塔北隆起盐下油气藏井眼缩径研究

采用Heard非线性蠕变模型作为深井段盐岩蠕变本构方程,并建立含盐膏岩夹层的有限元模型,得到了塔里木羊塔克区块巨厚盐膏层变形及井眼缩径规律.研究表明,由于上覆岩层应力的作用,羊塔克隆起构造盐岩层翘曲段逐渐趋于平缓;在同一盐膏层井段不同井深处井眼蠕变缩径的程度明显不同,顶部和底部盐膏层井眼缩径速率最快,缩径量较大.据此,现场钻井工程师在进行盐膏层井段钻进的时候要特别注意打开盐膏层和钻出盐膏层井段时的钻井液密度控制,优选钻井方案,防止盐岩层井段发生卡钻等井下事故.     

钻井液密度对井眼缩径影响的黏弹性分析

采用开尔文-沃伊特流变模型,推导出了均匀地应力下盐膏层井眼缩径的黏弹性解析解,得到了实际可以测量到的井径变化值,并分析了钻井液密度对井眼缩径的影响.对江汉油田王斜78-1井进行了实例分析,结果表明,盐膏层井眼缩径与岩层自身蠕变特性密切相关,井眼缩径率随着时间的增加而减小且最后趋于一稳定值,随着钻井液密度升高,井眼缩径率降低,当钻井液密度升至某一值时,井眼缩径率降至零,此密度即为临界钻井液密度(王斜78-1井的临界钻井液密度为2.4 kg/L).钻井液密度高于此临界值并依据岩层自身蠕变特性合理安排作业时间是保证钻井过程中不发生缩径和卡钻等事故的必要条件.     

宝南侏罗系地层井壁失稳机理的研讨

宝南区块自1996年7月开始钻探到目前为止共完钻5口井,这5口井在钻进侏罗系地层时均不同程度地出现了起下钻阻卡、卡钻、测井遇阻卡、断钻具、井漏等井下复杂情况与事故,严重影响了钻井周期,其原因是泥页岩/煤层井壁坍塌与砂砾岩蠕变缩径引起的井壁失稳.室内研究结果表明,井壁坍塌的根本原因是5口井的使用钻井液密度皆小于计算坍塌压力.砂砾岩地层井眼缩径的原因是这类地层具有一定的流变性,特别是在钻井液长期浸泡的情况下,地层向井眼内蠕变,导致井眼缩径.采用改进的三轴岩石强度试验机作试验装置,对砂砾岩地层的蠕变特征进行了测试,并在此基础上研究了井眼缩径的原因及对策.依据实验结果对砂砾岩地层井眼缩径率的计算结果表明:井眼缩径率随着井眼钻开时间的增加而增大,随着钻井液密度的增大而逐渐减小,而且不同类型钻井液在相同密度的情况下,井眼缩径造成阻卡的时间不同,例如采用醋酸钾强封堵钻井液或全油基钻井液,在使用合理的钻井液密度的情况下,可以延长安全钻井周期.     

胜科1井三开钻遇软泥岩钻井液技术

胜科1井是一口超深重点科学探井，目的为证实胜利油田渤海湾盆地深层生油的可能性。在该井三开（2931～4155m）钻进过程中，分别钻遇盐膏层、盐岩层、软泥岩、膏质泥岩、砂岩等多套层系并在3套盐膏层中钻遇软泥岩，使工程变得复杂，钻井液性能起伏较大。在现场施工中，围绕着解决如何提高钻井液在高密度下对土相的污染容限，以及如何在高固相情况下调整好钻井液的流态问题，成功地运用了多聚物复合盐欠饱和钻井液体系，很好地解决了多层系、多压力地层特点带来的钻井难题，顺利地钻穿沙四段，为盐下段的施工打下了良好的基础。介绍了软泥岩段的电测结果。对3000～4200m井段软泥岩的蠕变速率进行了研究，得出了不同井深处、不同钻井液密度下的井眼蠕变速率，以及保证不同井深处软泥岩地层蠕变速率小于0．8mm／h所需的钻井液密度。     

中东某区块盐岩地层蠕变缩径的力学分析与应用

在统计中东某区块钻井过程中主要事故和复杂情况的基础上,发现盐岩蠕变、软泥岩流动的控制是解决复合盐膏层钻井技术难题的关键.文章应用Norton蠕变模型,建立了盐岩地层井眼半径随上覆岩层压力、钻井液密度、地层温度、裸露时间变化的解析解,并由此导出了一定蠕变速率下钻井液密度的确定方法.最后结合中东某区块的实钻资料绘制出了推荐现场使用的盐岩地层钻井液密度图版,为该地区能有效抑制因盐岩蠕变发生缩径卡钻等复杂事故提供了理论依据,对该地区井深2 950 m左右的钻井液密度的确定提出了具体方案,对现场有一定的指导意义.     

