页岩水平井井眼轨迹方位与层理面产状的关系

准确掌握层理面产状对页岩水平井井眼轨迹方位选取的影响规律,能有效预防井壁坍塌,节约钻井成本。对长宁区块H1井龙马溪组岩心进行三轴压缩实验,依据页岩岩石强度单一弱面剪切破坏准则和页岩水平井井壁应力分布模型,建立了页岩水平井井壁坍塌压力计算模型。利用页岩水平井测井资料和岩石力学实验数据,采用数值模拟方法,得到层理面产状对页岩水平井井壁坍塌压力的影响规律。当页岩层理面倾向一定时,随层理面倾角的逐渐增大,页岩水平井井壁坍塌压力当量密度范围逐渐变宽。当层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面的剪切破坏;当层理面倾角大于45°时,井壁岩石发生本体破坏,且当井壁岩石发生本体破坏时,页岩水平井沿层理面倾向的相反方向钻进有利于井壁稳定。     

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。     

煤系地层坍塌压力预测与井眼轨迹优化

由于煤岩割理交错发育,采用常规井眼坍塌压力预测模型不能准确指导钻井作业,甚至有可能引发井壁失稳事故。通过分析煤岩理化性能和微观结构,确定井壁失稳类型以力学失稳为主;结合弹性力学、岩石力学、单一弱面破坏准则等理论,建立了煤岩地层水平井坍塌压力计算模型;以DB-X01井、DB-X04井与红河油田煤层段为例,根据所建模型进行井眼轨迹优化,得出最佳钻进井斜角与方位角;结合DB-X01井J₂kz煤层,分析了割理产状、地应力机制以及井眼轨迹对坍塌压力的影响,为煤系地层水平井井眼轨迹优化研究提供参考。     

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。     

水平井试油过程裂缝性储层失稳机理

针对水平井裂缝性储层试油过程中井底压力选择不当会引起井壁坍塌问题,开展了天然裂缝性储层水平井井壁稳定问题研究。从井壁稳定的力学机理出发,建立了水平井井周应力状态,选用弱面破坏准则,建立了水平井段测试过程维持井壁稳定的井底最小压力模型,模型考虑了天然裂缝产状、井斜方位、地应力、地层强度与孔隙压力的联合影响。在此基础上定量分析了各因素对维持井壁稳定的最小井底压力的影响。结果表明：天然裂缝面倾角小于45°时,井壁岩石发生弱面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁岩石会发生本体破坏;天然裂缝走向对井壁的破坏形式也有显著的影响,在最小水平地应力方位附近,井壁最易坍塌;随着地应力非均质性的增强、孔隙压力的升高,维持井壁稳定的井底最小压力逐渐增大。     

层理性地层井壁坍塌失稳规律研究

渤海油田中深部地层微裂隙、节理和层理发育,基于传统完整性地层预测的坍塌压力不符合实际,需考虑强度各向异性的影响。鉴于此,基于弹性力学与结构面强度理论,假设地层中存在一组或两组低强度弱面,建立了井壁坍塌失稳预测模型,分析了单弱面与双弱面条件下坍塌压力随弱面倾角与走向的变化规律。分析结果表明:考虑弱面存在的地层坍塌压力远大于各向同性地层;单弱面下,坍塌压力最高值随井斜角增大从弱面倾角60°～90°逐步向45°～60°转化,定向井沿弱面反向坍塌压力最低,水平井沿弱面方位与相反方位坍塌压力值相同且均为最低值;双弱面下,2组弱面倾角夹角为0°时坍塌压力最低,坍塌压力最高值随井斜角增大从弱面倾角夹角60°～90°向30°～60°转化;走向夹角为0°时坍塌压力最低,定向井坍塌压力最大值出现于夹角90°～135°和270°～315°内,水平井走向夹角相差180°时坍塌压力相同且极大值与夹角无关。采用本预测模型对渤中构造深井进行了实例分析,井壁坍塌压力分析结果与实际情况比较接近,对现场作业有一定的指导意义。     

松辽盆地古龙页岩水平井井壁失稳机理

松辽盆地古龙页岩层理发育,层理密度高,黏土矿物以伊利石为主,质地偏硬脆性.古龙页岩水平井施工中反复出现坍塌卡钻、井眼扩大等井壁失稳问题.为了大幅度提高水平井的井壁稳定性,开展了岩石力学测试,建立有限元应力—流场耦合模型,求取不同工况条件下井壁稳定的坍塌压力上限.结果表明:井斜角、井斜方位、弱结构面数和弱结构面倾角是井筒...     

