基于ABAQUS的井壁强化数值模拟研究

近年来,井壁强化技术已成为国外钻井工程中提高地层承压能力的重要手段。以ABAQUS软件为平台,建立二维井壁强化模型,通过数值模拟方法探讨了井壁强化作用机理及影响因素。结果表明,封堵材料在裂缝中架桥后,挤压两侧地层,使井周应力增加,且在低角度（0～30°）范围内,周应力增量最大;周应力重新分布后,地层破裂压力提高,且易破裂点的位置发生偏移;在一定裂缝开度范围内,裂缝开度越大,表明对裂缝两侧地层挤压越严重,强化井壁的效果越明显。地应力各向异性、封堵架桥位置及井眼压力对周应力影响较大,应力各向异性越严重,井眼压力越大,架桥后周应力增量越大;封堵材料在距离井壁越近的位置架桥,在一定范围内强化井壁的效果越明显,随着架桥位置逐渐靠近缝尖,强化井壁的作用逐渐减弱。      

钻井液封堵性能对泥页岩井壁稳定的影响研究

为了解水基钻井液封堵性能对泥页岩井壁稳定性的影响，首先对钻井液封堵性能评价方法进行总结分析，并通过对井周应力分布进行分析，建立井壁稳定模型，进行不同地应力和不同架桥位置下钻井液封堵性能对泥页岩井壁稳定影响研究。研究表明：对于泥页岩而言，在开展钻探作业的过程中地层出现水化作用的概率相对较高，因此，地层容易出现坍塌裂缝问题，井壁失稳事故出现的概率也相对较高；在使用水基钻井液提高泥页岩井壁稳定性的过程中，如果地应力的各项异性提升，则水基钻井液的封堵性能也将会提升，同时，如果使用水基钻井液对地层裂缝进行封堵，钻井液越靠近裂缝的入口位置，井周应力的提升量越大，此时井壁的稳定性越高。     

深层脆性页岩井钻井液漏失机理及主控因素

四川长宁区块页岩气资源丰富,但在水平井钻井中钻井液漏失问题突出,制约了长宁区块页岩气资源勘探开发进程。基于单井测井数据与地震解释数据,建立了长宁区块页岩气地层裂缝、地应力及地层压力展布模型,研究了三者与钻井液漏失情况的响应关系。结果表明：长宁区块构造背斜高部位裂缝密度大,地层埋藏浅地应力小,闭合裂缝的开启临界压力与裂缝延伸临界压力都较小,地层孔隙压力低,钻井液漏失情况严重;构造向斜低部位裂缝密度相对于构造高部位小,地层埋藏较深地应力大,闭合裂缝的开启临界压力与裂缝延伸临界压力都较大,地层孔隙压力高,钻井液漏失情况不突出。长宁区块断层裂缝发育,钻井液漏失主要为压差性漏失和闭合裂缝扩展性漏失。研究结果揭示了长宁区块深层页岩钻井液漏失机理,明确了其主要影响因素,可为长宁区块页岩储层防漏及效益化开发提供科学依据。     

川南深层页岩各向异性特征及对破裂压力的影响

川南深层页岩地层地应力非均匀性强,钻进过程中漏失严重,破裂压力预测困难,在进行深层页岩微观组构观测和宏观力学试验的基础上,测试了深层页岩的各向异性特征,考虑各向异性特征建立了井周应力模型,结合深层页岩本体拉张破坏、裂缝剪切滑移破坏和裂缝张性破坏模式,建立了深层页岩地层破裂压力预测模型,分析了各向异性特征对地层破裂压力的影响规律。分析结果表明:页岩各向异性越强,地应力差异越明显,大斜度井裂缝越易滑移;较高的粘聚力可有效抑制裂缝弱面的错动能力;裂缝倾角大小主导着裂缝张性漏失。预测模型在川南彭水区块页岩气井地层破裂压力预测的结果表明,地应力差异较弹性差异对深层页岩破裂压力的影响更为显著,岩石粘聚力是诱导裂缝剪切滑移漏失的主因,相对裂缝倾角是诱导裂缝张性破坏的主因。裂缝发育的页岩地层以裂缝破坏为主,破裂压力受岩石粘聚力、裂缝倾角和地应力的影响显著,在预测破裂压力时应综合3种破裂模式判断破裂方式和预测破裂压力。      

