气体钻井中泥页岩地层遇水时的井壁稳定性研究

常规钻井液钻井中,水在正压差、毛管力和化学势等作用下进入泥页岩发生井壁失稳,而气体钻井除了自身的力学失稳外,主要在毛管力作用下吸收下部地层水造成泥页岩地层井壁失稳。因此,随着气体钻井技术的发展,在钻遇下部地层出水后,泥页岩地层的井壁失稳机理值得研究。从分析气体钻井条件下泥页岩吸水扩散系数、吸水膨胀系数和吸水后的力学参数变化入手,结合建立的力学化学耦合模型,紧紧抓住气体钻井和水基钻井液钻井的不同点,使得该模型能较好地运用到气体钻井泥页岩井壁稳定性的分析中,并通过DY1井气体钻井实践验证了文中的模型。     

钻井卸载对泥页岩地层井壁稳定性的影响

钻进泥页岩地层时井壁易失稳,且井周岩石极易因钻井卸载产生诱导缝,导致岩石强度降低,从而加剧井壁失稳。因此,为确保泥页岩地层井壁的稳定,采用三轴力学试验仪模拟钻井卸载过程中的岩石应力变化过程,分析了卸载对泥页岩力学特性的影响,采用回归方法回归了泥页岩内聚力、内摩擦角与卸载幅度的关系,并将该关系引入到常规井壁稳定性模型中,建立了考虑卸载作用的泥页岩井壁稳定性模型。结果表明:卸载会使泥页岩的强度降低,随着卸载幅度变大,泥页岩强度的降低幅度增大;考虑卸载作用后,泥页岩地层的坍塌压力增大,尤其在高地应力和各向异性较强的泥页岩地层,由卸载造成的坍塌压力增量更为明显;井筒与最小水平主应力的夹角较小时,可以降低卸载对泥页岩井壁稳定性的影响。研究结果表明,卸载对泥页岩地层坍塌压力的影响不可忽视,进行钻井液设计时应考虑卸载对坍塌压力的影响。      

渤海油田泥页岩地层坍塌失稳机理分析

渤海油田钻井中遇到大量由于井壁坍塌失稳造成的复杂问题,主要表现为起泥球、返出掉块、阻卡、憋压、井径扩大等,处理复杂情况影响钻井速度并增加钻井成本,因此有必要从岩石力学和钻井液化学角度进行研究,澄清井壁坍塌失稳机理。通过对渤海部分油田的钻井复杂特点、泥页岩黏土矿物含量和理化性能、井壁坍塌压力随时间的变化关系等进行分析,得出了泥页岩地层井壁坍塌的主导机理。在上部明化镇组,主要是蒙脱石含量较高的泥岩发生水化坍塌,在下部东营组至沙河街组,主要是裂缝发育的硬脆性泥页岩由于存在弱面及钻井液渗流发生坍塌掉块。针对不同地层的失稳机理,提出了相应的钻井技术对策。     

印度尼西亚M气田泥页岩井壁失稳机理及对策

印度尼西亚M气田地质构造复杂,泥页岩裂缝发育,存在异常高温高压,钻井期间频繁发生坍塌卡钻事故,严重影响了作业效率.通过对M气田地层孔隙压力、地应力、安全钻井液密度窗口进行定量计算,并根据现场井壁坍塌特征及地层特性,分析了该气田井壁坍塌原因主要是泥页岩裂缝发育,存在高密度下的“呼吸”效应及水化作用.根据该气田井壁坍塌机理...     

