差分法多孔介质流固耦合理论及弹塑性极限平衡理论,根据羌塘盆地天然气水合物钻探试验井工程QK-2井实钻资料,分析在渗流条件下井壁失稳机理,并对失稳段井壁稳定性进行了数值模拟分析,研究在不同钻井液密度下井径周围围岩应力分布和井眼坍塌或拉裂变形规律,为羌塘盆地天然气水合物钻探试验井工程确定地层不坍塌(不缩径)、不压漏的钻井液安全密度窗口,以便为钻井井身结构设计及合理钻井液密度的确定提供依据。     

欠平衡钻井压差的确定技术及在石南4井区的应用

欠平衡钻井过程中井壁稳定与否是保证欠平衡钻井成功的关键，本文利用多孔弹性介质力学及岩石力学理论，建立了欠平衡钻井过程中保持井壁稳定及控制井喷的极限钻井压差的计算模式，提出了欠平衡钻井合理压差的确定原则，最后，论文结合石南4井区的地应力参数及地层强度参数，对石南4井区欠平衡钻井极限压差进行了计算，分析了在该区进行欠平衡钻井的可行性，并据此研究成果在石南4井区实施了2口欠平衡钻井。     

多因素耦合条件下煤层井壁稳定性分析模型研究

针对煤岩的力学与渗流特性,综合考虑煤岩受力变形、损伤破坏与钻井液滤液侵入等多因素耦合条件,建立基于应力-渗流耦合的煤层井壁稳定性数值分析模型,采用弹性-应变软化-塑性模型表征煤岩的力学行为,更加准确地计算井周煤岩损伤破坏区域的尺寸与形状。研究结果表明,在井壁封堵良好的条件下,提高泥浆密度有利于稳定井壁,反之将加剧煤层井壁坍塌失稳。     

充气钻井井底压力影响因素分析

阐述了充气欠平衡环空流型的判断方法,给出了不同流型摩阻压降计算的数学模型,并考虑了环空岩屑对井底压力的影响,采用微分迭代的方法求解井底压力。利用编写好的程序模拟井口回压、注气流量和机械钻速对井底压力的影响关系和规律,得出一些指导充气欠平衡钻井的有益的结论,对进一步深化和完善充气欠平衡钻井和井控理论研究以及现场应运具有重要的现实意义。     

素混凝土井壁强度准则的模型试验研究

按照相似理论，在不同应力组合下将混凝土井壁进行了模型试验，依据混凝土井壁破坏机理的分析，确定了适合素混凝土井壁破坏的强度准则。     

煤层气井割理煤岩井壁稳定性影响因素分析

针对煤储层强度低、割理又发育、钻井过程中井壁失稳严重的现象,采用现场取样统计分析、扫描电镜等试验方法,研究了该区煤岩宏微观结构及力学强度参数、变形破坏特征,并利用通用离散元数值模拟软件在充分反映煤岩割理结构基础上分析煤层气井井壁稳定性的影响因素。研究结果表明:该区煤岩割理发育,面割理和端割理近似垂直且多以网状和树枝状分布;煤岩力学参数离散性强,在单轴和三轴条件下煤岩应力应变曲线类似,都经历压密、弹性、屈服、脆性破坏4个阶段;在不考虑渗流作用时,井周最大剪切应力和剪切位移随井底压力变化规律一致,都呈先减小后增大趋势。井径越大,井周发生剪切位移越大,越容易失稳;井径一定时,割理密度越大,煤层井周块体越容易发生剪切滑落,井眼越不稳定,实现煤层气井安全、高效钻井。     

基于Hoek-Brown准则的煤层钻孔失稳破坏类型数值模拟研究

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。为深入探讨煤层钻孔失稳机制,引入Hoek-Brown强度准则及地质强度指标GSI,在考虑孔隙率与渗透率动态变化特性的前提下,在弹塑性本构方程中引入塑性流动因子,使瓦斯渗流场方程含有体应变、煤岩体变形场方程含有瓦斯压力项,进而建立了基于H-B准则的含瓦斯煤流固耦合动态模型;采用COMSOL软件对模型进行解算,探讨了不同侧压系数条件下不同煤体结构煤层钻孔周围塑性区分布规律,并对煤层钻孔失稳破坏类型进行了划分。研究表明:无论在何种侧压系数条件下,孔周塑性区分布范围皆随GSI值的增大而逐渐减小,2者遵循幂函数关系;塑性区分布形状因侧压系数、GSI值不同而差别较大;当GSI值较小时,在不同侧压系数条件下,塑性区分别呈扇形、椭圆、"X"状分布;当GSI值较大时,塑性区分别呈圆形、"V"状、"平底锅"状分布;煤层钻孔失稳破坏类型分为应力控制型破坏、结构面控制型破坏、软煤中的喷孔破坏3类,分别发生在高应力硬煤中(60≤GSI≤100)、强度中等的煤体中(30相似文献   