封堵技术基础理论回顾与展望

以漏失控制机理为依据,将漏失控制理论分为刚性封堵理论、柔性封堵理论、减压防漏理论、提高地层承压能力理论和模糊封堵理论五类。封堵理论出现前,认为漏失因地层存在漏失通道所致,不考虑封堵材料与漏失通道匹配关系,发现漏失即尝试用封堵材料封堵;刚性封堵理论包括充填封堵理论和架桥封堵理论,认为刚性材料通过充填、架桥方式封堵漏失地层;柔性封堵理论认为,封堵材料随工作流体进入漏失通道,通过物理化学作用形成具有承压能力封堵带;减压防漏理论认为,降低液柱压力,减小与地层压力差,控制漏失驱动力实现防漏;提高地层承压能力理论,利用裂缝稳定机理封堵微裂缝,提高地层承压能力;模糊封堵理认为,漏失通道尺寸、数目和形状属模糊数学范畴,用物理化学作用下自然形成大小、数量和形状可变的封堵材料,以模糊封堵方式,封堵漏失通道。刚性封堵理论正融合其他理论快速发展,是目前防漏堵漏主流;减压防漏理论受地层、设备等条件较多限制,但发展迅速;模糊封堵理论以漏失通道和封堵材料自然属性相匹配为理念,可能成为封堵理论未来发展方向。     

介观尺度下裂缝内堵漏颗粒封堵层形成与破坏机理CFD-DEM模拟

堵漏材料进入地层裂缝后,通常期望其能够在漏失通道内快速形成稳定的高强度封堵层,从而实现井筒与漏失层的有效隔离,这对控制漏失程度和强化井筒至关重要。当前,普遍从以封堵层为整体的宏观角度以及从单个堵漏颗粒性质的微观角度来分析研究封堵层的降低漏速能力和承压能力,而从介观尺度研究堵漏颗粒封堵层在裂缝内的演化过程较少。为进一步揭示裂缝内堵漏颗粒封堵层的形成与破坏机理,基于计算流体力学和离散元耦合模拟方法,研究了堵漏颗粒在楔形裂缝内滞留、架桥、封堵和失稳破坏过程,分析了介观尺度下堵漏材料性质及钻井液性能对裂缝封堵层形成影响机理。结果表明,堵漏颗粒进入裂缝后经过滞留、堆积、封堵过程形成封堵层,且封堵层前端是封堵层稳定的关键部位。堵漏颗粒尺寸越小,封堵层位置越接近裂缝出口。堵漏颗粒浓度增加会显著缩短封堵层形成时间,当浓度由2%增加至30%时,封堵层的初始形成时间由0.090 s降低至0.036 s,降低了60%,此外,堵漏颗粒几何和物理性质以及钻井液参数对封堵层形成及破坏均具有较为明显的影响。研究结果对进一步优化堵漏颗粒并快速形成高效封堵层具有一定的参考价值。     

