泥页岩井壁稳定研究及在临盘地区的应用

从岩石力学和物理化学两个主要因素简要分析了井壁失稳的机理，指出泥页岩井壁失稳是由力学与化学两方面因素共同作用的结果。钻井液与泥页岩存在化学势差，并改变了井壁附近的孔隙压力，降低岩石强度。借助于井壁处有效应力的变化,将泥页岩与钻井液相互作用时页岩水化所产生的力学效应与纯力学效应结合起来，计算出任意井斜方位井眼围岩应力状态，利用测井资料求出有关岩石力学参数和Mohr Couloumb准则，计算得出防塌的临界钻井液密度。     

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。     

含裂缝的硬脆性泥页岩理化及力学特性研究

硬脆性泥页岩的理化及力学特征对深入研究深部地层泥页岩井壁稳定机理、裂缝性泥页岩漏失等问题具有至关重要的意义.采用泥浆化学、微观结构扫描及岩石力学试验手段,对某工区易失稳泥页岩地层的理化及力学特性进行了系统的研究和分析.结果表明,该工区泥页岩属于硬脆性泥页岩,粘土矿物以伊利石为主,基本不含蒙脱石,具有低膨胀易分散的特性,...     

苏里格气田泥页岩井壁水化损伤失稳周期确定

钻井过程中复杂的应力和固液作用,使围岩产生了水化扩散和水化膨胀,改变了其中的应力场和力学参数,从而导致泥页岩井壁失稳。通过试验研究,探讨了泥页岩井壁围岩水化随时间和空间的变化规律以及岩石弹性模量和抗压强度随含水率变化的损伤弱化规律,进而结合强度变形破坏理论推导出泥页岩遇水后的损伤演化方程、损伤演化极限方程和确定坍塌周期的方法。应用该方法,得出苏里格气田泥页岩井壁坍塌周期为6.8 d左右。     

页岩气井脆性页岩井壁裂缝扩展机理

页岩钻井中井壁失稳是制约页岩气大规模开发的关键技术难题。阐述了页岩井壁稳定技术现状和存在的问题,借助固体力学、断裂力学和界面化学理论,建立了介质润湿特性控制的裂缝扩展模型,提出了基于润湿理论的页岩井壁稳定评价方法。研究结果表明,页岩地层钻井时水基钻井液应减小钻井液界面张力和增大钻井液与岩石的润湿角;油基钻井液应减小钻井液界面张力和润湿角,从而强化井壁围岩强度、防止页岩井壁发生垮塌。页岩地层井壁稳定性尺度效应明显,不同尺度条件下井壁围岩裂缝扩展机制各异。探索不同尺度条件下页岩井壁围岩失稳机制,对页岩气井钻井液设计具有重要的意义。      

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钻井过程中泥页岩地层井壁稳定问题十分复杂。长期以来，许多研究工作者或从井壁稳定的岩石力学分析着手，或从抑制泥页岩水化的新型处理剂和泥浆体系着手，对这一问题进行了大量研究，并取得了一定成效。但由于前者没有考虑地层与泥浆之间的物理—化学作用，忽略了井壁围岩力学特征将随水化程度不同而不同；而后者则没有考虑井壁岩石力学强度、围岩应力分布在井壁稳定过程中的重要作用。为此，通过实验分析指出，水敏性泥岩地层从钻井液中吸水、膨胀的过程，是引起钻井过程中井壁不稳定的重要原因。以均匀各向同性的线—弹性力学井壁稳定性模型为基础和出发点，引用ＹｅｗＣＨ等提出的水化应力计算模型，建立了求解水敏性泥岩地层井壁围岩应力分布的力学基本方程，并在此基础上编制了可应用于泥岩地层井壁力学稳定性分析的相应的计算程序     

泥页岩三轴试验及其井壁稳定性研究

在钻井过程中,泥页岩井眼最容易发生井壁失稳,经常出现井壁的坍塌、剥落掉块以及缩径等问 题,严重的影响施工进度,造成巨大的经济浪费。而泥页岩井壁稳定性研究的基础就是要准确求出相应 的岩石力学参数,根据试验得出的岩石力学参数才能较好的进行力学性质分析并确定出钻井液密度安全 窗口。采用三轴岩石力学试验机进行泥页岩三轴试验,根据试验得出的静态弹性模量、泊松比、抗压强 度、内聚力、内摩擦角等岩石力学特性参数,对泥页岩井壁进行了力学分析,并求出了包括坍塌压力和 破裂压力在内的钻井液密度安全窗口,为该工区的井壁坍塌问题找到了原因。     

