裂缝性碳酸盐岩微细观组构及力学性能研究

针对川西马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩地层多口井发生不同程度井壁坍塌和掉块的情况,开展了该地区碳酸盐岩被钻井液浸泡前后微细观组构及力学性能变化研究,分析了井壁失稳原因。结果表明：马鞍塘—雷口坡组碳酸盐岩主要以方解石和白云石为主,膨胀性能较弱;该地区碳酸盐岩微裂缝、孔洞十分发育,相对于基岩,渗透率沿裂缝发育方向有显著提高,但裂缝的存在和走向对孔隙度无明显影响;钻井液浸泡效应对碳酸盐岩的力学性能影响不是特别明显,裂缝走向及力学弱面效应对碳酸盐岩力学性能影响最为显著,当裂缝倾角为60°时力学强度降至最低。该研究为评价裂缝性碳酸盐岩井壁稳定性提供了理论依据。     

北特鲁瓦地区裂缝性碳酸盐岩地层井壁稳定性研究

北特鲁瓦地区石炭系中统巴什基尔阶(KT-Ⅱ)碳酸盐岩地层裂缝发育,钻井过程中井壁垮塌问题严重.为提高钻井效率,研究了 KT-Ⅱ碳酸盐岩地层裂缝产状及缝间充填物质,测试了碳酸盐岩基质及缝间充填物组分,分析了裂缝发育对碳酸盐岩地层孔渗特性、力学强度的影响.同时,耦合地应力场、渗流场及裂缝力学弱面效应等因素,建立了裂缝性碳酸...     

泥页岩地层井壁失稳理论研究及其进展

泥页岩地层井壁失稳理论及工程应用研究已发展成为既有理论基础、又有实践目标的工程技术。根据这一领域的研究现状及问题的实质,将深井泥页岩地层的井壁稳定性研究分为基于连续介质理论的均匀地层井壁稳定性研究、层理性地层井壁稳定性研究、裂隙性地层井壁稳定性研究以及井壁稳定性物理化学机理研究等方面,并对各理论研究的进展情况进行了总结。指出：以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理论和计算方法基本成熟,而具有显著“结构性（层理、裂缝）”的泥页岩地层井壁失稳问题仍是目前研究的重点和难点。需要从结构性地层的变形破坏特性、钻井液在结构性地层的渗流特征以及渗流对结构性地层的力学特性的影响规律等基础研究出发,开展泥页岩地层井壁稳定性综合研究是今后的发展方向。     

温度对超深裂缝性地层井壁稳定性的影响

温度效应对钻井井壁围岩稳定性的影响不可忽略,特别是超深（>6000 m）裂缝性地层。传统考虑温度效应的坍塌压力预测模型主要适用于连续性地层,温度对裂缝性地层坍塌压力影响的文献研究较少。针对上述问题,首先通过杜哈梅原理确定温度变化产生的诱导应力场,然后利用坐标转换,考虑裂缝渗流场和温度场耦合,获得裂缝面上应力分布特征,最后,将裂缝面应力场代入岩石破坏准则,建立了考虑温度效应的裂缝性地层井壁失稳预测力学模型,研究了温度和裂缝特征对井壁稳定性的影响。研究表明,相同应力和裂缝产状条件下,钻井液循环引起的井壁温度降低增大了井壁垮塌的程度,这与传统模型认为循环引起的温度降低有助于井壁稳定的结论相反;井筒液柱压力一定的条件下,井壁稳定性随裂缝产状发生变化,存在裂缝产状敏感区。对于超深裂缝性地层,随着钻井液循环导致井壁围岩温度降低,增大了井壁失稳风险和程度,在防止井壁失稳的坍塌压力当量密度设计方面应考虑温度和裂缝特征的影响。     

温度对超深裂缝性地层井壁稳定性的影响

温度效应对钻井井壁围岩稳定性的影响不可忽略,特别是超深（>6000 m）裂缝性地层。传统考虑温度效应的坍塌压力预测模型主要适用于连续性地层,温度对裂缝性地层坍塌压力影响的文献研究较少。针对上述问题,首先通过杜哈梅原理确定温度变化产生的诱导应力场,然后利用坐标转换,考虑裂缝渗流场和温度场耦合,获得裂缝面上应力分布特征,最后,将裂缝面应力场代入岩石破坏准则,建立了考虑温度效应的裂缝性地层井壁失稳预测力学模型,研究了温度和裂缝特征对井壁稳定性的影响。研究表明,相同应力和裂缝产状条件下,钻井液循环引起的井壁温度降低增大了井壁垮塌的程度,这与传统模型认为循环引起的温度降低有助于井壁稳定的结论相反;井筒液柱压力一定的条件下,井壁稳定性随裂缝产状发生变化,存在裂缝产状敏感区。对于超深裂缝性地层,随着钻井液循环导致井壁围岩温度降低,增大了井壁失稳风险和程度,在防止井壁失稳的坍塌压力当量密度设计方面应考虑温度和裂缝特征的影响。      

