泥岩蠕变导致套管变形损坏机理分析

油田注水开发以后，泥岩吸水蠕变使非均匀地应力作用于水泥环和套管，通过对泥岩吸水蠕变以后，在远场地应力作用下，对水泥环与地层接触的第二界面和水泥环与套管接触的第一界面压力的数值仿真分析，提出了泥岩吸水蠕变诱发地应力在井眼周围产生应力集中，迫使水泥环和套管在最大水平地应力方向产生椭圆形缩径变形，是造成套管变形损坏的直接原因，而且水泥环与套管接触的第一界面的椭圆形外压力分布规律与水平地应力方向、套管变形趋势相反，说明水泥环在套管抵抗非均布外载中起到改变受力边界条件的作用。     

按地应力确定套管外挤压力的探讨

以井眼周围的受力分析为基础，推导出考虑地应力时的套管外挤压力计算式，以及运用声波法确定地应力有关参数的表达式。对江汉油田周12井井下套管的实例计算表明，考虑地应力时的套管外挤压力大于常规按上覆岩层压力计算的外挤压力，因此认为，按常规方法设计的套管柱强度偏低，按地应力设计的套管柱强度才更符合实际。     

深井岩盐层套管外载的三维有限元分析

深埋于地下的岩盐在一定地应力和温度作用下发生蠕变,对井中的套管产生随时间而变化的外载,致使套管变形甚至挤毁,为此,针对塔里木油田羊塔地区岩盐层的温度、应力状态及其蠕变特性,建立了岩盐层、水泥环和套管耦合的三维有限元力学模型,研究了地应力状态及其大小、井内液体支撑压力对岩盐层套管受力的影响规律。研究表明,非均匀地应力作用下,盐岩蠕变产生的套管外载是非均匀的,在最小地应力方向的套管外载最大,此时若按上覆地层压力计算套管外挤载荷局限性较大。应用新模型对深井、超深井封固岩盐层的?250.83 mm套管、?177.8 mm套管和?206.38 mm 3种技术套管的强度进行了分析,计算结果与该油田技术套管挤毁的情况吻合,可见新建模型是合理的,可为深井岩盐层套管强度设计提供理论依据。     

定向井套管应力随地应力条件的变化规律研究

基于坐标变换方法建立了适用于任意井眼轨迹的定向井套管应力三维有限元计算模型.以室内岩心试验结果和现场常用套管尺寸为基础,研究了三种不同地应力条件下软、硬地层内套管最大有效应力随井斜角、方位角的变化规律.地应力条件包括:上覆岩层压力为最大主应力且水平地应力均匀、上覆岩层压力为最大主应力且水平地应力非均匀,上覆岩层压力为中间主应力.计算结果表明,复杂的原地应力场、井眼轨迹及地层性质对定向井套管的受力状态有重要影响,各种组合条件下均存在井眼轨迹优选值.在油井设计时,应充分考虑这些特点,合理确定井眼轨迹.     

一种机械式模拟套管围压的试验方法

套管围压的试验方法一般是通过液压向套管试件施加外载,由于液体的特性,液压装置只能做到外载的均匀分布而不能模拟地层非均匀外载。为此,提出了一种新的套管围压试验方法并研制了相应的试验装置。该装置在模拟套管受外挤力时,能够模拟套管受均匀地应力和非均匀地应力作用。当套管外载从均布外载、椭圆非均布外载、双向外载到单向外载,其抗挤强度依次减小,其中,椭圆非均布外载导致套管抗挤强度降低13.2%,双向外载和单向外载分别导致套管抗挤强度降低70.4%和86.8%。利用该装置能够开展套管的安全设计工作和延长油井的作业寿命,较以前的方法更符合井下实际情况,更具有实用价值。     

岩石特性与套管损坏关系研究

针对油水井套管损坏问题,通过对油田岩石力学特性进行测试,从岩石含水、泥岩膨胀、泥岩的蠕变等特性进行研究,确定了岩石的弹性模量、泊松比、内摩擦角等参数与含水、套管强度的关系。通过室内模拟试验,进一步弄清了非均匀地应力作用下地层流变对套管产生的外载分布规律及其随时间的变化规律,以及水泥环性质、地应力大小、泥岩含水量等对套管外载的影响规律,为解决套管损坏问题提供了依据。     

非均匀地应力下套管水泥环受力研究

大多数套管损害是由非均匀外载引起的。以非均匀外载为前提,以弹性力学为基础。以套管-水泥环-储层岩体环组合系统为研究对象,对套管及水泥环在理想状况下受非均匀地应力和均匀内外压共同作用时的受力特性进行分析,并依据不同的接触条件推导相应的线性方程组。借助于计算机,计算不同地应力作用下套管、水泥环内部应力及表面受力分布,并可以分析水泥环弹性模量、水泥环厚度与套管接触情况对套管水泥环受力分布的影响。     

