非连续介质力学模型预测煤层井眼稳定性

煤层为割理、裂缝发育的非连续介质,井壁失稳是煤层气钻井难题之一,目前利用连续介质力学模型预测钻井液安全密度窗口,实际应用效果较差。为此,针对煤层为非连续介质的特点,基于非连续介质力学方法建立了煤层坍塌压力的离散构元模型,进而推导出用地应力、割理间距、割理倾角、井眼尺寸、面割理黏聚力和面割理摩擦角等弱面参数表达的坍塌压力、破裂压力非连续煤层数学方程,并定义了方程中与井眼液柱压力、坍塌压力相关的井壁稳定系数。分析表明,井壁稳定系数为正时,可以采用提高液柱压力稳定井壁;否则,不可单一采用提高液柱压力稳定井壁,还需要提高地层的承压能力。另外,坍塌位置对井眼尺寸较敏感,而坍塌压力受井眼尺寸影响较小。     

沁水盆地煤层气井坍塌压力预测

针对煤层气井井壁稳定问题,应用力学分析方法从井壁应力分布入手,根据斜井井壁稳定力学模型,分别结合Mohr-Coulomb准则和Drucker-Prager准则,建立水平井筒井壁坍塌压力计算公式。应用所建立的公式对沁水3#煤层羽状水平井坍塌压力进行了预测。计算结果表明,井眼沿最大水平主应力方向时,坍塌压力为负值,这种情况下煤层气井不会坍塌,井眼稳定;当井眼沿最小主应力方向时,坍塌压力高于或者略低于地层压力,说明煤层羽状井眼不稳定,会产生煤粉;当井眼介于最大和最小水平主应力之间时,其坍塌压力在所计算的两个压力之间。     

考虑多弱面的非连续煤夹层井壁坍塌模型与规律分析

煤层多弱面结构会导致井眼力学稳定性更差,在钻井过程中极易发生掉块垮塌。为研究煤层井壁坍塌规律,文章基于MG-C和岩石弱面双准则建立了考虑地层产状、井眼轨迹和煤层多弱面的坍塌压力计算模型,分析了煤层多弱面对坍塌压力影响的主控因素和影响规律,并针对含砂岩和煤层的非连续煤夹层进行坍塌压力实例计算。结果表明：随着井斜角增大,影响坍塌压力的主控因素由割理面转变为层理和本体;当井眼方位与割理面互成约45°夹角时,割理面为主控因素;综合来看煤层多弱面结构对坍塌压力的影响更大,且以沿弱面发生破坏为主;随着层理倾角的增大,坍塌压力先增大后减小,在层理倾角约45°时坍塌风险最大;随着层理倾向增大,主要影响坍塌方位,对数值大小影响不大。文章研究成果可为含煤夹层在钻井过程中预防井壁垮塌提供更好的理论指导。     

三维离散元在煤层水平井井壁稳定中的应用

为了阐明煤层中端割理和面割理等不连续面对井壁稳定的影响,利用三维离散元来分析煤层水平井井壁稳定,实现了在三维空间中对不连续面的仿真。在充分、真实反映煤岩割理特性的基础上,对煤层水平井进行了井壁稳定数值模拟分析。提出了虚拟节理和内外双层建模技术,虚拟节理技术可实现节理在各个方向的随机分布和动态的断裂分析,内外双层技术可降低计算量和消除边界的影响。模拟了沁水盆地3号煤层面割理和端割理的实际分布情况,最大程度反映了煤层的真实微观特征。通过分析井眼的走向、井径、井底压力和割理密度对井壁稳定的影响发现,当面割理的走向与井眼的走向相互垂直时,井壁最稳定;当两者相互平行时,井壁最不稳定。割理密度越大,井壁的稳定性越差;井径越大,井壁越不稳定。当不考虑渗流时,井底压力越大,井壁越稳定。     

泾河油田延安组煤层特性与井壁失稳机理

泾河油田在钻井过程中延安组煤层发生井壁失稳问题。通过对泾河油田延安组煤岩特性分析,应用井史与测井资料分析煤层井壁失稳情况,得出泾河油田钻遇煤层井壁失稳主要表现为井塌,约三分之一煤层发生中等与严重井塌,平均井径扩大率超过10%。最终证明,泾河油田延安组煤层失稳情况不是很严重,大部分煤层段为性状稳定的暗煤,一般井壁稳定性高;而失稳煤层段主要因为钻井液封堵性能不足导致割理、裂缝发育煤层和含泥岩夹层的劣质煤层坍塌。     

