硬脆性泥页岩井壁稳定问题研究

含节理裂隙的硬脆性泥页岩井壁坍塌是钻井工程中的难题。本文应用损伤力学理论,从岩体的变形能出发,建立了节理裂隙岩体的弹性损伤--断裂力学模型。由裂纹变形能推导出含节理裂隙的硬脆性泥页岩等效弹性损伤柔度张量,并推导出含节理裂隙岩体的真实应力求法。此力学模型将节理面几何特性与宏观力学特性联系起来。在预测此类岩石保持井壁稳定的泥浆密度时,只需知道损伤参数和完整岩石的强度参数,即可求出防止井壁坍塌的泥浆密度。     

硬脆性泥页岩井壁稳定剂的研究

针对辽河油田双南等地区井壁不稳定问题，研制了一种硬脆性泥页岩井壁稳定剂──ＪＨＳ。这是一种含阴、阳、非离子和有机硅等基因的多元共聚物。室内研究结果表明，ＪＨＳ对辽河油田沙河街组硬脆性泥页岩具有很好的稳定性能，其２４ｈ径向膨胀率较稳定剂Ｋ－ＰＡＭ等可降低１０％左右，热滚回收率较Ｋ—ＰＡＭ等约提高１０％以上。     

硬脆性泥页岩井壁稳定研究进展

硬脆性泥页岩的井壁失稳是制约深层油气资源和页岩气等非常规油气资源有效开发的关键问题。基于此,从硬脆性泥页岩的基本特征出发,根据其组成成分和结构特征的差异,总结了纯力学、渗流– 应力耦合和渗流– 应力– 化学耦合3 种井壁稳定基本分析方法及各自适用条件。研究了硬脆性泥页岩4 种力学失稳机制、钻井液侵入裂缝的驱动作用、存在和不存在活性黏土矿物情况下强度弱化机制以及不同裂缝形式下的井壁稳定计算模型。指出硬脆性泥页岩基质和裂缝充填物中是否含活性黏土矿物及裂缝的分布规律是影响井壁稳定分析的关键因素,从微观角度描述多场耦合作用下硬脆性泥页岩裂缝扩展连通导致井壁失稳的渐进过程将成为未来研究的热点和难点。     

硬脆性泥页岩水化稳定性研究

文章在分析泥页岩水化失稳基本结构的基础上，抽象出硬脆性泥页岩的物理模型，然后依据抽象出的物理模型，考虑钻井液滤液与页岩之间可能进行的各种物理化学反应，综合各种运移驱动力对滤液各组分运移的影响，以多孔介质传导（能量与物质）、吸附与扩散（水分子和水化离子）、双电层电场与电斥力为依据，建立起泥浆滤液在裂缝性泥页岩地层中的渗透运移规律及由此产生的水化应力和造成的地层强度变化的规律，最后落脚到应力、应变张量和破坏强度准则，形成了泥页岩水化稳定性的裂缝-孔隙双重介质分析模型系统。     

硬脆性泥页岩井壁稳定评价新方法

以伊利石、伊蒙混层为主的硬脆性泥页岩微裂缝发育,容易引起井壁失稳,一直未能找到很好的评价方法。因此,建立对硬脆性泥页岩井壁稳定的评价手段十分迫切。介绍了一种新型的硬脆性泥页岩井壁稳定评价方法——微裂缝的模拟及其封堵。室内利用加工的3种岩心模拟出了1~50μm的微裂缝,分别研究了流速、围压和裂缝宽度之间的关系,并用不同介质对不同宽度的裂缝进行了封堵试验,构建的硅酸盐钻井液体系对3种岩心的封堵效率均达到90%以上。试验结果表明:该方法具有一定的可行性,对提高钻井液体系的封堵能力有一定的指导作用。     

