正交各向异性地层井壁围岩应力新模型

 常规石油工程岩石力学分析中,通常把地层正交各向异性简化为横观各向同性,然而该简化在某些地层条件下并不适用。对实钻岩芯进行的力学性质测试结果表明,在垂直于井眼轴线平面内,不同方向岩石力学性质的差异是客观存在的。在各向异性材料力学的基础上,利用叠加原理,分别考虑钻井液柱压力、水平最大地应力以及水平最小地应力单独作用 种情况,建立正交各向异性地层井壁围岩应力分析新模型。实例计算结果表明,无论水平地应力是否均匀,只要地层力学性质是各向异性的,那么井壁岩石处的周向应力必然呈现非均匀分布特征。而且,地层各向异性条件下的井壁围岩应力极值均比各向同性条件下要大。因此,地层力学性质的各向异性使井壁岩石的受力状态明显恶化。这一特征应该在今后的相关工程问题力学分析中予以重视。     

空气钻井中动态破岩有限元仿真研究

 空气钻井技术是以空气作为循环介质的欠平衡钻井技术,其钻头的破岩形式与常规泥浆钻井有很大的区别。在岩石力学和弹塑性力学的基础上,考虑岩石材料的各项异性、地层倾角、钻头与岩石间摩擦因数等影响因素,采用有限元方法建立空气钻井中全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维模型。通过对空气钻井中岩石的破坏机制和钻头动态破岩过程的研究以及对破岩后形成井眼、井壁和井底岩石应力应变的分析。结果表明：井底岩石受到较大拉应力的作用,使得空气钻井中破岩速度更快;干燥空气钻成的井眼井壁稳定性较好,但是一旦发生井壁不稳定性,井壁岩石将成块掉落。最后通过对钻头上随时间变化的位移分析,得到钻进各向异性地层岩石的井斜和方位的变化规律。本模型为空气钻井的破岩机制、井斜变化规律以及井壁稳定性研究提供一种新的方法,为钻头和钻具设备的研制、优化设计提供理论依据。     

分支井筒稳定的塑性力学模型及分析

针对分支井钻进过程中普遍存在的井壁稳定问题,建立考虑地层、水泥环、套管和支井井筒的分支井稳定性分析三维弹塑性有限元模型。模型中将水泥环、地层和套管分别视为不同的塑性材料,同时通过建立应力各向异性地层中模型转换方法,消除不同支井方位之间的模型误差。通过弹塑性有限元模拟研究支井方位对分支井稳定性的影响。结果表明:方位角小于15°时,地层与水泥环最大等效应力位于主井筒上,有利于分支井井眼稳定;方位角为75°时,等效应力最大值位于分支井井壁上,不利于井壁稳定;从套管侧窗变形的角度来看,分支井方位应尽量靠近水平最大地应力方向;当支井方位角大于30°时,主井眼水泥环的破坏可引起支井钻进问题;在分支井井身结构设计中,采用较小方位角,同时避免采用50°⁸0°的分支井方位角,以保证水泥环-地层-套管-井筒系统的稳定性和安全性。     

基于渗流-应力-损伤耦合模型的泥页岩井壁稳定性研究

石油钻井过程中,泥页岩地层井壁稳定性研究十分复杂。本文在连续损伤力学理论基础上,将塑性损伤演化及渗流相互耦合的概念引入Mohr-Coulomb破坏准则,建立了基于等效塑性应变的损伤演化模型,给出了泥岩的渗透性的演化方程。以中国西部某油田实际钻井过程为例,建立了井壁稳定分析模型。计算过程中考虑了围岩损伤引起的弹性模量、黏聚力和渗透系数的变化,得到了井壁围岩损伤、渗透系数、应力、塑性应变、孔隙压力和位移的分布规律。结果表明,井壁附近岩石的损伤演化对围岩塑性区的塑性应变和应力分布有明显影响。钻井液密度的高低,会造成井壁在水平最小主应力方向上的剪切损伤或在水平最大主应力方向上的拉伸损伤。当损伤达到极限时,会造成井壁围岩的破坏。     

渗透性地层井壁坍塌压力和破裂压力的计算模型

根据线性孔隙弹性理论,在井壁为可渗透的情况下,考虑围岩弹性模量变化对井壁稳定应力的影响,对岩石非线性特性对应力的影响进行修正.给出了考虑孔隙压力时库仑-摩尔准则的有效应力计算公式及井壁发生坍塌处的计算公式.在考虑地层渗透与不渗透的情况下,分别建立了计算地层坍塌压力和破裂压力的模型.     