考虑初始椭圆度的套管抗载能力分析

针对套管的不同初始椭圆度建立了套管、水泥环、地层平面应变力学模型。分析认为，在非均匀地应力作用下，套管内壁的径向变形较大，抗载能力明显降低，破坏主要是由地下非均匀地应力引起的；随着初始椭圆度的增加，在地应力作用下套管各部位产生的应力分布不均程度增大，使得套管抗外载能力减弱。建议在生产和使用过程中应严格将套管椭圆度控制在规定的范围内，从而提高套管的抗载能力。     

冀东油田地应力初步研究

截至2005年底,冀东油田已有套管损坏井221口,严重影响了油田开发.为提高套管使用寿命,减缓油水井套管损坏速度,开展了地应力初步研究.对油田的岩石力学性质进行了综合分析测试,并对油田内各主力开发区块的地应力进行了综合测试,确定了冀东油田各开发油田地应力的大小和方向.通过对压裂井的裂缝监测表明,在冀东油田,井筒的井壁稳定性在东西方向最差,南北方向最好,因此钻井井眼轨迹应尽可能偏离东西方向.研究结果证实了地应力的作用是造成套管损坏的最重要因素之一,为油田确定钻井井眼轨迹、提高套管柱的适用性,提供了理论依据.     

泥岩段套管外载的有限元计算法

通过对泥岩蠕变本构方程的分析,利用Ansys有限元计算软件,对非均匀地应力作用下泥岩蠕变产生的套管外载进行了分析计算。举例说明了非均匀地应力作用下泥岩的蠕变将对套管产生一个大于地应力的非均匀外挤力,对套管将产生极大的危害。这一结论对泥岩段的套管设计具有重要的指导意义。     

哈拉哈塘油田生产井井壁垮塌原因分析

哈拉哈塘油田油井主要采用裸眼完井方式,生产过程中由于井壁失稳,部分井裸眼段发生不同程度井壁垮塌,造成油井减产或者停产。通过对垮塌井返出岩样及井径测井的综合分析,确定了井壁垮塌层位主要为良里塔格组及一间房组。从井壁垮塌机理角度,对地应力场及垮塌井的垮塌层位、完井方式、储层类型、生产特征等进行了分析,得出井壁垮塌主要由油井外因和内因综合作用引起的,内因包括储层性质、储集规模和区域地应力;外因包括完井方式和储层改造措施。认为井眼轨迹与天然裂缝的匹配关系对井壁稳定有一定的影响（内因）,而地应力失衡、岩石强度低、地层压力释放以及酸压、射孔是哈拉哈塘油田井壁垮塌的外因,也是主要原因。     

水平气井井壁稳定性研究

文章以均质各向同性和线-弹性模型为依据，在某气田地应力、岩石强度等参数研究的基础上，应用Mohr―Coulomb强度判别准则，就不同地应力环境、不同孔弹性系数以及压力衰竭对水平井井壁稳定性的影响进行了研究。结果表明,应力非均匀性越强，井壁越不稳定；孔弹性系数对井壁稳定性的影响也很明显，由于地应力和孔隙压力的作用在一定时期内是相对稳定的，而有效应力大小与孔弹性系数值有关，不同的孔弹性系数值会使有效应力的大小关系发生变化，从而可能使得井壁稳定性分析结果不同，甚至截然相反；随着地层压力的降低，作用在最大剪切应力平面上的剪切应力显著增加，井壁越容易发生剪切垮塌。因此，在气井井壁稳定性分析过程中，准确确定原地应力的大小、方向和慎重地选取孔弹性系数值以及考虑压力衰竭的影响具有重要意义。     

水平井分段压裂破裂压力计算

水平井分段压裂时,形成的初始裂缝会诱发井筒周围应力分布二次改变,产生诱导应力场。诱导应力场将会对后续裂缝起裂产生影响。在考虑原始井筒周围地应力分布状态的基础上,结合弹性力学理论和岩石拉伸破裂理论,建立了诱导应力场中井筒地应力分布模型和破裂压力计算模型。研究结果表明:诱导应力的大小和分布取决于裂缝间距、裂缝缝高及原始地应力。随着裂缝间距的增加,沿着井筒方向诱导应力逐渐变小;定间距时,随着裂缝高度的增加,破裂压力也随之增加;原始地应力分布与诱导应力场中破裂压力的变化规律无关,只决定着裂缝破裂压力增加的幅度。该结果对于优化水平井分段压裂设计具有一定的指导意义。     

