钻井过程中煤层井壁失稳数值模拟研究

煤岩强度低、节理发育的特性使煤岩坍塌与泥页岩坍塌在机理上有本质的区别.研究发现,当节理渗流压力小于某一定值时,煤岩节理最大位移、剪切位移呈线性变化;当节理渗流压力大干该定值时,节理位移呈级数增加.针对这一现象,应用流固耦合计算比较渗流和非渗流状态下不同钻井液密度下的煤岩节理位移,确定煤层防塌的合理钻井液密度,为煤层井壁...     

深水钻井天然气水合物地层井壁稳定流固耦合数值模拟

考虑钻井液与地层的热交换和水合物的分解,建立了水合物地层井壁稳定流固耦合数学模型,并开发了有限元程序。实例分析了钻井液压力和温度、原始地层水合物饱和度及施工作业时间等因素对水合物地层井壁稳定的影响,结果表明:随着钻井液温度、施工作业时间的增加,井眼周围地层水合物分解区域、地层最大屈服区域增大,不利于井壁稳定;随着钻井液压力、原始地层水合物饱和度增加,井眼周围地层水合物分解区域、地层最大屈服区域减小,有利于井壁稳定,因此深水钻井中应选择造壁性能好的低温钻井液并适当增加液柱压力。     

基于流固耦合理论的泥页岩井壁稳定性分析

钻井过程中,水基钻井液的化学渗透作用会导致井壁失稳,这个过程是钻井液与活性泥页岩地层发生强烈的流固热化多物理场耦合的过程。基于岩石力学和渗流力学理论,运用Comsol Multiphysics多物理场耦合软件建立耦合作用下井壁周围应力渗流流固耦合偏微分方程模型,并基于有限单元法对模型进行了求解。研究结果表明:有渗透和无渗透的井周应力分布是不一样的,且维持井壁稳定的防塌钻井液密度是随着时间增大而增大;将地层看成多孔弹性模型分析,并将水化应力分析考虑进来,研究发现水化应力张量对井周应力分布的大小和方向取决定作用,研究的结果对实际钻井有理论指导意义。     

滤饼质量对井壁周围应力和井壁稳定性的影响

无论是过平衡钻井,还是欠平衡钻井过程,都可能导致井周围地层孔隙压力改变,这样就使通过假定地层孔隙压力恒定而得到的井壁周围应力分布和地层的安全钻井液密度范围与实际偏离。滤饼质量直接影响到井壁附近地层的孔隙压力,定量地分析了滤饼质量对井周地层径向应力、切向应力、轴向应力和剪应力的影响。结果表明:一方面随着滤饼质量的提高,井筒内钻井液液柱压力对井壁地层的支撑作用逐渐增强,井壁地层抗剪切垮塌的能力相应提高,井壁稳定性变好;另一方面,地层颗粒间的接触应力逐渐增大,岩石抵抗张性破裂的能力增强,地层的破裂压力提高,井壁稳定性变好。滤饼质量好坏对低渗透地层的影响尤其显著。     

大牛地气田煤岩地层井壁稳定性研究方法

针对煤层气井井壁失稳的研究大多基于连续介质力学的方法,很少从流固耦合角度进行研究。鉴于此,通过对煤样进行单轴和3轴抗压强度试验研究煤岩的力学特性,得出煤岩破坏符合Coulmob强度准则的结论,并据此建立流固耦合模型,得出了最小破坏程度时的钻井液密度,并发现维持井壁破坏程度最小的钻井液密度随着井斜角的增大而增大,并在实际工程中采用推荐的钻井液密度,验证了Coulmob强度准则基础上的流固耦合分析方法的有效性。     

气井的流固耦合渗流场分析

针对气井生产过程中存在的流固耦合作用,在充分考虑真实天然气的偏差因子、密度以及黏度随压力变化的基础上,建立数学模型,利用COMSOL Multiphysics软件对应力场、渗流场进行耦合计算,得到流固耦合作用下的渗流场分布。从中提取井底上方20 m处切线上的地层压力、孔隙度、渗透率、渗流速度、气体密度、气体黏度等数据,进一步分析耦合渗流场的分布特点。研究得出:气井耦合渗流场中压力分布与常规数值分析得到的"压力漏斗"趋势相似,但压力数值偏小;由于应力场的作用,耦合渗流场中地层的孔隙度和渗透率是变化的,尤其在井底附近的减小程度显著,进而导致耦合渗流速度小于常规渗流场,最终影响气藏的开发动态;受压力变化的影响,天然气的黏度、密度分布也近似为"漏斗"趋势。结果表明,考虑流固耦合作用下的渗流场才是地下渗流的真实反映。     

