大位移井井壁稳定机理及安全密度窗口分析

从井壁稳定的岩石力学机理出发,分析大位移井周的应力分布规律,建立大位移井井壁稳定的力学模型.根据库仑一摩尔强度准则和最大拉应力破裂准则,计算大位移井的井壁坍塌压力与泥浆安全密度窗口.利用Visual Basic语言编制了大位移井井壁稳定分析计算软件,分析影响大位移井井壁稳定性的因素,并计算大位移井的井壁坍塌压力与泥浆安全密度窗口.采用某油田的实际资料,计算出在不同井斜角和井斜方位角下的坍塌压力与泥浆安全密度窗口.计算结果表明,大位移井井壁坍塌压力、安全密度窗口与原地应力状态、井斜角和井斜方位角有直接关系,并提出了最优的井眼轨迹设计方案.     

定向井安全钻井液密度窗口测井计算方法

研究定向井井壁稳定与井眼钻进的井斜和方位之间的关系是正确设计定向井钻井液安全密度窗口的重要内容。在介绍定向井井壁力学分析的基础上，使用测井资料计算定向井钻井液安全密度窗口的一套系统方法，对某油田定向井施工井壁稳定性进行了判断，并计算出了在沿不同井斜、方位钻进情况下的钻井液安全密度窗口值。这对确保井壁稳定，减少由井漏、井塌而引起的井下事故，促井定向井施工成功有着重要意义。     

定向井安全钻井液密度窗口测井计算方法

井壁稳定技术是钻井工作中的重要内容，研究定向井井壁稳定与井眼钻进的井斜和方位之间的关系对于正确设计定向井安全钻井液密度窗口，确保井壁稳定，减少由井漏、井塌而引起的井下事故，促进定向井施工成功有着重要意义。介绍了在定向井井壁力学分析的基础上，使用测井资料计算定向井安全钻井液密度窗口的一套系统方法。根据这一方法，成功地对桌油田定向井施工井壁稳定性进行了判断，并计算出了在沿不同井斜、方位钻进情况下的安全钻井液密度窗口值。     

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。     

一种准确预测钻井液安全密度窗口的新方法

准确预测钻井液安全密度窗口是井身结构设计和钻井液密度合理选择的前提。常用的钻井液安全密度窗口预测方法是基于Mohr-Coulomb破坏准则和拉伸破坏准则而建立的。但是,由于Mohr-Coulomb破坏准则未考虑中间主应力的影响,预测的钻井液密度偏高,不利于钻井提速和储层保护。为此,引入Mogi-Coulomb破坏准则,建立了3种地应力状态下预测直井钻井液安全密度窗口的新方法,克服了传统方法计算坍塌压力过于保守和计算破裂压力未考虑剪性破裂的不足。将其应用于川西地区H1井砂泥岩地层的钻井液安全密度窗口计算中,结果表明,新方法的预测结果较传统方法的计算结果更符合实际情况,且精度高、实用性强,对解决钻井中的井壁失稳问题有重要的指导意义。     

不同地应力场对大斜度井井壁稳定规律的影响

大斜度井由于井斜角大,其井周应力状态和井壁稳定规律与直井有明显的差别。分析了大斜度井井周应力,并采用修正的Lade准则研究了不同地应力场对大斜度井井壁稳定的影响。结果表明,大斜度井井壁稳定受地应力场和井眼轨迹的影响,不同地应力场中和不同井眼轨迹条件下井壁稳定规律不同。大斜度井井壁坍塌方位与井眼轨迹和地应力场的特征有关,其规律较为复杂;对于水平井,井壁坍塌方位呈90／270°或0／180°对称出现。     

基于ABAQUS的径向井井壁稳定性分析

基于岩石力学相关理论,依据Mohr-Coulomb准则,建立了多分支径向井井壁稳定力学模型,并采用有限元数值模拟方法对力学模型进行了验证,结果表明该模型具有较高的准确度。基于ABAQUS有限元数值模拟,依次研究径向井方位角、地层最大主应力与最小主应力压差(地应力差)、弹性模量、泊松比、径向井孔径等因素对三分支径向井井壁稳定性的影响。研究结果表明:多分支径向井井壁稳定性受地应力差和径向井孔径的影响较大;径向井眼的跟端和中段易存在明显的应力集中,是井眼防塌的关键区域;径向井方位角、弹性模量和泊松比对径向井井壁稳定性的影响较小,在一定范围内径向井井壁处于力学稳定状态。     

