各向异性度对水平井井壁稳定性的影响

本文使用软件Matlab编程计算不同各向异性度井壁处最小主应力分量,然后通过拉伸失效准则和剪切失效准则来分析水平井壁的稳定性。结果表明:在不同的各向异性度下井壁切应力、最小主应力分布值之间都存在明显的差距,在应力最大值和最小值处这种差距体现得最为明显;对于不同各向异性度,最小主应力分布几乎与各向同性的应力分布一致;随着各向异性度的增加,井壁的拉伸失效趋势增加,而剪切失效趋势减小。     

基于ABAQUS的径向井井壁稳定性分析

基于岩石力学相关理论,依据Mohr-Coulomb准则,建立了多分支径向井井壁稳定力学模型,并采用有限元数值模拟方法对力学模型进行了验证,结果表明该模型具有较高的准确度。基于ABAQUS有限元数值模拟,依次研究径向井方位角、地层最大主应力与最小主应力压差(地应力差)、弹性模量、泊松比、径向井孔径等因素对三分支径向井井壁稳定性的影响。研究结果表明:多分支径向井井壁稳定性受地应力差和径向井孔径的影响较大;径向井眼的跟端和中段易存在明显的应力集中,是井眼防塌的关键区域;径向井方位角、弹性模量和泊松比对径向井井壁稳定性的影响较小,在一定范围内径向井井壁处于力学稳定状态。     

径向位移对井壁稳定性影响的分析方法

为研究地层岩石在弹性状态下载荷极限和径向位移对井壁稳定性的影响,引入地层弹性载荷系数λ,建立弹性载荷系数和径向位移定量分析模型。该模型证明在井周方位90°和270°处的弹性极限载荷系数和径向位移最小,井壁承载附加应力和抗压力激动能力弱。将该模型应用于蓬莱2井须家河组地层井壁稳定性评价,研究发现,该段地层附加应力场激动时的弹性载荷系数允值应小于1.54,若弹性载荷系数大于1.82则径向位移易发生突变,导致井壁失稳扩径;径向位移下限值自上到下依次增大,井壁抗压力激动能力依次较强;泥岩与砂岩硬夹层径向位移差异较大,两者易产生接触滑动,导致井壁掉块扩径或下钻遇阻。     

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。     

SK气田井壁稳定性判别图版的测井研究

SK气田古近系地层发育巨厚的膏岩、泥岩、夹泥质粉砂岩,构造高陡,处于异常高压和强地应力状态,钻井过程中井壁垮塌和井漏较严重.利用声波时差和密度等测井资料和岩心实验及实钻数据,针对古近系地层钻井井壁失稳的问题,从岩石力学角度出发,考虑地层倾斜对地应力的影响,建立适合工区高陡地层的地应力计算模型;考虑岩石剪切强度、裂缝发育情况和水平主应力比对井壁稳定性的影响,引入抗剪强度、渗透率增大系数和水平主应力比建立古近系地层钻井井壁稳定性判别图版.利用该图版能快速准确地判断钻井过程中是否发生井壁垮塌和井漏,可为钻井设计及施工提供理论指导和决策依据,值得推广应用.     

裂缝井壁力学稳定性研究

针对钻井过程中的井壁失稳问题,探讨了裂缝井壁失稳机理,主要考虑了井壁裂缝尖端的应力强度因子,采用有限元法和孔隙弹性理论研究自然裂缝地层中的井眼行为,分析裂缝井壁的稳定性。同时研究了不同参数对裂缝扩张和井壁稳定的影响,为正确认识裂缝井眼的稳定性提供了科学依据。     

气体钻井井壁稳定性分析

首先分析了用钻井液钻井时钻井液与地层的相互作用，并以多孔介质传导、吸附与扩散（水分子和水化离子）、双电层电场与电斥力为基础，建立起钻井液滤液在井周地层中的渗透运移规律和水化应力与地层强度随时间变化的规律，对地层应力应变状态受钻井液的影响进行定量化分析。并将用于校正后由测井资料得到的围岩强度性质及应力状态，从而得到气体钻井条件下井周地层的强度性质及应力状态。最后选择适当的强度准则，形成气体钻井井壁稳定性分析模型系统。以七里北1井的测井资料为基础，运用该模型系统分析了七北101井气体钻井井段的井壁稳定性，其结果与该井钻井实际情况一致，表明该模型系统是准确、可靠的。     

钻井液对井壁稳定性的影响研究

在实际的钻井过程中,如果出现井壁失稳现象,单纯提高钻井液的密度使井眼重新达到稳定状态,会造成其它方面的一些钻井工程问题,如压差卡钻、降低钻进速度等,更严重的是如果已经揭开了油气层,会对油气层造成更严重的伤害。是否可以通过调节钻井液的其它性能来达到井壁稳定的目的,为此收集了大港油田北大港断裂带、唐家河断鼻、南大港断块、板北断块、舍女寺断鼻等五个区块的现场钻井液性能参数及相应井段的井径 数据,通过统计回归的方法研究了钻井液密度、粘度、API滤失量、滤饼厚度、排量与井眼扩大率之间的关系,分析了这些钻井液性能对井壁稳定的敏感性,得出钻井液的密度、API滤失量是影响井壁稳定性的敏感性因素 ,钻井液的粘度是次敏感性因素,滤饼厚度和排量是非敏感性因素的结论。
     

