溶质离子扩散条件下泥页岩力学与化学井眼稳定模型研究

井壁失稳是钻井工程中经常遇到的一个十分复杂的问题，影响井壁稳定的因素是多方面的。以往建立的化学力学井眼稳定模型认为泥页岩表面有一层半透膜，通过引入膜效率系数，把钻井液与泥页岩相互作用所产生的力效应和纯力学结合起来。笔者认为水和溶质离子的流动改变了井壁孔隙压力，从而导致井壁失稳，在建立近井壁孔隙压力传递模型的基础上，考虑钻井液与泥页岩之间的水和离子的流动，建立了一个评价泥页岩化学与力学井眼稳定的新模型。模型计算结果表明：井眼失稳既可以发生在井壁，也可以发生在泥页岩内部，并具有时间效应；同时表明水的活度与溶液的性质是影响泥页岩井眼稳定的重要因素。     

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。     

南海西江油田古近系泥页岩地层防塌钻井液技术

为了解决南海西江油田古近系泥页岩地层钻井过程中出现的井下掉块和阻卡等问题,进行了防塌钻井液技术研究。通过地层矿物组分、理化特性和力学参数分析,明确了古近系泥页岩地层井眼失稳机理;建立了维持井壁稳定的钻井液密度与岩石黏聚力关系图版,确定了保持井壁稳定的最低岩石黏聚力;为提高泥页岩经钻井液浸泡后的强度,优选了抑制剂和封堵剂并确定了其加量,得到了新防塌钻井液配方。研究发现,钻井液滤液进入地层引起泥页岩强度降低,是该油田古近系泥页岩地层井眼失稳的主要原因;在KCl–聚合物钻井液中加入2.0%聚铵盐、0.5%纳米二氧化硅和3.0%碳酸钙配成的新防塌钻井液,泥页岩岩样在其中浸泡10 d后黏聚力可达8.8 MPa,满足预计工期内岩石内聚力大于8.7 MPa的要求。研究认为,新防塌钻井液具有较好的抑制性、封堵性和良好的防塌效果,能有效减小井径扩大率,从而解决南海西江油田古近系泥页岩地层钻井中出现的井眼失稳问题。      

水化作用对南海东部泥页岩地层井壁坍塌的影响分析

在我国南海东部油气田钻遇韩江组和珠江组的钻井过程中,常遇到泥页岩井壁坍塌问题,制约了钻井速度,造成了一定的经济损失。为此,分析了该地区泥页岩地层井壁失稳机理,通过试验确定了泥页岩吸水扩散系数,研究了泥页岩吸水对其抗压强度、弹性模量等力学参数的影响规律,根据Mohr-Coulomb准则计算了泥页岩水化后井壁坍塌压力随井眼钻开时间的变化规律。这对解决该海域泥页岩地层井壁坍塌问题有较大的指导意义。     

脆性泥页岩椭圆形井眼坍塌规律分析

脆性泥页岩在钻井过程中受到钻头机械碰撞等容易造成井壁部分崩落,井眼形状偏离理想的圆形,按照圆形井眼研究地层坍塌规律会带来一定误差。为此,将真实井眼近似为椭圆形状,分析得到井壁应力分布模型,利用"弹性-应变软化-塑性"模型预测井壁坍塌压力,对影响脆性泥页岩直井井壁坍塌失稳因素进行敏感性分析,并利用有限元软件建模分析椭圆形井眼的塑性损伤破坏特性。研究结果表明:与常规圆形井眼相比,椭圆形井眼坍塌压力较高,且由于椭圆长轴端点处周向应力集中程度随椭圆度增加而增大,椭圆形井眼坍塌压力也随椭圆度的增大而进一步提高;脆性泥页岩塑性损伤破坏表现为局域化的破坏断裂带形式,而不是相对均匀的塑性区。研究结果对更好地认识脆性泥页岩的坍塌失稳机理有一定的指导意义。     

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钻进中井眼的稳定一直是钻井工作十分关注的问题，在引用井眼失稳研究成果的基础上，分析了降低钻井液密度的可行性。在某些地区某些构造上的某些井段，井眼失稳主要原因是泥页岩水化膨胀造成的，采用空气、泡沫、充气等低密度钻井液钻进不但可以防止井漏，而且还可以缓减地层垮塌。     

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。     

深层硬脆性泥页岩井壁稳定力学化学耦合研究进展与思考

深层及超深层油气资源正逐步成为我国重点勘探开发的关键领域，但钻井过程中深层硬脆性泥页岩地层井壁失稳问题频发，严重制约着深层及超深层油气资源高效开发。力学化学耦合作用下的深层硬脆性泥页岩井壁稳定问题，是一个涉及微观、细观及宏观跨尺度演化的复杂问题。阐述了力学化学耦合作用下硬脆性泥页岩井壁失稳的基本原理，并分别从微观、细观和宏观尺度，总结了硬脆性泥页岩与入井流体间的作用机理、细观结构损伤演化的定量表征、泥页岩水化宏观力学劣化效应及井壁稳定性定量分析方面的研究进展，从考虑化学效应的断裂力学角度，提出了探索硬脆性泥页岩井壁稳定性问题的新思路。     

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。     

西藏伦坡拉盆地井壁失控原因分析与对策

泥页岩井壁失控是钻井工程中最大难题，长期以来困扰着钻井界，由于页岩井眼引起的技术问题，不仅延长了钻井周期，影响各种建井资料的录取，严重时还会导致井眼的报废。本文从伦坡拉盆已钻几口油气普查井施工中出现的一些问题，从粘井液角度出发结合地质构造，地层压力，泥页岩性质诸方面进行了初步分析，通过取样作有关理化分析及稳定性试验，其结果按美国贝洛德公司泥页分类法所列５类对照，牛堡组泥岩岩属第三类，属第四类，找出     

