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。     

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.     

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。     

基于扩容强度准则的硬脆性泥岩坍塌压力计算模型

在低围压下，硬脆性泥岩在应力状态达到峰值强度前易发生扩容，当应力状态超过扩容强度后，钻井液水化作用对岩石强度的削弱增快增大，引起井壁坍塌，需制定合理的钻井液密度保持井壁稳定性。采用实验研究和理论分析相结合的方法，对硬脆性泥岩组构特征、水理性质、变形规律、强度准则和预应力后的浸泡钻井液强度变化规律进行研究，推导了基于扩容强度准则的硬脆性泥岩的井壁坍塌压力计算模型和参数计算方法，并进行了实例分析。结果表明，钻井液密度高于以峰值强度为准则计算的坍塌压力，低于以扩容强度为准则的坍塌压力，导致井周地层进入扩容状态，井周地层产生应力诱导微裂隙，激发了钻井液水化作用是井壁坍塌的根源。以扩容强度为准则确定坍塌压力，制定钻井液密度更加合理。     

滤饼质量对井壁周围应力和井壁稳定性的影响

无论是过平衡钻井,还是欠平衡钻井过程,都可能导致井周围地层孔隙压力改变,这样就使通过假定地层孔隙压力恒定而得到的井壁周围应力分布和地层的安全钻井液密度范围与实际偏离。滤饼质量直接影响到井壁附近地层的孔隙压力,定量地分析了滤饼质量对井周地层径向应力、切向应力、轴向应力和剪应力的影响。结果表明:一方面随着滤饼质量的提高,井筒内钻井液液柱压力对井壁地层的支撑作用逐渐增强,井壁地层抗剪切垮塌的能力相应提高,井壁稳定性变好;另一方面,地层颗粒间的接触应力逐渐增大,岩石抵抗张性破裂的能力增强,地层的破裂压力提高,井壁稳定性变好。滤饼质量好坏对低渗透地层的影响尤其显著。     

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.     

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。     

高温高压储层安全钻井液密度窗口确定技术

井壁温度变化和井壁渗流对高温高压储层安全钻井液密度窗口的影响不容忽视,而确定钻井时安全钻井液密度窗口的常规方法中没有考虑井壁温度变化及井壁渗流的影响,为安全钻井带来了隐患。为此,依据孔隙热弹性小变形应力叠加原理,从附加温变应力场以及附加渗流应力场作用下井周应力场计算出发,结合地层的强度准则,建立了综合考虑井壁温度变化及井壁渗流情况下高温高压储层坍塌压力、破裂压力的计算模型,并分析了井壁温度变化及井壁渗流对安全钻井液密度窗口的影响规律。为高温高压储层安全钻井液密度窗口的设计提供了依据。     

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.     

泥页岩渗透水化井壁稳定分析

钻井过程中,由于水基钻井液化学渗透作用的影响,泥页岩井壁更加不稳定。钻井液与地层水不仅存在压力差,而且还存在渗透水化,这些因素都成为控制泥页岩井壁稳定的重要考虑因素。本文建立力学-化学耦合作用下井壁周围应力分布模型,采用有限差分法求解该模型,得出井壁周围应力分布,利用破坏准则计算井壁坍塌压力,得出合理的防塌钻井液密度,研究井周应力分布和坍塌压力的时间效应,对实际钻井有一定的理论指导意义。     

温度对超深裂缝性地层井壁稳定性的影响

温度效应对钻井井壁围岩稳定性的影响不可忽略,特别是超深（>6000 m）裂缝性地层。传统考虑温度效应的坍塌压力预测模型主要适用于连续性地层,温度对裂缝性地层坍塌压力影响的文献研究较少。针对上述问题,首先通过杜哈梅原理确定温度变化产生的诱导应力场,然后利用坐标转换,考虑裂缝渗流场和温度场耦合,获得裂缝面上应力分布特征,最后,将裂缝面应力场代入岩石破坏准则,建立了考虑温度效应的裂缝性地层井壁失稳预测力学模型,研究了温度和裂缝特征对井壁稳定性的影响。研究表明,相同应力和裂缝产状条件下,钻井液循环引起的井壁温度降低增大了井壁垮塌的程度,这与传统模型认为循环引起的温度降低有助于井壁稳定的结论相反;井筒液柱压力一定的条件下,井壁稳定性随裂缝产状发生变化,存在裂缝产状敏感区。对于超深裂缝性地层,随着钻井液循环导致井壁围岩温度降低,增大了井壁失稳风险和程度,在防止井壁失稳的坍塌压力当量密度设计方面应考虑温度和裂缝特征的影响。     

