定向井坍塌压力上限对钻井安全密度窗口的影响

一般钻井安全密度窗口通过计算坍塌压力与破裂压力确定,钻井液密度过低会引起井壁坍塌。实际钻井情况反映,钻井液密度超过坍塌压力上限也会造成井壁坍塌。结合井壁成像测井,分析了高密度钻井液下的井周应力状态,建立了σ_z'＞σ_r'＞σ_θ'模式的坍塌压力上限计算模型,推导得出了直井的解析表达式与定向井的数值计算方法。结果显示:不论直井或定向井,对于强度低于某一临界值的地层,以传统的破裂压力作为安全密度窗口的上限将会低估井壁失稳风险;地层强度临界值的大小取决于主地应力、孔隙压力、有效应力系数。对定向井而言,坍塌压力上限随井斜角和方位角变化的敏感性较高,沿水平最小地应力方向钻进的井眼坍塌压力上限较高;随井斜角增大,坍塌压力上限与破裂压力值逐渐趋于接近。研究结果可防范高密度钻井液引起的井壁损伤和井塌现象。     

定向井井径扩大率计算模型及影响因素分析

井眼适度坍塌是缓解井壁稳定和储层保护矛盾的关键技术之一。根据弹性力学理论,建立了定向井井径扩大率计算模型,并分析了钻井液密度、井斜角和方位角对井径扩大率的影响规律。结果表明:对于任意井斜角、方位角的定向井而言,允许井壁适度坍塌,均可降低所需的钻井液密度;允许井径扩大一定程度的条件下,所需钻井液密度随井斜角增大呈增大趋势,但是随着钻井方位靠近水平最小地应力方位,此趋势逐渐改变为先减小后增大。通过该方法可得到任意井斜角、方位角井眼钻井液密度与井径扩大率的对应关系,根据钻井安全和储层保护的要求指导现场合理设计钻井液密度。     

大位移井井壁稳定机理及安全密度窗口分析

从井壁稳定的岩石力学机理出发,分析大位移井周的应力分布规律,建立大位移井井壁稳定的力学模型.根据库仑一摩尔强度准则和最大拉应力破裂准则,计算大位移井的井壁坍塌压力与泥浆安全密度窗口.利用Visual Basic语言编制了大位移井井壁稳定分析计算软件,分析影响大位移井井壁稳定性的因素,并计算大位移井的井壁坍塌压力与泥浆安全密度窗口.采用某油田的实际资料,计算出在不同井斜角和井斜方位角下的坍塌压力与泥浆安全密度窗口.计算结果表明,大位移井井壁坍塌压力、安全密度窗口与原地应力状态、井斜角和井斜方位角有直接关系,并提出了最优的井眼轨迹设计方案.     

压力衰竭储层井壁稳定性变化规律研究

油气田在开发中后期会发生储层压力衰竭,压力衰竭将导致储层地应力发生变化,进而影响钻井中的井壁稳定性。从压力衰竭对储层地应力的影响入手,结合压力衰竭地层的井周应力分布规律对安全钻井液密度窗口随压力衰竭程度的变化规律进行了研究。结果表明,在压力衰竭储层钻定向井时存在一个中性角,当井斜角小于中性角时,压力衰竭使安全钻井液密度窗口变宽;当井斜角大于中性角时,压力衰竭使安全钻井液密度窗口变窄;中性角的大小与地层压力衰竭程度无关,与钻井方位有关,保持井斜角小于中性角并远离水平最大地应力方向有利于压力衰竭地层的钻井安全。研究结果可以为油气田在不同压力衰竭时期的钻井设计提供参考。     

各向异性地层定向井井壁坍塌压力计算方法

层理性地层的力学性质和强度特征具有各向异性,受层理弱面的影响,钻井过程中容易发生井壁失稳的问题。各向异性地层中的井壁坍塌压力分析方法与普通完整性地层不同,强度准则应选用弱面破坏准则,并且层理面的存在也对井眼周围应力分布产生影响。对于各向异性地层中定向井钻进时井壁稳定的分析,需采用有限元等方法进行数值求解。某油田层理性泥页岩地层中不同井斜角和方位角条件下井壁坍塌压力的计算结果表明：定向井钻井中存在最佳钻入角,解决这类地层的井壁失稳问题主要应从控制井斜角和钻井方位入手,避免在井壁坍塌压力较高的井斜和方位范围内钻进定向井。     

渤海中深井复杂地层岩石特性及安全钻井周期研究

渤海渤中中深层油气资源是渤海湾增储上产重点领域之一,钻井过程中复杂情况发生率高、钻井周期长等制约了中深层油气资源安全高效规模开发。针对渤中中深井井壁失稳等问题,开展了中上部泥页岩、深部潜山砂砾岩等复杂地层岩石特性研究,结合区域地应力分析,揭示了定向钻进过程中坍塌压力、破裂压力随井斜角、方位角的变化规律,建立了渤中区域中深层钻井安全密度窗口图版;基于钻井液浸入后岩石强度特性实验研究,建立了渤中区域中深井安全钻井周期图版。研究结果表明,渤中区域东营组泥页岩呈现明显的各向异性特征,垂直方向取心的强度显著高于水平方向的强度;随井斜角和方位角变化,潜山组地层破裂压力当量密度在1.84～2.73 g/cm³变化;地层坍塌压力当量密度在1.15～1.40 g/cm³变化;渤中区域风化带附近裸眼段安全钻井周期在15天左右,潜山安全周期在20天左右。本文研究结果对渤中区域中深井钻井设计、施工作业降低复杂情况、保障作业安全具有重要意义。     

