泥页岩地层水化后井眼周围应力的计算模型

由于泥页岩中含有水敏性黏土矿物,当与钻井液接触时,泥页岩与钻井液相互作用,产生水化膨胀,不仅改变了井眼周围的应力分布,而且由于吸水使得泥页岩的强度降低,这就使得泥页岩地层的井壁失稳问题非常严重。水化作用后的围岩,在假定泥页岩为线弹性的条件下,建立了均匀地应力作用下泥页岩水化后井眼周围应力分布的计算模型。对该模型利用差分方法进行了求解,可以编制程序,该程序可以计算出泥页岩水化后井眼周围岩石的含水量分布、井眼周围的应力分布及保持井壁稳定所需的坍塌压力。     

XC气田须五段气藏水平井井壁稳定性分析

XC气田须五段气藏属典型非常规致密气藏,砂岩、泥页岩均为储层,且频繁互层,水平井钻井面临泥页岩井壁水化失稳问题。根据水化后井壁变弹性参数的物理模型,结合数学物理公式推导、计算软件编制,形成了一套考虑泥页岩地层遇钻井液水化影响的井壁应力计算方法;通过岩心室内实验标定,研究了XC气田须五段气藏岩石力学参数特征、井壁岩石水化规律、泥页岩力学参数水化规律,及水化过程井壁稳定性特征。结果显示,水化性泥页岩地层存在水化初期高坍塌压力现象,随着水化时间的增加,井壁稳定性并未进一步恶化;对于该类地层,在钻井设计与施工中,需正确认识和处理水化初期的高坍塌压力现象,而并不一定要使用过高的钻井液密度。     

物理化学作用下定向井井壁稳定分析

钻井过程中,由于钻井液物理化学作用的影响,泥页岩井壁更加不稳定。针对泥页岩孔隙内多场耦合作用下的渗流问题进行了系统研究,建立力学-化学耦合作用下定向井井壁稳定模型,采用有限差分法求解该模型,得出井壁周围应力分布,计算井壁坍塌压力,并研究与地应力状态有关的定向井坍塌压力。模型深化了对泥页岩孔隙内多场耦合作用下渗流规律的认识,模型简单实用,具有一定的工程实用价值。     

温度和化学耦合作用对泥页岩地层井壁稳定性的影响

钻井工程中,泥页岩地层井壁失稳问题严重。由于泥页岩地层的强水化膨胀性,目前大部分研究都集中于此,从而弱化了其他因素对井壁稳定性的影响。基于热孔隙弹性理论,考虑泥页岩的半透膜效应,对钻井过程中泥页岩地层温度和化学渗流作用对井周应力和坍塌压力的影响程度进行了分析。结果表明:钻井液与地层的温差和化学渗流均会产生相应附加应力,该附加应力会造成地层坍塌压力上升。同时由于温差和化学渗流的附加应力存在,井周应力分布发生变化。井周应力的重新分布使井周失稳区域改变,近井地带岩石稳定性较差,造成扩径率增大。因此,对于泥页岩地层井壁稳定性分析,在着眼于泥页岩水化特性的同时,温度和化学渗流作用不能忽视。     

控压钻井过程中泥页岩井壁破坏分析

控压钻井过程中,控制井底压力与地层压力相当,可以减少井壁由于井底压力过小或过大引起的井壁坍塌或破裂问题。对于水敏性泥页岩地层,即使在压力平衡的情况下,由于水基钻井液和泥页岩之间的水化渗透作用,泥页岩井壁也有可能不稳定。为此,建立了控压钻井条件下泥页岩井壁稳定非线性流-固-化耦合新模型,考虑了离子扩散与岩石变形的全耦合以及流体流动和离子扩散过程的非线性;通过有限元分析泥页岩井壁周围孔隙压力场和应力场的变化,计算井壁周围地层破坏系数,检查井壁是否破坏。研究结果表明：①控制压力钻井与常规钻井相比,水化渗透引起的孔隙压力剖面变化较小,有利于泥页岩井壁稳定;②泥页岩井壁失稳主要有井壁破坏、井壁附近地层破坏两种方式且后者是有时间效应的;③现有模型与非线性全耦合模型相比,过大地预计了井周孔隙压力和总应力且其压力峰值传播较慢;④泥页岩井壁失稳后,新的泥页岩表面暴露在钻井液中继续进行水和溶质交换,井眼扩大到一定值后,发生进一步失稳的可能性较小。     

泥页岩水化应力实验方法与实验装置

分析了泥页岩水化应力产生机理及其影响因素，建立了泥页岩水化应力测试方法，并通过对原有实验仪器的改进，建立了泥页岩水化应力定量测定模拟实验装置，实现了泥页岩水化应力的定量测定。实验结果表明，提出的实验方法得当，使用的实验仪器平行性好，完全可以满足泥页岩水化应力的定量测定，为泥页岩水化应力定量测定和深入研究泥页岩井壁稳定机理提供了一种室内实验研究手段和方法。实验结果证明了水化应力的存在，其最大值出现在泥页岩与水作用一定时间后，为井壁周期性坍塌提供了解释依据。     