温度对超深裂缝性地层井壁稳定性的影响

温度效应对钻井井壁围岩稳定性的影响不可忽略,特别是超深(>6000 m)裂缝性地层。传统考虑温度效应的坍塌压力预测模型主要适用于连续性地层,温度对裂缝性地层坍塌压力影响的文献研究较少。针对上述问题,首先通过杜哈梅原理确定温度变化产生的诱导应力场,然后利用坐标转换,考虑裂缝渗流场和温度场耦合,获得裂缝面上应力分布特征,最后,将裂缝面应力场代入岩石破坏准则,建立了考虑温度效应的裂缝性地层井壁失稳预测力学模型,研究了温度和裂缝特征对井壁稳定性的影响。研究表明,相同应力和裂缝产状条件下,钻井液循环引起的井壁温度降低增大了井壁垮塌的程度,这与传统模型认为循环引起的温度降低有助于井壁稳定的结论相反;井筒液柱压力一定的条件下,井壁稳定性随裂缝产状发生变化,存在裂缝产状敏感区。对于超深裂缝性地层,随着钻井液循环导致井壁围岩温度降低,增大了井壁失稳风险和程度,在防止井壁失稳的坍塌压力当量密度设计方面应考虑温度和裂缝特征的影响。     

考虑钻井液浸入的砂岩井壁坍塌模型

长时间裸露在钻井液中的砂岩地层扩径严重,通过研究钻井液侵入对井周围岩弹性模量、泊松比、黏聚力及内摩擦角等力学性能的影响,开展了井周围岩坍塌压力的研究。研究了钻井液侵入后井周应力场变化规律,并在此基础上建立了考虑钻井液侵入影响的井壁坍塌模型。通过实验与模型计算可以看出,钻井液滤失,将会在地层周围形成与原地层岩石力学特性不同的侵入区。钻井液的侵入导致侵入区弹性模量、黏聚力与内摩擦角减小,而泊松比增加,随着侵入时间的增加,弹性模量、黏聚力与内摩擦角减小越多,而泊松比上升也增加;岩石力学参数的变化与侵入时间呈现线性关系;由于弹性模量、泊松比的变化,井周应力重新分布,井壁的垮塌决定于此时的井周应力与岩石强度;井眼开挖后,井壁坍塌压力往往是先减小后增大。     

基于双重有效应力理论的坍塌压力计算模型

目前钻井界广泛使用的地层坍塌压力计算模型是以Biot有效应力理论为基础,应用过程具有较大的不确定性。现用模型在井壁表面采用了错误的孔隙压力边界条件,且未考虑钻井液渗流效应对井周应力的影响。对现用模型存在的问题进行了分析,全面考虑坍塌压力的影响因素,应用双重有效应力理论建立了新的计算模型。新模型考虑了岩石孔隙度、泊松比和钻井液渗流效应的影响,更全面的反映了坍塌压力的本质。新模型既可用于非渗透地层,也可用于高渗透性地层。新模型计算的坍塌压力更准确。     

渗流对欠平衡钻井井壁稳定性的影响

欠平衡钻井过程中井壁稳定是保证欠平衡钻井成功的关键。在常规钻井时，井壁不稳来自力学和化学作用，而欠平衡加大了这些作用机理。在欠平衡钻井过程中，地层流体不断流入井内，井眼形成后井筒周围的应力将伴随地层流体的渗流而重新分布，进而影响井壁的稳定性。文章将由原地应力产生的应力与地层流体向井眼径向渗流产生的应力叠加而求得了欠平衡钻井井周应力的解析解，运用Mohr-Coulomb强度准则建立了欠平衡钻井坍塌压力的计算式。计算结果表明:在欠平衡钻井过程中，考虑地层流体在岩石中的渗流作用后、地层坍塌压力更大即井壁更易失稳，应用于塔中722井的井壁稳定性分析表明，理论结果与工程实际吻合，说明了模型的正确性，可进一步推广应用。     

页岩层理弱面对井壁坍塌影响分析

受层理特征的影响,页岩地层的井壁坍塌形状与坍塌压力不再与各向同性地层表现一致。基于Jaeger弱面强度准则计算了井壁坍塌区域分布与坍塌压力大小,结果表明:井壁坍塌是页岩基质与弱面破坏叠加的结果,且当层理弱面倾斜角增大时,井壁坍塌逐渐受层理弱面破坏主导,坍塌方位不再与水平最小地应力方位一致,即井壁坍塌区域发生偏转,井壁坍塌形状由对角破坏演变为四角破坏;各向异性地层井壁坍塌压力只沿水平最小地应力(层理面倾向)对称分布,最优钻井方位不再仅沿水平最小地应力方位,而是应结合层理弱面的倾向,尽量减小井眼轨迹与层理弱面法向夹角;考虑钻井液侵入对井周地层压力的改变与地层强度的降低,钻井液的使用应在确保井壁力学稳定性的同时提高钻井液封堵性且使用尽量小的钻井液密度。本文研究结果可为预防页岩井眼钻进过程中井壁坍塌提供参考。     