大斜度井泥页岩井壁稳定的力学分析

大斜度井泥页岩的井壁稳定对油气井的正常钻井十分重要。从岩石力学的角度出发，根据地壳岩石的特性建立了各向同性的线弹性力学模型，并用莫尔库仑强度准则对井壁失稳进行了分析。对油田的实际资料进行计算表明，井壁坍塌压力与井斜度和井斜方位角有关。井壁坍塌压力随井斜角与井斜方位角的变化规律主要由地层的原地应力状态决定。对于我国的大部分油田，直井的坍塌压力比大斜度井大。     

压力衰竭储层中定向井井壁稳定性分析

在很多油气田开发中后期,储层压力会发生衰竭,压力系数可能降至0．5以下。地层压力降低将导致地应力发生变化,进而影响钻井中的井壁稳定性。因此利用某正断层构造中的地层参数,对储层压力衰竭前后,向水平最大、最小主应力方向钻井情况下,坍塌压力和破裂压力随井斜角的变化情况进行了分析,结果表明在压力衰竭地层钻井主要应防止漏失,并且应避免向水平最大主应力方向钻进大斜度井或水平井。该研究结果可以为压力衰竭地层中定向井钻井设计提供参考。     

南海流花超大位移井井壁稳定性分析

大位移井钻井的主要技术难点之一是如何保持井壁稳定,井壁稳定与否是关系到一口井成败的关键。利用流花油田已钻井的测井数据,采用EATON法分析了流花油田孔隙压力,得出该油田的孔隙压力为1.02~1.04g/cm3;利用声发射凯塞尔效应法对取自流花11-1油田的岩心进行了地应力测定;应用已钻井测井资料并结合录井岩性剖面对流花11-1油田地层强度进行了计算分析。在此基础上定量分析了该油田在超大位移井钻井过程中泥页岩地层和灰岩储层的井壁稳定性,并得出了地层破裂压力、坍塌压力随井斜角和方位角的风险分布规律以及安全钻井液密度窗口。现场应用取得了较好的效果,为超大位移井的井壁稳定性控制提供了科学依据。     

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°。     

苏里格气田定向井井壁稳定性分析研究

通过坐标转换关系,建立了定向井井壁围岩的应力分布函数,分析了定向井井壁周围应力的分布情况.依据库伦-摩尔强度准则和最大拉应力破裂准则,建立定向井井壁坍塌压力和破裂压力计算模型,并据此编制了定向井井壁稳定计算分析软件.利用苏里格气田某井的实际数据资料,计算出了定向井井壁坍塌压力和破裂压力,绘制出坍塌压力和地层破裂压力随井...     

超深井侧钻段泥岩井壁失稳分析

为了解决西部超深硬脆性泥岩地层侧钻过程中井壁易垮塌的难题,从矿物特征及钻井液作用下地层强度的变化规律出发,确定了井壁失稳原因,考虑了层理面产状、井眼轨迹及地应力的综合影响,根据桑塔木组井壁围岩强度破坏条件建立了造斜井段井壁失稳地质力学模型.利用提出的井壁稳定力学模型分析可得,TKX-CH井侧钻段泥岩造斜初期坍塌压力当量密度为1.22 kg/L,实钻采用钻井液密度1.12 kg/L,井下掉块严重;井斜角达到58°时,将钻井液密度降至1.11 kg/L,井下掉块即得到抑制.现场试验表明,相同井斜角和侧钻方位角条件下,随着差应力比值的增大以及泥岩裸露在钻井液中时间的增长,维持井壁稳定的钻井液密度增大.研究认为,钻井设计时应根据地应力状态优选合理的造斜方位,以有效规避地层井壁围岩坍塌失稳风险高的井段,降低安全钻进风险.      

Wellbore Instability and Countermeasures in Offshore Bedding Shale Formations

Abstract

The properties of bedding shales are different from that of normal formations. Strength anisotropy is their outstanding feature. Experimental study and theoretical analysis show that this kind of anisotropy of bedding shales is the main reason of wellbore instability. W-2nd section shales in WZ12-1N oilfield are in typical bedding formation, and there were some problems such as severe borehole collapse and pipe sticking in drilling. Bedding shale formation was assumed to be a transversely isotropic material, and a collapse pressure calculating method was established. The calculation result of directional drilling collapse pressure in W-2nd bedding shales shows that if hole deviation exceeds a certain critical value, collapse pressure will increase sharply. This result was used in mud density design and well trajectory optimization, which solved the wellbore instability problems of the W-2nd formation. This research method has reference value to solve problems of wellbore instability and improve drilling efficiency in other similar regions.     