苏里格上古水平段井壁失稳因素分析

井壁失稳是钻井工程中常遇到的井下复杂情况之一,严重影响地质资料的录取、钻井速度、质量及成本。苏里格气田水平井主要坍塌地层为石千峰组和石盒子组,通过对"双石"地层泥页岩力学因素、物理化学因素和工程因素分析发现,泥页岩存在裂隙,钻井液及其滤失都更易进入地层,加上外力冲涮,井壁很容易坍塌。而且泥页岩中粘土矿物在表面水化力、渗透水化力和毛细管力作用下,粘土发生水化、膨胀引起地层孔隙压力、膨胀压力升高,从而造成坍塌压力增大,这也是造成泥岩垮塌的重要原因。     

泥页岩井壁稳定力学与化学的耦合研究

基于井壁失稳的根本原因在于力(包括地应力和化学力)的作用观点,研完了垂直井中井壁稳定力学与化学的耦合作用。通过试验得出了模拟井下环境中井眼周围泥页岩与钻井液相互作用的规律,得到了地层水化效应模型、井壁周围泥页岩吸水量与距离和时间的关系式以及泥页岩水化膨胀应变与吸水量的关系等。最后,提出了水化作用下井眼周围泥页岩应力的简便计算方法,即:①求解由吸水膨胀引起的井壁周围泥页岩应力分布,②根据有限元方法计算由地应力的非均匀性引起的井壁周围泥页岩应力分布,并迭加到①中求解的应力中去。指出在计算中应考虑不同距离处因井眼周围泥页岩含水不同而引起的材料力学参数的变化。     

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。     

蠕变地层中套管外载的有限元数值分析法

地应力与井眼稳定、井筒压力系统控制、井眼井斜及方位的控制和井身 结构的确定紧密相关。因此地应力场的研究是钻井工种设计的基础工作之一。目前国内外对地应力作用下的套管外载的研究非常重视，相继开展了室内模拟试验和有关理论的研究。文中主要用有限元数值分析法研究蠕变地层中地应力对套管外载的影响。     

水平井分段压裂破裂压力计算

水平井分段压裂时,形成的初始裂缝会诱发井筒周围应力分布二次改变,产生诱导应力场。诱导应力场将会对后续裂缝起裂产生影响。在考虑原始井筒周围地应力分布状态的基础上,结合弹性力学理论和岩石拉伸破裂理论,建立了诱导应力场中井筒地应力分布模型和破裂压力计算模型。研究结果表明:诱导应力的大小和分布取决于裂缝间距、裂缝缝高及原始地应力。随着裂缝间距的增加,沿着井筒方向诱导应力逐渐变小;定间距时,随着裂缝高度的增加,破裂压力也随之增加;原始地应力分布与诱导应力场中破裂压力的变化规律无关,只决定着裂缝破裂压力增加的幅度。该结果对于优化水平井分段压裂设计具有一定的指导意义。     

山前构造地层地应力测试方法及其直井井壁稳定分析模型

在张量理论的基础上．针对构造运动活跃地层或山前构造．分析了在真实主应力空间与人为假设空间(常规工程主应力)不一致的条件下。地应力测量和解析的不合理性．提出了通过特定的Kaisir效应实验确定山前构造地层地应力的可行方法．推导出的直井井壁稳定力学模型为山前构造的安全泥浆密度确定方法提供了理论依据。     

发育有切割井眼结构面的井壁稳定性评价研究

切割井眼结构面的存在弱化了井壁的稳定性，常规完整井眼的井壁稳定分析理论已不能完全适用于受结构面切割的井眼。基于摩尔-库仑理论，在分析结构面应力状态的基础上，给出了井眼受结构面切割的井壁稳定性评价方法，并研究分析了结构面产状对井壁失稳的影响。结果表明，井壁的稳定性与原地应力状态、结构面产状以及结构面的力学性质有关，在其它因素一定的情况下，结构面的走向与倾角对井壁的稳定与失稳方位有着较大的影响。因此，准确评价结构面产出状态是提高井壁稳定性评价精度的前提。     

