基于流固耦合理论的充气欠平衡钻井井壁稳定性分析

充气欠平衡钻井钻井过程中常出现井壁失稳、钻井失败情况。基于流固耦合理论,应用ANSYS软件平台模拟充气欠平衡钻井钻进中的井壁应力,在考虑流固耦合数学模型和应力破坏准则基础上,对井壁应力情况分析,得出以下结论:(1)确定了井壁失稳的破坏准则及破坏方向;(2)计算分析了井壁的3种应力随距井眼轴心距离变化规律,得出欠平衡钻井和过平衡钻井中井壁应力区别;(3)考虑不同渗透率条件下,欠平衡钻井井壁稳定随时间变化情况,以及孔隙压力变化情况。确定了不同地层条件下欠平衡钻井需要注意的问题。分析准确地指出了欠平衡钻井过程中井壁应力变化规律,保证了现场施工的顺利进行。     

煤层井壁稳定的时间延迟效应探讨

为预测煤层井壁钻后垮塌的可能性及延迟时间,从孔隙压力、井壁渗流入手,结合断裂力学进行了分析。基于煤层富含割理的特性,分析了孔隙压力对割理的受力影响,表明孔隙压力只影响割理表面的正应力,不影响其切应力。结合排采实例,分析了孔隙压力变化对煤岩稳定性的影响,发现孔隙压力下降会导致煤粉增加。讨论了欠平衡钻井和过平衡钻井下井壁渗流产生的孔隙压力变化情况以及由此带来的时间延迟效应。利用数值方法分析了钻井中流固耦合行为,通过拟合给出了孔隙压力随时间变化的关系。利用断裂力学井壁稳定理论,定量分析了井壁稳定的时间延迟效应,给出了具体条件下延迟时间求解公式。研究表明,在富含割理的煤层中,井壁的稳定性确实存在时间延迟效应;孔隙压力变化是时间延迟效应的主因,割理的存在是内因。     

欠平衡钻井压差的确定技术及在石南4井区的应用

欠平衡钻井过程中井壁稳定与否是保证欠平衡钻井成功的关键，本文利用多孔弹性介质力学及岩石力学理论，建立了欠平衡钻井过程中保持井壁稳定及控制井喷的极限钻井压差的计算模式，提出了欠平衡钻井合理压差的确定原则，最后，论文结合石南4井区的地应力参数及地层强度参数，对石南4井区欠平衡钻井极限压差进行了计算，分析了在该区进行欠平衡钻井的可行性，并据此研究成果在石南4井区实施了2口欠平衡钻井。     

气体钻井研究进展

气体钻井是欠平衡钻井的一种特殊形式,具有机械钻速快、保护储层、克服井漏和钻井效率高等常规钻井液钻井不可比拟的优势,促进了气体钻井在国内外的推广应用。但作为一项新技术,基础理论研究和现场实践过程还不成熟。综述了国内外气体钻井研究的几个热点问题,主要包括以下几个方面:研究了气体钻井理论模型,为钻井工艺参数奠定理论依据;探讨了气体钻井井斜机理,类比了气体钻井控制井斜新技术;分析了气体钻井井壁稳定性理论,总结了应对气体钻井井壁稳定性的技术思路。     

低渗气藏气体钻井关键技术研究

根据川东北元坝陆相地层岩石内聚力和原始地层坍塌分析,从气体钻井条件下井壁稳定性分析入手,开展井壁坍塌风险评价、井下安全评价和气体钻井提速潜力评价,通过建立岩石坍塌密度剖面,计算井筒环空压力分布和岩屑浓度,量化井底岩石可钻性级值,评价了元坝地区气体钻井提速潜力。     