盐膏层合理钻井液密度的确定

在阐述盐膏层蠕变规律的基础上,对某油田X区块盐膏层蠕变进行分析,利用有限差分模拟计算软件建立计算模型。通过数值模拟计算得出在不同钻井液密度下井眼缩径率随井深的变化规律,并绘制出盐膏层岩段不同缩径率下的钻井液密度图版,从而确定了顺利钻穿该区块盐膏层的合理钻井液密度。     

盐岩层钻大斜度井的井壁稳定性研究

针对盐岩井段易发生蠕变缩径,引起卡钻、固井后又易发生挤毁套管等事故的现象,应用有限元方法,建立了描述盐岩层中斜井井眼蠕变缩径的空间力学模型,从岩石力学角度分析了塔里木油田羊塔克地区盐岩层钻大斜度井的井壁稳定性,论述了一定地应力状态下井斜角和方位角对井眼缩径的影响规律.该研究成果为盐层段定向井井眼轨迹设计、合理确定泥浆密度和盐岩层钻井施工提供了理论参考,已成功应用于塔里木地区钻遇盐岩层时钻井工程的设计和施工.     

渤海浅部砂泥岩地层井壁蠕变缩径研究

针对渤海油田浅部储层井眼蠕变缩径和井壁坍塌等问题,利用室内试验研究了浅部砂泥岩岩石物性与力学性质,测量了砂泥岩在不同含水量和不同偏应力下的蠕变速率,并根据Weertman模型进行了蠕变参数拟合。在室内试验基础上,利用有限元模型对井眼缩径的时变规律进行了研究。以曹妃甸6-2油田A井为例进行了现场应用分析。研究结果表明,在偏应力较大时地层会进入加速蠕变阶段,由于蠕变速率过快导致地层产生蠕变缩径坍塌。根据研究结果给出了抑制蠕变、延长钻井周期等相关的钻井工程技术对策,研究结果可为现场选择安全合理的钻井液密度提供指导。     

玉东7-4-2井钻井液技术优化及应用

针对塔北玉东区块上部地层缩径阻卡、膏盐岩层蠕变缩径和垮塌卡钻、高密度盐水钻井液流变性及滤失量控制难等一系列问题,玉东7-4-2井通过对钻井液技术的优化,解决了阻卡和膏盐层井眼稳定等问题,易塌层段井径扩大率仅为7.5%,钻井周期比邻井节约20 d以上,提速效果显著。      

S115井承压堵漏及盐膏层钻井液技术

塔河油田古生界石炭系地层存在膏盐岩层，埋深为5175～5304m，厚度达130m。该膏盐岩层纯而且集中，钻井过程中极易发生溶解、膨胀、井眼缩径、井壁坍塌，造成起钻遇阻、下钻遇卡等现象。决定采用欠饱和盐水钻井液和配套的钻井技术措施。钻进盐膏层时，保持钻井液性能稳定，控制钻井液密度，以平衡地层压力，抑制盐膏层的蠕变；及时检测Cl^-含量，将Cl^-含量控制在160000～175000mg／L之间，保证适度溶解盐膏层井壁，防止缩径发生复杂情况；对于漏失层采用全井分段间隙式堵漏工艺，每次泵入量不宜太多，泵速不宜太高，按照“少量多次”的原则进行憋压。现场应用表明，该钻井液体系和配套的钻井技术措施，满足了盐膏层钻进，保证了盐膏层上部地层的稳定，井眼无坍塌现象，盐膏层钻进顺利，无阻卡现象，5次电测均一次到底，下套管、固井施工顺利。     

基于盐岩损伤机理的深部巨厚盐层钻井液密度设计方法

为防止钻井过程中盐层蠕变发生塑性变形而导致卡钻等事故,传统的方法是建立蠕变本构方程及用实验确定蠕变参数,但是得到的控制盐层蠕变的钻井液密度不能很好地反映实际钻井情况.因而提出一种控制近井筒盐岩不产生扩容损伤变形的新方法,并利用该方法设计了深部巨厚盐层钻井液密度.通过室内试验分析了盐岩损伤变形过程中的声发射信号,确定了盐岩的扩容损伤边界.对于深部盐岩钻井工程中的井壁稳定性问题,根据八面体剪应力准则,井壁盐岩的应力状态控制在扩容损伤边界以内,设计了深部盐层安全钻井液密度窗口.与实际钻井对比分析表明,用该方法设计的钻井液密度窗口能够保证盐层安全钻井,且方法简单而有效,便于现场应用.     