基于流固耦合技术的压裂液管流特性研究

运用固体力学与流体力学理论,在考虑流固耦合效应下,采用有限元法研究了压裂液在压裂管路内流动时结构和流体的瞬态响应,实现管路与流体间的双向耦合,得到了压裂液流经管路后流体特性的变化规律,并将直管路内流体的压降规律与现场实测的压降进行对比,误差率为2.93%,证明了该方法的正确性和可行性。据此可指导水力压裂施工工艺的制定,以提高压裂效果,对油田长期有效开采具有重要的意义。     

泥页岩井壁稳定耦合研究

从实验和理论研究2个方面,对近年来国内外泥页岩井壁稳定耦合研究的现状进行了分析。目前,泥页岩井壁稳定耦合研究主要有3种方法:一是通过泥页岩水化实验和吸水实验,用热弹性比拟法研究由于含水量变化引起的水化应力;二是通过压力传递实验,用非平衡热动力法研究化学渗透作用引起岩石内部孔隙压力变化而导致的附加应力;三是通过压力传递与水化实验,用总水势法研究基于膨胀机理和耦合渗透流动而导致的膨胀应力。通过分析认为,泥页岩井壁稳定的研究虽然取得了一定成效,但仍然存在着复杂的问题和不足,还需要进一步深化机理和应用方面的研究。     

基于瞬态热流固耦合的钻井井壁稳定性分析

钻井过程中,钻井液循环对井壁和地层岩石产生热交换作用,同时钻井液滤失对地层产生渗流作用,两者都会引起井周应力场的改变,影响钻井液密度参数设计,严重时会导致井壁坍塌等复杂情况。文中根据线性热弹性多孔介质理论计算了温度变化对井壁和井周地层产生的井周热应力,依据达西渗流模型和渗流控制方程计算了瞬态条件下的地层孔隙压力和井周渗流应力,依据线性叠加原理求得了瞬态热流固耦合模型的井周应力,并利用摩尔-库伦准则和抗拉强度准则分析了温度与渗流对井壁稳定性的影响。结果表明：钻井液循环对地层降温会降低地层坍塌压力和破裂压力,在井壁钻井液柱压力恒定的情况下,井周坍塌失稳区域减小,破裂失稳区域增大;钻井液向地层滤失渗流会增大地层坍塌压力和破裂压力,在井壁钻井液柱压力恒定的情况下,井周坍塌失稳区域增大,破裂失稳区域减小。计算结果对钻井过程中确定合理的钻井液密度和类型以维持井壁稳定具有指导意义。     

流固耦合多相多组分渗流数学模型的建立

根据流固耦合渗流的基本思想，首次建立了流固耦合渗流的运动方程，并在此基础上建立了流固耦合多相多组分渗流的数学模型，为流固耦合渗流油藏数值模拟奠定了理论基础。     

分支井渗流-应力耦合场分析

在多孔介质的渗流过程中,存在着极强的流固耦合作用。针对广泛使用的分支井型,在利用 COMSOL Multiphysics 软件时充分考虑流固耦合作用,分析耦合渗流场和应力场的分布特点,同时通过运 用三维库伦准则计算失效系数fail 值来判断井壁岩石的危险截面,并进一步计算出不同造斜率情况下失 效系数fail 的最小值和失效系数fail≤-2.5 MPa 区域的体积积分值,从而研究采用不同造斜率侧钻分支 井眼对井壁失效区域大小的影响。结果表明,在单渗流场分析中采用定压缩系数方法得到的孔隙度其变化微乎其微,而耦合渗流场中的孔隙度、渗透率在井底附近区域变化明显。因此,考虑流固耦合作用下的 渗流场能更真实地反映地下渗流情况。在耦合应力场分析中,Von Mises 等效应力的最大值和失效系数 fail 最小值均出现在侧钻分支井窗口处,即窗口处井壁岩石为危险截面,进而得出在取造斜率为15°/30 m 进行侧钻分支井眼的情况下井壁岩石失效范围最小的结论,为分支井的设计和施工提供了理论依据。     

流固耦合模型在定量预测油水井出砂过程中的应用

在综合考虑流体渗流、储集层变形或破坏等因素的基础上，建立了流固耦合形式的出砂定量预测模型。提出了2类出砂机理：流体渗流剥蚀作用下的细砂产出和储集层结构破坏情况下的粗砂产出，并采用DruckerPrager准则研究了出砂过程中的砂岩储集层骨架应力和变形。有限元法数值模拟结果表明：在整个出砂过程中，地层渗透率的变化与生产压差、储集层物性密切相关。在相对平衡的地层压力条件下，由于剥蚀或储集层骨架破坏，地层渗透率可以增加30％；过高的生产压差可能造成井眼局部储集层压实，渗透率下降幅度可达50％。因此，保持适当的地层压力是控制渗透率下降进而保持产能的关键。图4表3参15     