塔河油田侧钻水平井井壁失稳分析

分析了塔河侧钻水平井的复杂情况及不同井斜对井壁失稳的影响。对巴楚组和桑塔木组泥岩进行了岩石力学特性分析,认识到复杂泥岩段地层地应力高且应力差值大是井壁失稳的根本原因。通过泥岩的微观结构研究,分析了钻井过程中井壁围岩的强度受结构面的影响大幅度降低,泥岩开始崩解,引起坍塌掉块的失稳机理。     

充气欠平衡钻井液技术在DP4井水平段的应用

DP4井是中石化华北分公司在鄂尔多斯盆地大牛地气田布置的一口充气欠平衡水平井,该井目的层为盒1段,地层压系数较低,压力系数范围0.83~0.99(平均0.93),为了有效保护气层,DP4井水平段全过程采用了充气欠平衡钻井工艺技术。欠平衡钻井工艺采用充气钻井液技术,通过该工艺在DP4井的实施,在盒1气层保护上取得较大成功。主要介绍了充气欠平衡钻井液技术的技术工艺、实施过程和现场实施情况,并对充气欠平衡钻井液技术在该井实施效果进行了分析评价。     

考虑温度影响的竖井井筒运行期应力状态分析

为了研究竖井井筒运行期温度及围岩性质随时间变化对井壁受力情况的影响,应用弹性力学及热传导原理将井壁与围岩两者统一建立模型,推导出井壁及围岩的温度应力表达式.推导过程中考虑了围岩及井壁的蠕变性质,分析得出运行期井壁及围岩的变温场为季节性的周期变化,围岩变温随着与井筒中心距离的增大而最终趋向于零;考虑时间因素时,井壁的应力...     

欠平衡钻井设备配套技术的探讨

前平衡钻井技术在油气层勘探和开发方而正发挥着越来越重要的作用[1],因此,它的的应用和发展越来越受到人们的重视,欠平衡钻井设备配套技术也相应地得到迅猛发展.在保护储层、防止井漏、雏持井壁稳定、快速进足等方面均不同程度地取得了优良效果.在欠平衡钻井作业中,设备是基础.优良、配套的设备装置足钻井作业顺利进行的保证.作者结合欠平衡钻井现场作业情况,较为系统地介绍了全套空气欠平衡钻井设备、装置的性能厦作用,并对欠平衡钻井钻井设备配套技术提出了认识.     

地面抽采瓦斯钻井井壁受力研究

为了研究地面瓦斯抽采钻井井壁结构的受力情况,利用MATLAB建立不同对地面钻井施工及煤层回采过程中的数值模型,解算地面钻井井壁不同层位(完整岩石段、遗留采空区段、表土层段)塑性应变和位移变化量,研究得出了不同钻井、不同区域段在不同时期的受破坏危险性,进而指导钻井施工与维护过程中对不同位置进行相应的、有针对性的保护,以提高钻井的安全稳定性,增加地面瓦斯抽采钻井的服务寿命。     

光纤Bragg光栅传感器在钻井井壁监测中的应用

为了克服传统电测法在钻井井壁监测中的缺陷,根据钻井井壁施工工艺和地质条件等,提出了井壁节数及传感器布设方案,并采用光纤Bragg光栅传感器(FBG)对唐山温家庄铁矿钻井井壁下沉过程进行实时监测,监测内容为井壁外壁所受压力、混凝土应变以及钢筋应力,并对监测数据处理分析,分析结果表明:FBG对钻井井壁的监测数据可达理论值的95%～98%,监测数据能够及时、准确地反映钻井井壁受力变化情况,保证了监测的可靠性、稳定性与重复性。     

煤层气勘探中采用欠平衡钻井的地层适应性分析

从地层敏感性、地层流体产出情况、地层孔隙压力及井壁坍塌当量密度计算等方面探讨了欠平衡钻井地层适应性,并对沈北煤层气田的开发使用欠平衡技术钻进进行了可行性分析.