泾河油田延安组煤层特性与井壁失稳机理

泾河油田在钻井过程中延安组煤层发生井壁失稳问题。通过对泾河油田延安组煤岩特性分析,应用井史与测井资料分析煤层井壁失稳情况,得出泾河油田钻遇煤层井壁失稳主要表现为井塌,约三分之一煤层发生中等与严重井塌,平均井径扩大率超过10%。最终证明,泾河油田延安组煤层失稳情况不是很严重,大部分煤层段为性状稳定的暗煤,一般井壁稳定性高;而失稳煤层段主要因为钻井液封堵性能不足导致割理、裂缝发育煤层和含泥岩夹层的劣质煤层坍塌。     

层理性泥页岩地层井壁坍塌控制方法研究

涠州12-1北油田涠二段泥页岩地层层理发育、水敏性强,虽然采用了油基钻井液钻进,但井壁垮塌等井下复杂情况仍频繁发生。该油田涠二段地层岩石力学试验结果表明,涠二段泥页岩强度具有显著的各向异性,其受到的最大主应力方向与层理面法向之间的夹角为30°～70°,岩心易发生沿层理面的剪切滑移破坏,强度远低于最大主应力方向与层理面法向平行时的最大强度,这是造成定向井井壁失稳的主要原因。结合岩石力学试验结果,将层理性泥页岩视为横观各向同性材料,建立了合理钻井液密度的确定方法,确定了定向井坍塌压力随井眼轨迹的分布规律。利用定向井坍塌压力随井眼轨迹的分布规律,对该油田的定向井钻井液密度和井眼轨迹进行了优化,成功解决了涠二段地层的井壁失稳问题。      

沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井工艺

沁水盆地南部高阶煤层多分支水平井钻井施工中遇到了以下难题:①井壁稳定性差,容易发生井下复杂事故;②煤层易受污染,储层保护难度大;③岩屑携带不畅,井壁严重失稳;④缺乏先进适用的钻井工具及仪器.为解决上述问题,分析了多分支水平井井眼轨迹及分支结构优化设计、复合造穴、水平井与洞穴井连通、井眼轨迹控制、充气欠平衡钻井等关键技术...     

TS区块煤层压力预测研究

相较于普通的储层而言,煤岩极为特殊,不仅存在割理发育现象,而且强度相对较低,当进行钻井时,将会频繁出现井壁坍塌事故。除此之外,煤岩本身的结构,并不有利于煤井井壁含有的稳定性,因此,研究煤层的三压力剖面。根据井壁周围的围岩应力以及井壁应力分布特征确定修正系数,通过实验确定煤层岩石力学参数,建立地层孔隙压力,坍塌压力,破裂压力模型确定三压力剖面。研究结果表明,孔隙压力和坍塌压力正常,破裂压力因不同层系波动较大,因此,在钻井过程应该适当控制钻井液密度,避免压破地层。     

煤层气直井水力压裂裂缝起裂模型研究

煤岩内部存在大量割理、裂隙等结构弱面,水力压裂时裂缝起裂可能发生于煤岩本体或割理裂隙处,造成其裂缝起裂机理与常规砂岩储层有较大差别,需要建立新的适用于煤层气井的裂缝起裂压力计算模型。考虑煤岩割理系统交割网状分布特性以及割理的空间位置变化关系,基于岩石力学和断裂力学理论,推导了煤层裸眼井壁和射孔孔壁周围及割理壁面处的应力分布方程;基于张性和剪切起裂条件,建立了煤岩不同完井方式下的裂缝起裂压力计算模型。应用该模型对2口压裂井进行了计算,裸眼和射孔完井裂缝起裂压力计算值与实测值之间的误差分别为3.96%和4.72%,表明该模型的计算结果与实测结果吻合较好。研究结果表明,煤层压裂能够从割理处起裂,起裂压力与煤层割理倾角、割理壁面内摩擦系数以及煤层水平主应力差值等因素密切相关。      