考虑吸附膨胀和滤失附加应力的井壁应力模型

页岩气吸附膨胀作用和滤失附加应力是影响煤系页岩储层水力压裂后水平井应力分布重要因素,不可忽略。考虑页岩气吸附膨胀作用和滤失附加应力,基于各向异性材料理论,建立了煤系页岩横观各向同性储层水平井井壁应力模型,分析了煤系页岩储层水平井井壁应力分布特征,考察了井筒方位角对井壁周向应力分布影响,得到了有效应力、地应力和各向异性程度对井壁起裂压力的影响规律。研究表明:井壁周向应力近似椭圆形分布,拉应力与压应力同时存在,拉应力区有效应力对井壁周向应力影响较大,方位角为90°和270°时最大,30°、150°、210°和330°时无明显影响,有效应力作用下最大井壁周向应力随井筒方位角增大近似线性增加,增加程度先降后增;吸附膨胀作用使井壁起裂压力降低,不利于井壁稳定性,高孔隙压力下吸附膨胀作用对井壁起裂压力影响更为明显;起裂压力随各向异性系数增大而减小,两者呈二次函数关系,各向异性系数越大,煤系页岩层理及其基质强度越低,天然裂缝越发育,越不利于井壁稳定性,井壁起裂压力随侧压系数增大而减小,两者呈线性递减关系。研究成果为煤系页岩气有效开发提供了科学参考。     

克拉美丽气田火成岩天然裂缝漏失压力模型

克拉美丽气田火成岩地层发育裂缝,裂缝性地层中存在天然裂缝与孔隙或孔洞的复合结构,钻井过程中漏失压力与地层破裂压力差异较大。根据不同井段火成岩的裂缝—孔隙状态、裂缝开合、连通及充填情况,开展压力漏失机理研究,构建不同裂缝状态的漏失压力模型,依据地层孔隙压力、地应力等参数绘制分层漏失压力剖面,确定克拉美丽气田火成岩天然裂缝的压力漏失规律。研究表明,火成岩的闭合裂缝压力漏失受地应力控制,开启裂缝压力漏失受地层孔隙压力和充填状态影响。结合典型井的钻井参数,分析裂缝漏失压力在不同井轨迹下的变化规律,确定钻井液安全密度窗口,实现安全钻井。     

提高地层承压能力的钻井液堵漏作用机理

应用线弹性岩石力学和岩石断裂力学基本理论,揭示了钻井液堵漏阻止诱导裂缝延伸并提高裂缝重启压力从而提高地层承压能力的作用机理。通过分析承压堵漏后缝内压力分布,建立了封堵诱导裂缝的断裂力学模型,并给出承压堵漏阻止诱导裂缝延伸的必要条件;基于井周围岩裂缝诱导应力场的数学模型,提出了堵漏提高诱导裂缝重启压力的力学实质。理论研究表明,堵漏材料在裂缝入口后一定距离封堵为封堵诱导裂缝的最佳位置形式;裂缝尖端部分流体压力必须低于水平最小主应力,且该压力越低,越有利于裂缝的阻裂;诱导裂缝重启压力的提高依赖于周向诱导应力,堵漏材料必须支撑裂缝以维持周向诱导应力;承压堵漏作用机理包含密封和支撑裂缝两方面,堵漏材料应同时具有封堵性能和机械强度。     

裂缝性漏失架桥材料粒度分布研究

针对裂缝性漏失地层的堵漏,根据“应力笼”原理,对裂缝壁面承压能力进行强化,首要任务就是利用刚性材料对裂缝进行预支撑,在形成一定强度的架桥后,弹性或纤维等材料进行填充才能使得该部分承压能力增强。由于以前使用的立缝缝板、光滑缝板及缝板长度过短等问题,致使实验后无法观测到堵漏材料进入裂缝的情况,故利用自主研发的能更接近现场真实情况的不锈钢长楔形裂缝模块,开展了裂缝性漏失架桥的实验研究,对比不同材料特征粒度分布对给定宽度裂缝的架桥效果,提出一种方法来选择粒度分布进而有效的形成架桥。通过采用该裂缝模块进行研究表明,该模块有良好的模拟地层的能力,可在实验后观察内部的封堵情况'主架桥颗粒D₉₀粒径的设计至关重要,应大于等于0.9倍的架桥处裂缝宽度且小于入口裂缝宽度;D₉₀不仅可以增加对“喉部”处的架桥,同时可以一定程度上提高封堵压力。     