基于井壁稳定控制建立井眼轨迹优化预测模型

通过线性规划最优解理论及井壁剪切破坏条件,建立了井眼轨迹优化的控制方程及提出相应的数值求取方法。研究表明：当地应力大小关系满足控制方程的临界条件时,正断层作用应力区域钻直井或沿水平最小地应力方位钻水平井时,两者井壁稳定性相同,该情形也发生在逆断层作用应力区域钻直井或沿水平最大地应力方位钻水平井,此外,走滑断层作用应力区域,水平井沿水平最大或最小地应力方位钻进时,其井壁稳定性 也存在相同的可能性;另外,当水平最大地应力与上覆岩层压力比一定时,水平地应力比值（σ_h/σ_H）越大,正断层作用应力区域沿水平最小地应力方位,及逆断层作用应力区域沿水平最大地应力方位钻进的最优井斜角越小,反之,走滑断层作用应力区域,水平井的最优钻进方位与水平最大地应力方位夹角越 大。研究成果有助于指导现场施工高效钻进。     

水平气井井壁稳定性研究

文章以均质各向同性和线-弹性模型为依据，在某气田地应力、岩石强度等参数研究的基础上，应用Mohr―Coulomb强度判别准则，就不同地应力环境、不同孔弹性系数以及压力衰竭对水平井井壁稳定性的影响进行了研究。结果表明,应力非均匀性越强，井壁越不稳定；孔弹性系数对井壁稳定性的影响也很明显，由于地应力和孔隙压力的作用在一定时期内是相对稳定的，而有效应力大小与孔弹性系数值有关，不同的孔弹性系数值会使有效应力的大小关系发生变化，从而可能使得井壁稳定性分析结果不同，甚至截然相反；随着地层压力的降低，作用在最大剪切应力平面上的剪切应力显著增加，井壁越容易发生剪切垮塌。因此，在气井井壁稳定性分析过程中，准确确定原地应力的大小、方向和慎重地选取孔弹性系数值以及考虑压力衰竭的影响具有重要意义。     

渤中19-6复杂断块构造地应力分布规律试验研究

渤中凹陷19-6复杂断块构造同时受到走滑断裂与次级断裂切割的影响,难以通过对区域主控构造来判断地应力大小关系和方向。为提高区域钻井作业安全与效率,落实区域主控构造类型及地应力分布规律,对渤中19-6构造北部的2口探井开展了地层破裂试验,并对3口井进行了井下电成像测井。试验结果分析表明:渤中19-6构造区域内地应力表现为水平最大地应力>上覆岩层压力>水平最小地应力的分布特征,与区域内走滑断层为主控构造、正断层为次级构造的地质认识相符。井下电成像测井分析表明:受走滑断层影响,与周边油气构造地应力方向不同,构造区域内水平最大地应力方向在NE90°~110°。根据试验结果分析得出区域构造应力系数,并建立了渤中19-6构造北部沿深度的地应力剖面,具有较高的精度,为井位与钻井轨道优化、开展井壁稳定分析提供了可靠依据。     

考虑井壁稳定及增产效果的页岩气水平井段方位优化方法

针对页岩气水平井钻井过程中常见的井壁失稳垮塌问题,为提高井壁稳定性和为后期压裂增产提供良好的条件,分析了层理面产状和地应力类型对井壁稳定性的影响,并对压裂缝与水平井段夹角,以及与水平气井产量之间的关系进行了研究,进而提出了通过对水平井段方位的优化来提高井壁稳定性和改善压裂增产效果的技术思路:利用川南地区页岩气井的测井、地应力及岩石力学资料,通过页岩层理面破坏模型及本体破坏模型分析计算出不同方位角下的井壁坍塌压力,找出井壁稳定性最好时井眼与层理面产状和地应力类型之间的关系;通过对压裂缝延伸方向的分析,得出了压裂缝的一般延伸规律;利用产能公式计算裂缝与水平井段呈不同夹角时的产量,以此获得了裂缝与水平井段夹角影响压裂效果的规律。还以川南地区的W201-H3井为例,充分考虑页岩气井壁稳定及增产效果,提出了有针对性的水平井段方位优化设计,使该井能在保持良好井壁稳定性的前提下获得良好的增产效果。     

定向井三向主应力模型及影响因素分析

定向井三向主应力受并眼轨迹、水平地应力方向等因素影响,求解困难,而目前多数井周主应力模型仅针对井壁位置,远离井壁多不适用.此文通过坐标转化方法,建立了定向井三向主应力的求解模型,并且对影响主应力大小的因素进行了研究,研究成果对于定向井井壁稳定、水力压裂等研究有一定的借鉴意义.     

BZ13-1油田井壁稳定性研究及应用

位于渤海中部海域的BZ13-1油田在前期钻井中存在溢流、井漏、阻卡等较多复杂问题,制约了钻井速度。井壁稳定的力学分析方法主要利用钻井资料、测井资料、录井资料等,分析地层压力、地应力、地层强度参数的分布规律,结合岩体强度准则计算坍塌压力与破裂压力,得出钻井安全密度窗口。通过对BZ13-1油田井壁稳定性进行分析,得出了高压层、易漏失层、易坍塌层位置,并据此对开发井进行井身结构设计,分析结果在开发井钻井中取得了良好的应用效果,有效减少了钻井复杂问题。