考虑三向应力作用的渤南泥页岩地层坍塌压力

渤南区块罗家地区沙三储层以泥页岩为主,泥页岩厚度大、分布广,有机碳含量高,富含油气。但是该组地层微裂缝发育,岩石强度各向异性明显,加上水化作用影响,水平井钻井过程中井壁稳定问题突出,使用传统坍塌压力预测模型不能有效计算泥页岩储层的坍塌压力,普通考虑弱面的分析模型通常忽略了中间主应力对岩石强度的影响,预测结果也不如意。在对罗家地区泥页岩矿物成分和微裂缝分布情况分析的基础上,基于弱面强度理论,综合考虑三向应力的影响,建立了更精确的坍塌压力预测模型。实例分析表明,对于该区域的泥页岩钻井,一味地增大钻井液密度并不能保证井壁稳定,该区块岩石碳酸盐矿物含量较多,原始强度较高,且地层孔隙度低,如果使用控压钻井,使井底压力略低于地层压力,可增加岩石强度,增大井壁稳定性,并降低钻井成本,增加钻速。      

温度和化学耦合作用对泥页岩地层井壁稳定性的影响

钻井工程中,泥页岩地层井壁失稳问题严重。由于泥页岩地层的强水化膨胀性,目前大部分研究都集中于此,从而弱化了其他因素对井壁稳定性的影响。基于热孔隙弹性理论,考虑泥页岩的半透膜效应,对钻井过程中泥页岩地层温度和化学渗流作用对井周应力和坍塌压力的影响程度进行了分析。结果表明:钻井液与地层的温差和化学渗流均会产生相应附加应力,该附加应力会造成地层坍塌压力上升。同时由于温差和化学渗流的附加应力存在,井周应力分布发生变化。井周应力的重新分布使井周失稳区域改变,近井地带岩石稳定性较差,造成扩径率增大。因此,对于泥页岩地层井壁稳定性分析,在着眼于泥页岩水化特性的同时,温度和化学渗流作用不能忽视。     

硬脆性泥页岩地层井壁稳定性研究

北部湾盆地流沙港组属于典型硬脆性泥页岩地层,地层层理、微裂缝发育明显,非均质性强,钻井过程中易引发井下复杂情况和事故。基于页岩理化室内实验结果及力学参数,根据页岩水化分析结果和页岩破坏准则,建立了井壁稳定力化耦合模型。实例验证及影响因素分析结果表明:本文建立的井壁稳定力化耦合模型能更准确预测地层坍塌压力分布;层理面的存在会显著增加地层坍塌压力当量密度,不同层理产状使得坍塌压力分布更为复杂;当硬脆性泥页岩与流体作用时,岩石强度下降且层理面受水化影响更为明显,从而导致坍塌压力上升,尤其清水作用后地层坍塌压力上升幅度明显高于钻井液作用。本文研究结果可为泥页岩地层井壁稳定性研究提供参考。     

福山油田流沙港组井壁稳定技术

福山油田下第三系流沙港组地层以泥页岩为主,层理、微裂缝发育,易发生泥页岩坍塌及电测遏阻等复杂事故,影响了钻井速度和油气层保护.通过对流沙港组地层矿物组分、理化性能、地应力及地层坍塌压力等分析,对井壁失稳的机理进行研究,研选出了强抑制、强封堵的有机盐钻井液.利用地层压力预测分析的成果,确定了合理的钻井液密度.通过现场应用解决了福山油田流沙港组的井壁失稳问题,缩短了钻井周期,钻井液密度和压力预测结果很好的吻合,平均井径扩大率为2.69％～8.38％,一次电测成功率为100％,钻完井过程中均无井壁坍塌等复杂事故发生.     

泥页岩渗透水化作用对井壁稳定的影响

钻井过程中,当存在水基钻井液化学渗透作用时,泥页岩井壁将更加不稳定.建立了力学-化学耦合作用下井壁周围应力分布模型,通过采用有限差分法对该模型求解,得出了井壁周围应力分布,通过利用破坏准则计算井壁坍塌压力,得出了合理的防塌钻井液密度,同时研究了井周应力分布和坍塌压力的时间效应.研究表明,泥页岩地层的膜效应较好时,渗透水化作用越大,膜效应不存在时则不发生渗透水化作用；维持泥页岩井壁稳定所需的防塌钻井液密度是随时间增大而增大,当使用钻井液溶质浓度低时,破坏发生在地层内部,需使用高密度钻井液防止井壁坍塌,对于过平衡钻井,当使用高浓度钻井液时破坏发生在井壁,对实际钻井有理论指导意义.     