基于井壁稳定控制建立井眼轨迹优化预测模型

通过线性规划最优解理论及井壁剪切破坏条件,建立了井眼轨迹优化的控制方程及提出相应的数值求取方法。研究表明：当地应力大小关系满足控制方程的临界条件时,正断层作用应力区域钻直井或沿水平最小地应力方位钻水平井时,两者井壁稳定性相同,该情形也发生在逆断层作用应力区域钻直井或沿水平最大地应力方位钻水平井,此外,走滑断层作用应力区域,水平井沿水平最大或最小地应力方位钻进时,其井壁稳定性 也存在相同的可能性;另外,当水平最大地应力与上覆岩层压力比一定时,水平地应力比值（σ_h/σ_H）越大,正断层作用应力区域沿水平最小地应力方位,及逆断层作用应力区域沿水平最大地应力方位钻进的最优井斜角越小,反之,走滑断层作用应力区域,水平井的最优钻进方位与水平最大地应力方位夹角越 大。研究成果有助于指导现场施工高效钻进。     

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。     

四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组储层各向异性地应力评价方法

尽管四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组砂岩是非常致密的气藏,但是其中一些储层天然裂缝发育,尤其是须二段的优质储层,垂直裂缝或高角度裂缝发育.这导致了岩层和水平主应力的各向异性.对于这类储层如果采用常规的各向同性地应力评价方法,则会高估岩层的实际水平主应力.根据钻井中的溢流、井涌和测试压裂,以及井壁崩落等数据研究了这类储层...     

BZ13-1油田井壁稳定性研究及应用

位于渤海中部海域的BZ13-1油田在前期钻井中存在溢流、井漏、阻卡等较多复杂问题,制约了钻井速度。井壁稳定的力学分析方法主要利用钻井资料、测井资料、录井资料等,分析地层压力、地应力、地层强度参数的分布规律,结合岩体强度准则计算坍塌压力与破裂压力,得出钻井安全密度窗口。通过对BZ13-1油田井壁稳定性进行分析,得出了高压层、易漏失层、易坍塌层位置,并据此对开发井进行井身结构设计,分析结果在开发井钻井中取得了良好的应用效果,有效减少了钻井复杂问题。     

逆冲构造带精细地应力和井壁稳定性研究及应用

逆冲构造区的构造应力强,层理、裂隙发育,井壁失稳是一个一直困扰着这一地区钻井工程的难题。认识此类构造地应力分布规律是井壁应力状态分析以及井壁稳定性研究的基础。提出了一套逆冲构造带精细地应力场研究方法,该方法以地应力测量为基础,采用基于有限元法及数学优化理论的有限元约束优化反演法对逆冲构造带三维地应力场进行模拟,并利用现场地漏实验等资料进行验证。通过泥页岩水化实验,分析了泥页岩水化特性以及岩石力学性质与含水量的关系,在此基础上,建立了分析水敏性泥页岩井壁围岩应力状态的基本模型,并结合岩石强度准则,编制了井壁稳定分析程序,用于分析坍塌压力、破裂压力、安全钻井液密度窗口以及泥页岩坍塌周期等。这一研究成果对于认识逆冲推覆带泥页岩井壁失稳内在机理以及相关对策的制定具有指导意义。     

定向井压裂射孔方位优化

为了解决定向井压裂过程中存在的破裂压力高及易发生裂缝转向等问题,基于坐标变换,建立了定向井的井周三维应力场计算模型。在此基础上,综合考虑原地应力、孔隙压力、井筒液柱压力、井眼条件(井斜角、方位角)及其他物理力学性质等因素,建立了定向井射孔方位优化设计方法,分析了不同井斜角、方位角组合下的最佳射孔方位。现场应用表明,利用定向井射孔方位优化设计方法对射孔方位进行优化,能有效降低破裂压力,提高压裂改造效果。      

考虑井壁稳定及增产效果的页岩气水平井段方位优化方法

针对页岩气水平井钻井过程中常见的井壁失稳垮塌问题,为提高井壁稳定性和为后期压裂增产提供良好的条件,分析了层理面产状和地应力类型对井壁稳定性的影响,并对压裂缝与水平井段夹角,以及与水平气井产量之间的关系进行了研究,进而提出了通过对水平井段方位的优化来提高井壁稳定性和改善压裂增产效果的技术思路:利用川南地区页岩气井的测井、地应力及岩石力学资料,通过页岩层理面破坏模型及本体破坏模型分析计算出不同方位角下的井壁坍塌压力,找出井壁稳定性最好时井眼与层理面产状和地应力类型之间的关系;通过对压裂缝延伸方向的分析,得出了压裂缝的一般延伸规律;利用产能公式计算裂缝与水平井段呈不同夹角时的产量,以此获得了裂缝与水平井段夹角影响压裂效果的规律。还以川南地区的W201-H3井为例,充分考虑页岩气井壁稳定及增产效果,提出了有针对性的水平井段方位优化设计,使该井能在保持良好井壁稳定性的前提下获得良好的增产效果。