大孔道形成与演化过程流固耦合模拟

为描述与认识油藏大孔道的形成与演化规律,建立了一套流固耦合数学模型.该数学模型由储集层渗透率演化模型与油藏流体渗流方程耦合而成,其中储集层渗透率的变化模型为渗透率与累计线流量的关系方程,反映了大孔道的演化过程.在此基础上,开发了模型求解软件.通过对正韵律概念模型的模拟计算,得出了大孔道在地层中的形成与演化规律:随着含水率的增加大孔道逐渐发育,含水率越高,大孔道越明显;大孔道主要发育在近井地带和主流线上;大孔道在正韵律厚油层底部发育;渗透率级差越大,注水过程中越容易形成大孔道;注采不均衡性导致在注采强度较大的方向上容易形成大孔道.实际模拟了胜利孤岛油田中二中30NB20井区Ng35大孔道的形成过程和特征,相应注水井实施调剖措施的效果进一步证实了大孔道的存在及本方法的可靠性.     

塔里木油田油水井套损规律及对策

基于对塔里木油田套损现状与规律的分析研究,认为造成油田油水井套损的因素主要有6个方面:①套管外存在塑性地层或高渗透地层;⑦井身结构不合理;⑦钻井设计水泥返高不够或固井质量不合格;④套管分级箍存在质量问题(主要是新井);⑤套管腐蚀、作业磨损以及特殊施工对套管造成损坏,使之抗外挤能力下降;⑥开发方式不合理.针对油田套损现状和分布规律,制定多学科协作的套损井综合"防"、"诊"、"治"对策,对于已发生套损的井,采取井下作业坐封打压、工程测井、静温梯度法3种技术综合找漏,找漏结果统计表明,1998-2009年,已有71口油水井发生套损,确认套损点87个.在精确定位套损部位后,择优选取挤水泥、下封隔器,下胀管补贴等措施补漏,对已发生套损的57口井实施了补漏,有46口井恢复了生产,有效率达80.70%.     

油井水力压裂流-固耦合非线性有限元数值模拟

基于多孔介质流固耦合的控制方程,推导了相应的非线性增量有限元列式,并采用以节点位移和孔隙压力为自由度的黏结单元来模拟水力损伤造成的预设裂缝的起裂和扩展,在此基础上建立了油井水力压裂的有限元模型。在该模型中考虑了压裂液的黏性系数和支撑剂的体积浓度随时间变化,所有参数均采用现场压裂的数据。通过数值模拟,得到了缝口压力、射孔孔眼摩阻、沿程摩阻、井筒内液柱静水压力和地面井口压力随压裂时间的变化规律,并给出了“压裂作业三条线”,模拟得到的“压裂作业三条线”与现场压裂实测结果吻合良好。     

断块油藏注采耦合物理模拟实验

针对断块油藏地质特点及开发特征,利用填砂管设计了注采耦合物理模拟实验,考察了弹性能量对提高采收率的影响,进一步揭示了其提高采收率机理。实验结果表明,在憋压阶段,砂管里储备的弹性能量仍能够使油流动并驱出,提高波及面积,提高采出程度19.48%,每次注采循环的注入倍数为0.038 PV,含水下降漏斗宽度为0.027 2 PV。实验结果为制定相关的开发方案提供了依据。     

探井二开以下地层井壁稳定性钻前预测方法

综合分析钻井过程中通常遇到的井漏、缩径和坍塌等复杂情况,确定已钻层段的坍塌压力和破裂压力,结合神经网络理论建立地震层速度与坍塌压力、破裂压力之间的非线性映射关系,提出利用地震资料钻前预测勘探构造第1口井二开以下地层井壁稳定性的方法。中国西北地区某油田钻探某构造的YS—D井二开层段钻进过程中出现泥岩垮塌,三开层段开钻前利用该方法对三开层段坍塌压力当量钻井液密度和破裂压力当量钻井液密度进行了预测,基于预测资料调整了钻井液密度,钻进基本正常。该方法自2001年4月以来已在52口探井中成功应用。应用效果表明利用该法预测的三开层段钻头下部300m内地层的压力变化结果与实际钻井中得到的数据较为接近,达到了钻前预测井壁稳定性的要求。图3表1参25     

椭圆形井眼及其稳定性的研究

在圆形井眼周围岩石应力分布及井壁岩石变形的计算中,得到了椭圆形井眼的曲线方程。从理论上解释了椭圆形井眼的成因。提出了用椭圆形井眼长短轴半径和地层的力学参数来计算地层应力的新方法;进而通过对椭圆形井眼周围岩石应力分布的分析,对不同岩性的地层确定了不同的井眼稳定性条件。(?)此基础上,提出了在保持井壁稳定的条件下实行近平衡钻井的原则以及为此所需的泥浆密度使用范围。这对于保护油气层、降低钻井成本及提高钻井质量都具有指导意义。