各向异性地层定向井井壁坍塌压力计算方法

层理性地层的力学性质和强度特征具有各向异性,受层理弱面的影响,钻井过程中容易发生井壁失稳的问题。各向异性地层中的井壁坍塌压力分析方法与普通完整性地层不同,强度准则应选用弱面破坏准则,并且层理面的存在也对井眼周围应力分布产生影响。对于各向异性地层中定向井钻进时井壁稳定的分析,需采用有限元等方法进行数值求解。某油田层理性泥页岩地层中不同井斜角和方位角条件下井壁坍塌压力的计算结果表明：定向井钻井中存在最佳钻入角,解决这类地层的井壁失稳问题主要应从控制井斜角和钻井方位入手,避免在井壁坍塌压力较高的井斜和方位范围内钻进定向井。     

弱面地层的直井井壁稳定力学模型

弱面地层在较小的钻井液柱压力下先于岩石本体破坏,引起井壁垮塌,甚至在高密度钻井液情况下也难以维持井壁稳定。我国西部钻井中常遇此类问题。本文从弱面模型出发建立大倾角地层的井壁稳定力学模型,详细分析倾角地层的倾角和走向对井壁稳定性的影响,认为弱面地层的坍塌方位主要集中在走向与水平最小地应力夹角在90±20度范围内,在钻遇此地层时,若维持井壁稳定所需的钻井液密度过高,可采用合理的井眼轨迹进行大斜度井钻井。     

多弱面地层水平井裸眼井壁垮塌量计算模型

针对裂缝性地层水平井试油过程中井壁垮塌的问题,建立了多弱面地层水平井裸眼井壁垮塌量计算模型,采用该模型分析了水平井裸眼井壁垮塌量的影响因素,并通过现场应用将其与单弱面模型进行对比分析。分析裂缝产状、井眼方位、地层应力各向异性、弱面数量及井内液体密度对井壁垮塌量的影响后发现:裂缝倾角较小时,井壁垮塌量较大,井壁稳定性差,裂缝倾角较大时,井壁垮塌量波动较大,井壁稳定性随井眼方位及裂缝倾向的变化而变化;裂缝倾向不同垮塌量极大值出现时井眼方位不同;地应力差越大井壁垮塌量越大;井壁垮塌量随井内液体密度的增加而减小,当井内液体密度在孔隙压力当量密度附近时垮塌量对井内液体密度的变化较敏感。现场应用结果表明:与单弱面模型相比,大多数情况下采用多弱面模型计算的井壁垮塌量更大,能更可靠地评估井壁垮塌风险。     

深层脆性页岩力学性能及井壁稳定性研究

四川盆地中部龙马溪组页岩地层硬度高、脆性强,钻井过程中井壁坍塌严重,阻卡频发。为解决钻井过程中井壁坍塌问题,测试了以四川盆地自201井为代表的深层页岩微细观组构、水理化性能及力学性能参数各向异性特征,并考虑井眼轨迹、层理缝产状、井筒-地层耦合渗流效应、层理缝力学弱面效应等因素,建立了深层脆性页岩水平井井壁稳定理论模型。实验结果表明:深层页岩脆性矿物含量高达70%,水化膨胀性极低,页岩基质力学强度高,但层理缝间强度低,页岩容易沿层理缝滑移崩落。模型计算结果表明:层理缝力学弱面效应影响明显,当井眼轨迹与层理缝面法向之间夹角满足一定角度,井壁倾向沿层理缝剪切滑移垮塌;井筒-地层间渗流效应不可忽略,压力穿透效应降低钻井液的有效径向支撑力,诱发层理缝起裂、延伸至崩落,合理的钻井液密度及有效封堵性可提高深层页岩水平井井壁稳定性。研究成果揭示了深层脆性页岩井壁坍塌作用机理,可为深层脆性页岩水平井关键工程参数设计提供理论依据。     

顺北油气田奥陶系破碎性地层井壁失稳影响因素分析

针对顺北油气田奥陶系破碎性地层井壁失稳频发的技术难题,通过开展X射线衍射、扫描电子显微镜和滚动回收率等室内实验,建立了考虑多弱面效应和力化耦合作用的井壁失稳模型,分析了井壁失稳机理及影响因素。研究表明：奥陶系破碎性地层以方解石为主,黏土矿物质量分数低,水化分散能力弱,多尺度非连续破碎结构和非黏土水化型水岩损伤作用是井壁失稳的关键因素;随弱面组数的增加,岩石强度的各向异性愈发显著,坍塌压力增大,安全钻井的优势方位角与倾角选择减少;随着弱面倾角由0°增大到90°,坍塌压力呈现先增加、后平稳、再逐渐减小的趋势;坍塌压力随弱面内聚力、内摩擦角的增大而显著降低,且内摩擦角的影响更显著,但随弱面胶结强度的升高,坍塌压力的降低率具有一定的极限。     