基于井壁稳定与改造效率的井眼轨迹优化设计

在渤中地区井漏、阻卡、溢流等井下复杂事故频繁发生,造成了经济损失。研究井眼轨迹优化方法,降低井漏等风险,提高压裂改造效率,确保区块快速投产。主要完成:通过分析渤中X井,获得安全密度窗口;地应力方位影响裂缝起裂程度,控制压裂方位。方位角150°时,水平段钻进安全密度窗口最大,钻井安全;方位角140°～170°有助于压裂增产,最终优选钻井方位155°。使用兰德马克软件优化设计渤中X井井眼轨迹,实际钻井作业中无井壁失稳发生,压裂后测试产量达到同产层邻井5倍。     

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。     

基于阵列声波测井评价致密砂岩储层地应力

以鄂尔多斯盆地东缘上古生界煤系气藏致密砂岩储层为例,对致密砂岩岩石力学性质及地应力进行综合研究及评价。获得动静态力学参数转换关系,利用压裂法计算地层地应力,其状态满足σ_hσ_Hσ_v,局部地质力学层呈现出较高的构造应力环境。通过引入修正系数C~*至Newberry模型中,实现对煤系致密砂岩储层水平方向最小主应力的预测。考虑到地应力的各向异性,引入非平衡结构因子U_b,对储层水平最大主应力进行测井评价。快横波方位分析结果表明,研究区上古生界气藏的水平最大主应力方向为NW向。     

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。     

Analysis of the Mechanical Stability of Boreholes Drilled in Sedimentary Rocks

This article presents the method and results of wellbore stability analysis for three common reservoir lithologies consisting of a consolidated sandstone, a shaly sandstone, and a limestone formation. The effect of stress anisotropy on the mechanical stability of wellbores is evaluated while varying the inclination angle from 0 to 90°, for both the Mohr-Coulomb and the Drucker-Prager failure criteria. The selected failure criterion, and the in-situ rock stress regime are found to have significant effects on the safe drilling fluid density required to maintain wellbore integrity. According to some field examples, the Drucker-Prager failure criterion appears to systematically mimic rock conditions more realistically than the Mohr-Coulomb failure criterion. The simulated consolidated sandstone formation is found more stable with lesser drilling fluid density, at any inclination angle, than the simulated shaly sandstone formation. The simulated limestone formation is even more stable than the consolidated sandstone at all inclination angles since it requires lighter fluid density to prevent wellbore collapse. For all these rock types, the higher the deviation angle (from vertical), the higher the drilling fluid density needed for maintaining wellbore integrity. For the depth and rock conditions simulated, both consolidated and shaly sands are unstable in a strike-slip stress regime, but stable in an extensional stress regime. The simulated limestone formation was found stable in both stress regimes. However, in an extensional stress regime, the limestone formation required lighter fluid density to maintain wellbore integrity than in a strike-slip stress regime. This article introduces the theory of using a practically-oriented model to assess the mechanical stability of a wellbore in a linearly-elastic stress field. The model can be used to determine the range of mechanically stable well inclinations for a given formation, and to suggest drilling-fluid density programs tailored to efficient and safe drilling.     

水平井安全和危险钻井方位

在理论推导水平井井壁应力公式基础上,根据Mohr-Coulomb准则,建立了水平井井壁稳定控制方程,提出了水平井井壁安全和危险方位的确定方法。利用该方法,能够确定任意应力条件下水平井的安全和危险方位。算例研究表明,应力模式决定着水平井的安全和危险方位,研究结果能够为井眼轨迹优化设计提供理论依据。     

井壁稳定性评价准则分析

井壁坍塌失稳大多由于井周岩石的剪切破坏造成,而剪切破坏准则的选择是井壁稳定性预测的关键因素。通常使用的Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则都存在明显的缺点,致使井壁稳定性预测结果不准确。于是,引进了一种新的破坏准则——Mogi-Coulomb准则。该准则较为合理地考虑了中间主应力对岩石强度的影响,使强度预测结果更加准确。为验证其优势,利用岩石真三轴试验数据对3种准则的强度预测结果进行了对比分析。结果表明:在真三轴应力状态下,Mogi-Coulomb准则预测岩石强度的精度要高于Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,且具有表达简单、使用方便、预测结果准确等优点。因此,建议推广使用Mogi-Coulomb准则预测井壁稳定性。     

