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.     

物理化学作用下定向井井壁稳定分析

钻井过程中,由于钻井液物理化学作用的影响,泥页岩井壁更加不稳定。针对泥页岩孔隙内多场耦合作用下的渗流问题进行了系统研究,建立力学-化学耦合作用下定向井井壁稳定模型,采用有限差分法求解该模型,得出井壁周围应力分布,计算井壁坍塌压力,并研究与地应力状态有关的定向井坍塌压力。模型深化了对泥页岩孔隙内多场耦合作用下渗流规律的认识,模型简单实用,具有一定的工程实用价值。     

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。     

泥页岩地层水化后井眼周围应力的计算模型

由于泥页岩中含有水敏性黏土矿物,当与钻井液接触时,泥页岩与钻井液相互作用,产生水化膨胀,不仅改变了井眼周围的应力分布,而且由于吸水使得泥页岩的强度降低,这就使得泥页岩地层的井壁失稳问题非常严重。水化作用后的围岩,在假定泥页岩为线弹性的条件下,建立了均匀地应力作用下泥页岩水化后井眼周围应力分布的计算模型。对该模型利用差分方法进行了求解,可以编制程序,该程序可以计算出泥页岩水化后井眼周围岩石的含水量分布、井眼周围的应力分布及保持井壁稳定所需的坍塌压力。     

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。     

硬脆性泥页岩地层井壁稳定性研究

北部湾盆地流沙港组属于典型硬脆性泥页岩地层,地层层理、微裂缝发育明显,非均质性强,钻井过程中易引发井下复杂情况和事故。基于页岩理化室内实验结果及力学参数,根据页岩水化分析结果和页岩破坏准则,建立了井壁稳定力化耦合模型。实例验证及影响因素分析结果表明:本文建立的井壁稳定力化耦合模型能更准确预测地层坍塌压力分布;层理面的存在会显著增加地层坍塌压力当量密度,不同层理产状使得坍塌压力分布更为复杂;当硬脆性泥页岩与流体作用时,岩石强度下降且层理面受水化影响更为明显,从而导致坍塌压力上升,尤其清水作用后地层坍塌压力上升幅度明显高于钻井液作用。本文研究结果可为泥页岩地层井壁稳定性研究提供参考。     

泥页岩井壁流-固-化耦合安全密度窗口计算方法

针对页岩气开发钻井工程中亟待解决的泥页岩钻井井壁安全密度窗口计算难题,通过对Heidug-Wong的广义Biot有效应力原理进行修正,使用Weibull统计模型描述水化应变相关的强度损伤,考虑钻井液封堵层,结合流动-扩散耦合模型建立了钻井液抑制-封堵-渗透作用下的泥页岩安全密度窗口计算方法。以此为基础,分析了钻井液封堵性、抑制性等关键参数对安全密度窗口的影响:提高钻井液封堵性,能够阻缓泥页岩井壁孔隙压力传递,减少溶质扩散;钻井液的抑制性,尤其是对强度损伤的抑制,对水化显著的泥页岩井壁坍塌压力具有决定性的作用,钻井液封堵-抑制性能的提高可以降低坍塌压力、提高破裂压力,从而拓宽安全密度窗口,延长井壁的坍塌周期。若泥页岩内存在渗透流动,钻井液渗透作用能够拓宽安全密度窗口,且钻井液封堵性越强,其影响幅度越大。利用安全密度窗口计算方法可以有效分析坍塌压力、破裂压力与钻井液防塌性能的关系,可用于安全密度窗口的准确计算及钻井液性能的优化。图11表3参29     

泥页岩井壁稳定流固化耦合模型

考虑泥页岩-钻井液体系电化势渗透产生的流体流动和离子运移、泥页岩-钻井液体系中流体流动和溶质扩散过程的非线性、流体流动和离子运移对固体变形的影响,建立泥页岩井壁稳定流-固-化耦合模型。应用建立的模型计算实例井井眼周围地层随时间变化的孔隙压力、应力以及破坏指数。结果表明,若不考虑泥页岩膜离子选择性形成的扩散电势,计算的孔隙压力和应力偏小,而线性模型过高地预测了井壁周围的孔隙压力场和应力场。根据破坏指数可以看出,坍塌破坏首先发生在井壁附近地层,坍塌压力随时间延长增大且变化较明显,破裂压力随时间延长减小但变化不显著,钻井液密度窗口随时间变窄。     