火成岩地层气体钻井井壁稳定性实验研究

准噶尔盆地深部石炭系地层具有较大的勘探潜力。前期钻探实践表明,石炭系火成岩地层厚度大、岩石坚硬、可钻性极差,导致了该层段钻进过程中机械钻速低、钻井周期较长。利用乌参1井的火成岩地层取芯岩样,开展了岩芯室内准三轴围压力学实验,表明40MPa围压下火成岩岩石失效表现为脆性断裂;根据摩尔—库伦强度理论,通过对气体钻井发生井壁失稳时的最大正应力进行计算,并与上覆地层压力比较,提出了准噶尔盆地火成岩地层气体钻井的井壁稳定性实验分析方法,并据此得到了准噶尔盆地埋深小于6110m的石炭系火成岩地层均可以尝试气体钻井技术应用的结论。研究成果为实施气体钻井解决石炭系深探井火成岩井段的钻井提速瓶颈问题提供了理论依据。     

欠平衡及控压钻井在江苏油田适应性探讨

针对目前江苏油田持续稳产挑战大,钻井过程中工程难题多的现状,为了提高钻井过程中储层保护效率,减少或避免钻井井下复杂情况。从江苏油田适合欠平衡及控压钻井的地层筛选,井壁稳定性评价和井口压力控制等方面探讨了江苏油田使用欠平衡及控压钻井技术的可行性。建立欠平衡及控压钻井适应性评价标准,为欠平衡及控压钻井在江苏油田选层、选井提供了理论依据。     

大位移井井壁稳定性力学化学耦合研究

在海洋石油开发过程中,大位移井发挥着重要作用,而其井壁稳定性对正常钻进十分重要。从影响大位移井井壁稳定性的岩石力学机理出发,分析了井眼周围应力分布规律,根据岩石力学和弹塑性力学理论,建立了大位移井井壁稳定性力学分析模型。考虑到岩石在钻井液的浸泡下会产生水化作用而使其强度降低,分析了水化作用对岩石强度的影响规律,建立水化作用下的岩石强度预测模型。利用该耦合研究方法预测了某油田两口大位移井的井壁稳定性,结果显示在井径扩大率符合工程要求范围内,预测结果与现场实际应用相吻合,为以后大位移井优选泥浆密度提供可靠的参考依据。     

气体钻井出现的问题分析及对策研究

气体欠平衡钻井技术主要包括空气钻井、天然气钻井和惰性气体钻井。实践证明气体钻井能够大幅度提高钻井速度,增加钻头单进尺,对于提高深层钻井速度具有重大的意义。但是目前存在一些问题,如井壁稳定、井斜控制、摩阻大、转换过程中井壁剥落、出水以及钻具断裂和硫化氢问题。针对以上问题,做出了分析,并提出了相应的解决方案;针对井下复杂情况在地面上的反映进行了分析,提出了一套处理井下复杂情况的方案。     

煤层气水平井井周围岩热流固耦合数值分析

煤层气井壁失稳是影响煤层气产业化开采的重要原因之一,以宁武盆地9#煤层的煤层气水平井为研究对象,运用有限元软件分析了2种条件(不考虑热流固耦合作用的影响和考虑热流固耦合作用的影响)下井周的应力分布和变形情况。模拟结果发现:考虑热流固耦合作用时,结果与工程实际更加吻合;水平井井周围岩所受的Tresca应力、第一、第二和第三主应力均存在应力波动区域,该区域容易产生新生裂隙,降低了井周围岩的强度,容易产生井壁失稳事故;在AB弧长上,井周围岩大于8.0 cm的井段上,井周变化率大于5.0%,容易产生井壁失稳事故。     

采空区稳定性数值模拟研究

采空区直接影响矿山安全生产,对其稳定性研究具有重要意义。基于ANSYS有限元软件,对开阳磷矿的采空区稳定性进行了数值模拟。模拟结果表明:3#采空区和6#采空区上方岩体受拉应力作用明显,所受最大拉应力大于岩石抗拉强度,说明3#采空区和6#采空区均不稳定。     