弱层理面地层的井壁稳定性分析

研究了弱层理面地层的井壁稳定特征。首先,在斜井井壁应力、弱层理面的岩石强度、弱层理面法线与井壁最大主应力方向夹角的基础上,建立了考虑弱层理面的坍塌压力计算方法。其次,建立了在下半球投影图中表示不同井斜和井方位的坍塌压力以及层理面方向的方法,为研究井眼轨迹和层理面对井壁稳定性的影响创造了条件。最后,通过算例,全面分析了三种不同应力模式下,井眼轨迹和弱层理面对井壁稳定影响的规律。结果表明,弱层理面是弱层理面地层井壁稳定的主要控制因素,井眼轴线和层理面法线的夹角越小,井壁越稳定,夹角越大,井壁越危险。优化井眼轨迹是解决弱层理面井壁失稳问题的有效方法。     

非均匀应力场中井筒卸载过程井壁围岩孔隙弹性动力响应机制

传统井壁稳定理论没有考虑流体和固体的惯性作用,无法解释井筒受力变化下井壁失稳的本质。为了分析井筒卸载过程中井周应力场瞬态演化过程,揭示井壁围岩孔隙弹性动力响应机制,基于Biot饱和多孔介质弹性动力学理论,综合考虑孔隙流体、固体颗粒的压缩性及惯性、黏滞耦合作用,建立多孔弹性地层非均匀地应力场中表征井筒卸载过程井壁围岩动力响应的数学模型,通过对模型进行分解,采用Laplace变换和位移变换法,得到非轴对称井周应力解析解,分析井筒卸载过程井周应力场瞬时波动现象。研究表明:固体和流体的惯性作用导致井筒卸载早期井周孔隙压力与应力场产生波动,该现象传统理论无法揭示;井筒卸载过程中卸载速率越大,孔隙压力与应力的波动峰值越大;卸载后的井底压力越高,径向应力波动峰值越大,环向应力波动峰值越小。建立的模型为动载条件下井壁稳定力学分析提供了理论基础,并对认识钻井过程井下复杂事故具有重要工程意义。     

应变软化圆形硐室开挖问题的弹塑性分析

岩石的应变软化性质给地下硐室的施工及维护带来了一系列问题。为保证应变软化岩石中硐室围岩的安全和稳定,本文首先基于Mises屈服准则及岩体单轴压缩本构关系,得到了简化的岩体应变软化本构模型;再结合岩体流动法则,运用弹塑性理论,对圆形硐室在等压荷载条件下围岩各区应力与位移分布规律及围岩压力与硐周位移关系进行了研究,得到了围岩各区应力场、位移场及围岩压力与硐周位移关系的理论解答。     

基于非线性反演的井壁稳定随钻预测方法

常规井壁稳定预测方法计算量大、操作繁琐、适用范围有限,严重影响其实钻应用效果。通过考察声波速度、地震记录及井壁稳定参数之间的定量关系,建立起利用地震资料直接反演孔隙压力、地应力、岩石强度的模型。根据反演模型的非线性特征,结合井壁稳定参数的地质统计特性,运用随机地震反演方法预测待钻地层的孔隙压力、地应力、岩石强度,并根据反演结果进一步预测井壁稳定性。在实钻过程中,利用录井资料的实时分析和井壁稳定参数的分层地质统计模型,对钻头前方地层的井壁稳定性进行随钻预测。在川东北元坝气田的应用情况表明,本方法的综合性能相比常规方法有明显提高,具有较强的随钻预测能力。     

基于统一强度理论的井简围岩应力分析

在考虑井筒周围岩石的渗流作用和孔隙水压力的基础上,对有效应力进行了修正;基于统一强度理论,充分考虑中间主应力,对井筒周围岩石进行了弹塑性分析,并给出了井筒周围岩石的应力分布表达式和保持井壁稳定的弹性极限荷载及塑性极限荷载的统一解析式.分析结果表明:通过改变统一解析式中的参数,可将其退化为其他强度理论条件下的解析式,所得的统一解适用于不同强度理论条件下各类岩石材料的弹塑性分析;有效应力修正后的极限分析为井壁稳定分析提供了理论依据,具有一定的理论及实际应用价值.     