钻井卸载对泥页岩地层井壁稳定性的影响

钻进泥页岩地层时井壁易失稳,且井周岩石极易因钻井卸载产生诱导缝,导致岩石强度降低,从而加剧井壁失稳。因此,为确保泥页岩地层井壁的稳定,采用三轴力学试验仪模拟钻井卸载过程中的岩石应力变化过程,分析了卸载对泥页岩力学特性的影响,采用回归方法回归了泥页岩内聚力、内摩擦角与卸载幅度的关系,并将该关系引入到常规井壁稳定性模型中,建立了考虑卸载作用的泥页岩井壁稳定性模型。结果表明:卸载会使泥页岩的强度降低,随着卸载幅度变大,泥页岩强度的降低幅度增大;考虑卸载作用后,泥页岩地层的坍塌压力增大,尤其在高地应力和各向异性较强的泥页岩地层,由卸载造成的坍塌压力增量更为明显;井筒与最小水平主应力的夹角较小时,可以降低卸载对泥页岩井壁稳定性的影响。研究结果表明,卸载对泥页岩地层坍塌压力的影响不可忽视,进行钻井液设计时应考虑卸载对坍塌压力的影响。      

多因素耦合钻井液密度窗口随钻监测技术研究与应用

随钻监测钻井液密度窗口对钻井现场施工来说具有极其重要的意义。通过测量岩屑的声波时差和渗透率及膜效率等参数,利用岩石的声学性质与力学参数的关系得到地层岩石的力学参数,结合地应力参数,得到井壁周围岩石的应力分布,计算出地层的坍塌压力和破裂压力。在建立流-固-化耦合作用下泥页岩井壁稳定分析模型的基础上,开发出了流-固-化耦合作用下泥页岩地层钻井液密度窗口随钻监测软件LSC-Mud weight monitor,并对涠洲油田涠二段泥页岩进行了钻井液密度窗口的监测,与未利用该软件前相比,钻井速度得到大幅提高。     

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。     

泥页岩井壁稳定力学与化学的耦合研究

基于井壁失稳的根本原因在于力(包括地应力和化学力)的作用观点,研完了垂直井中井壁稳定力学与化学的耦合作用。通过试验得出了模拟井下环境中井眼周围泥页岩与钻井液相互作用的规律,得到了地层水化效应模型、井壁周围泥页岩吸水量与距离和时间的关系式以及泥页岩水化膨胀应变与吸水量的关系等。最后,提出了水化作用下井眼周围泥页岩应力的简便计算方法,即:①求解由吸水膨胀引起的井壁周围泥页岩应力分布,②根据有限元方法计算由地应力的非均匀性引起的井壁周围泥页岩应力分布,并迭加到①中求解的应力中去。指出在计算中应考虑不同距离处因井眼周围泥页岩含水不同而引起的材料力学参数的变化。     

基于流固耦合理论的泥页岩井壁稳定性分析

钻井过程中,水基钻井液的化学渗透作用会导致井壁失稳,这个过程是钻井液与活性泥页岩地层发生强烈的流固热化多物理场耦合的过程。基于岩石力学和渗流力学理论,运用Comsol Multiphysics多物理场耦合软件建立耦合作用下井壁周围应力渗流流固耦合偏微分方程模型,并基于有限单元法对模型进行了求解。研究结果表明:有渗透和无渗透的井周应力分布是不一样的,且维持井壁稳定的防塌钻井液密度是随着时间增大而增大;将地层看成多孔弹性模型分析,并将水化应力分析考虑进来,研究发现水化应力张量对井周应力分布的大小和方向取决定作用,研究的结果对实际钻井有理论指导意义。     

印度尼西亚M气田泥页岩井壁失稳机理及对策

印度尼西亚M气田地质构造复杂,泥页岩裂缝发育,存在异常高温高压,钻井期间频繁发生坍塌卡钻事故,严重影响了作业效率.通过对M气田地层孔隙压力、地应力、安全钻井液密度窗口进行定量计算,并根据现场井壁坍塌特征及地层特性,分析了该气田井壁坍塌原因主要是泥页岩裂缝发育,存在高密度下的“呼吸”效应及水化作用.根据该气田井壁坍塌机理...     

