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。     

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。     

高温井地层温度变化对井壁稳定性影响规律研究

高温井钻井过程中保持井壁稳力的常规方法中并没有考虑地层温度变化的影响,为安全钻井带来了隐患.从钻井过程中井壁及地层温度场的数值模拟和附加温变应力下井壁周围应力场的计算出发,研究了井壁及地层温度变化规律和井周围岩应力状态.依据控制体单元能量守恒原理建立了钻井过程中井壁及地层温度场控制方程,并利用有限差分法对控制方程进行了离散,并对数值求解方法进行了优化,实现了温度场的快速计算.依据孔隙介质热弹性理论对井壁周围的应力分布规律进行了计算,结合地层的强度准则确定了考虑温度变化情况下地层坍塌压力、破裂压力的计算模型,为高温井安全钻井液密度窗口的设计提供了依据.     

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.     

超深井井壁稳定性分析

超深井钻井过程中存在多套地层压力体系，井壁稳定性条件复杂，高温、高压、深部地层岩石可钻性差等难点。随着井深的增加，地层压力梯度急剧增加，需要较高密度的钻井液来平衡地层压力。超深井的裸眼井段较长，钻井液浸泡时间长，容易导致岩石抗压强度软化，尤其一些泥岩层段，一旦被钻井液浸泡过后，井壁极易发生失稳。在超深井钻井过程中，不同的温度差异必然导致近井壁岩石应力分布发生改变，影响井壁稳定性。为此，提出分别利用地震、测井数据得到的坍塌破裂密度曲线来预测超深井井壁稳定性，所建立的计算模型应用于莫深1井的井壁稳定性分析，结果表明：预测情况与工程实际吻合。     

川西须家河组地层井壁稳定性测井评价

针对井漏、井壁坍塌、井喷等现象,分析川西须家河组井壁失稳原因.钻井井壁失稳最基本的原因在于钻井中泥浆密度使用不合理,钻开地层后在井眼周围形成应力集中,钻井液性能不足以有效平衡井壁应力而引发井壁失稳.利用测井资料计算了岩石力学参数,在此基础上计算地层应力、三压力(地层压力、破裂压力、坍塌压力),分区分层位确定合理的安全泥浆密度窗口.根据计算与研究成果,共设计了3口井共计11个层位的钻井液密度安全窗口建议值,有效指导了钻井工程设计.     

高压气层气体钻井井壁稳定性分析

在利用气体钻井技术揭开高压气层的初期,由于低密度气体在井底产生的压力很小,远远低于气层的孔隙压力,高压气层的气体在压力势差作用下由地层向井眼高速流动,导致高压产气层段井壁稳定性下降,易引起井下复杂事故。通过分析高压气层高速产气影响气体钻井井壁稳定性的作用机理,建立了一套高压产气层气体钻井井壁稳定性的评价方法。结果发现：高压气层高速产气过程中,一方面导致产气层近井壁地带的孔隙压力降低,形成一个压降漏斗,作用在井壁表面岩石上的有效应力增加,有利于气层的井壁稳定;另一方面由于产层孔道迂回曲折,高压气体在快速流出地层时,在近井壁地带会产生一个附加径向应力,降低了井底气体对井壁岩石的有效支撑作用,不利于气层的井壁稳定。综合分析正、反两方面的影响因素后发现：高压产气层被气体钻井揭开瞬间,气层井壁表面岩石稳定性最差;随后,井壁表面岩石孔隙压力降低,井壁稳定性变好;随着产气层暴露时间的增加,气层深部位置点高压气体开始流动,井壁稳定性先变差后变好。     

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。     

深井安全钻井液密度窗口影响因素

考虑钻井液渗滤造成井壁岩石孔隙压力变化和钻井液与地层岩石温差产生的附加应力和应变,推导了孔隙度与孔隙压力和温差的理论关系,建立了考虑孔隙压力、温差及孔隙度变化的深井安全钻井液密度窗口计算模型。应用模型计算结果表明:①深井钻井井壁岩石与钻井液温差一定时,随着钻井液渗滤作用的增强,井壁岩石孔隙压力增加,导致坍塌压力增大,破裂压力减小,安全钻井液密度窗口变小,不利于安全钻井。②当井壁岩石孔隙压力一定时,若钻井液使井壁岩石降温,则随着温差的增加,坍塌压力减小,破裂压力增加,安全钻井液密度窗口范围变大,有利于安全钻井;若钻井液使井壁岩石升温,则随着温差的增大,坍塌压力增大,破裂压力减小,安全钻井液密度窗口变小,不利于安全钻井。     