水基安全高效钻井液技术在准中区块的应用

准中区块地质构造复杂、储层埋藏较深,同一裸眼井段存在多套压力体系,中下部地层发育硬脆性泥岩,西山窑组及八道湾组地层煤层节理微裂缝发育,容易频发大量掉块、坍塌、卡钻等井壁严重失稳事故。在分析准中区块地层失稳因素及机理情况下,提出了深井井眼稳定原则和提速原则,研制出了适合准中区块的水基安全高效钻井液技术。该技术在准中1和准中4区块现场应用完钻6口井,复杂时效降低了86.74%,平均机械钻速相比同区块邻井分别提高了46.03%和25.39%;平均井眼扩大率相比同区块邻井分别降低了69.07%和45.18%,达到了稳定井壁、提高机械钻速的目的。      

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。     

缅甸Inyashe-2井井塌情况分析与原因探讨

缅甸C2区块地质条件复杂、井壁失稳严重,为了控制后续钻井的井壁失稳,对已经发生的井壁失稳原因进行深入分析与研究。缅甸C2区块Inyashe-2探井在?311.1 mm井段遭遇了较为严重的井壁坍塌,通过分析该井的测井数据、井径数据、地层岩性、压力剖面,评价钻井液性能,结合该井的坍塌情况及特点,探讨了其失稳原因,认为Inyashe-2井井壁失稳主要原因一是部分井段钻井液液柱压力低于地层坍塌压力;二是钻井液封堵性不足,致使钻井液进入裂隙发育的地层,从而引发岩石强度下降,坍塌压力增高,井壁失稳。     

沁水盆地樊庄—郑庄区块高煤阶煤层气水平井开采中的问题及对策

沁水盆地煤储层热演化程度高且具有渗透率低、储层压力低、含气饱和度较低、非均质性强的特点,煤层气开发难度大。为此,基于该盆地樊庄—郑庄区块高煤阶煤层气水平井开发实践,从地质和工程两个方面进行了分析,厘清了影响多分支水平井产能的因素、适应地质条件及挖潜对策。研究结果表明,导致多分支水平井低效的原因有3类:(1)地质因素,钻遇低含气量区或断层;(2)工程因素,钻井液污染、钻井垮塌、排采垮塌及煤粉堵塞等;(3)地质因素与工程因素的共同影响。结论认为,钻遇低含气量区与断层、垮塌与堵塞是造成樊庄、郑庄区块多分支水平井低产的主要原因,其中含气量大于20 m~3/t、临储比大于0.7、R_o大于3.8,并且处于拉张应力区是该区煤层气裸眼水平井获得高产的必要条件。进而提出了针对部分低效井的挖潜技术对策:(1)对煤粉堵塞或后期垮塌的低效井进行分类改造;(2)探索新型水平井,采用顶板仿树形水平井、套管或筛管完井的单支水平井及鱼骨状水平井来解决井眼坍塌及后期无法作业的问题。     

大港油田南部页岩油勘探开发钻井液技术

为了解决大港油田南部沧东区块页岩油水平井井眼失稳的问题,分析了沧东区块地质特征、施工难点和井眼失稳机理,优选了抑制剂、封堵剂和润滑剂等3类关键处理剂,形成了BH-KSMShale页岩油勘探开发钻井液,并对其性能进行了室内评价。实验结果表明,该钻井液具有良好的性能,抗温达150℃,高温高压滤失量小于10 mL。该钻井液技术在大港油田南部的**701H、**702H、**1-2H和**2H井等4口井进行了现场试验,使用该钻井液后施工顺利,无井下复杂事故发生,井眼扩大率最大仅为8.67%。形成的BH-KSMShale钻井液非常适合大港油田南部油区页岩油水平井,能够解决长水平段井眼失稳问题,在大港油田页岩油勘探开发中具有广阔的应用前景。      

致密气藏二开结构水平井钻井液体系及现场应用

为解决苏里格气田致密气藏二开结构水平井钻井施工中地层塌漏矛盾突出、降摩减阻及井眼净化困难等技术难题,基于地质特性和泥岩坍塌机理分析,建立摩阻扭矩计算模型,对比变更井身结构摩阻及扭矩变化规律。通过室内研究筛选采用纳米乳液、软硬结合的封堵剂、多元复配的润滑剂和高效提切剂,研发出新型强封堵超润滑水基钻井液体系。室内研究显示,该钻井液体系具有强抑制性和封堵防塌性,能够有效延长硬脆性泥岩失稳周期,进而深度维持井壁稳定,同时也具备良好的流变性和润滑性,且含砂和固相含量低,降摩减阻效果显著。现场应用表明,应用该钻井液体系后下套管摩阻控制在350 kN以内,钻进下放摩阻降低24.21%,扭矩降低34.31%,平均钻井周期为29.04 d,平均机械钻速为17.64m/h,较三开结构水平井提速36.5%,井塌划眼损失时间降低89.50%,为苏里格气田致密气藏二开结构水平井推广应用提供了有力保障。     

