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。     

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。     

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。     

泥页岩井壁稳定流固化耦合模型

考虑泥页岩-钻井液体系电化势渗透产生的流体流动和离子运移、泥页岩-钻井液体系中流体流动和溶质扩散过程的非线性、流体流动和离子运移对固体变形的影响,建立泥页岩井壁稳定流-固-化耦合模型。应用建立的模型计算实例井井眼周围地层随时间变化的孔隙压力、应力以及破坏指数。结果表明,若不考虑泥页岩膜离子选择性形成的扩散电势,计算的孔隙压力和应力偏小,而线性模型过高地预测了井壁周围的孔隙压力场和应力场。根据破坏指数可以看出,坍塌破坏首先发生在井壁附近地层,坍塌压力随时间延长增大且变化较明显,破裂压力随时间延长减小但变化不显著,钻井液密度窗口随时间变窄。     

渤海中深层井壁稳定流固耦合研究

渤海湾深部地层中存在大量的硬脆性泥页岩,易发生井壁失稳问题。鉴于此,将硬脆性泥页岩视作多孔弹性介质,探讨了流固耦合作用对井周岩石的应力和变形场的影响规律,建立了渗流-应力耦合作用下井壁稳定计算模型,在此基础上,分析了钻开时间对硬脆性泥页岩井周破坏的影响规律。研究结果表明:钻开瞬间,在最小地应力方位井壁内部附近孔压急剧升高,井周破坏首先出现在井壁内部;随着时间的延长,破坏程度呈现先降低后增长的趋势;在工程上可通过加强钻井液的封堵性或调整优化钻井液密度与流变性能,控制液柱压力向井周的扩散。所得结论一定程度上揭示了硬脆性泥页岩地层井壁失稳机理,对提高深层油气资源的勘探开发效率具有重要意义。     

泥页岩地层三个压力剖面的数学模型建立及应用

主要介绍了三个压力(包括地层孔隙压力、地层坍塌压力和地层破裂压力)剖面数学模型的建立及其软件应用,通过应用这些新技术不但有效地解决了深层井难于开发的问题,而且还可以较准确地预测井下地层的真实压力,具有理论指导意义。     

防止碳酸盐岩地层井壁失稳的对策研究

井壁稳定是钻井的关键技术之一，而且是世界性的钻井难题。根据不稳定地层的特性，给出相应的防范措施，对钻井工程中保持井壁稳定起着举足轻重的作用。井壁失稳问题不仅在砂泥岩剖面中存在，而且在碳酸盐岩剖面中也司空可见，但碳酸盐岩剖面井壁失稳的地层主要集中在地应力不平衡的地层、具有塑性和蠕变特性的盐膏岩地层、裂缝性地层及胶结性差的易破碎地层等。针对碳酸盐岩地层实际钻井过程中所遇到的各种引起井壁失稳的因素，对地应力因素引起井壁失稳控制技术、钻遇盐膏层预防措施、裂缝较发育的地层及胶结性差的破碎性地层井壁失稳对策进行了研究，并对保持井壁稳定的唯一可控因素，即安全钻井液密度窗的确定进行了探讨。这一整套对策对碳酸盐岩地层安全、经济、快速地钻探具有科学的指导作用。     

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。     

中江地区井壁力学稳定性研究

中江地区沙溪庙组地层在钻井过程中一直存在比较严重的垮塌现象，给该区钻井施工带来较大的技术难题和经济上造成较大损失。为弄清井壁稳定性机理，为该区钻井工程的设计与施工提供科学依据，文章从井壁应力状态角度出发，根据岩石力学理论分析和实验，利用钻井、录井、测井、测试、压裂等资料建立了计算中江地区沙溪庙组地层井壁力学系统合理的物理模型和计算方法，建立了该区地层孔隙压力、地应力、井壁破裂压力和井壁坍塌压力剖面，并在此基础上对井壁力学方面的稳定性进行了分析，发现在1600～1840m井段地层坍塌压力较高，与地层压力相当，出现了井壁扩大现象，井壁稳定性差，建议改进钻井液性能，降低地层坍塌压力。     

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。     

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。     

塔河油田井壁稳定机理与防塌钻井液技术研究

针对塔河油田井壁不稳定地层,选取代表性泥页岩岩心,通过X-射线衍射、扫描电镜、膨胀、分散、比表面积、比亲水量等试验方法,进行了矿物组成、层理结构和理化性能分析,弄清了塔河油田井壁不稳定的主要原因,提出了有效的井壁稳定技术对策,优选出2套防塌钻井液配方。现场试验表明,2套防塌钻井液配方均具有中途转型顺利、维护处理简单、防塌效果突出等优点,使用该钻井液体系可加快钻井速度,节约钻井综合成本。     

泥页岩井壁稳定研究及在临盘地区的应用

从岩石力学和物理化学两个主要因素简要分析了井壁失稳的机理，指出泥页岩井壁失稳是由力学与化学两方面因素共同作用的结果。钻井液与泥页岩存在化学势差，并改变了井壁附近的孔隙压力，降低岩石强度。借助于井壁处有效应力的变化,将泥页岩与钻井液相互作用时页岩水化所产生的力学效应与纯力学效应结合起来，计算出任意井斜方位井眼围岩应力状态，利用测井资料求出有关岩石力学参数和Mohr Couloumb准则，计算得出防塌的临界钻井液密度。     