井眼强化随钻防漏技术研究与应用

长段裸眼孔隙-裂缝发育带来的漏失问题,严重影响钻井提速,并造成相当大的经济损失。在孔隙-微裂缝地层或诱导性裂缝地层中作业,钻井液密度较低时会出现井壁不稳定现象,而钻井液密度较高时又出现井漏、安全密度窗口较窄等问题,文章研究了解决这一问题的井眼强化随钻防漏体系。体系中的微米级和纳米级高强度刚性颗粒随钻头破岩时迅速嵌入到井周孔隙和微裂缝中,产生沿井眼切线方向的挤压,微米级纤维材料快速充填,形成致密的网络封堵结构,在井壁形成“桶箍效应”,大大提高了井眼承压能力和井壁稳定性。室内评价实验表明,清水封堵体系承压 ５ＭＰａ以上,井浆封堵体系承压 ７ＭＰａ以上。在实际现场应用中,井眼强化随钻防漏体系在解决安全密度窗口较窄问题方面取得了满意的效果。     

微纳米井壁强化技术在长宁“大坝东”区域的应用

长宁公司“大坝东”区域受构造作用、岩性组分等因素影响,龙马溪组微裂缝发育,原生孔径主要分布在0.05～2 μm之间,地层稳定性差,钻进过程阻卡严重,单纯通过上提钻井液密度,未能有效控制井眼垮塌,且钻井现场的封堵类添加剂属于微米级,缺乏纳米级封堵添加剂,不能有效封堵纳米级孔缝,同时不利于形成渗透率更低的封堵层,阻缓井筒压力向地层传递。引入纳米级石墨烯封堵剂,补全钻井液微观固相级配,配合地质力学建模,确定合理的密度,匹配性能调控工艺,形成微纳米井壁强化技术。在宁209H69平台现场应用过程中,钻井液性能稳定,全井段无事故复杂,平均井眼扩大率不大于8%,井径规则,有效地预防了井眼垮塌。      

井壁强化技术的研究及其在乐东区块的应用

乐东区块构造位于莺歌海盆地的凹陷斜坡带,属于典型的海上超高温高压区块,地层安全密度窗口窄,深层井漏问题突出,严重制约了乐东气田的勘探与开发。针对该区块的井漏技术难题,通过井史资料统计,分析了该区块的漏失特征及漏失机理。基于黏滞单元法,模拟了井壁强化作用前后的井周应力变化,并预测了预充填裂缝开度。基于新型可变裂缝封堵模拟实验装置,开展了井壁强化材料粒径及浓度优化实验研究。实验结果表明,较优粒度匹配准则为D50准则,合理浓度为5%。基于乐东区块抗高温油基钻井液,优化构建了井壁强化钻井液体系配方。综合评价表明,该井壁强化配方对钻井液的流变性影响较小,砂床滤失侵入深度仅为1.5 cm,1 mm动态裂缝封堵承压能力达12 MPa以上。     

页岩气井钻井液井眼强化技术

页岩气地层有着易表面水化剥落掉块、微裂缝发育、脆性好而裂缝易压裂等理化特性,目前,页岩气开发中常用的油基和合成基钻井液体系,起到了很好的防塌防卡效果。但随着开发的深入和地层特性的变化,如钻遇破碎带、裂缝异常发育的地层,采用油基体系仍然会出现大量掉块和严重井塌。为了解决易破碎性地层又垮又漏的复杂情况,需要及时有效地强化已形成的井眼。在钻井液中引入井眼强化剂YH11和BT100,室内实验对加入2种处理剂的钻井液进行了评价,研究出了一套适用于页岩气钻井液的井眼强化技术。该钻井液密度可调范围大,现场可控制在低密度范围1.14~1.50 g·cm-3,该体系抑制能力强,在防漏方面实现了低密度钻进,并且该钻井液体系具有良好的成膜封堵效果,解决了井壁稳定和承压能力低的矛盾,减少了井下复杂情况,确保了井下安全,进一步促进了机械钻速的提高。室内实验和现场应用都表明,井眼强化剂能及时胶结破碎性地带和封堵微裂缝而使井壁变得更致密,大大降低井壁的孔隙度和渗透性,有效阻止液柱压力向井壁孔隙的传递和阻止滤液的深度侵入,减少井壁支撑力的损失,获得防塌和防漏的双重效果。      

