珠江三角洲地区竖向排水体施工扰动初探

竖向排水体施工具有挤土效应，按照平面应力问题，应用圆柱孔扩张理论分析表明，竖向排水体周围土体孔隙水压力显著增大，应力变化明显，形成瓶状塑性区。地面以下一定深度Zo范围内，塑性区半径取决于土体初始应力和不排水强度，并随深度增大；Zo以下，塑性区半径不再变化，其大小与土体初始应力、不排水强度，割线模量、排水体类型、间距、长度、导管类型等有关。施工扰动以塑性区为主，塑性区地面发生隆起，珠江三角洲地区，在饱和软粘土基中施工竖向排水体时，实测表明土体强度显著降低，最终沉降增大。计算表明扰动区半径可取塑性区半径的1.2倍，扰动区半径约为竖向排水体导管半径的9倍。     

页岩地层中孔隙热弹性井眼稳定力学模型

基于多孔介质弹性理论和各向异性线弹性力学,考虑多孔介质中流体组分和流–固–热耦合作用的影响,建立各向异性多孔介质的孔隙热弹性控制方程;将页岩地层视为横观各向同性介质,采用坐标转换方法得到井眼坐标下的本构方程和孔隙热弹性力学模型,给出采用叠加原理进行求解的基本方法,引入弱面强度理论进行稳定性判别;并以直井井壁应力分布和W201–H1井实例分析检验模型的准确性。结果表明:常规模型和本文模型计算出的直井井壁应力分布完全一致(最大误差0.03%),W201–H1井井眼稳定分析结果与实际情况吻合较好,而传统模型计算结果偏差较大,检验了模型的准确性和可靠性;随着钻开地层时间的增加,井眼周围地层的坍塌区域逐渐变宽和变深;页岩强度各向异性、弹性各向异性、井周渗流作用和传热效应是影响页岩井眼失稳的重要原因,而页岩强度各向异性是井眼失稳的主要力学机制;有必要考虑页岩各向异性、流–固–热耦合效应对井眼稳定的影响。研究结果可为页岩地层井眼稳定分析和钻井施工措施的制定提供参考。     

欠平衡钻井合理压差的确定技术及在新疆油田的应用

欠平衡钻井过程中井壁稳定是保证欠平衡钻井成了欠平衡钻井过程中保持井壁稳定及控制井喷的极限钻井压差的计算模式,提出了欠平衡钻井合理压差的确定原则.最后,结合石南4井区的地应力参数及地层强度参数,对石南4井区欠平衡钻井极限压差进行了计算,并据此分析了在该区进行欠平衡钻井的可行性.实际应用结果表明,理论结果与工程实际十分吻合,说明了模型的正确性.     

准噶尔盆地中部I区块坍塌压力分析

准噶尔盆地腹部地区中部I区块是中国石化西部新区勘探的重点区块,通过庄1井、沙1井2口探井的钻井发现了工业油气流.在钻井施工中,白垩系、侏罗系地层井壁失稳严重.在室内岩芯实验的基础上,确定了影响该区块坍塌压力计算的基础参数,从而确定出保持井壁稳定所需的钻井液密度,为该区今后的油气勘探开发提供了保证.     

基于渗流-应力-损伤耦合模型的泥页岩井壁稳定性研究

石油钻井过程中,泥页岩地层井壁稳定性研究十分复杂。本文在连续损伤力学理论基础上,将塑性损伤演化及渗流相互耦合的概念引入Mohr-Coulomb破坏准则,建立了基于等效塑性应变的损伤演化模型,给出了泥岩的渗透性的演化方程。以中国西部某油田实际钻井过程为例,建立了井壁稳定分析模型。计算过程中考虑了围岩损伤引起的弹性模量、黏聚力和渗透系数的变化,得到了井壁围岩损伤、渗透系数、应力、塑性应变、孔隙压力和位移的分布规律。结果表明,井壁附近岩石的损伤演化对围岩塑性区的塑性应变和应力分布有明显影响。钻井液密度的高低,会造成井壁在水平最小主应力方向上的剪切损伤或在水平最大主应力方向上的拉伸损伤。当损伤达到极限时,会造成井壁围岩的破坏。     