酸对灰岩地层井壁稳定性及临界压差的影响研究

井壁稳定问题不仅直接影响着钻井的安全高效,而且影响着油气井完井方式的选取及油气田的开发效益。影响井壁稳定的因素包括力学的和物理化学的因素,涉及到油气田开发的全过程。为此,从岩石力学实验出发,以四川盆地某气藏飞仙关组灰岩储层为例,全面分析了盐酸作用前后灰岩地层岩石强度的变化规律,并基于实验结果,利用三维弹塑性有限元力学模型,计算分析了酸作用前后的井壁稳定性和临界生产压差的变化。研究表明,盐酸作用使岩石的机械强度及井眼的稳定性都有所降低;对致密砂岩、灰岩等在生产初期需进行酸洗、酸化或压裂增产措施的地层,其临界生产压差的控制应该考虑到增产措施的影响,而不应采用岩石的初始强度进行预测。另外,岩样取心方式对岩石强度参数、井壁稳定及临界压差的预测结果也有较大的影响。通过实验研究认为,岩石取心方式应视井眼在储层段的轨迹与水平向的夹角而定。对直井,岩石取心为直井全尺寸取心的侧向,对水平井,岩石取心则为直井全尺寸取心的平行方向。     

各向异性地层中斜井井壁失稳机理

深部层理性地层井壁稳定性必须考虑地层物理力学性质的各向异性,然而目前井壁稳定设计方面仍粗略地将其近似为各向同性体,使得预测的维持井壁稳定的坍塌压力和破裂压力不能满足安全钻井的需要。笔者在研究层理地层岩石力学特性的基础上,获得了一种考虑地层方向特性的井壁围岩应力分布公式,分析了横观各向同性地层的井壁应力分布特征,建立了新的斜井地层井壁稳定分析模型。研究结果表明,岩石的弹性模量、地应力和地层倾斜度的变化对井壁围岩的应力分布和坍塌、破裂压力均会产生影响,克服了常规各向同性井壁稳定分析模型不能准确预测层理性地层斜井井壁稳定的难题。因此在钻井施工设计当中,须根据地层特性选择合适的分析模型,以更好地指导现场实践。     

顺北油气田深部破碎性地层井壁失稳机理及对策研究

顺北油气田多口探井在奥陶系碳酸盐岩地层钻遇破碎带,井壁失稳严重,已成为制约顺北油气田安全建井的突出问题。文章在综合分析顺北奥陶系破碎性碳酸盐岩地层井壁失稳类型及理化特性、裂缝面物理—力学特性和岩石力学实验的基础上,提出了井壁稳定钻井液技术对策。研究发现,区域断裂带附近地应力方向复杂,地应力差大;地层天然多尺度裂缝发育、破碎程度大、岩体等效强度较低;钻井液易沿天然裂缝侵入地层,钻井液-裂缝面水岩作用造成缝面粗糙度减小、摩擦系数降低,易诱发地层沿裂缝面失稳,是深部破碎性地层井壁失稳的主要机理。明确“合理密度支撑+钻井液刚柔并济多级配封堵”,配合使用“耐高温随钻/段塞固壁剂”是顺北油气田深部破碎性地层稳定的井壁钻井液技术对策。研究成果对促进深部破碎性地层安全高效钻井具有重要借鉴意义。     

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,...     

破碎性地层坍塌压力计算模型

破碎性地层裂缝、微裂缝及层理十分发育,地层各向异性明显,地层坍塌压力高,安全钻井液密度窗口窄,在低井筒液柱压力下井壁易垮塌,在高井筒液柱压力下又容易发生井漏。不同于均质各向同性地层,这类地层的井壁围岩力学稳定性主要取决于这些单元体结构面的强度(抗滑能力)。当单元体所受应力超过了其结构面抗滑能力时,井壁围岩即出现滑动失稳。由均质各向同性地层井壁力学稳定性分析理论出发,引入地层岩石破碎程度指数Bd来定量的描述地层岩石破碎程度对井壁围岩等效应力状态的影响,并根据Mohr-Coulomb准则建立了破碎性地层坍塌压力计算式,Bd值越大,井壁坍塌压力越大,井壁越易失稳,实例计算表明所建立的模型计算结果与工程实际吻合较好。     

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。     

EMI成像测井技术在灰岩裂缝性储层评价中的应用研究

EMI成像测井是通过微电阻率扫描成像提供井壁的几何形态及岩石地质特性等信息。通过对这些信息的提取、综合分析、定量计算等方法可综合评价灰岩裂缝性地层 ,并对实例进行了分析     

致密碳酸盐岩石力学与声学实验研究

利用MTS公司生产的地层条件下岩石物理参数综合测试系统,对川中地区致密碳酸盐岩储层进行了模拟地层条件(包括地层围压、孔压、温度、孔隙饱和介质等)下的岩石力学与声学的同时测试,获得了该地区储层在不同条件下的弹性模量、泊松比和抗压强度等力学参数与纵、横渡等声学参数.实验结果表明:岩性与孔隙饱和介质对储层的力学性质影响较大,饱和介质为水的岩样都表现为塑性特征,而孔隙饱和介质为气的白云岩岩样表现为脆性特征,灰岩岩样表现为塑性特征.孔隙度对碳酸盐岩石力学性质无明显影响.岩石的声学特性反映,岩石产生较为发育的微小裂缝只需要抗压强度的50%～80%,进一步增加应力值则能产生沟通微小裂缝的较大裂缝.纵横波速比能够反映储层岩石骨架及流体的变化,但由于地质条件复杂,纵横波速比在识别裂缝性气藏时应该慎用.     