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在负压钻井过程中，地层流体不断流入井内。如果负压钻井的钻井液密度过低，造成过大的井底负压，大量的地层流体会流入井内。这不仅会给涌出地层流体的地面处理带来困难，还会造成储层垮塌，导致储层的毁灭性伤害。因此，必须确定合理的钻井液密度以避免地层坍塌。井眼形成后井筒周围的应力将伴随地层流体的流入而重新分布，由于地层岩石的力学特性不同，井筒周围应力的重新分布可能是弹性的，也可能是弹塑性的，并且与地层流体的流速密切相关。从分析井筒周围的应力分布入手，以地层不发生坍塌为条件，导出了负压钻井所需的最小钻井液密度；对影响最小钻井液密度的主要因素进行了分析，指出地层的胶结强度和原始地层压力是影响最小钻井液密度的主要因素。     

Deformation Mechanisms and Safe Drilling Fluids Density in Extremely Thick Salt Formations

Hydrocarbons are very often associated with salt structures. The oil and gas industry is often required to drill along and through long salt sections to reach and recover hydrocarbons. The unique physical properties of salt require special techniques to ensure borehole stability and adequate casing design. This paper assumed that the mechanical behavior of salt is regulated by the magnitude of mean stress and octahedral shear stress and under the influence of different stress conditions, the deformation of rock salt can be represented by three domains, i.e. compression domain, volume unchanged domain, and dilatancy domain, which are separated by a stress dependent boundary. In the compression domain, the volume of salt decreases until all microcracks are closed, with only elastic deformation and pure creep; in the volume unchanged domain the deformation is considered steady incompressible flow controlled by pure creep; and in the dilatancy domain the volume of salt increases during deformation due to micro-cracking, causing damage and accelerating “creep” until failure. This paper presents a hypothesis that the borehole is stable only when the magnitude of octahedral shear stress is below the dilatancy boundary. It gives the design method for determining drilling fluids density, and calculates the closure rate of borehole with the recommended drilling fluids density. If the closure rate of the borehole is less than 0.1%, the drilling fluids density window can be used during drilling through extremely thick salt formations.     

各向异性地层钻井井斜问题研究

在实验室内以全尺寸实物钻头破岩,系统地研究各向异性地层对井斜影响程度的成本较高。随着计算机硬件和数值模拟计算软件，尤其是有限元软件的发展，使得有限元仿真模拟各向异性地层钻井井斜是经济可行的。在弹塑性力学、岩石破碎力学的理论基础上，建立了三牙轮钻头齿面与井底岩石接触问题的动态模拟的有限元模型，模型中地层岩石力学特性建立为各向异性材料模式。提出了以岩石临界塑性应变为判据，来判断岩石材料是否被切削或剥落，并在动态仿真模拟过程中，将这些剥落的单元去掉，形成钻井井眼和新的井底表面。用文中建立的模型，动态模拟、分析了钻头钻进时，在各向异性地层和地层倾角的干扰下，钻头与井壁间产生不对称的侧向力，使钻头产生侧向偏移，累积形成井斜，给出了定量的模拟结果。调整参数可以模拟和分析不同钻井参数、各向异性地层以及地层倾角对井斜的影响关系，从而为各向异性地层以及高陡构造地层防斜打快提供理论参考，同时为防斜工具的设计、改进以及井眼轨迹控制提供理论基础。     

塔河油田南缘盐膏层钻井技术

塔河油田南缘石炭系盐膏层以盐岩为主，盐岩质纯、埋藏深、厚度大。由于盐膏层塑性蠕变，钻进盐膏层时易发生井下事故或复杂情况，严重影响了钻井地质目的实现。在分析塔河油田南缘盐膏层钻井技术难点的基础上，详细论述了该地区盐膏层钻井技术，并以S105井盐膏层钻井为例，介绍了该地区盐膏层钻井技术的现场实施情况。     