考虑有效膜压力的坍塌压力计算模型

川渝气区风险探井欠平衡井段的井眼扩径率普遍较高,井眼扩径率介于20%~30%,最高可达140%,增加了风险探井的钻探风险,而且欠平衡钻井井壁稳定的问题也尚未得到有效解决。为此,针对欠平衡井段井壁失稳机理开展了研究,提出了计算欠平衡钻井井壁坍塌压力的方法:通过引入有效膜压力系数,结合达西定律、地层流体状态方程、连续性方程,求解出井周压力分布解析解;依据叠加原理得到了井周应力分布模型,并采用Mohr-Coulomb准则推导出维持井壁稳定的最低钻井液密度计算模型;研究了欠平衡、过平衡、欠平衡转过平衡3种典型工况下的井周压力演化规律,并总结了欠平衡钻井井壁失稳的规律。结论认为:该模型反映了泥饼对井壁稳定的影响,由其计算得到的坍塌压力比常规模型计算所得的结果要高,说明有效膜压力系数对井壁坍塌的影响显著,而岩石强度(内聚力、内摩擦角)、地应力、岩石孔隙度等参数对井壁坍塌的影响则相对较小,采用该模型计算的结果更加符合现场实际。     

四川盆地彭州气田三压力剖面计算在复杂预防与处理中的应用

四川盆地彭州气田位于龙门山前构造带,由于地质情况复杂,前期钻井井涌、井漏、掉块、卡钻等复杂情况频发,增加了钻井周期和成本,影响了气田的高效勘探和开发。因此,有必要在计算三压力剖面基础上,找出复杂情况发生原因,为预防与处理复杂情况提供科学依据。通过优选伊顿法计算地层孔隙压力、库仑—摩尔强度准则计算地层坍塌压力、最大拉应力理论计算地层破裂压力等方法,建立地区三压力剖面。在此基础上,通过对三压力剖面、岩性、掉块形态、井径曲线等资料分析,弄清了复杂情况发生的原因。研究发现井涌是钻遇高压气层时钻井液密度过小,在压井过程中使用过高钻井液密度压破上部疏松地层;井壁掉块是因地层微裂缝发育,高密度钻井液易滤失沿微裂缝渗透进入地层,增大坍塌压力导致井壁失稳;四开卡钻是因马一段发育的页岩掉块卡入取心钻头和井壁。通过采取优化井身结构和改善钻井液防塌性能和封堵性确定合理钻井液密度等措施,钻井复杂情况减少59.5%,钻井周期减小29.8%,钻井提速显著、节约了钻井成本。     

硬脆性泥页岩井壁稳定渗流-力化耦合研究

硬脆性泥页岩发育弱面结构且具有水化特性,易造成钻井过程中井壁失稳问题。在室内定量分析了钻井液对岩石弱面强度、基体强度、孔隙空间的影响程度。基于实验结果,利用线弹性理论和单一弱面准则,建立了考虑弱面结构、水化和渗流作用的渗流-力化耦合井壁稳定模型。实例计算表明：弱面结构的存在使得坍塌压力上升;弱面结构产状变化,造成坍塌压力分布复杂,不再存在单调变化的井斜方位;渗流应力变化对钻井初期坍塌压力影响较小,但在后期影响明显。该模型能准确地计算硬脆性泥页岩地层坍塌压力,对钻井工程有一定指导意义。     

基于多孔弹性模型及动态温度场的井壁稳定研究

井壁失稳、坍塌是油气井钻井施工中必须应对的难题。针对复杂地层尤其是非连续地层的超深钻井(>6 000 m)过程，通过研究岩石力学特性、孔隙渗流、井壁受应力与温度场等相互耦合作用，对复杂特殊地层中井壁稳定性进行分析。在此基础上，利用线性叠加原理结合地层渗流影响、孔隙压力变化以及地层温度场变化引起的热诱导应力分量，组合到原位多孔弹性模型中，建立热孔弹性模型，并结合D-P失效准则和“应力云”思想，形成了多孔弹性模型及动态温度场耦合的井壁稳定分析方法，并取深水浅部区块1口实例井的钻井过程进行验证。研究结果表明，延长钻井液循环时间有利于地层冷却和井眼清洁，但随着循环时间延长，井壁与地层之间温差过大，叠加的热诱导应力值会加大岩层各向应力差值，易发生失稳。研究结果拓宽了以往井壁稳定性分析方法的应用范围，提高了计算精度。