泥页岩层不规则井眼环空注水泥顶替理论与技术

泥页岩层油气井井眼往往不规则,固井注水泥环空顶替效率低,严重影响着固井质量。目前国内外对之研究非常少,缺乏成熟的理论与技术。对井眼不规则影响固井质量的原因进行了分析,提出了有效解决不规则井眼环空钻井液在作业允许范围内被有效"替净"问题关键在于掌握不规则井眼几何形状及其与井斜角、套管偏心度、浆体性能、施工排量、旋流强度等对顶替界面的稳定性的影响规律; 在不规则井段,顶替液对被顶替液的作用机制,涡流强度与"替净"之间的关系,被顶替液的涡流结构变化规律等,亚滞留钻井液( 暂存于不规则段但能够不断流出的钻井液) 进入下游的扩散与迁移规律。因此,重视对不规则井眼固井环空顶替理论与方法前瞻性的研究具有重要意义。     

高压水射流处理地层的机理及试验

介绍了高压水射流深穿透处理地层解堵的三种物理机理,即低频旋转水力波、高频振荡射流冲击波和空化噪声超声波。实验室测试了解堵工具的旋转速度特性、冲击压力特性和射流冲击压力随喷距的变化规律。结果表明,随着泵压的增加,解堵工具的旋转速度增大,射流对套管壁面及炮眼冲击力也随之增大。在泵压一定的条件下,随着喷距的增加,射流冲击压力逐渐减弱。在试验的泵压20.0MPa条件下,射流压力作用深度可达600mm以上。经辽河油田23口油井现场试验表明,高压水射流深穿透解堵技术平均单井增油幅度达20%～50%,有效率90%以上,有效期90d以上,是高含水期油田强化生产、增产增注、提高采收率的一种高效新技术。     

MEG钻井液页岩抑制性研究

在钻井过程中,由于钻井液滤液的侵入,地层中的粘土矿物发生水化膨胀和水化分散作用,削弱了岩石的力学强度,致使井壁发生失稳。MEG钻井液是一种具有成膜作用的水基钻井液,对页岩具有较好的抑制作用。文中简单阐述了MEG钻井液页岩抑制性机理,分析研究了影响MEG钻井液页岩抑制性的因素,实验验证MEG钻井液的成膜作用。MEG钻井液主要是通过半透膜效应、封堵作用、渗透作用及去水化作用抑制页岩的水化分散和膨胀,当 钻井液中MEG浓度足够大时,MEG分子吸附在井壁岩石或钻屑表面上形成一层憎水膜,阻止钻井液滤液向地层或钻屑中渗透。研究表明,MEG浓度大于30％时,其抑制页岩的能力优于浓度为3％的KCl溶液;钻井液中MEG的加 量是影响钻井液抑制性的主要因素,并且钻井液中加入无机盐后,无机盐与MEG协同作用使MEG钻井液的页岩抑制能力提高;钻井液中MEG浓度越高,膜效率越好,MEG浓度大于50％时,页岩内水份渗出。

     

高性能页岩抑制剂ATROL的研制及现场应用

高性能强抑制性水基钻井液体系是一种类似油基钻井液的环境友好型钻井液体系,其核心处理剂之一就是新型高性能抑制剂。针对所钻遇泥页岩地层黏土矿物的水化膨胀和分散等问题,研制出了具有较强抑制作用的高性能页岩抑制剂ATROL。在介绍ATROL组成的同时,分析和研究了其作用机理。室内评价试验和在渤海CFD5-5-3D井现场应用的效果表明,ATROL能有效地应用于泥页岩复杂地层的钻进,并具有抑制能力强、防塌效果好、无毒无污染等优点,可很好地满足渤海石油勘探开发的要求。     

ESTIMATING TEMPERATURE AND PRESSURE EFFECTS ON VISCOSITY OF SASKATCHEWAN HEAVY OILS

Predictions for viscosity of Saskatchewan heavy oils are validated with experimental data at various temperatures and a wide range of pressures. Comparisons of predictions made with a single measured value and curve-fit value both at 30°C and 0 MPag pressure showed that results obtained with the later were in better agreement with experimental values; with overall average absolute deviations of 6.9%and 2.9% respectively

The results demonstrated that extreme care is essential in measuring viscosity at the reference temperature if accurate prediction is to be achieved with the correlation; and furthermore that the correlation can successfully predict heavy oils viscosity.     

ESTIMATING TEMPERATURE AND PRESSURE EFFECTS ON VISCOSITY OF SASKATCHEWAN HEAVY OILS

ABSTRACT

Predictions for viscosity of Saskatchewan heavy oils are validated with experimental data at various temperatures and a wide range of pressures. Comparisons of predictions made with a single measured value and curve-fit value both at 30°C and 0 MPag pressure showed that results obtained with the later were in better agreement with experimental values; with overall average absolute deviations of 6.9%and 2.9% respectively

The results demonstrated that extreme care is essential in measuring viscosity at the reference temperature if accurate prediction is to be achieved with the correlation; and furthermore that the correlation can successfully predict heavy oils viscosity.     

温度与无机盐阳离子对水化蒙脱土微观结构的影响

透水化蒙脱土一直被认为是钻井泥包和油层损坏的主要原因之一.利用了小角X散射、微小角X散射检测方法和Pons统计模型以及分形学理论.研究了温度(200℃)和泥浆中常用的无机盐(NaCl、KCl、CaCl₂)以及处理剂CMC对蒙脱土微观结构的影响.钠蒙脱土悬浮液在承受K⁺和Ca²⁺交换以及高温(200℃)作用以后其结构发生变化:在KCl和CaCl₂交换的情况下,蒙脱土颗粒厚度增大,由原来的几个晶片组合发展到80个晶片组合,同时,颗粒内部组合有序度增加,使蒙脱土悬浮体从一个胶体状态演变到水化固体状态.温度的作用使蒙脱土悬浮体的颗粒在垂直晶片平面方向上产生不可逆分裂而变小.