地应力场对水平井井底临界坍塌压力的影响

井壁的剪切垮塌,是钻井过程中经常遇到的井壁稳定性问题,严重地影响着钻井的速度、质量及成本。为减少井下事故、规避钻井风险,降低钻井成本,基于线弹性力学模型,运用Drucker-Prager(德鲁克-普拉格)准则针对地应力场对水平井井底临界坍塌压力的影响进行了计算分析。结果表明,在井壁稳定性问题中,水平井井底临界坍塌压力的大小不仅受地应力场中应力大小关系的影响,而且与水平井方位角、井周角存在着一定的关系。在实际钻井过程中应根据实际地应力大小、方向及储层条件确定最佳钻井方式,以期达到最佳钻完井效果。     

基于弹性应变能强度准则评价井壁稳定性

岩石强度准则是石油工程的重要基础理论,对于井壁稳定性研究更是不可或缺。然而,以经典弹塑性理论的岩石强度准则作为井壁失稳判断依据时所得结果,往往与现场实际情况存在较大误差。开展三轴力学试验,测试岩石不同围压条件下的极限储能,从能量角度建立岩石能量强度准则,并与其他强度准则对比分析了井壁的稳定性。计算结果表明:使用不同强度准则所得坍塌压力相差较大,其中Hoek-Brown准则的坍塌压力过低且存在井壁坍塌风险,Mohr-Coulomb和Drucker-Prager准则的结果过于保守且存在压破地层风险,而根据能量强度准则所得坍塌压力则能保证井壁不塌不漏。该准则是井壁稳定评价的一种新方法,为钻井液密度设计提供了可靠的理论依据。     

A Mud Weight Window Investigation Based on the Mogi-Coulomb Failure Criterion and Elasto-Plastic Constitutive Model

Abstract

A successful stable borehole scheme results in saving time and money. To reach this aim many parameters such as bottom hole pressure, and stress distribution around the borehole must be considered in the design of a well. During drilling there are two main wellbore stability problems, namely, borehole collapse and fracture. These stability problems can lead to the need for fishing, stuck pipes, sidetracking, and lost circulation. These drilling problems can be mitigated or often eliminated by proper determination of the critical mud pressure.

The most common approach for these studies is a linear elastic and isotropic constitutive model in conjunction with linear failure criteria like Mohr-Coulomb. Numerous researchers have found situations in which the Mohr-Coulomb criterion was deficient because mid-principle geotechnical stress is not incorporated. In addition, the conventional mechanical model is based on the linear elasticity condition, while in reality, it is believed that the fluid barrier and a part of the bore hole wall behave plastically, which provides higher fracturing pressure than Kirsch's equation.

In this article, the mud window is estimated using Mogi-Coulomb failure criterion and the elasto-plastic model. This is based on a hypothesis that wellbore behavior indeed is not strictly elastic and intermediate principle stress plays an important role in rock strength. Therefore, an elasto-plastic model and the Mogi-Coulomb failure criterion should be incorporated. This hypothesis is verified and used in this article for the South Pars gas field (phases 6, 7, and 8) in the Persian Gulf. The results indicate that the newly developed model is more accurate than the conventional approach.     

T453井三叠系石炭系地层安全钻井液密度窗口的确定

塔河油田三叠系、石炭系地层钻井过程中井壁垮塌严重，井径扩大率太，严重影响了钻井效率和固井质量。利用三叠系、石炭系地层岩心，进行了地应力与岩石力学参数室内试验研究，并根据试验结果标定了岩石力学测井解释的模型，根据S68井的测井资料分析了其坍塌压力、地层破裂压力，建立了安全钻井液密度窗口。根据研究成果，确定了T453井三开井段安全钻井液密度窗口，推荐了现场钻井作业的钻井液密度程序。现场试验表明，严格按照设计的钻井液密度程序施工可避免井壁垮塌、缩径导致的起下钻遏阻以及卡钻等井下复杂情况或事故。