渤海油田泥页岩地层坍塌失稳机理分析

渤海油田钻井中遇到大量由于井壁坍塌失稳造成的复杂问题,主要表现为起泥球、返出掉块、阻卡、憋压、井径扩大等,处理复杂情况影响钻井速度并增加钻井成本,因此有必要从岩石力学和钻井液化学角度进行研究,澄清井壁坍塌失稳机理。通过对渤海部分油田的钻井复杂特点、泥页岩黏土矿物含量和理化性能、井壁坍塌压力随时间的变化关系等进行分析,得出了泥页岩地层井壁坍塌的主导机理。在上部明化镇组,主要是蒙脱石含量较高的泥岩发生水化坍塌,在下部东营组至沙河街组,主要是裂缝发育的硬脆性泥页岩由于存在弱面及钻井液渗流发生坍塌掉块。针对不同地层的失稳机理,提出了相应的钻井技术对策。     

龙马溪组页岩地层井壁坍塌周期预测

针对页岩层理结构和水化特性易导致钻井过程中井壁坍塌的问题,开展岩石三轴力学实验,以确定不同钻井液作用时间下的页岩力学参数;综合考虑层理产状和水化作用对页岩强度的影响,建立页岩地层井壁稳定性分析模型,预测页岩地层坍塌周期。计算分析表明：层理产状变化使得坍塌压力分布更为复杂,水化作用使得坍塌压力在钻井初期迅速升高;层理和水化作用导致的坍塌压力增量分别为0.26~0.38 g/cm³和0.60~0.79 g/cm³,缩短了页岩地层的坍塌周期。该模型能准确预测坍塌周期,对优化钻井液性能,调整钻井液密度,保证井壁稳定有重要意义。     

考虑三向应力作用的渤南泥页岩地层坍塌压力

渤南区块罗家地区沙三储层以泥页岩为主,泥页岩厚度大、分布广,有机碳含量高,富含油气。但是该组地层微裂缝发育,岩石强度各向异性明显,加上水化作用影响,水平井钻井过程中井壁稳定问题突出,使用传统坍塌压力预测模型不能有效计算泥页岩储层的坍塌压力,普通考虑弱面的分析模型通常忽略了中间主应力对岩石强度的影响,预测结果也不如意。在对罗家地区泥页岩矿物成分和微裂缝分布情况分析的基础上,基于弱面强度理论,综合考虑三向应力的影响,建立了更精确的坍塌压力预测模型。实例分析表明,对于该区域的泥页岩钻井,一味地增大钻井液密度并不能保证井壁稳定,该区块岩石碳酸盐矿物含量较多,原始强度较高,且地层孔隙度低,如果使用控压钻井,使井底压力略低于地层压力,可增加岩石强度,增大井壁稳定性,并降低钻井成本,增加钻速。      

苏里格上古水平段井壁失稳因素分析

井壁失稳是钻井工程中常遇到的井下复杂情况之一,严重影响地质资料的录取、钻井速度、质量及成本。苏里格气田水平井主要坍塌地层为石千峰组和石盒子组,通过对"双石"地层泥页岩力学因素、物理化学因素和工程因素分析发现,泥页岩存在裂隙,钻井液及其滤失都更易进入地层,加上外力冲涮,井壁很容易坍塌。而且泥页岩中粘土矿物在表面水化力、渗透水化力和毛细管力作用下,粘土发生水化、膨胀引起地层孔隙压力、膨胀压力升高,从而造成坍塌压力增大,这也是造成泥岩垮塌的重要原因。     

地层水物化作用下的泥页岩破裂压力计算

钻井过程中,钻井液与井壁围岩的接触产生水化作用会导致井壁围岩变形,引发井壁缩颈坍塌、破裂等事故。根据弹塑性力学和岩石力学相关理论,应用最大张应力准则,在黄氏模型的基础上考虑了钻井液在岩石孔隙中的渗流而在井壁围岩所产生的附加应力场、岩石的孔隙度和钻井液水化作用的影响,建立了泥页岩破裂压力模型,结合现场压裂实验数据和不同含水率泥页岩岩心三轴压缩实验结果,计算得到了泥页岩破裂压力的预测值、泥页岩含水率与抗张强度和破裂压力的关系曲线。结果表明：本文模型预测值和实测值相比,误差为3.65%,更加接近实测地层破裂压力,破裂压力和抗张强度均随着含水率的升高而降低,说明水软化了泥页岩,降低了它的力学性能。     

力学温度和化学耦合作用下泥页岩地层井壁失稳研究

为减少泥页岩地层,特别是高温-高压泥页岩地层的井眼失稳问题,将泥页岩地层视为孔隙介质,在综合考虑岩石特性、井眼周围三维地应力、化学及热效应等因素对泥页岩地层井眼稳定的影响的情况下建立了井眼周围有 效应力计算模式,通过有限差分法进行求解。结合地层失效准则,得到了温度、渗流以及岩石特性对坍塌压力和破裂压力的影响规律。研究的结果表明对低渗透率的泥页岩来说,热效应以及化学反应在确定钻井液密度窗口时起到重要作用。计算结果对实际钻井有理论上的指导意义。