XC气田须五段气藏水平井井壁稳定性分析

XC气田须五段气藏属典型非常规致密气藏,砂岩、泥页岩均为储层,且频繁互层,水平井钻井面临泥页岩井壁水化失稳问题。根据水化后井壁变弹性参数的物理模型,结合数学物理公式推导、计算软件编制,形成了一套考虑泥页岩地层遇钻井液水化影响的井壁应力计算方法;通过岩心室内实验标定,研究了XC气田须五段气藏岩石力学参数特征、井壁岩石水化规律、泥页岩力学参数水化规律,及水化过程井壁稳定性特征。结果显示,水化性泥页岩地层存在水化初期高坍塌压力现象,随着水化时间的增加,井壁稳定性并未进一步恶化;对于该类地层,在钻井设计与施工中,需正确认识和处理水化初期的高坍塌压力现象,而并不一定要使用过高的钻井液密度。     

物理-化学耦合作用下泥页岩坍塌周期应用研究

基于泥页岩地层井壁周期性失稳的特点,将泥页岩地层视为孔隙介质进行分析,根据多孔热弹性理论及泥页岩的本构关系,考虑泥页岩地层在温度、孔隙压力、泥页岩水化等因素的耦合作用,建立了耦合数学模型,得出了不同泥浆体系和不同泥浆密度下泥页岩井壁的坍塌周期。在西部巨厚、复杂的泥页岩地层井壁失稳的研究中表明,其应用效果和实际情况吻合较好。     

Investigation on influence of drilling unloading on wellbore stability in clay shale formation

Wellbore collapse frequently happens in the clay shale formation. To maintain wellbore stability, appropriate mud pressure is a vital factor. When clay formation is opened, drilling unloading occurs, modifying rock structure and strength at the wall of borehole, which affects the selection of mud pressure. Currently, mechanism of drilling unloading is still poorly understood which in return will bring a concern to wellbore stability. Therefore, in this study, a combination of triaxial compressive test and ultrasonic wave test has been used to simulate drilling unloading and analyze its mechanism. Results indicate that more void space is created inside the clay shale sample due to unloading. This structure change leads to a decline of strength and acoustic amplitude. Additionally, unloading influence is depended on varying drilling unloading parameters. Small unloading range and fast unloading rate are able to enhance stability. With various degrees of unloading impact, collapse pressure equivalent density has a clear modification, proving that unloading is a non-negligible influencing factor of wellbore stability.Besides, the unloading effect is much stronger in large confining pressure, implying that more attention should be given to unloading when drilling is in extreme deep or high geostress formation. Findings in this paper can offer theoretical guidance for drilling in the clay shale formation.     

力化耦合作用下的层理性页岩气水平井井壁失稳研究

针对现有页岩气水平井井壁稳定力化耦合分析大都仅考虑水化作用对岩石强度的影响,鲜有考虑水化应力应变影响的情况,以弹性力学和岩石力学等理论为基础,同时考虑水化作用对岩石力学参数的弱化效应和附加水化应力,建立了力化耦合作用下层理性页岩气水平井井壁坍塌压力预测模型,研究了层理性页岩气水平井井壁失稳机理,分析了影响井壁稳定的因素及影响规律。研究结果表明:存在层理面时,会使坍塌压力大幅升高;沿层理面方位钻进,井壁稳定性最好;当水化时间一定时,坍塌压力随距井壁径向距离增加而降低,水化时间越长,近井壁处易坍塌区域越大;考虑水化应力影响后坍塌压力会大幅升高,在设计钻井液密度时,不能忽略水化应力的影响。研究成果丰富了页岩气水平井井壁失稳理论,对层理性页岩气水平井钻井设计具有指导作用。      

ZH凹陷硬脆性裂缝油页岩地层坍塌压力研究

硬脆性裂缝油页岩地层钻进易发生井壁坍塌,严重制约页岩油气有效开发.考虑化学势差、水力压差和裂缝渗流对近井带地层压力的影响,建立页岩井周应力分布模型,基于页岩地层裂缝面产状,构建了任一裂缝面产状下剪应力与正应力计算模型,并以裂缝面上剪应力大于摩擦力为含裂缝面页岩地层的破坏准则,形成了含裂缝面页岩地层的流-固-化-热井壁稳...     