采用孔隙热弹性模型分析页岩井眼失稳规律

基于多孔介质连续力学,考虑各向异性页岩的热流固耦合作用,建立了各向异性多孔介质孔隙热弹性力学基本方程和页岩地层井眼稳定分析数学模型,采用MATLAB软件编制了数值求解程序,分析了流固耦合、热固耦合、热流固耦合三种不同耦合模式下井周孔隙压力、地层温度、应力分布和井眼稳定性随时间变化的特征。结果表明:数值解与解析解计算结果吻合较好(误差仅0.028%),实例井井眼扩径率计算结果与实际情况基本吻合,验证了本文模型和方法的正确性;温度和孔隙压力的改变对井周应力分布影响较大,地层温度降低、井内压力增加有利于井眼稳定,孔隙压力升高不利于井眼稳定;页岩地层井眼稳定性具有显著的时变效应,随着钻开地层时间的增加,井眼不稳定区域和井眼扩径率逐级变大。孔隙热弹性力学分析方法可用于分析不同时间的井眼失稳规律,可为解决页岩井眼失稳问题提供更加科学的计算手段和方法。     

页岩气储层井壁坍塌压力研究

页岩气储层各向异性强,易发生井壁失稳。利用四川盆地所取页岩气储层岩芯测试钻井液对页岩基体及层理面强度的影响规律,结合单一弱面准则,建立页岩气井井壁稳定预测模型,分析层理面倾角、钻井方位、钻井时间及钻井液类型等因素对页岩储层水平井坍塌压力的影响规律。研究结果表明：层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁会发生本体破坏;沿最小水平地应力方位附近钻进水平井最容易发生井壁坍塌;随钻井时间的增加,坍塌压力逐渐升高,井壁破坏形式可能会由初始的页岩基体破坏变为层理面破坏;使用油基钻井液比使用水基钻井液更容易保持井壁的长期稳定。研究结果可以为页岩气井钻井设计提供参考依据。     

枯竭油气田中废弃井密封性研究

利用X粉晶衍射技术进行板新803井中泥岩盖层成分测试,通过室内常规力学与蠕变实验,分析泥岩的力学性质与蠕变变形特征。利用FLAC3D软件对钻孔周边围岩进行数值模拟计算,分析不同时间时泥岩的蠕变变形,研究泥岩层段缩径变化规律,在此基础上分析废弃井的密封性。通过以上研究获得如下主要结论:(1)泥岩中含有较多的伊利石、高岭石与绿蒙混层等黏土矿物,易产生井壁垮塌;(2)泥岩在长期围压作用下,将会产生较大的蠕变变形,在有钻井液作用时,变形更明显;(3)钻具周围泥岩通过蠕变变形向环空内挤压,经过30 a产生的变形会使井壁与落鱼之间的环空由下而上充填满;在考虑泥岩遇水后产生的掉块与扩径作用时,35 a后环空也将被充填满,原有泥岩盖层被密封,从而产生较好的密封效果。     

页岩层理对水平井井壁稳定的影响

中国南方海相页岩气区硬脆性页岩储层层理/裂缝发育,层理性页岩水平井钻井井壁坍塌问题已严重制约页岩气勘探开发进程。为此,以线弹性井壁稳定力学模型和单一弱面强度理论为基础,建立了考虑页岩层理产状、层理弱面强度、岩石强度、水平井方位、强度弱化(含水量)等因素影响的层理性页岩水平井井壁稳定模型。在此基础上定量分析了层理产状和含水量对水平井井壁坍塌压力的影响。结果表明:坍塌压力与层理面产状、井眼方位关系密切,地层倾角0°<θDIP<15°、75°<θDIP<90°时有利于水平井井壁稳定;页岩层理弱化是导致井壁坍塌失稳的重要原因,无论层理产状如何变化,随着层理含水量的增加,井壁坍塌压力迅速增加,坍塌压力增量约为4.30～22.62MPa,含水量20%时坍塌压力增幅可达100%。     

岩石隧道塑性位移新解

 在统一强度理论和弹脆塑性模型的基础上,考虑塑性区围岩弹性模量的变化、中间主应力效应、围岩应变软化和剪胀等影响,推导了深埋圆形岩石隧道塑性位移新解。文中的隧道位移新解具有广泛的理论意义,可根据具体工程实际情况,进行多种合理选择。经工程算例分析可知,由塑性区半径相关的弹性模量计算得到的位移处于上、下限之间,反映了隧道开挖卸荷扰动影响的距离变化,更符合隧道变形真实情况,并得出统一强度理论参数和剪胀特性参数对塑性区位移的影响规律。研究结果表明：隧道塑性区位移受中间主应力、围岩剪胀特性和塑性区弹性模量的影响显著,三者相互影响,共同作用。     