裂缝性泥页岩地层防塌误区及强封堵防塌对策

对于裂缝发育等破碎性地层,在井筒内外压差作用下钻井液极易沿裂缝等天然通道侵入地层,致使近井裂缝发育带孔隙压力增加,引发泥页岩水化膨胀及强度性能下降,导致坍塌压力增加,从而使得井壁垮塌越加严重,搞清破碎性地层垮塌机理至关重要。结合延安气田石盒子和石千峰组裂缝性泥页岩“越提密度、垮塌越严重”井塌处理误区,指出缺乏对裂缝有效封堵是症结所在。为此提出适用于裂缝发育等破碎性地层“封堵为先、抑制水化、合理密度”的防塌技术对策,在此基础上,优选出延安气田强封堵钻井液配方并在现场成功应用,相关技术思路及研究成果可为类似破碎性地层防塌提供参考。      

井壁强化机理与致密承压封堵钻井液技术新进展

井壁强化钻井液技术已成为提高地层承压能力的重要手段之一,目前中国在井壁强化微观机理、模拟实验评价方法和新材料研发等方面,均有待深入研究。基于微观颗粒物质力学的力链网络结构分析基本原理,探讨了裂缝地层致密承压封堵方法。提出了井壁强化材料特性的精细化表征参数,通过颗粒类型、粒度级配及浓度优化,利用刚性颗粒、弹性颗粒和纤维材料等协同封堵裂缝,可有效形成具有“强力链网络结构”的致密承压封堵层。利用自行研制的井壁强化钻井液封堵模拟实验装置,开展了井壁强化钻井液封堵模拟实验优化研究。模拟实验证明,新研制的井壁强化材料不仅能够有效封堵裂缝,形成致密承压裂缝封堵层,且当支撑裂缝至设计开度,可提升地层承压能力。      

亏空漏失地层封堵材料研究与应用

针对地层严重亏空、漏失、大孔道窜流井的近井壁封堵需求,分析了提高封堵材料强度和造壁性的原理和方法,研究开发了一种能够迅速在近井地带、亏空井壁、大孔道、裂缝入口处形成致密、网状薄壁的高强度封堵体系.该封堵体系利用油井水泥、超细水泥和硅灰的三级颗粒充填,降低了堵荆的孔隙度和孔隙直径,提高了堵荆田结强度;利用两级纤维交织,提高了堵剂的造壁性和封堵效果.进行了39井次的现场应用,应用效果良好.该封堵材料不仅成功解决了地层严重亏空、漏失、大孔道窜流井的近井壁封堵问题,同时也为老油田二次开发封层封井奠定了技术基础.     

Numerical Wellbore Stability Analysis Using Discrete Element Models

Wellbore instability, which is considered as failure of borehole wall, is a complex and time-consuming analysis. Numerous factors such as well path, rock mechanical properties, in situ stress regimes, pore pressure, mud weight, bedding planes, and fractures play a role in borehole instability. Many wellbore stability analyses methods consider only a few of mentioned parameters and majority of them are based on continuum mechanics. However, most of the methods presented for wellbore stability analyses do not consider the impact of fractures. In the present work discrete element models (DEM) are used for numerical wellbore stability analysis of horizontal wells, while the presence of fractures is considered. In this study the effect of mud cyclic loading, hole length, stress regimes, and fluid pressures in fracture plane are examined. The results of analyses showed that direction of minimum horizontal stress is the optimum drilling direction. To evaluate the effects of mud cyclic loadings and open hole lengths, two other models are also considered. These models reveal that mud cyclic loading reduces the stability of borehole. Moreover, it was concluded that mud weight must be increased as open hole length increases and it should not exceed the upper mud weight limit.