考虑降雨入渗-重分布的边坡稳定性分析

为了阐述降雨对边坡稳定性的影响具有滞后性,提出了在降雨入渗过程中进行边坡稳定性分析时需考虑降雨入渗-重分布过程。在降雨入渗-重分布过程中,建立了基于GEOSTUDIO的边坡降雨入渗数值计算模型,研究了不同降雨强度对非饱和土质边坡稳定性的影响,并对比分析了在降雨强度和降雨持时相同条件下考虑与不考虑流固耦合时边坡稳定性变化规律。结果表明:不考虑流固耦合时,边坡安全系数随持续降雨逐渐变小,并在降雨结束后7~9h降至最低,之后安全系数逐渐增大,在降雨持时入渗及降雨结束后7~9h,边坡安全系数降低速率与降雨强度正相关;考虑流固耦合作用时,边坡的安全系数逐渐变小至趋于稳定,且始终不比考虑流固耦合时小。     

冷冲击作用下干热岩井井筒裂纹扩展数值模拟研究

干热岩（HDR）是一种清洁可再生能源,主要通过增强型地热系统（EGS）进行开发。在EGS工程中,无论是注入井还是生产井的建设都需要采用地热钻井技术,而高温高压钻井过程中地层破裂、井壁坍塌等现象是干热岩钻井施工面临的重要问题。在温差作用下,岩石的矿物颗粒由于其热膨胀、冷收缩特性的差异性,矿物颗粒之间产生温度应力,导致岩体发生热破裂。本文借助RFPA数值模拟软件,对干热岩开采过程中井筒花岗岩冷冲击作用下的裂纹扩展进行研究。结果表明：井筒模型在冷冲击过程中,岩石表面拉应力随着冷冲击时间的增加,先升高至峰值后缓慢下降。裂纹扩展可以大致分为前、中、后期。冷冲击前期,井筒周围出现环形拉应力区,开始出现均匀的微小裂纹。冷冲击中期,随着时间的增加,拉应力区逐渐向井筒外围扩展,裂纹随着拉应力区向外扩展。冷冲击后期,拉应力大小逐渐降低直至小于模型抗拉强度,裂纹扩展速度减缓直至停止扩展。围压、井径、温度对井筒围岩冷冲击时的破坏损伤效果影响显著,其中,温度对冷冲击裂纹扩展起到促进作用,围压对冷冲击裂纹扩展起到抑制作用,井径对冷冲击裂纹扩展起到促进作用。     

欠平衡钻井设备配套技术的探讨

前平衡钻井技术在油气层勘探和开发方而正发挥着越来越重要的作用[1],因此,它的的应用和发展越来越受到人们的重视,欠平衡钻井设备配套技术也相应地得到迅猛发展.在保护储层、防止井漏、雏持井壁稳定、快速进足等方面均不同程度地取得了优良效果.在欠平衡钻井作业中,设备是基础.优良、配套的设备装置足钻井作业顺利进行的保证.作者结合欠平衡钻井现场作业情况,较为系统地介绍了全套空气欠平衡钻井设备、装置的性能厦作用,并对欠平衡钻井钻井设备配套技术提出了认识.     

气体全过程欠平衡钻井压力控制技术探讨

简述了国内外全过程欠平衡钻井技术及其控压设备的应用现状,分析了不压井起下钻装置和套管阀装置的优缺点。针对大庆气体钻井过程中所遇到的诸多问题和大庆地层的物理特性,对大庆油田深层实施全过程气体欠平衡钻井的技术难点进行了深入分析,认为现有控压设备不能满足大庆油田高压气层气体全过程欠平衡钻井的需求。为此提出了旋转控制头总成密封控制法和气流引导法两种深层气体钻井的控压设备及方案,在达深9、徐深41等五口气体钻井中进行了现场应用,在有烃值显示的情况下起下钻时使用该方案有效地控制了地层气从井口返出,从而达到推进气体全过程欠平衡钻井作业的进程,提高气体钻井效率的目的。     

削球式及椭圆回转式钻井井壁底力学性能分析

钻井法凿井是采用大型钻井机经一次或几次扩孔施工竖井井筒的方法,钻井底部井壁底结构承受最大的水泥浆压力,容易发生破坏。根据钻井井壁底飘浮下沉中的实际工况建立模型,采用ANSYS计算软件对削球式和椭圆回转式2种井壁底的力学性能进行有限元分析,分析2种井壁底的应力分布规律和受力的主要影响因素,同时选取受力形式相对较好的削球式和椭圆回转式模型进行关键点受力比较,提出了对深厚表土层钻井井壁底的最佳结构形式,为今后采用钻井设计与施工时选择最佳井壁底结构形式提供参考。     

