维持井壁稳定的充气钻井液密度确定方法研究

随着我国西部和海洋深层天然气勘探开发不断加快、深入，钻井不断遇到高温、高压、气侵环境，受气体侵入的井筒钻井液其密度随温度和压力的变化而变化，这导致常规井壁稳定研究确定的当量静态钻井液密度不能有效地阻止井下井壁坍塌、缩径引起的复杂情况。国内外高温高压条件下钻井液密度计算模型存在着明显的问题：①没有考虑气体在环空中的影响，此时环空中是气液两相流体的流动，不能用单相液体的情况来对待；②井筒温度用地温梯度来代替不合理。为此，在确定有气侵、压耗和温度影响的有效安全钻井液密度时，分析了气液两相钻井流体受井筒压力、温度、气侵量与钻井液密度的相互影响关系，结合地层参数、钻井水力参数和钻柱结构，通过对温度场与压力场的耦合求解，获取了有效安全钻井液密度的下限和上限，计算结果在实际钻井中得到了较为成功地应用。     

气体快速钻井井壁失稳研究

随着气体快速钻井试验应用区域的进一步拓展和面临地质对象的日益复杂,地层产水、产气、产油等复杂条件下的井壁失稳问题已成为制约其进一步发展应用的瓶颈难题.为此,探讨了复杂条件下气体钻井井壁失稳机理、一般评价方法与模拟实际工况的特殊评价方法,并提出了应对复杂条件下气体钻井井壁失稳问题的技术思路.结果表明,气体钻井井壁失稳机理主要包括由于缺乏足够井筒流体压力支撑引起的力学失稳,地层产水、产油、雾化、钻井液转换过程中的力学-化学耦合失稳,钻遇产层段的岩石崩爆与相邻泥岩动力学失稳等;原地岩石力学性质、地应力状态与力学-化学耦合作用规律是气体钻井井壁稳定评价的重点,同时需要尽可能模拟实际复杂工况条件下对井壁稳定性的影响;对于存在严重力学失稳现象的地层应通过气体钻井选层加以规避,更为高效、能够适应气体钻井复杂工况的井壁稳定处理剂与处理工艺是亟待攻关的方向,同时气体钻井条件下的流体预测与随钻流体封堵技术值得研究.     

气体钻井井壁稳定性评价方法分析

由于气体钻井技术在某些方面有着常规钻井液钻井不可比拟的优势，在国内得以大范围地试验应用。但是，作为一项新技术，气体钻井本身具有一定的局限性，其实用范围尚不完全清楚。因此，在现场试验过程中已经暴露出不少问题，井壁稳定性就是其中最为突出的问题之一。在常规钻井液钻井过程中，井筒与地层孔隙压力之间存在正压差，正压差对井壁起到一定的支撑作用，在一定程度上抑制了井壁坍塌，有利于井壁稳定。而在气体钻井中，这种支撑作用并不存在。为此，从气体钻井井壁岩石力学的基础着手，建立了气体钻井条件下井壁稳定性分析的评价方法，并结合实际工程地质特征，对川西特殊复杂地层没有流体产出情况下气体钻井井壁稳定性进行了定量评价，分析评价结果与现场施工情况吻合。     

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。     

热渗耦合效应对欠平衡工况井周应力的影响

欠平衡钻井过程中,地层流体向井筒内渗流和近井地带地层温度的改变均会造成近井地带孔隙压力发生变化,此外,井壁岩石温度改变还会产生热应力,这些因素均会造成井壁岩石有效应力发生变化,影响欠平衡施工过程中的井壁稳定性分析和欠压值设计。 近井地带井壁岩石温度和孔隙压力变化是一个耦合变化的过程,文 章结合实例,通过对温度-渗流耦合模型进行求解,得到了近井地带地层温度和孔隙压力在径向上的变化规律,计算出欠平衡工况下考虑地层岩石温度变化和地层流体渗流影响的井周应力。结果表明欠平衡工况下温度和孔隙压力的变化会对井周应力产生较大的影响,在对欠平衡钻井过程中的井壁稳定性分析和欠压值设计时有必要考虑热渗耦合效应的影响。     