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。     

基于多孔弹性模型及动态温度场的井壁稳定研究

井壁失稳、坍塌是油气井钻井施工中必须应对的难题。针对复杂地层尤其是非连续地层的超深钻井(>6 000 m)过程，通过研究岩石力学特性、孔隙渗流、井壁受应力与温度场等相互耦合作用，对复杂特殊地层中井壁稳定性进行分析。在此基础上，利用线性叠加原理结合地层渗流影响、孔隙压力变化以及地层温度场变化引起的热诱导应力分量，组合到原位多孔弹性模型中，建立热孔弹性模型，并结合D-P失效准则和“应力云”思想，形成了多孔弹性模型及动态温度场耦合的井壁稳定分析方法，并取深水浅部区块1口实例井的钻井过程进行验证。研究结果表明，延长钻井液循环时间有利于地层冷却和井眼清洁，但随着循环时间延长，井壁与地层之间温差过大，叠加的热诱导应力值会加大岩层各向应力差值，易发生失稳。研究结果拓宽了以往井壁稳定性分析方法的应用范围，提高了计算精度。     

呼图壁背斜水基钻井液井壁失稳机理多场耦合分析

呼图壁背斜钻井过程中面临高温高压、井壁坍塌、钻井液漏失等复杂问题。为了制定稳定井壁的技术对策,降低事故风险,通过室内实验与理论分析对中深部复杂泥岩地层的组构特征、力学特性和地应力状态进行了研究,建立了“力学-化学-渗流”多场耦合的井壁坍塌压力计算模型,明确了呼图壁背斜构造中深部泥岩地层在水基钻井液作用下的井壁失稳机理。研究结果表明,古近系安集海河组至紫泥泉子组易坍塌泥岩伊蒙混层中蒙脱石含量占35%以上,中等膨胀、高分散（清水膨胀率和回收率均低于10%）,强度具有各向异性;白垩系呼图壁河组至清水河组泥岩膨胀性减弱,硬脆性增强。呼图壁背斜受强构造应力作用,水平最大主应力当量密度接近2.50 g/cm3,高于上覆岩层压力。利用多场耦合方法分析可知,钻井液沿裂隙的渗流作用、泥岩地层与钻井液接触后的水化作用以及钻井液对井壁的有效力学支撑不足是造成井壁失稳的主要原因。考虑多场耦合模型计算得出的坍塌压力比仅考虑力学因素高0.05～0.25 g/cm3。在钻井过程中需保持钻井液对裂缝性地层的封堵性能和对易水化泥岩地层的抑制性能,在保证有效封堵的基础上提高钻井液密度,使其略高于多场耦合模型计算得出的坍塌...     

柴达木盆地西北地区井壁失稳要因分析

柴达木盆地西北地区油气勘探潜力大,地层岩石成分复杂、埋藏较深,同时存在大量裂缝,随着储层埋藏深度的增加,高温和高压愈发显著,钻井过程中井漏、井塌等复杂事故也越来越多。以柴达木盆地西北地区D井组作为研究对象,以岩石特征及岩石理化性能分析为基础,从地质、工程和井筒流体等方面开展井壁失稳机理研究。研究结果明确了影响井壁稳定性的主要因素是裂缝力学弱面效应,失稳地层坍塌压力的准确计算和钻井液密度的合理选择有助于维护井壁稳定,强化钻井液的有效封堵性有助于预防井壁坍塌,较好的钻井液携岩能力可以避免井底岩屑堆积。研究成果对减少卡钻、井漏、井塌等钻井事故的发生有着一定的指导意义。     

考虑钻井液浸入的砂岩井壁坍塌模型

长时间裸露在钻井液中的砂岩地层扩径严重,通过研究钻井液侵入对井周围岩弹性模量、泊松比、黏聚力及内摩擦角等力学性能的影响,开展了井周围岩坍塌压力的研究。研究了钻井液侵入后井周应力场变化规律,并在此基础上建立了考虑钻井液侵入影响的井壁坍塌模型。通过实验与模型计算可以看出,钻井液滤失,将会在地层周围形成与原地层岩石力学特性不同的侵入区。钻井液的侵入导致侵入区弹性模量、黏聚力与内摩擦角减小,而泊松比增加,随着侵入时间的增加,弹性模量、黏聚力与内摩擦角减小越多,而泊松比上升也增加;岩石力学参数的变化与侵入时间呈现线性关系;由于弹性模量、泊松比的变化,井周应力重新分布,井壁的垮塌决定于此时的井周应力与岩石强度;井眼开挖后,井壁坍塌压力往往是先减小后增大。     

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。     

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。