焦石坝页岩气储层水平井井壁失稳机理

焦石坝区块页岩气储层岩石层理发育,导致页岩强度各向异性特征明显,钻井过程中易发生井壁失稳问题。为此, 采用龙马溪组井下岩心开展直接剪切和三轴实验,结合单组弱面强度理论,建立了页岩强度各向异性表征方法;综合页岩强度各向异性表征方法、井壁应力分布模型,建立了页岩井壁坍塌压力计算方法;最后,以目标井JY1HF 井为例进行了实例计算与分析。结果表明:龙马溪组页岩发育了大量软弱层理,沿软弱层理剪切滑移是井壁失稳的主要力学机制;钻井液浸泡后页岩强度出现劣化,但强度劣化效应并不十分显著;常规模型计算的坍塌压力随着井斜角增加而减小,文中模型计算的坍塌压力随着井斜角先增加后减小,且计算结果与实际情况更加吻合;页岩薄弱层理的剪切滑移是井斜井段井壁垮塌的关键,而强度的劣化并不是主控因素。研究结果可为礁石坝区块和其他地区页岩气井钻井设计、轨迹优化等提供参考。     

页岩地层产状对水平井井眼破坏的影响

页岩地层的钻井作业尤其是水平井的钻井作业持续增加,页岩地层的水平井钻井过程往往伴随着一
系列井壁稳定问题。为此,利用坐标转换和弱面滑动破坏理论,建立了页岩地层水平井井眼破坏程度预测和坍塌
压力计算模型。利用所建模型分析了页岩地层产状对水平井井眼破坏形状的影响和坍塌压力的影响。分析表明,
页岩层理面滑动破坏后的水平井井眼总体呈“四叶状”,破坏程度较小时可能呈“狗耳朵”状;垂直于层理面或与层
理面夹角较小的水平井破坏程度较小,甚至不会发生层理面滑动破坏。所建模型及分析结果可用于优化页岩地层
水平井钻井方向,避免钻井过程中发生层理面滑动破坏,防止水平井井眼稳定因页岩层理面而恶化。     

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。     

含多组弱面的页岩水平井坍塌失稳预测模型

目前,水平井穿越长段硬脆性页岩储层过程中的井壁坍塌失稳问题很突出。为此,结合页岩露头、岩心、SEM和FMI资料分析了弱面的产状特征,基于弱面强度理论,建立了含多组弱面页岩的强度分析方法,对均匀分布多组弱面页岩的强度特征进行分析,再综合考虑各组弱面产状、井壁应力状态、井眼方位、原地应力方位等因素,最终建立起了含多组弱面页岩水平井坍塌失稳预测模型,并以川南地区某页岩气水平井开展了实例分析。结果表明,页岩中层理和构造缝之间的交角较大(接近正交);随着页岩岩体中弱面数量的增加,岩体强度大幅度下降,强度受弱面控制作用越显著,当含有4组以上弱面时,强度趋于各向同性,且整体强度大大削弱,使井壁坍塌失稳风险显著增加;随着弱面数量的增加,维持水平井井眼稳定所需的钻井液密度(坍塌压力当量密度)也逐渐增加,不含弱面时坍塌压力当量密度为1.04g/cm3,含1组弱面时坍塌压力当量密度为1.55g/cm3,含2组弱面时坍塌压力当量密度为1.84g/cm3。实例水平井计算结果与实际情况吻合较好,较之传统模型更加准确、实用,有效提高了页岩水平井井壁坍塌压力预测的精度。     

过断层井段井壁稳定性分析

考虑断层周围地层非均质性和各向异性,根据弱面强度准则,分析了地层各向异性对地应力的影响,探讨了井壁坍塌压力随断层走向及倾角的变化规律,建立了过断层的坍塌压力计算模型,开展了不同性质断层构造坍塌压力分析,结果表明:随着Eh/Ev、vv/vh值的增大,水平最大应力、水平最小应力增加,过断层应考虑地层各向异性对地应力的影响;不同的断层类型、断层走向及倾角所对应的坍塌压力存在差异性,且不存在单调递增或递减的井斜方位,安全区域和危险区域交替出现;井眼轨迹设计应考虑断层类型及弱面结构,选择合理的钻入角钻穿断层。将本文预测模型用于渤海油田A井取得了良好工程效果,井眼扩大率基本小于10%。本文研究结果对过断层时钻井安全具有指导意义,可为井眼轨迹设计提供理论参考。     

页岩强度弱化规律及对水平井井壁稳定的影响

为了揭示页岩本体和层理面力学强度特性及弱化对井壁稳定影响,基于直剪试验并结合弱面强度准则,分析了页岩抗剪强度参数的弱化规律。研究结果表明,水基钻井液浸泡下页岩本体和弱面强度均显著降低,且水基钻井液对弱面弱化影响大于对本体强度的影响。随着浸泡时间增加页岩强度逐渐降低,且最低强度逐渐左移;发生弱面破坏的角度范围逐渐增大;随着围压升高,页岩强度升高且发生弱面破坏的角度范围逐渐变小。坍塌压力与水平井钻进方位、弱面产状密切相关,其差异最高达到0.444 1 g/cm3,整体上水平井井眼沿着最小水平地应力方位钻进时井壁稳定性最好。随井眼钻开时间增加,当量坍塌压力逐渐升高。研究结果可为页岩气水平井钻井设计提供参考依据。     

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。