硬脆性泥页岩井壁稳定渗流-力化耦合研究

硬脆性泥页岩发育弱面结构且具有水化特性,易造成钻井过程中井壁失稳问题。在室内定量分析了钻井液对岩石弱面强度、基体强度、孔隙空间的影响程度。基于实验结果,利用线弹性理论和单一弱面准则,建立了考虑弱面结构、水化和渗流作用的渗流-力化耦合井壁稳定模型。实例计算表明：弱面结构的存在使得坍塌压力上升;弱面结构产状变化,造成坍塌压力分布复杂,不再存在单调变化的井斜方位;渗流应力变化对钻井初期坍塌压力影响较小,但在后期影响明显。该模型能准确地计算硬脆性泥页岩地层坍塌压力,对钻井工程有一定指导意义。     

适用于硬脆性泥页岩的钻井液井壁稳定性评价方法

为了提高硬脆性泥页岩的井壁稳定效果,通常强调钻井液的封堵能力,而未考虑钻井液水化作用对泥岩力学强度的影响。在传统钻井液封堵性能评价方法的基础上,重点考察了钻井液对岩石力学强度的保持能力,开展了钻井液水化作用对岩石抗压强度、抗张强度以及地层坍塌压力增量影响等评价实验,形成了一套适用于硬脆性泥页岩的井壁稳定性评价方法。结果表明,优良的井壁稳定性能不仅要具备较低的渗透封堵滤失量、良好的延缓压力传递能力,对岩心裂缝较高的封堵率,而且要具有较强的岩石力学强度保持能力(钻井液作用后岩石力学强度降幅最小,且地层坍塌压力增量最低)。建议初步开展PPT渗透封堵实验、压力传递实验及岩心裂缝封堵实验等,初选性能较好的钻井液配方,再进行钻井液作用对岩石力学强度的影响实验,结合钻井液作用对坍塌压力、破裂压力的影响分析,进一步确定井壁稳定钻井液最佳配方。该套评价方法从岩石力学角度全面评估了钻井液的井壁稳定性能,为体系的优化提供了借鉴。     

微观地质特征对硬脆性泥页岩井壁稳定性影响与对策研究

硬脆性泥页岩引起的井壁失稳是钻井过程中经常遇到的一个十分复杂的难题。利用扫描电镜、压汞、X-衍射、比表面分析仪等岩矿测试手段研究硬脆性泥页岩的微观地质特征,根据研究结果分析其对硬脆性泥页岩井壁失稳的影响,并提出保持硬脆性泥页岩井壁稳定的措施,为硬脆性泥页岩井壁稳定性研究提供一种新思路。研究结果表明,硬脆性泥页岩中发育的一部分微裂缝是导致井壁失稳的重要原因。在钻井过程中,钻井液滤液沿着泥页岩中的微裂缝进入到地层内部,导致粘土矿物的水化膨胀,使孔隙压力增加,泥页岩强度降低,最终发生井壁失稳。最后根据研究结果提出在钻井液中加入一部分和泥页岩孔喉相匹配的封堵粒子,期望它能降低或阻止钻井液滤液在泥页岩中的漏失,达到稳定井壁的目的。     

硬脆性泥页岩斜井段井壁稳定力化耦合研究

建立了考虑结构特点和弱面水化的硬脆性泥页岩斜井段井壁稳定力化耦合模型,利用模型分析了坍塌压力分布的影响因素,并进行了现场实例分析。基于硬脆性泥页岩理化性能特点,根据钻井液活度-岩石膨胀率、岩石活度-吸水量等关系,给出了钻井液活度窗口,进而确定岩石临界膨胀率及合理吸水量,并给出了坍塌压力的计算方法。分析发现:弱面倾角固定时,随着弱面倾向的变化,坍塌压力呈四分之一对称分布,且不存在坍塌压力单调递增或单调递减的井斜方位,危险区域和安全区域交替出现;与弱面黏聚力相比,弱面内摩擦角的水化程度对坍塌压力分布的影响更大。现场实例分析结果表明:利用提出的力化耦合模型可以准确地预测坍塌压力分布,只要将钻井液活度控制在活度窗口内,就能保证井壁稳定并降低钻井液密度。图9表1参16     