华北古近系及潜山内幕地层井壁稳定性研究

华北油田古近系地层以砂泥岩为主体,间或有玄武岩、煤层等,存在不同压力系统,复杂情况以垮塌、漏失、遇阻、划眼为主,潜山带灰岩地层裂缝发育,卡钻和井漏事故多发,钻井复杂事故占全井的73.62%。从矿物组分分析、岩石力学特征、地应力测试、钻井液浸泡的影响入手,探索出古近系地层井壁失稳机理。古近系地层黏土矿物含量高,岩石水化膨胀严重,地层岩石黏聚力和内摩擦角变化幅度大（6~25 MPa、26°~45°）,长时间浸泡后易形成缝网,当钻井液液柱压力高于坍塌压力达到某种程度时,裂隙宽度呈几何倍数增加,导致井壁掉块;奥陶系和蓟县系灰岩地层地应力差相对较大,岩石微裂缝发育,高地应力作用下易产生微裂缝,且多沿弱面破坏,而引起坍塌和漏失。为解决以上问题,在KCl-聚磺钻井液中引入了聚胺抑制剂和纳米防塌封堵剂BZ-PNP,提高抑制性和封堵能力,并增大润湿角,降低岩石亲水能力。该技术在阳探1、文安101x、安探1x等深井古近系地层进行了应用,取得了井壁稳定、钻井复杂事故为零的效果,其中阳探1井顺利钻穿邻井垮塌严重的大段泥页岩地层,平均井径扩大率1.8%,最大井径扩大率14.82%;安探1x风险探井钻井液密度最大为1.50 g/cm3,低于邻井的1.69 g/cm3。得出,在华北古近系地层使用密度过高的钻井液钻井,会增大微裂隙开启程度,并增加地层的吸水量,建议在井控安全前提下以高过坍塌压力当量密度15%为宜。      

减少定向井方位漂移的途径新探

方位漂移是影响定向井准确中靶的主要因素之一。根据定向井施工中“井斜角较大时，方位漂移量相对较小”的规律，提出了“通过缩短较小井斜角斜井段长来减少施工过程中的方位漂移量”的方法，并介绍了实现该方法的2种途径。     

伊拉克米桑Fauqi油田水平井造斜段钻井液技术

Fauqi油田水平井的造斜和稳斜井段一般在3 350~4 480 m,该井段属于白垩系,主要由灰岩、泥岩及页岩组成,地层岩性易发生垮塌,长期开采造成压力系数低,施工过程中又易发生井壁坍塌、黏附卡钻和井漏等复杂事故。针对该地层的特点,FQCS**井采用BZ-KSM钻井液体系。现场施工中,在BZ-KSM钻井液中引入了BZ-YRH,对改进钻井液流变性能,防止岩屑床形成起到了明显的作用;加入了BZ-YFT、纳米封堵剂及硅酸盐等处理剂,对提高钻井液的防塌抑制性能、防止钻屑分散具有明显的作用;由于地层易漏易塌,在五开直井段钻进过程中钻井液密度维持在1.22~1.28 g/cm3之间,起钻换定向钻具前再将密度提高到1.35 g/cm3。应用结果表明,该钻井液充分利用了K+离子的抑制作用、硅酸盐的聚结封堵效果及高分子量聚合物的降滤失作用等,解决了抑制与分散、井壁垮塌与岩屑携带的问题,保证了施工井的顺利完成。      

利用测井资料预测孔隙压力、破裂压力和坍塌压力

钻井液漏失、井喷、井壁坍塌和油气层受污染等异常情况,主要受地层孔隙压力、破裂压力和坍塌压力（以下简称“三压力”）控制,是钻井技术人员经常面临的问题。钻前建立“三压力”剖面,就可以设计出钻井液安全密度窗口,保证油田勘探开发生产中的钻井施工安全。电缆地层测试直接获取较为精确的地层孔隙压力,利用偶极声波测井方法能预测出破裂压力和坍塌压力,建立其连续剖面。最终建立了准噶尔盆地“三压力”成果数据库和网上查询系统。     

温度及渗流对疏松砂岩储层钻井液密度窗口的影响规律研究

在井壁稳定分析中,将疏松砂岩储层作为孔隙介质,依据孔隙热弹性小变形应力叠加原理,建立温度及井壁渗流等多种因素影响下,疏松砂岩储层井眼周围有效应力计算模式,结合井壁岩石破坏准则,给出了地层坍塌压力、破裂压力计算模式,研究了温度变化和井壁渗流等因素对安全钻井液密度窗口的影响规律,为确定疏松砂岩地层的安全钻井液密度窗口提供理论依据.研究结果表明,随着地层渗透性增大,地层破裂压力降低,坍塌压力升高,安全钻井液密度范围变小;井壁温度降低,地层坍塌压力和破裂压力同时降低,安全钻井液密度范围变窄;井壁温度升高,地层破裂压力和坍塌压力同时升高,安全钻井液密度范围变宽.但在温度降低及井壁渗流综合影响下,地层承压能力大幅下降,地层坍塌压力也降低,为了保证钻井安全,应适当降低钻井液密度.