中牟页岩气区块泥页岩井壁稳定影响因素分析及技术对策

井壁失稳是钻井过程中常常遇见的难题之一,尤其在钻遇泥页岩井段。针对河南中牟页岩气区块在山西组-太原组泥页岩钻进过程中发生井壁坍塌掉块、卡钻、井径扩大率大等复杂情况,利用MY1井钻井岩心从泥页岩类型划分、孔渗特征、微观结构、岩石力学以及地应力等方面开展井壁稳定性影响因素实验分析。通过分析可知,中牟区块泥页岩属硬脆性泥页岩,造成井壁失稳的主要因素为地层非均质性强,岩石脆性程度较高,微裂缝发育,易导致井壁机械剥落、坍塌掉块。通过合理控制钻井液密度、优化井身结构及钻井参数、研发低自由水强封堵钻井液提高井壁稳定性,在区块钻井实践中取得了较好的应用效果,基本解决了井壁失稳难题。     

深厚表土层变断面钻井井壁竖向稳定临界深度的有限元计算

在给出了深厚表土层钻井井壁竖向稳定性有限元基本理论的基础上,结合工程实例,计算出该钻井井壁的竖向稳定临界深度为635 m（其钻井井壁全深为645.3 m）,表明该钻井井壁在下沉到底时存在竖向失稳的可能性.通过增加横向约束的方法,井壁的竖向稳定性可得到有效地改善.同时研究了井壁的质量、井壁上下端的约束条件和井壁底接触面积等因素对钻井井壁竖向稳定临界深度的影响.结果表明：井壁的质量与钻井井壁竖向稳定临界深度成反比;井壁上下端的约束条件对井壁的竖向稳定性影响较大;井壁底与岩面的接触面积越大,井壁的竖向稳定性越强.     

厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理

为揭示厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理,以安徽淮南矿区某在建煤矿副井为背景,分析厚表土薄基岩钻井井筒受拉破断过程与特征,建立马头门上覆岩层弯曲变形竖向剪切拉应力力学模型,给出井筒围岩分层竖向位移函数,采用最小势能原理及弹性力学理论推导出井筒竖向拉应力解析解。分析表明,井筒马头门上覆岩层受施工多次扰动影响发生弯曲变形是产生作用于井筒之上的竖向剪切拉应力的致因;该剪切拉应力产生的作用于井筒之上的拉力由下而上积累到某一阈值,该阈值与井筒自重应力的合力超过钻井井筒极限抗拉强度时,在钻井井筒接头处发生第1次拉断破坏,其后,随着岩层弯曲变形发展,拉断处以上井筒继续受竖向剪切拉应力作用而发生第2次拉断破坏,并导致底部含水层水砂溃入井筒发生淹井事故。马头门围岩的稳定性对改变上部钻井井筒受力状态有重要影响,其上覆基岩越薄影响越大,越易发生钻井井壁拉断破坏,基岩与风化基岩弹性模量比和风化基岩与底含弹性模量比对井筒发生拉断破坏时的位置,以及对应马头门顶部最大竖向位移影响均较小。通过采用钻井井筒竖向受拉等强设计、钻井井筒底部设置壁座、马头门至钻井井筒底部基岩段设置1~2道水平隔离缝、地面L型注浆加固马头门软弱围岩等技术途径,完善现行相关设计规范,确保钻井井筒运行安全。     

钢筋混凝土井壁与深厚围岩（土）耦合机理的研究

在钢筋混凝土井壁结构破裂的弹塑性理论基础上,利用大型通用结构分析软件ANSYS进行了深厚表土中井壁结构的弹塑性数值模拟计算,得到井壁破裂的过程、井壁内部应力应变的动态变化规律,探讨了井壁结构与深厚围岩（土）耦合作用机理,为深厚表土层中井壁破裂的防治提供了理论依据。