考虑泥页岩黏弹性的钻井液密度计算方法

泥页岩地层受到外来流体侵入后，岩石具有明显的流变效应，易造成井壁坍塌。为了研究泥页岩井壁受入井流体影响产生的黏弹性力学行为对井壁稳定性的影响，建立了黏弹蠕变本构模型来反映井壁流变失稳破坏的力学机理与演化规律。根据井壁围岩受力推导出平衡方程、几何方程，结合物理方程和边界条件，得到考虑泥页岩黏弹性特性的钻井液密度方程。结合现场钻井数据给出不同时间、不同收缩速率下泥页岩的钻井液密度图版。结果表明:泥页岩地层钻进时，井眼的收缩速率越小，则所需的钻井液密度越大；井越深，钻井时间越长，所需钻井液密度越大。     

硬脆性泥页岩水化裂缝发展的CT成像与机理

硬脆性泥页岩地层井壁失稳问题是一个十分复杂的难题。外来流体侵入后,岩石内部将会产生一系列的微观物理化学变化而影响地层的稳定性。采用CT成像技术,微观揭示硬脆性泥页岩水化过程中裂缝的发展规律及其对岩石的破坏,并结合扫描电镜等测试手段,分析其机理和对井壁失稳的影响,进而制定出井壁稳定技术对策,为硬脆性泥页岩井壁稳定性研究提供一种新的思路。结果表明,硬脆性泥页岩具有较显著的毛细管效应,岩石矿物颗粒间微孔缝自吸水后产生较强的水化作用,促使次生微裂纹的产生、扩展与连通,微裂纹不断发展成裂缝直至贯通,岩石发生宏观破坏。自吸水化产生次生裂缝破坏是硬脆性泥页岩地层井壁失稳的主要原因之一。强化封堵、控制滤失量和降低滤液表面张力是防止硬脆性泥页岩地层自吸水化破坏的有效措施。     

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。      

南堡3号构造深层脆性泥页岩井壁稳定机理分析与实践

冀东油田南堡3号构造深层主要是指下第三系的东二段至沙河街的地层,该层段发育着大段的脆性泥页岩,因埋藏深、压实强度大、层理及微裂缝较发育,易塌易漏,井壁失稳严重。通过对泥页岩理化特性、宏观微观结构特征、力学特性、岩石力学与钻井液化学耦合作用与失稳机理的分析研究和钻井液体系的优化评价与应用,有效地解决了该泥页岩的井壁稳定问题,形成了一套适合于南堡3号构造深层脆性泥页岩井壁稳定钻井液技术,同时也为同类复杂岩性地层的安全钻井施工提供了技术借鉴作用。     

硬脆性泥页岩井壁稳定研究进展

硬脆性泥页岩的井壁失稳是制约深层油气资源和页岩气等非常规油气资源有效开发的关键问题。基于此，从硬脆性泥页岩的基本特征出发，根据其组成成分和结构特征的差异，总结了纯力学、渗流– 应力耦合和渗流– 应力– 化学耦合3 种井壁稳定基本分析方法及各自适用条件。研究了硬脆性泥页岩4 种力学失稳机制、钻井液侵入裂缝的驱动作用、存在和不存在活性黏土矿物情况下强度弱化机制以及不同裂缝形式下的井壁稳定计算模型。指出硬脆性泥页岩基质和裂缝充填物中是否含活性黏土矿物及裂缝的分布规律是影响井壁稳定分析的关键因素，从微观角度描述多场耦合作用下硬脆性泥页岩裂缝扩展连通导致井壁失稳的渐进过程将成为未来研究的热点和难点。     

XC气田须五段气藏水平井井壁稳定性分析

XC气田须五段气藏属典型非常规致密气藏,砂岩、泥页岩均为储层,且频繁互层,水平井钻井面临泥页岩井壁水化失稳问题。根据水化后井壁变弹性参数的物理模型,结合数学物理公式推导、计算软件编制,形成了一套考虑泥页岩地层遇钻井液水化影响的井壁应力计算方法;通过岩心室内实验标定,研究了XC气田须五段气藏岩石力学参数特征、井壁岩石水化规律、泥页岩力学参数水化规律,及水化过程井壁稳定性特征。结果显示,水化性泥页岩地层存在水化初期高坍塌压力现象,随着水化时间的增加,井壁稳定性并未进一步恶化;对于该类地层,在钻井设计与施工中,需正确认识和处理水化初期的高坍塌压力现象,而并不一定要使用过高的钻井液密度。     