井壁强化作用影响因素的数值模拟

近年来,井壁强化等先期封堵技术逐渐得到了应用和发展,但其相关影响因素及作用机理还未得到深入揭示。通过建立多孔弹性介质的有限元模型,考虑地应力各向异性、架桥位置、漏失速率及裂缝后端压力等因素的影响,对井壁强化机理及相关影响因素进行了分析。模拟结果表明,刚性封堵材料通过减缓裂缝后端由于压力下降所产生的形变,并将该形变向井壁周围传递,使架桥后裂缝附近的井壁周向应力增加,从而导致裂缝趋于闭合;地应力各向异性越小,裂缝闭合趋势越明显;漏失速率越大,越有利于封堵颗粒的快速架桥,井壁强化效果越好;封堵材料架桥时,架桥位置距离裂缝端口越近,架桥位置后端压力越接近地层孔隙压力,越有利于裂缝的闭合及抑制裂缝尖端的扩展。      

由井壁崩落宽度反演地层水平主应力的数学模型

对井壁剪切破坏崩落规律的研究发现,井壁崩落扇形区域面积不受多次崩落影响,基本为定值,可通过4臂或6臂井径测井获取。以此规律为基础,基于线弹性理论,建立了井壁发生初次破坏崩落的数学模型。利用该模型,在已知最小水平主应力、岩石内摩擦角、内聚力、地层孔隙压力、钻井液柱压力和井壁崩落扇形区域面积一定的条件下,可反算出最大水平主应力。研究表明,模型计算结果与室内实验值十分接近,该模型简单实用、精度较高。     

地应力类型影响定向井井壁稳定的规律

定向井井周应力状态和井壁稳定性规律与直井有着明显的差别,开展地应力类型对定向井井壁稳定性的影响规律研究,对定向井井眼轨迹设计具有一定的指导作用。为此,根据正常、走滑和反转三种地应力类型,深入分析了定向井井斜角和井眼方位对井壁坍塌破坏的影响规律。结果表明：①随着井斜角的增加,正常和反转地应力类型的井壁稳定性逐渐变差,即直井比定向井或水平井井壁稳定性更好;②随着井斜角的增加,走滑地应力类型的井壁稳定性逐渐增强,即水平井井壁稳定性最好;③定向井钻井或完井过程中,井壁稳定的最优钻井方位与最大水平地应力方向的夹角按正常地应力、走滑地应力和反转地应力类型依次为90°、45°和0°。     

渤海油田科学探索井井壁稳定性预测技术

渤海油田科学探索井设计井深5355m。是目前渤海湾最深的一口预探井。地质油藏部门预测该井井底温度将超过160℃,地层压力系数最高可迭1．65。该井是目前渤海地区最深的一口真正意义上的高温高压井,钻前对井壁稳定性的预测能够保证该井成功钻达目的层。通过分析邻近区块已钻井资料,得出该井在钻井过程中不同层位可能出现的复杂情况;由地应力和构造地质运动的关系,确定了3个主应力的相对大小关系,通过对邻近区块地应力方向的研究,确定了该井最大水平主应力的方向。将取自邻近区块上部井段的岩心经钻井液浸泡后进行力学性能测试。分析了钻井液失水对井眼稳定性产生的影响。研究结果对于该井现场作业具有一定的指导意义。     

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.     

非均匀地应力下井壁Von Mises应力及稳定性分析

为分析非均匀地应力作用下井壁Von Mises(米塞斯)应力及其对井壁稳定性的影响,建立了非均匀地应力作用下井壁附近岩石的力学分析模型。根据弹性力学中应力与应力函数之间的关系,应用叠加原理,导出了非均匀地应力下井壁径向应力、环向应力和剪切应力计算公式,分析了非均匀地应力对井壁稳定性的影响,确定了以钻井液密度为自变量的井壁Von Mises应力的二次拟合公式。采用拟合公式计算的井壁Von Mises应力误差小于2.5%,利用该公式可以确定井壁岩石不会破裂的钻井液密度。     

A new well path optimization model for increased mechanical borehole stability

Borehole collapse is the commonly encountered wellbore stability problem during drilling. The precursor of such borehole failure can be often eliminated by a proper determination of the critical mud pressure. Recently, Al-Ajmi and Zimmerman developed a new 3D analytical model to estimate the mud pressure required to avoid shear failure (i.e., borehole collapse) at the wall of an arbitrarily oriented borehole. This was achieved by using linear elasticity theory to calculate the stresses around the borehole, in conjunction with the fully-polyaxial Mogi–Coulomb criterion to predict failure. This model was used to study the behaviour of the collapse pressure under different in situ stress regimes. We found that the optimal drilling trajectory is directly related to the principal in situ stresses. Accordingly, we now develop a new analytical solution to optimize well path. The stability model has been applied to several field cases, from the North Sea, Indonesia and the Arabian Gulf, and the new model in each case is consistent with the field experience. We conclude that the optimal wellbore profile can be ensured by employing this new analytical stability model.     