霍尔果斯背斜井壁稳定技术研究

井壁失稳是制约霍尔果斯背斜钻井速度的重要因素之一。地质、工程资料的综合分析表明:霍尔果斯背斜由于受到构造运动的挤压,地应力高、地层破碎,特别是高陡地层层理发育、地层岩石水敏性强且存在多个压力层系,钻井过程中井下垮塌、漏失等复杂事故频繁发生。研究发现:霍尔果斯井壁失稳多种失稳机理共存、互相作用,以高陡层理性泥页岩地层的井壁失稳为主。因此,合理选择钻井液密度是防止霍尔果斯背斜井壁失稳的关键。研究了霍尔果斯高陡层理性地层井壁失稳的力学机理,建立了合理钻井液密度的确定方法,研究结果在霍003井应用获得良好效果,卡钻等事故大大减少。同时探讨了利用定向井解决井壁稳定问题的可行性,结果表明,可通过避开层理弱面的不利角度降低坍塌压力、扩大安全钻井液密度窗口。图5参16     

高压膏盐层定向井钻井关键技术

Jeribe—Kirkuk储层为伊拉克哈法亚油田的主力储层之一,上覆厚约500 m、地层压力系数为2.25的Lower Fars膏盐层作为其盖层。因该高压膏盐层的存在,导致第一口Jeribe—Kirkuk定向井多次卡钻2次侧钻,第一口水平井提前下套管完井,Lower Fars高压膏盐层钻井面临极大挑战。为此,通过分析Lower Fars膏盐层的力学特性、孔隙压力、地应力大小以及岩石矿物特征,建立Lower Fars层不同岩性地层井壁稳定和井眼变形规律的数学模型和判定规则,模拟钻井过程中的井眼变形规律,有针对性地研制适用于该膏盐层定向钻井的高密度饱和盐水钻井液体系、优化定向井井眼轨迹与施工方案。研究结果表明:(1)Lower Fars膏盐层最易失稳地层为泥岩层,卡钻的主因是泥岩水化后流变性增大,导致井眼缩径,并拖拽相邻硬石膏和盐岩坍塌,加剧卡钻的风险导致卡钻;(2)Lower Fars层井壁变形失稳随井斜角和井眼钻开时间的增大而增大,随着井眼钻开时间的延长,井壁失稳的风险急剧增加;(3)筛选了适合高密度饱和盐水的聚胺抑制剂BZ-HIB及聚合物稀释剂JNJ,优化钻井液配方,可有效提高钻井液在膏盐层钻进过程中的抑制性及流变性;(4)Jeribe—Kirkuk定向井造斜点由Lower Fars层提升至Upper Fars层,Upper Fars井段造斜、Lower Fars井段稳斜,降低Lower Fars段的井斜角和定向段长度,从而降低卡钻风险。截至目前,22口井的现场应用效果表明,该区?311.2 mm井眼事故复杂得到了有效控制,其中,2016年平均钻井周期为35.8 d,同比缩短52.8%,机械钻速从平均3.3 m/h提高至7.33 m/h,提高122%,技术优化取得了明显的效果。     

欠平衡钻井坍塌压力计算模型

欠平衡钻井过程中井壁稳定是保证欠平衡钻井成功的关键。在欠平衡钻井过程中，地层流体不断流入井内，促使井筒周围的应力将伴随地层流体的流入而重新分布，进而影响井壁的稳定性。根据原地应力产生的应力与地层流体向井眼径向流动产生的拖拽力叠加而求得了欠平衡钻井井周应力的解析解，考虑欠平衡钻井过程中地层流体对岩石拖拽作用后地层坍塌压力更大即井壁更易失稳，运用Mohr-Coulomb强度准则建立了欠平衡钻井坍塌压力的计算模型。将所建立的计算模型应用于塔中722井的井壁稳定性分析，结果表明：理论分析结果与工程实测数据对比，计算结果较为准确。     

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。      

断裂带破碎地层井壁稳定机理的离散元法分析

受挤压构造运动影响,顺北5号断裂带奥陶系地层破碎,钻井过程中井壁坍塌掉块严重.由于破碎地层岩石的变形及应力是不连续的,破碎岩块间不存在黏聚力,导致常规的基于连续介质的岩石力学分析方法不适用于此类破碎地层.而离散单元法将含结构面的岩体假定为若干刚体组合,可以刻画变形及应力的非连续性,适用于破碎性地层建模.首先针对地层破碎...