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。     

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。     

泥煤互层段井壁稳定分析新方法

井壁稳定是泥煤互层段地层安全钻进的一大难题。常规计算模型没有考虑不等厚煤层与泥页岩失稳时的相互影响,获得坍塌密度低于实际钻井工况条件下,容易造成局部不稳定地层失稳引起井壁大面积垮塌。文章通过岩石理化性能与力学实验,系统分析煤层及互层面的失稳机理,结合不稳定地层非连续性,建立了考虑泥煤互层影响的井壁坍塌压力计算模型,获得互层段坍塌压力随岩性变化的规律。计算结果表明互层段在考虑不同地层失稳影响后地层坍塌压力更大。该评价方法应用于吐哈油田泥煤互层段井壁稳定分析,理论计算与实际工况吻合程度高,为钻遇类似井段井壁稳定准确分析奠定了重要的基础理论。     

微观地质特征对硬脆性泥页岩井壁稳定性影响与对策研究

硬脆性泥页岩引起的井壁失稳是钻井过程中经常遇到的一个十分复杂的难题。利用扫描电镜、压汞、X-衍射、比表面分析仪等岩矿测试手段研究硬脆性泥页岩的微观地质特征,根据研究结果分析其对硬脆性泥页岩井壁失稳的影响,并提出保持硬脆性泥页岩井壁稳定的措施,为硬脆性泥页岩井壁稳定性研究提供一种新思路。研究结果表明,硬脆性泥页岩中发育的一部分微裂缝是导致井壁失稳的重要原因。在钻井过程中,钻井液滤液沿着泥页岩中的微裂缝进入到地层内部,导致粘土矿物的水化膨胀,使孔隙压力增加,泥页岩强度降低,最终发生井壁失稳。最后根据研究结果提出在钻井液中加入一部分和泥页岩孔喉相匹配的封堵粒子,期望它能降低或阻止钻井液滤液在泥页岩中的漏失,达到稳定井壁的目的。     

破解塔里木盆地群库恰克地区井壁失稳难题的钻井液技术

塔里木盆地群库恰克地区油气产层主要位于石炭系和泥盆系,岩性复杂,已完钻的几口探井钻进过程中共发生了200次井下复杂及钻井事故,严重影响了钻井工程进度、增加了钻井成本。采用X射线衍射仪、页岩线性膨胀分析仪等对该地区失稳井段的地层矿物组分及其理化性质进行了分析测试,结合泥页岩线膨胀率评价试验、滚动回收率评价试验、失稳井段岩石黏土矿物和全岩矿物分析,找到了井壁失稳的原因：①失稳井段泥页岩的矿物成分以伊利石为主,其次为伊/蒙间层、高岭石和绿泥石,缺失蒙脱石,岩样泥页岩膨胀率低;②井壁不稳定的原因主要是伊利石的分散作用;③现场所用水基钻井液体系滤液进入地层是导致井壁不稳定的重要原因之一。据此认为：采用抑制能力和封堵能力强钻井液是预防和减少该区块井壁失稳的重要措施,具体的技术对策包括：①筛选合适的防塌钻井液处理剂及体系;②分地层设计和使用钻井液体系。现场应用结果表明,防塌钻井液和分地层钻井液设计较好地满足了该地区钻井工程的实际要求,降低了井下复杂和钻井事故的发生概率,缩短了钻井周期,提高了钻井效率,节约了钻井成本,经济效益显著。     

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。     

气体钻井中泥页岩地层遇水时的井壁稳定性研究

常规钻井液钻井中,水在正压差、毛管力和化学势等作用下进入泥页岩发生井壁失稳,而气体钻井除了自身的力学失稳外,主要在毛管力作用下吸收下部地层水造成泥页岩地层井壁失稳。因此,随着气体钻井技术的发展,在钻遇下部地层出水后,泥页岩地层的井壁失稳机理值得研究。从分析气体钻井条件下泥页岩吸水扩散系数、吸水膨胀系数和吸水后的力学参数变化入手,结合建立的力学化学耦合模型,紧紧抓住气体钻井和水基钻井液钻井的不同点,使得该模型能较好地运用到气体钻井泥页岩井壁稳定性的分析中,并通过DY1井气体钻井实践验证了文中的模型。     

地层出气对气体钻井井壁稳定性影响规律研究

针对气体钻井在实际试验应用过程中暴露出的井眼失稳问题，特别是异常高压地层大量出气后，井壁的稳定性问题，从分析气体钻井井壁岩石力学特征着手，建立了气体钻井过程中地层大量出气条件下井壁稳定性的评价计算方法；并结合实际工程地质特征，从孔隙压力变化对井眼失稳的影响、垂向应力变化诱导井眼失稳、临界出气量和地层压力系数的影响以及钻后分析评价等方面，对川西特殊复杂地层出气情况下气体钻井井壁的稳定性进行了定量评价，评价结果与现场施工情况基本吻合。     

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。     

大港油田埕海二区钻井液技术研究

针对大港油田埕海二区沙一段大位移钻进过程中常出现的倒划眼、卡钻和井塌等复杂钻井问题,对该地层进行了黏土矿物分析和泥页岩理化性能实验,得出该井段中硬泥页岩地层微裂缝发育和易发生水化膨胀是导致井壁失稳问题的主要原因。根据井壁失稳机理,研制出一套高性能水基钻井液。评价实验结果表明,该体系抑制性强,能抑制岩屑分散及中硬泥页岩的水化膨胀,并能显著降低由钻井液侵入导致的对泥页岩强度的影响;具有较强的抗温(120℃)和抗污染能力。该体系总体性能与目前现场使用的国外一种高性能钻井液体系性能相当,能满足大位移钻井的需要。