高强砂浆材料爆炸作用下破坏分区试验研究

选用高强砂浆材料模拟同等强度岩石介质,开展TNT炸药在内部不完全封闭爆炸条件下对模拟岩石介质破坏效果的研究,采用宏观现象分析、钻芯取样及理论计算的方法确定破坏分区范围。结果显示:配制的高强砂浆材料强度可达105.6 MPa,能够模拟中等强度以上岩石介质;TNT炸药爆炸作用下高强砂浆模拟岩石介质分为粉碎、压碎、裂隙和弹性等4个区域,其范围与钻孔装药的尺寸参数有关;粉碎区半径约为钻孔装药半径的2.2倍,压碎区半径约为5.2倍,裂隙区半径约为32倍;3种分析方式结果相当,试验能够较真实地反映高强砂浆模拟岩石介质钻孔装药爆炸后的破坏情况。     

An analytical solution to wellbore stability using Mogi-Coulomb failure criterion

Deep wellbores/boreholes are generally drilled into rocks for oil and gas exploration, monitoring of tectonic stresses purposes. Wellbore and tunnel in depth are generally in true triaxial stress state, even if the ground is under axisymmetric loading condition. Stability of such wellbores is very critical and collapse of wellbore must be avoided. Mogi-Coulomb failure criterion is a better representation of rock strength under true triaxial condition. In this paper, an analytical solution is proposed using Mogi-Coulomb failure criterion. The solution is obtained for rock mass exhibiting elastic-perfectly plastic or elastic-brittle-plastic behaviour considering in-plane isotropic stresses. The proposed solution is then compared with exact analytical solution for incompressible material and experimental results of thick-wall cylinder. It is shown that the results obtained by the proposed analytical solution are in good agreement with the experimental results and exact analytical solution. A reduction of about 13%–20% in plastic zone from the proposed closed-form solution is observed, as compared to the results from the finite element method (FEM) based Mohr-Coulomb criterion. Next, the influences of various parameters such as Poisson's ratio, internal pressure (mud weight), dilation angle, and out-of-plane stress are studied in terms of stress and deformation responses of wellbore. The results of the parametric study reveal that variation in the out-of-plane stress has an inverse relation with the radius of plastic zone. Poisson's ratio does not have an appreciable influence on the tangential stress, radial stress and radial deformation. Dilation angle has a direct relation with the deformation. Internal pressure is found to have an inverse relation with the radial deformation and the radius of plastic zone.     

深埋圆形硐室围岩塑性形变压力的广义Hoek- Brown破坏准则解及其三元非线性回归模型

 研究侧压力系数l = 1时,以广义Hoek-Brown经验准则为屈服准则的深埋圆形硐室理想弹塑性围岩的塑性形变压力的闭合解。采用较易获得的围岩参数,分别建立最大塑性形变压力随相对初始应力和归一化地质强度指标变化的二元线性回归模型与相对塑性形变压力随相对初始应力、相对塑性区半径和归一化地质强度指标变化的三元非线性回归模型,为预测围岩塑性形变压力提供较为可靠的途径。     

大位移井井壁稳定三维弹塑性有限元分析

现有井壁围岩应力求解模型大都基于平面应变假设，相对岩石真实应力状态会有一定的误差。在空间坐标变换基础上建立了大位移井井壁稳定分析三维弹塑性有限元模型，将井斜角与方位角的变化转化为井轴坐标系下地应力场应力分量的变化，保证了模型的稳定性。利用所建模型对弹性和弹塑性条件下的大位移井井壁围岩稳定性进行了研究。计算结果表明：岩石在弹塑性条件下能够通过塑性变形吸收更多能量；在相同外载条件下，弹塑性岩石比脆性岩石更稳定。经过现场实例验证，在深部弹塑性地层钻进时，可以采取比常规设计稍低的泥浆密度，即能保持井壁稳定，又可以减少地层伤害。     

Back analysis of coalbed strength properties from field measurements of wellbore cavitation and methane production

Direct measurement of field representative strength and permeability characteristics of coalbed methane is difficult due to the fact that coal has a cleated structure. These cleats or discontinuities vary in orientation and size throughout the coal mass. The cleats' network largely controls the strength of the coal and also provides the passage for fluid flow. Permeability of the cleats varies with the confining stress and shear stress level. Laboratory test results are greatly influenced by the size and orientation of the cleats, and the magnitude and direction of applied stresses. To obtain the large-scale hydraulic and strength properties of coal, afield problem involving wellbore cavitation and a concomitant increase in gas production was numerically analysed. Calibration of the numerical model against the field observations which included a 10 fold enlargement of the wellbore radius and a four fold increase in gas production indicated that the apparent cohesion of coal is approximately 100 kPa and not 2–5 MPa, as was previously thought. The validity of this finding was later confirmed by performing a set of laboratory direct shear tests at low effective stress levels. The findings from this study have significant implications in the design of wellbores for production of coalbed methane.     