Effects of borehole stress concentration on elastic wave velocities in sandstones

The stress redistribution that occurs in the vicinity of a borehole may lead to damage or failure of the rock. If the vertical stress is a principal stress, the principal stresses at the wall of a vertical well are the hoop, radial, and vertical stresses. The hoop stress varies with position around the wellbore and takes its maximum compressive value at the azimuth of the far-field minimum horizontal stress. This may lead to compressive failure at this azimuth if the compressive strength of the rock is exceeded. Recent developments in sonic logging allow the variation in elastic wave velocities with radius and azimuth around a borehole to be characterized. Since elastic wave velocities in sandstones are sensitive to changes in stress, owing to the presence of stress-sensitive grain boundaries within the rock, this allows the changes in stress to be monitored. An expansion of the elastic compliance of the grain boundaries to first order in stress shows that a radially polarized, vertically propagating shear wave is more sensitive to radial stress than to hoop stress. Close to the wellbore, however, large changes in stress occur, and any nonlinearity in the variation in compliance of the grain boundaries as a function of stress becomes important. This nonlinearity increases the sensitivity to the wellbore pressure, and can cause significant reductions in the velocity of compressional and shear waves in the vicinity of the wellbore.     

深部煤层力学参数反演和气体钻井井壁稳定性

如何确定深部煤层的地质力学参数是气体钻井井壁稳定评价的关键。基于量化的地质强度指标GSI和Hoek-Brown强度准则分析了反演深部煤层地质力学参数的方法,结合DB1井氮气钻井,以弹塑性方法分析了侏罗系炭质泥岩和煤层的井壁稳定性。研究表明,塔里木盆地依奇克里克区块侏罗系煤GSI介于45~55,变形模量约在1 560~2 850 MPa之间。井眼钻开后炭质泥岩和煤层井周存在塑性区,炭质泥岩层井周塑性区约为1.37倍井眼半径,煤层井周塑性区约为2.07~2.59倍井眼半径。塑性区应力松弛造成围压减小,导致节理岩体抵抗工程扰动的能力减弱。以工程允许塑性半径等于1.5倍井眼半径为临界稳定条件,井眼钻开后煤层会出现大面积坍塌失稳,不宜采用气体钻井;工程扰动造成炭质泥岩井眼扩径,扩径后井眼仍能保持稳定。     

多场耦合作用下泥页岩地层强度分析

研究多场耦合作用下井眼围岩的强度变化问题。在石油钻井环境中，钻井液中存在多种化学成分，钻井液时刻与井壁发生作用，导致井眼周围岩石力学参数为时间的函数。在实验基础上得到岩石强度参数与含水量的关系，基于渗流力学理论，建立孔隙压力与岩石黏聚力及内摩擦角的关系，为研究化学作用对强度参数的影响提供前提，进而进行多孔介质多场耦合作用下的应力分析，建立化学作用对岩石强度参数影响的关系模型。所得结论可深化对泥页岩井壁稳定性的认识，具有一定的工程实用价值。     

弱面结构对页岩地层井壁稳定性影响研究

页岩地层大量发育弱面结构,造成井壁垮塌现象频发,严重制约了页岩气的高效开发。因此,本文在Mohr-Coulomb准则的基础上,建立多弱面条件下的强度破坏准则。应用该准则,对不同弱面产状、弱面数量、钻井时间下的岩石强度进行分析,从而建立页岩地层坍塌压力预测模型,计算分析表明:围压增大后,页岩强度增加,不易沿弱面破坏;弱面产状和数量变化,使得岩石强度产生变化,从而造成坍塌压力分布复杂。尤其弱面数量增多,岩石强度下降明显,逐渐受弱面强度控制,坍塌压力出现明显增加;实例分析表明多弱面条件下的坍塌压力预测方法能更为准确地预测页岩地层坍塌压力,对页岩地层钻井工程有一定指导意义。     

高温下页岩三轴压缩实验及井壁稳定研究

通过高温下页岩的三轴压缩实验,结合井壁稳定分析理论,进行了高温下页岩的力学特性及井壁稳定性研究.结果表明:高温引起页岩强度劣化,在温度低于150℃时,温度对页岩强度劣化主要体现在粘聚力弱化,在温度超过150℃时,温度会进一步导致页岩内摩擦角减小.钻井液与地层间的温差将在井周附加热应力,随着远离井壁,温差附加径向热应力先...     