逆流自吸效应对页岩油储层坍塌压力的影响研究

页岩油储层在采用水基钻井液欠平衡钻进时,由于毛细管力作用,钻井液滤液仍会进入地层,降低地层稳定性。为此,进行了逆流自吸效应对页岩油储层坍塌压力的影响规律研究。基于两相渗流理论,建立了逆流自吸作用下的水侵模型,分析发现页岩油储层井眼附近的含水饱和度随欠压差值增大而降低;在考虑水化作用对地层岩石强度的影响的基础上,建立了井周应力模型,对页岩油储层的坍塌压力当量密度变化规律进行了分析。研究发现:逆流自吸作用下,钻井时间越长,欠压差值越小,页岩油储层坍塌压力越大,越不利于井眼稳定;当只改变欠压差值时,页岩油储层最大井径扩大率存在最小值。研究认为,建立的井周应力模型可为页岩油储层欠平衡钻井设置合理欠压差值以及调整钻井液密度提供理论依据。      

聚铝胺盐防塌钻井液研究与应用

为解决吉林油田伊通、大安等区块软泥岩和硬脆性泥岩地层坍塌的问题,从聚胺盐与聚铝盐的抑制防塌机理出发,将两者复配,以发挥两者的协同效应提高钻井液的抑制防塌性能,结合吉林油田软泥岩和硬脆性泥岩地层钻井工程实际情况,通过试验优选其他添加剂及加量,优选出了具有强抑制性的聚铝胺盐防塌钻井液配方,其配方为2.0%钠基膨润土+2.0%封堵剂聚铝盐 PAC-1+3.0%抑制剂聚胺盐HPA+1.0%降滤失剂 SMP-1+1.5%降滤失剂 APC-026+2.0%抑制剂磺化沥青+pH值调节剂NaOH。性能评价结果表明:强水敏泥岩在聚铝胺盐防塌钻井液中的一次回收率为75%、膨胀率为17.4%;聚铝胺盐防塌钻井液能抗15%NaCl和1%CaCl2污染,耐150 ℃高温。14口井的现场应用表明:聚铝胺盐防塌钻井液的抑制性和封堵能力强,能有效防止泥岩坍塌,解决了吉林油田伊通、大安等区块泥岩地层钻井过程中因井壁坍塌和缩径造成的掉块、起下钻遇阻等问题。      

油基钻井液对泥岩特性影响实验研究

油基钻井液在大位移井长裸眼段钻井过程中有较好的防塌效果。针对采用油基钻井液钻井时井壁是否存在垮塌周期问题,该文利用连续刻划实验,研究了油基钻井液浸泡对泥岩单轴抗压强度、弹性模量的影响。结果表明:油基钻井液长时间浸泡会降低泥岩单轴抗压强度和弹性模量,与水基钻井液类似,油基钻井液同样存在垮塌周期,因此,在长裸眼井段施工中要考虑井壁坍塌周期。     

空气泡沫钻井流体井壁稳定性研究

针对空气钻井中遇到地层大量出水时无法钻进、需转化为空气泡沫钻井的情况,优选出了有利于空气泡沫流体钻井时井壁稳定的处理剂GXG、AP-1和WJ-3,形成了一套具有良好井壁稳定性能的空气泡沫钻井流体配方,对该泡沫流体的抑制性、井壁稳定性等性能进行了评价。结果表明,所研究的空气泡沫钻井流体具有强抑制性,页岩回收率达97.4%,页岩膨胀量较清水降低67.1%。该空气泡沫钻井流体能使泡沫在井壁上形成保护膜,阻止水进入地层,有效防止井壁坍塌,井壁稳定效果良好。     

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。