大港油田南部页岩油勘探开发钻井液技术

为了解决大港油田南部沧东区块页岩油水平井井眼失稳的问题,分析了沧东区块地质特征、施工难点和井眼失稳机理,优选了抑制剂、封堵剂和润滑剂等3类关键处理剂,形成了BH-KSMShale页岩油勘探开发钻井液,并对其性能进行了室内评价。实验结果表明,该钻井液具有良好的性能,抗温达150℃,高温高压滤失量小于10 mL。该钻井液技术在大港油田南部的**701H、**702H、**1-2H和**2H井等4口井进行了现场试验,使用该钻井液后施工顺利,无井下复杂事故发生,井眼扩大率最大仅为8.67%。形成的BH-KSMShale钻井液非常适合大港油田南部油区页岩油水平井,能够解决长水平段井眼失稳问题,在大港油田页岩油勘探开发中具有广阔的应用前景。     

大庆油田页岩油水平井钻井液技术

为了解决大庆油田齐家-古龙区块页岩油水平井井壁失稳的问题,对古龙区块地质特征、施工难点和失稳机理进行总结分析。针对施工中遇到的井壁稳定、钻井液流变性控制、井眼净化等油基钻井液技术难题,提出相应的技术对策。优选SFD-1、无荧光防塌剂BY和Soltex等关键封堵处理剂,并对目前使用的油包水钻井液配方进行优化和室内评价。实验结果表明,优化后的钻井液具有良好的性能,高温高压滤失量小于3 mL,抗岩屑侵可达30%。该钻井液技术在大庆油田古龙区块**2HC井进行现场试验,施工顺利,井下无复杂事故发生,能够解决长水平段井眼失稳问题,在大庆油田页岩油勘探开发中具有应用前景。      

涪陵页岩气水平井油基钻井液技术

涪陵焦石坝区块采用水平井开发方式,水平段长1 500 m以上,水平井段为龙马溪组下泥岩段,页岩黏土矿物含量高,脆性强、微裂缝发育,易发生垮塌掉块造成井下事故;井底垂深大于3 500 m,深层页岩气开发,面临着井温升高、携岩带砂要求越来越高、部分井发生垮塌掉块、起下钻遇阻卡的问题,部分井发生失返性漏失,消耗了大量的人力、物力。对柴油基钻井液体系进行了研究,结果表明该体系具有良好的抗温性、在低油水比（70:30）下仍然具有稳定的性能,随钻堵漏材料（粒径级配的高纯超细碳酸钙+有机胶凝漏失控制材料）能够封堵2 mm的裂缝,承压强度达7 MPa,纳米封堵剂（纳米石墨粉和超细海泡石纤维组成的混合物）能够封堵0.1 mm裂缝,承压达到20 MPa。现场应用结果表明,该体系具有良好的井壁稳定能力,井径扩大率低,平均小于3%,润滑性好,起下钻摩阻低,钻井液性能稳定,易于维护处理,能够解决井漏、井垮等复杂情况。柴油基钻井液完全适用于涪陵区块的页岩气水平井钻井施工。      

渤中A3井井壁稳定技术研究

该文对BZ-A3井的钻井问题和井壁稳定性进行了分析和研究。BZ-A3井在钻进过程中遇到了大量的问题,并导致了两次侧钻及相应的经济损失。该文通过分析已有测井数据,建立井壁稳定岩石力学模型,进行井壁稳定性分析,发现由于使用了过低密度的钻井液,BZ-A3井及两次侧钻的井壁破坏范围大,而且井壁崩落弧长大于90°,这样就导致了较大的页岩块从井壁脱落甚至井壁垮塌,从而引起严重的卡钻问题;采用Eaton法进行了地层孔隙压力的计算,分析结果表明东营组及沙河街组存在明显超压,主要超压机制为欠压实及生烃,最大孔隙压力为1.4～1.5 g/cm3;基于孔隙弹性模型开展了水平地应力的计算,确定水平最大地应力方向为N65° E,这与该区块的地质构造和世界地应力图是一致的。该文找到BZ-A3井井壁失稳与卡钻的机理,对钻井泥浆密度提出建议,以帮助避免此类事故在今后本区块调整井钻井作业时重复发生。