高温定向井井筒瞬态温度计算模型及其应用

四川盆地西部超深天然气井的目的层埋深在8 000 m左右,井底原始地温超过150℃,一般都采用定向井的钻井方式钻至目的层。为了准确预测川西地区定向井钻井过程中的井筒瞬态温度、评价温度环境变化对流体性能与压力分布的影响,基于动量与能量守恒原理,考虑该区定向井的井型特点以及井筒—地层各控制区域在径向与轴向的传热机理,建立了定向井井筒—地层瞬态二维传热模型与温度压力耦合下的井筒压力计算模型,应用全隐式有限差分法对数学模型求解,分析了循环时间、排量对井筒温度的影响,进而评价了温度压力耦合下井筒压力与动静态密度随井深的分布变化特征。研究结果表明:(1)随着循环时间和排量的增加,井筒下部井段流体与近井壁地层温度降低,均低于原始地温,而上部井段流体、近井壁的套管及水泥环温度则高于原始地温;(2)考虑温度压力耦合下的井筒循环压力、静止密度及当量循环密度数值均小于无温度压力条件下,分别为2.1 MPa、0.065 g/cm3、0.045 g/cm3。结论认为,该研究成果可以为定向钻具服役环境分析、全井段流体性质评价及井筒压力控制提供可靠的判定依据。     

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。     

川西低渗透气藏气体钻井井壁稳定性评价方法

川西低渗透气藏采用气体钻井技术钻进时,致密砂岩井段井下垮塌频繁,为给制定防塌技术措施提供依据,在分析非达西渗流、储层敏感性对孔隙压力影响,计算气层产气时径向拖曳力的基础上,分析了径向拖曳力影响下井周的有效应力场,利用川西X3井实钻数据分析了气体钻井井壁垮塌的机理,并与摩尔库伦准则和拉伸破坏模型相结合,提出了适用于川西低渗透气藏气体钻井的井壁稳定性评价方法。川西低渗透气藏气体钻井井壁垮塌机理为:低渗透储层中高速非达西渗流和气体产出时产生的径向拖曳力使坍塌压力升高,井壁稳定性变差,同时在径向拖曳力作用下先发生拉伸破坏,随后地层压力降低进而发生剪切破坏,出现垮塌。利用低渗透气藏气体钻井井壁稳定性评价方法评价了X3井低渗透储层的井壁稳定性,评价结果与实钻情况相符,说明采用该评价方法可以评价川西低渗透气藏气体钻井时的井壁稳定性,能够为川西低渗透气藏气体钻井制定防塌技术措施提供指导。      

基于非等温三相流模型的欠平衡钻井井底压力预测

考虑欠平衡钻井中钻屑的影响以及由于地层和钻井液之间热量传递导致的温度变化,应用气-液-固三相流模型来模拟井筒流体,计算井筒温度和压力分布,分析不同参数对环空内流体压力和温度分布的影响.研究表明,与两相流模型及其他考虑地温梯度的三相流模型相比,考虑传热的非等温三相流模型能够更加准确地预测欠平衡钻井井底压力.井筒内黏性耗散...     

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。     

一种考虑合理井筒破损的气体钻井井壁力学稳定性分析方法

在非均匀地应力作用下,井眼钻成后在井周发生应力重分布,井壁容易在最小主应力方位发生井壁垮塌,最大主应力方位发生破裂以达到自然释放井周应力集中的目的。文章结合这种井筒自然的合理破损的工程现象,考虑工程允许的井筒破损时的应力环境,基于井径特征分析、测井资料分析及力学稳定性理论,发展了一种
任意井斜条件下的考虑合理井壁破损的气体钻井井壁力学稳定性分析模型。分析结果表明,这种方法力学原理明确,建立的模型准确可靠,应用简单,且与实际情况更为吻合,克服了传统完整井筒极限平衡条件下的井壁力学稳定性分析的建议井段远低于气体钻井实际实施井段的问题,为气体钻井的井壁力学稳定性分析提供有效的基础参考。     

地层出气对气体钻井井壁稳定性影响规律研究

针对气体钻井在实际试验应用过程中暴露出的井眼失稳问题，特别是异常高压地层大量出气后，井壁的稳定性问题，从分析气体钻井井壁岩石力学特征着手，建立了气体钻井过程中地层大量出气条件下井壁稳定性的评价计算方法；并结合实际工程地质特征，从孔隙压力变化对井眼失稳的影响、垂向应力变化诱导井眼失稳、临界出气量和地层压力系数的影响以及钻后分析评价等方面，对川西特殊复杂地层出气情况下气体钻井井壁的稳定性进行了定量评价，评价结果与现场施工情况基本吻合。     