节理煤层井壁稳定性的评价模型

对节理煤层的井壁失稳机理分析表明,近井壁的裂纹受到地应力和裂纹应力的双重影响,比煤岩块体更容易遭到破坏。用应力强度因子描述了裂纹的受力集中程度,利用强度准则构建了裂纹扩展破坏的判据,据此提出了节理煤层井壁稳定评价模型。该模型可以定量判断节理煤层直井或水平井井壁是否稳定,对其他节理地层的井壁失稳评价也具有借鉴意义。应用该模型并结合实例评价了煤储层水平井的井壁稳定,分析了裂纹倾角、井底压力、裂纹长度和井眼半径对应力强度因子的影响。对于节理煤层水平井,随着井底压力的增加,应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ呈线性减小,井壁稳定性变好;随着裂纹长度的增加,应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ也显著增加,井壁稳定性变差;裂纹倾角增大,应力强度因子K_Ⅰ减小,而K_Ⅱ增加,裂纹的抗张能力增强,抗剪能力降低,井壁的整体稳定性变差。当井径增加时,K_Ⅱ增加,抗剪能力降低,井壁的整体稳定性变差。节理煤层中井眼存在尺寸效应,煤岩中存在裂纹是其重要原因。裂纹与井径的比值越大,尺寸效应越明显。     

径向井远端压裂电模拟实验研究

依据水电相似原理,设计径向井远端压裂电模拟实验模型,研究在裂缝为横向裂缝且径向井筒内摩阻较高的条件下,裂缝条数、裂缝间距、裂缝长度不同时径向井远端压裂的渗流场分布规律.研究结果表明：等压线以裂缝为长轴呈椭圆分布,在径向井筒附近以径向井筒为长轴呈椭圆形状,在远井地带接近圆形;在裂缝端部和径向井筒端部等压线发生明显的弯曲,沿着径向井筒等压线变化平缓;相同电压差的等压线在裂缝附近比较集中,在径向井筒附近及远井地带比较平缓;径向井远端压裂时裂缝数量和裂缝长度存在一最优值,裂缝间距不宜过小,应尽量增加裂缝间的距离.     

径向井引导水力裂缝扩展机理

随着低渗、超低渗油藏的深入开发,径向井辅助压裂技术在各大油田进行了先导性试验,但目前对径向井引导裂缝扩展机理的研究尚未见报道。基于ABAQUS有限元软件,建立了径向井储层三维实体仿真模型,研究了径向井井径、井距和孔眼数对裂缝扩展的影响规律。数值模拟结果表明:不同井眼施工参数可以改变径向井周围的应力分布,达到减小储层破裂压力、引导裂缝扩展的作用;径向井井径和孔眼数的增加能够减小轴向压应力,降低储层破裂压力,而井距的增加使轴向压应力变大;直井井壁应力分布受径向井井距和孔眼数的影响明显,压应力随井径的增加而减小,并在径向井方向取得最小值,压应力随孔眼数的增加而增大。     

水平井水平段压力分布研究

对油藏中一个水平井井筒内单相及两相流动特性进行了数值计算研究。由于所用油藏模型压力分布比较复杂,使得水平井的流动计算变得相当复杂,应用表征流动特性的非线性方程对空间进行迭代计算,再向时间推进。计算结果表明,水平井渗流量表现为两端高、中间低的特征,水平井内压力分布趋于下降的特征。所开发的计算程序具有实用性,可为水平井的设计开采提供一定的参考。     

有机硅防卡钻井液在G59-平2井的应用

G59-平2井是在冀东油田南堡凹陷高尚堡构造带上的第一口中深水平井.完钻井深为2778 m,水平段长198 m,井底水平位移为1097.32 m.斜井段采用有机硅聚合物钻井液体系,该钻井液流型好、性能稳定(稳定周期在1周以上);防塌、携岩效果好,岩屑返出正常,有效地防止了岩屑床的形成.根据井眼轨迹,针对不同的井斜,在液体润滑剂的基础上适时适量地复配石墨、阳离子乳化沥青,很好地解决了因水平位移大、井斜角大,携岩、拖压问题突出、,防卡难度大的问题.邻井拖压40 t以上,该井复合钻进加压2～3 t、滑动钻进加压6～8 t,起下钻平稳,基本解决了拖压现象.在水平段针对地层孔隙度及时添加复合型暂堵剂起到了保护油气层的目的.该井钻井、电测、下套管、固井等作业顺利.