含水量对硬脆性泥页岩稳定性的影响

用改进的热滚分散法探讨了含水量对硬脆性泥页岩稳定性的影响。结果表明,在不同的保存和处理条件下,或在室温及空气湿度变化条件下,都会引起岩样含水量的变化。含水量的微小变化,对硬脆性泥页岩的稳定性能产生很大的影响,影响程度甚至大大超过一些稳定剂。     

塔河侧钻水平井硬脆性泥页岩井壁失稳研究及对策

考虑到避水与垂深的限制,将塔河侧钻水平井的造斜点设置在石炭系巴楚组或桑塔木组。此外,造
斜段在泥岩段钻进井段较长,钻井液的浸泡作用使井壁极易掉块坍塌,卡钻等复杂情况经常发生。通过黏土矿物、
理化特性、ＣＴ扫描等手段分析了易失稳泥岩的组构特征,易失稳地层属硬脆性泥岩,微裂隙发育。高温高压浸泡
岩心,进行ＣＴ扫描观察微裂隙扩展,并测试其抗压强度评价钻井液的抑制封堵性。采用多元协同的钻井液防塌机
理,兼顾物理化学封堵、抑制泥页岩表面水化、井壁固结以及合理的钻井液密度,开发了可以有效应对硬脆性泥页
岩剥落掉块的强抑制强封堵钻井液。经过ＴＫ２２７ＣＨ井的现场试验,取得良好的应用效果,垮塌掉块明显减少,井
径规则,保证了侧钻水平井在复杂泥岩段的安全施工。     

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。      

哈拉哈塘油田硬脆性泥页岩井壁失稳机理及对策

针对哈拉哈塘油田三叠系和志留系硬脆性泥页岩井壁失稳问题,分别从地层力学和地层物理化学2方面进行失稳机理及对策研究。研究结果表明,油田地层3大主应力分布规律为σZσHσh,三叠系比志留系容易发生力学失稳;三叠系硬脆性泥页岩阳离子交换容量、蒙脱石率、胶体率和膨胀率分别为25.4 mmol/100 g、36.3%、76.4%和23.2%,表面水化能力较强,易发生物理化学失稳;志留系硬脆性泥页岩阳离子交换容量、蒙脱石率、胶体率和膨胀率都较低,分别为8 mmol/100 g、11.4%、25.1%和9.7%,水化膨胀能力较弱,但由于地层裂缝发育,易发生裂缝性失稳。通过提高钻井液在三叠系的密度、抑制性和在志留系的封堵性,在现场Ⅰ井和Ⅱ井试验均取得了较好的效果。     

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。     

脆性地层井壁稳定性评价准则

脆性地层在钻井过程中的井壁稳定问题一直是困扰石油工业界的一个十分复杂的问题,其评价准则的选取是预测井壁稳定性的关键。目前,讨论最多的针对脆性地层井壁稳定性评价准则有:Mohr-Coulomb准则,Hoek-Brown准则,Mogi-Coulomb准则,三维Hoek-Brown准则。在调研国内外评价准则的基础上,介绍了几种方法的基本原理、误差来源分析及适用范围:Mohr-Coulomb准则公式简单,参数获取方便,但只能反映岩块的线性破坏特征;Hoek-Brown准则虽能更好的反映岩块的非线性破坏特征,但由于没有考虑中间主应力的影响,结果是一个偏低的估计;Mogi-Coulomb准则引入了中间主应力的影响,且拟合结果居中,但进行三轴试验要求较高;三维Hoek-Brown准则既考虑了中间主应力的影响,又继承了Hoek-Brown准则的优点,且拟合偏差最小。建议深入研究中主应力对岩石强度的影响效应,推广脆性地层井壁稳定性评价准则适用范围。     