钻井液矿化度对康村组泥岩强度特征的影响研究

以西部某区块康村组地层泥岩为研究对象,进行了 X射线衍射实验、环境扫描电镜实验、阳离子交换实验、不同矿化度的KCl溶液和钻井液浸泡后的泥岩单轴压缩实验.得到康村组泥岩矿物组成、微观结构特征、水化膨胀能力大小、不同矿化度的KCI溶液和钻井液浸泡后的泥岩强度参数;研究了钻井液矿化度对该地区泥岩强度的影响,分析了不同矿化度钻...     

厚泥岩复合顶板煤巷围岩控制技术研究

 针对首山一矿11061工作面运输平巷厚泥岩复合顶板强度低、无稳定承载结构、顶板下沉量大的问题,通过监测巷道围岩破坏及离层发育,统计巷道破坏具体形式,分析得出复杂应力条件下厚泥岩复合顶板巷道破坏的力学机制。基于普氏拱理论,结合现场具体支护和破坏状况,提出“预应力锚杆+锚索承载结构,配合原生裂隙区域注浆加固”的改进支护方案：预应力锚索(杆)形成的主、次承载结构协同作用,在两承载层间的泥岩顶板形成压缩区限制离层发展;布置倾斜锚索与垂直锚索,限制巷道顶帮角处围岩塑性区扩展,防止锚索锚固点所在岩层破断失去承载能力。依据塑性圈理论和数值模拟等手段,确定锚杆、锚索等具体支护参数,利用分区注浆加固泥岩强烈膨胀与松动破坏区域。数值模拟和现场工程实践的结果表明：与原支护方案对比,改进的支护方案巷道变形量减少约50%,巷道围岩完整程度明显提高,有效地控制了厚泥岩复合顶板变形与破坏。     

高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,运用光学原理钻孔变形观测仪器,对f 200 mm×400 mm花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在6 000 m埋深静水应力及600 ℃以内恒温恒压下钻孔变形规律及其临界失稳条件进行深入细致的试验研究和理论分析。研究结果表明：(1) 高温高压下花岗岩中钻孔变形随温度和应力的增大表现为明显的不同阶段。4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下,钻孔变形表现为明显的黏弹性变形阶段,钻孔直径虽有减小但仍处于稳定状态,并不发生破坏;4 000～5 000 m埋深静水应力及400 ℃～500 ℃时恒温恒压下,钻孔变形表现为黏弹–塑性变形阶段,钻孔围岩有破坏的趋势,孔径开始增大;5 000 m埋深静水应力及500 ℃以上时,钻孔围岩塑性区的块裂状围岩颗粒逐渐从孔壁脱落下来,钻孔发生破坏。(2) 花岗岩中钻孔围岩在超过应力阈值和温度阈值后,即5 000 m埋深静水应力及500 ℃以外时,钻孔破坏,发生塌孔现象,花岗岩颗粒从孔壁脱落下来,钻孔直径增大。(3) 钻孔围岩在高温静水应力下,岩体最终发生破坏的应力条件为5 000～6 000 m埋深静水应力(即125～150 MPa)及500 ℃～600 ℃,其破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。(4) 高温高压下花岗岩中钻孔变形失稳临界条件为4 000～5 000 m埋深静水应力,400 ℃～500 ℃。同时,根据试验研究结论,运用黏弹塑性力学理论给出高温高压下钻孔变形的分析理论,建立4 000 m埋深静水应力及400 ℃以内恒温恒压下钻孔变形的黏弹性理论模型及4 000～5 000 m,埋深静水应力400 ℃～500 ℃时恒温恒压下钻孔变形的黏弹–塑性理论模型,为我国高温岩体地热(HDR)开发与利用中钻孔稳定性及维护问题、大陆科学钻探工程(CCSD)在深孔和超深孔施工过程中遇到的钻孔稳定性问题提供科学依据和理论指导。     

多场耦合作用下泥页岩地层强度分析

研究多场耦合作用下井眼围岩的强度变化问题。在石油钻井环境中，钻井液中存在多种化学成分，钻井液时刻与井壁发生作用，导致井眼周围岩石力学参数为时间的函数。在实验基础上得到岩石强度参数与含水量的关系，基于渗流力学理论，建立孔隙压力与岩石黏聚力及内摩擦角的关系，为研究化学作用对强度参数的影响提供前提，进而进行多孔介质多场耦合作用下的应力分析，建立化学作用对岩石强度参数影响的关系模型。所得结论可深化对泥页岩井壁稳定性的认识，具有一定的工程实用价值。