适用于硬脆性泥页岩的钻井液井壁稳定性评价方法

为了提高硬脆性泥页岩的井壁稳定效果,通常强调钻井液的封堵能力,而未考虑钻井液水化作用对泥岩力学强度的影响。在传统钻井液封堵性能评价方法的基础上,重点考察了钻井液对岩石力学强度的保持能力,开展了钻井液水化作用对岩石抗压强度、抗张强度以及地层坍塌压力增量影响等评价实验,形成了一套适用于硬脆性泥页岩的井壁稳定性评价方法。结果表明,优良的井壁稳定性能不仅要具备较低的渗透封堵滤失量、良好的延缓压力传递能力,对岩心裂缝较高的封堵率,而且要具有较强的岩石力学强度保持能力(钻井液作用后岩石力学强度降幅最小,且地层坍塌压力增量最低)。建议初步开展PPT渗透封堵实验、压力传递实验及岩心裂缝封堵实验等,初选性能较好的钻井液配方,再进行钻井液作用对岩石力学强度的影响实验,结合钻井液作用对坍塌压力、破裂压力的影响分析,进一步确定井壁稳定钻井液最佳配方。该套评价方法从岩石力学角度全面评估了钻井液的井壁稳定性能,为体系的优化提供了借鉴。     

泥页岩水化对气体钻井井壁稳定性影响规律研究

气体钻井钻遇地层水后,井壁岩石力学特征变得复杂,给钻井施工带来较大的安全威胁。从泥页岩水化机理着手,通过实验和理论计算方法,对气体钻井过程中泥页岩水化对井周岩石力学参数的影响规律进行分析研究,给出地层出水条件下泥页岩井段井壁稳定性分析评价方法,结合工程地质特征,对川西特殊复杂地层出水情况下气体钻井井壁稳定性进行定量评价。分析结果表明,由于川西地区中浅～中深井段泥页岩层段较多,且地层水丰富,气体钻井过程中井壁容易发生失稳破坏。因此在气体钻井过程中,应充分认识待钻井段地层出水情况和泥页岩地层的纵向分布规律。     

页岩储层各向异性对裂缝起裂压力的影响

页岩储层水平方向上的层理性结构导致了页岩较强的非均质性和各向异性。基于岩石横向各向同性本构关系以及渗流与变形耦合数值方法,建立了页岩水平井裂缝起裂的三维有限元数值模型,对射孔方位角、弹性力学各向异性以及地应力各向异性对水力裂缝起裂压力的敏感性进行了研究。研究结果表明：随射孔方位角的增加,起裂压力增大,起裂压力应力分布云图呈部分“椭圆状”且倾向于最大水平主应力方向;弹性模量各向异性较大和泊松比各向异性较小时,岩石表现出在水平方向上较强的刚性特征,裂缝起裂的可能性较大;弹性模量各向异性较小和泊松比各向异性较大时,岩石表现出在垂向方向上较强的刚性特征,岩石不易起     

煤储层裸眼水平分支水力裂缝起裂特征分析

基于三维弹性力学和岩石断裂力学理论,提出考虑原地应力、井眼内压引起的应力和压裂液滤失引起的应力的情况下,结合径向井裸眼水平分支井壁应力分布模型,建立岩石本体张性起裂、沿天然裂缝剪切起裂和沿天然裂缝张性起裂3种起裂模式下的起裂压力计算模型,综合预测分析煤储层中水力裂缝受发育天然裂缝干扰影响下的起裂特征。研究结果表明,水力裂缝起裂特征受水平分支方位、应力状态和天然裂缝共同作用影响,当径向井裸眼水平分支与天然裂缝相交时,水力裂缝易沿天然裂缝张性起裂。     

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。     

本期导读

正硬脆性泥页岩的井壁失稳是制约深层油气资源和页岩气等非常规油气资源有效开发的关键问题。赵凯等从硬脆性泥页岩的基本特征出发,根据其组成成分和结构特征的差异,总结了纯力学、渗流–应力耦合和渗流–应力–化学耦合3种井壁稳定基本分析方法及各自适用条件。指出硬脆性泥页岩基质和裂缝充填物中是否含活性黏土矿物及裂缝的分布     

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。