大庆致密油井页岩井壁稳定性实验研究

大庆致密油区块青山口组、泉头组页岩容易发生井壁失稳情况。目前用于评价页岩井壁稳定性的常规方法为热滚分散和线性膨胀实验。此类实验通常存在人为缺陷,会误导对页岩膨胀活性的认识和配伍性流体的选择。采用更接近井下地层条件的3种实验方法（多级三轴应力实验、压力传递实验（PTT）、厚壁圆筒实验（TWC））,对大庆致密油页岩进行研究。通过多级三轴应力实验,绘制摩尔-库伦破坏包络线,确定了维持井壁稳定性所需钻井液密度。压力传递实验反映了特定流体系统中所预期的钻井液压力侵入速率和孔隙压力升高的延迟情况。厚壁圆筒实验研究了过平衡压力下暴露在钻井液中的岩心样品的破坏特性。这3种实验方法,模拟了在钻井过程中钻井液对井下页岩地层应力的影响,对研究井壁稳定性的影响因素更具指导意义。      

伊朗Y油田F地层防卡技术

为解决伊朗Y油田在钻进F地层时卡钻事故频发的问题,分析了F地层的地质特征、压力特征和卡钻特征,分析认为,由于F地层裸眼井段存在不同的压力层系,钻井液液柱压力与地层压力之间存在高压差,从而造成了卡钻。根据钻柱与井壁的摩擦力计算公式,提出了防卡技术措施:采用无渗透钻井液封堵近井地层,将钻井液液柱压力与低压地层隔开,阻断压差传递;优化钻井液性能,改善泥饼质量,降低钻柱与井壁的摩阻系数;简化钻具组合,减少钻具组合与井壁的接触面积;分段封堵、控制井眼轨迹和缩短钻具在井内静止时间等配套技术措施。伊朗Y油田的13口井采取该防卡技术措施后,在钻进F地层时没有出现卡钻事故。这表明,采取所提出的防卡技术措施能解决F地层的压差卡钻问题。      

基于多孔介质热弹性理论的井壁诱导缝成因

常规纯弹性理论通常把钻井过程中直井井壁诱导缝的形成归结为钻井液密度过高或者水平主应力差值过大,然而该理论却并不能完全合理地解释深井井壁诱导缝的成因。为揭示井壁诱导拉伸缝形成机理,考虑钻井液循环期间低温钻井液与高温井壁围岩的热交换,基于多孔介质热弹性力学理论,建立了适于深部地层的井壁稳定分析模型,研究了流固热耦合作用下的井周周向有效应力、孔隙压力与温度分布计算模型。计算结果表明:(1)在最大水平地应力方位,井眼钻开初期多孔弹性作用居于主导,孔隙压力在近井壁地带出现谷值,对诱导缝的形成起到了抑制作用;(2)然而随着钻井液与地层热交换的进行,钻井液的冷却作用愈加重要,井周周向有效应力由挤压状态逐渐转变为拉伸状态,从而导致近井壁地带诱导缝的形成。结论认为,为避免诱导缝的形成,在工程上一方面需加强钻井液的封堵性,控制液柱压力向井周的扩散;另一方面也可以通过调整优化钻井液密度与流变性能,控制井底钻井液当量密度(ECD)。     

欠饱和复合盐硅酸盐钻井液KSN配方研究

欠饱和盐水钻井液具有较强的抗盐能力和抑制性能,而硅酸盐钻井液具有费用低、抑制性强、保护环境等优点,因此考虑用欠饱和复合盐硅酸盐体系解决盐膏层的井壁不稳定问题.通过室内实验,研制出了一种防塌能力强的欠饱和复合盐硅酸盐钻井液(KSN)体系.该体系稳定盐膏层井壁机理为:Na2SiO3/GXL-1协同封固井壁,阻缓压力传递及滤液传递;KCl/Na2SiO3协同抑制石膏溶解;KCl/Na2SiO3/NaCl协同抑制地层水化,防塌作用效果显著.评价了该体系的抗石膏和抗劣土污染性能、阻缓压力传递和滤液传递能力、抑制石膏溶解能力、抑制水化以及稳定井壁效果.实验结果表明,所研制的KSN体系具有优异的护壁防塌能力和滤失造壁性能,动塑比高,携带能力强.     