莺歌海盆地DF13-1气田井壁稳定性研究

DF13-1气田是高温高压气田,温度会对井壁稳定产生很大影响。传统的井壁稳定模型多未考虑温度的影响,为研究东方13-1气田的井壁稳定,在室内试验的基础上研究了该气田地层强度纵向分布规律,建立了考虑温度效应的井壁稳定分析模型,分析了温度对井壁稳定性的影响。指出在DF13-1 气田钻井最大的挑战是井
壁温度降低使破裂压力大幅降低,从而导致钻井液漏失,而钻井液密度过低又无法压住地层高压,准确预测地层破裂压力是DF13-1气田安全钻井的关键。在高温高压储层钻井时,考虑井壁温度变化的影响能提高安全钻井液密度窗口预测精度,对实际钻井具有指导意义。     

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。      

一种气体钻井井壁稳定性分析的简易方法

为有效克服气体钻井过程中出现的井壁失稳现象,提出一种气体钻井井壁稳定性分析的简易方法.该方法在对传统气体钻井井壁稳定性理论的利弊进行分析的基础上,从气体钻井井壁围岩的力学特性出发,确定了井壁围岩应力场的分布,结合Mohr-Coulomb准则,建立了气体钻井条件的井壁稳定模型,即弹塑性模型和硬脆性模型,成功解释了气体钻井条件下地层进入塑性状态变形达到一定程度,井壁坍塌井径扩大后,地层趋于稳定的现象.将该计算模型应用于满东2井的井壁稳定性分析,结果表明:理论分析结果和工程实测数据对比,计算结果较为准确,验证了该模型较为有效.     

气体钻井钻柱失效的热因素分析

针对气体钻井钻柱频繁失效问题,建立了钻柱与井壁摩擦生热闪温温升计算模型,研究了局部温升在钻柱表面产生的热应力,通过平均表面传热系数评价了气体钻井环空压缩空气对局部摩擦热的携热能力,并给出了计算算例。研究结果表明,钻柱对井壁的侧向力较大时,钻柱与井壁的接触摩擦可以使钻柱局部表面产生高达几百摄氏度的闪温温升,该温升使钻柱局部表面产生很大的热应力,随后高速气流携走全部或部分摩擦热。分析认为,摩擦热是导致气体钻井钻柱异常失效的重要因素。热过载或热疲劳与机械载荷共同作用使钻柱表面产生微裂纹,从而加速气体钻井钻柱失效。     

超深井井筒温度数值模型与解析模型计算精度对比研究

准确预测钻井过程中的井筒温度是科学评价井筒中流体流动安全与压力控制的关键。为此,基于井筒–地层各区域能量守恒原理,建立了井筒–地层传热数值模型和井筒–地层传热解析模型,分别用全隐式有限差分法和解析法对数学模型进行了求解;并结合顺北油田某超深井井身结构与钻井参数,从传热机理上分析了2种模型的井筒温度计算精度及其影响因素。分析认为:钻进时,下部井段环空流体温度低于原始地温,而上部井段流体高于原始地温;解析模型应用简化的无因次时间函数表示从远处地层传至近井壁的拟稳态热交换方式,并用综合传热系数表征地层–环空、环空–钻柱内总的热交换量,减少了井筒与地层间的热交换量,导致其计算出的环空和钻柱内流体温度低于数值模型。研究结果表明,数值模型计算结果与实测值吻合程度高,数值模型和解析模型的计算误差分别为1.46%和6.94%,两者计算结果差值为13.15 ℃。研究结果为深入认识钻进中井筒-地层传热机理和准确评价温度场提供了理论依据。      

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。     

鄂尔多斯盆地陆相页岩气中生界储层井壁坍塌压力研究

鄂尔多斯盆地陆相页岩气中生界储层地质条件复杂,钻井过程中易发生井壁失稳。根据库仑—摩尔准则,建立了大斜度井、水平井井壁坍塌压力计算模型,对延长陆相页岩气中生界储层大斜度井、水平井钻井过程中的井壁坍塌压力进行定量化研究,计算结果表明:钻井过程中井斜角超过50°左右,井壁坍塌压力将大幅增大,不利于井壁稳定;在井斜角小于50°的条件下,沿着水平最大地应力方位钻进时,大斜度井、水平井井壁坍塌压力最大;在井斜角大于50°的条件下,沿着水平最小地应力方位钻进时,大斜度井、水平井坍塌压力最大;延长陆相页岩气中生界储层在不同方位上钻井水平井的坍塌压力在1.18~1.26之间,为陆相页岩气井钻井工程设计提供了参考依据。