气体钻井中泥页岩地层遇水时的井壁稳定性研究

常规钻井液钻井中,水在正压差、毛管力和化学势等作用下进入泥页岩发生井壁失稳,而气体钻井除了自身的力学失稳外,主要在毛管力作用下吸收下部地层水造成泥页岩地层井壁失稳。因此,随着气体钻井技术的发展,在钻遇下部地层出水后,泥页岩地层的井壁失稳机理值得研究。从分析气体钻井条件下泥页岩吸水扩散系数、吸水膨胀系数和吸水后的力学参数变化入手,结合建立的力学化学耦合模型,紧紧抓住气体钻井和水基钻井液钻井的不同点,使得该模型能较好地运用到气体钻井泥页岩井壁稳定性的分析中,并通过DY1井气体钻井实践验证了文中的模型。     

深层硬脆性泥页岩井壁稳定力学化学耦合研究进展与思考

深层及超深层油气资源正逐步成为我国重点勘探开发的关键领域,但钻井过程中深层硬脆性泥页岩地层井壁失稳问题频发,严重制约着深层及超深层油气资源高效开发。力学化学耦合作用下的深层硬脆性泥页岩井壁稳定问题,是一个涉及微观、细观及宏观跨尺度演化的复杂问题。阐述了力学化学耦合作用下硬脆性泥页岩井壁失稳的基本原理,并分别从微观、细观和宏观尺度,总结了硬脆性泥页岩与入井流体间的作用机理、细观结构损伤演化的定量表征、泥页岩水化宏观力学劣化效应及井壁稳定性定量分析方面的研究进展,从考虑化学效应的断裂力学角度,提出了探索硬脆性泥页岩井壁稳定性问题的新思路。     

泥页岩地层井壁失稳理论研究及其进展

泥页岩地层井壁失稳理论及工程应用研究已发展成为既有理论基础、又有实践目标的工程技术。根据这一领域的研究现状及问题的实质,将深井泥页岩地层的井壁稳定性研究分为基于连续介质理论的均匀地层井壁稳定性研究、层理性地层井壁稳定性研究、裂隙性地层井壁稳定性研究以及井壁稳定性物理化学机理研究等方面,并对各理论研究的进展情况进行了总结。指出：以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理论和计算方法基本成熟,而具有显著“结构性（层理、裂缝）”的泥页岩地层井壁失稳问题仍是目前研究的重点和难点。需要从结构性地层的变形破坏特性、钻井液在结构性地层的渗流特征以及渗流对结构性地层的力学特性的影响规律等基础研究出发,开展泥页岩地层井壁稳定性综合研究是今后的发展方向。     

硬脆性泥页岩非壁稳定剂的研究

针对辽河油田双等地区井壁示稳定问题，研制了一种硬脆性泥页碉井壁稳定剂－ＪＨＳ。这是一种含阴，阳，非离子和有机硅等基团的多元共聚物。室内研究结果表明，ＪＨＳ对辽河油田沙河街组硬脆性泥页岩具有很好的稳定性，其２４ｈ径向膨胀度较稳定剂Ｋ－ＰＡＭ等可降低１０％左右，热滚回收率较Ｋ－ＰＡＭ等约提高１０％以上。     

地层水矿化度对硬脆性泥页岩蠕变规律影响的试验研究

硬脆性泥页岩层理、微裂缝发育,易造成井壁坍塌,特别当受到外来流体侵入时,泥页岩具有明显的流变效应。以硬脆性泥页岩为研究对象,进行了不同矿化度地层水饱和岩样的单轴压缩蠕变试验。在相同的外载条件下,矿化度6.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变变形量最小(0.001~0.014),矿化度8.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变变形量稍大(0.005~0.024),矿化度4.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变变形量最大(0.010~0.030)。借鉴经典元件组合模型的建模思路,建立了反映蠕变三阶段的蠕变模型,模型中瞬时弹性模量、黏滞系数和加速蠕变黏滞系数等3个重要参数都明显趋于下降。试验结果表明:矿化度与泥页岩蠕变变形量之间呈二次非线性函数关系,太高或太低都会对泥页岩的力学性质产生较大的影响。研究认为,在现场钻井中应考虑钻井液矿化度对井壁稳定的影响。