A population-feedback control based algorithm for well trajectory optimization using proxy model

Wellbore instability is one of the concerns in the field of drilling engineering. This phenomenon is affected by several factors such as azimuth, inclination angle, in-situ stress, mud weight, and rock strength parameters. Among these factors, azimuth, inclination angle, and mud weight are controllable. The objective of this paper is to introduce a new procedure based on elastoplastic theory in wellbore stability solution to determine the optimum well trajectory and global minimum mud pressure required (GMMPR). Genetic algorithm (GA) was applied as a main optimization engine that employs proportional feedback controller to obtain the minimum mud pressure required (MMPR). The feedback function repeatedly calculated and updated the error between the simulated and set point of normalized yielded zone area (NYZA). To reduce computation expenses, an artificial neural network (ANN) was used as a proxy (surrogate model) to approximate the behavior of the actual wellbore model. The methodology was applied to a directional well in southwestern Iranian oilfield. The results demonstrated that the error between the predicted GMMPR and practical safe mud pressure was 4% for elastoplastic method, and 22% for conventional elastic solution.     

全风化花岗岩地层岩芯钻探孔壁稳定性分析

使用回转钻探取芯工艺的地质勘探中,在遇到全风化花岗岩地层时,易产生塌孔埋钻事故,导致取芯失败。本文对孔壁被水浸泡和未被浸泡两种状态进行了受力分析,探讨了影响孔壁稳定性的一些因素。然后从钻井液、钻具及施工操作三方面提出了使全风化花岗岩孔壁稳定性的措施。通过上述分析,对全风化岩层这些特殊类岩土的钻探工作提供了参考,有利于取芯钻进的顺利进行。     

泥页岩井壁稳定影响因素分析

 考虑泥页岩钻井液体系中电化势渗透产生的流体流动和离子运移以及与固体变形的联合作用,提出泥页岩井壁稳定耦合新模型。通过有限元计算泥页岩井壁周围孔隙压力场和应力场,分析泥页岩及钻井液性能参数对井壁周围地层坍塌破坏系数和坍塌压力的影响。研究结果表明,泥页岩渗透率增大,溶质扩散系数增大,泥页岩单位表面电荷数减小有利于泥页岩井壁稳定。通过使用高浓度、高反射系数的钻井液能够提高泥页岩井壁的稳定性,对于泥页岩地层使用过高的钻井液密度反而会导致井壁不稳定。泥页岩钻井液体系膨胀系数减小,泥页岩水化程度能够减轻。在钻井液浓度大于泥页岩孔隙流体浓度的情况下化学反渗透可能使泥页岩失水,与大尺寸井眼相比,小尺寸井眼坍塌破坏指数随时间变化较显著。     

A Three-Dimensional Elastoplastic Model for Unsaturated Compacted Soils with Hydraulic Hysteresis

This paper presents a three-dimensional elastoplastic model for predicting the hydraulic and stress-strain-strength behaviour of unsaturated soils. The model is generalized using the transformed stress method to three-dimensional stress states by assuming that the shapes of the failure surface and the yield surface in the deviatoric plane of the average skeleton stress space are given by the SMP criterion. Hydraulic hysteresis in the water-retention behaviour is modeled as an elastoplastic process with the elastic region of the saturation degree decreasing with increasing suction in the S_r-log s plane. The effect of void ratio on the water-retention behaviour is studied using test data obtained from controlled-suction triaxial tests on unsaturated compacted clay. The effect of change in degree of saturation on the stress-strain-strength behaviour and the effect of change in void ratio on the water-retention behaviour are taken into consideration in the model, in addition to the effect of suction on the hydraulic and mechanical behaviour. Model predictions of the stress-strain and water-retention behaviour are compared with those obtained from triaxial tests on unsaturated soil along isotropic compression, triaxial compression and triaxial extension stress paths with or without variation in suction. The comparisons indicate that the model has well predicting capabilities to reproduce the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated soils under three-dimensional stress states.