A prediction method of borehole stability based on seismic attribute technology

Borehole instability in drilling engineering can bring about serious problems of drilling quality and safety. Based on the close relationships between seismic and well log information, the prediction method of borehole stability is presented to effectively control borehole instability. Conventional and nonlinear seismic attributes are extracted from borehole-side seismic traces of impending drilling well and drilled offset well respectively. Then the optimal attributes combinations sensitive to log properties are selected by using genetic algorithm and wavelet neural network technology together. A series of mapping models which reflect the nonlinear relationships between seismic attributes and acoustic and density log data of various formation intervals in drilled well are constructed through neural network modeling. With analysis of cutting logging data, seismic attributes of the formation under bit and corresponding mapping model can be used to predict acoustic and density log curves of this formation. Based on the predicted log data, log interpretation method, analysis technology of in-situ stress and mechanics model of borehole stability are employed to calculate in-situ stress, pore pressure, collapse pressure and fracture pressure, thus the safe drilling fluid density window which can keep borehole stable is determined. Prediction precision and real-time operation ability of the proposed method are satisfying, which have been proved in practical application in TR oil field.     

纳米二氧化硅对盐水钻井液性能的影响

在油气井钻进过程中,井壁发生缩径和掉块往往是由于泥页岩吸水膨胀导致的。针对这种情况,提出使用纳米二氧化硅封堵泥页岩的纳米级孔喉,从而降低其渗透率、减缓水分侵入的思路。通过测试钻井液的黏度、滤失量和膨胀量,评价了纳米二氧化硅对盐水钻井液性能的影响。室内实验结果表明,纳米二氧化硅改善钻井液性能,必须是在其抗盐的基础上才能实现,即需使用抗盐土配浆;浓度为1%~5%的纳米二氧化硅通过增加颗粒间的内摩擦力,既而提高了钻井液的黏度,然而纳米二氧化硅材料对于盐浓度比较敏感;纳米二氧化硅颗粒可以沉积在滤饼表面封堵滤纸孔隙,降滤失效果明显,滤失量降低率可达40.2%;其通过封堵黏土的孔隙,起到了抑制黏土吸水膨胀的作用。优选出的二氧化硅最优加量为3%,其抗盐可至12%;综合考虑滤失、膨胀量实验结果和性价比,选定3%NP+4%Na Cl+SWM-B为最优配方。     

孔隙压力变化对水平井井壁围岩应力的影响

针对水平井井壁围岩应力随井壁渗流压力变化的问题,考虑井内流体渗滤造成井壁岩石孔隙压力和孔隙度变化,推导孔隙度与井内流体压力和渗滤半径的理论关系,建立考虑孔隙压力变化的井壁围岩应力计算模型。应用模型计算表明：孔隙压力变化对井壁上径向、周向和轴向应力大小影响明显,渗滤带内随着距井眼中心距离增加,孔隙压力逐渐趋于地层初始压力,考虑和不考虑孔隙压力变化计算得到的径向、周向和轴向应力差值逐渐减小,在渗滤边界处考虑和不考虑孔隙压力变化计算得到的各向应力数值相等。     

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。     

非渗透抗压钻井液处理剂KSY的研究与应用

非渗透抗压钻井液技术是解决钻进压力衰竭地层、裂缝发育地层、破碎或弱胶结性地层、低渗储层及深井长裸眼大段复杂泥页岩和多套压力层系等地层的压差卡钻、钻井液漏失和井壁垮塌等复杂问题以及油气层损害问题的关键技术,其核心是非渗透抗压处理剂。研制开发了非渗透抗压处理剂KSY,并进行了钻井液性能评价和泥饼结构分析,结果表明,KSY加入钻井液后,对钻井液流变性影响小,滤失量明显降低,形成的封堵膜薄,易于返排,封堵强度高,能够有效提高地层的承压能力和破裂压力,保护油气层效果好。现场应用表明,KSY能够显著提高地层承压能力,防止井壁坍塌,保持井径规则,有利于固井和完井作业。     

LPS多元硅钻井液提高二界面胶结强度的研究

针对大庆油田三次加密区多压力层系薄油层，差油层的二界面固井质量问题，通过对井壁围岩，泥饼，水泥石的物理和化学结构，组成和成分的分析，研制了一种多元硅界面增强剂LPS。LPS主要由硅醇，低分子量聚合物，有机成膜剂组成。以LPS为主要处理剂研制出一种新型钻井液体系，研究结果表明，LPS多元硅钻井液体系具有液变必合理，抑制剂强，油气层保护性好，能够提高水泥环－泥饼－地层的胶结能力等优点，经5口三次加密调整井的现场试验证明，LPS多元硅钻井液对井壁有较好的稳定作用，在一定程度，有效地提高了二界面胶结强度，利于提高二界面固井质量；钻井液性能优良，保护油气层效果好，井径扩大率较小，满足大庆油田加密调整井钻井要求。