欠平衡钻井条件下地层造斜特性研究

钻井实践中发现,由于对欠平衡钻井条件下的地层造斜特性不够了解,不能有的放矢地采取措施有效控制井斜。因此,欠平衡钻井条件下地层造斜特性的研究,是一项迫切需要开展的工作,对于欠平衡钻井技术的发展具有重要意义。应用有限元方法分析了不同井底压差下倾斜地层近井底岩石应力的分布状态,得出了井底压差和地层倾角对井底应力分布的影响规律;同时分析并确定了井斜趋势的判定依据,进而研究了欠平衡钻井条件对地层造斜作用的影响。结果表明,欠平衡钻井中井底保持负压差,放大了井底上倾和下倾两侧岩石应力的不对称性,增强了地层的造斜作用;地层倾角越大,这种增强作用越显著。     

热渗耦合效应对欠平衡工况井周应力的影响

欠平衡钻井过程中,地层流体向井筒内渗流和近井地带地层温度的改变均会造成近井地带孔隙压力发生变化,此外,井壁岩石温度改变还会产生热应力,这些因素均会造成井壁岩石有效应力发生变化,影响欠平衡施工过程中的井壁稳定性分析和欠压值设计。 近井地带井壁岩石温度和孔隙压力变化是一个耦合变化的过程,文 章结合实例,通过对温度-渗流耦合模型进行求解,得到了近井地带地层温度和孔隙压力在径向上的变化规律,计算出欠平衡工况下考虑地层岩石温度变化和地层流体渗流影响的井周应力。结果表明欠平衡工况下温度和孔隙压力的变化会对井周应力产生较大的影响,在对欠平衡钻井过程中的井壁稳定性分析和欠压值设计时有必要考虑热渗耦合效应的影响。     

合理的井底压差设计及应用效果分析

钻井施工中,合理的井底压差可以达到提速增效和保护储层的目的。为此,应用计算机仿真系统、岩石破碎学理论研究了不同压差下井底应力场分布及岩石变形状况。结果表明,与正压差相比,在负压差钻井条件下更利于井底岩石破碎,提高机械钻速。但井底压差不能无限制地降低,需要结合具体井位的地质和工程特征,在保证不发生溢流和井壁垮塌的前提下,将井底压差设计在一个合理的范围值内:在渗透性地层钻井时,静液柱压力小于地层孔隙压力时,地层流体将流入井筒,这时设计的最低液柱压力应略高于地层孔隙压力(约0.02MPa)。现场应用表明,井底压差在合理的范围内越小时,机械钻速越高。     

降低储层伤害的欠平衡钻井压差优化设计

欠平衡钻井（UBD）作为一种降低储层伤害的方法在油田中得到广泛应用。在钻达目的层时,当井筒压力小于地层孔隙压力,即并筒压力与地层孔隙压力之间存在一个压差,这样就能降低对储层的伤害。通常认为井底压差越大,储层受到的伤害越小,因此井的产量也越高。但较大的井底压差可能引起钻井操作过程中的其他问题,例如井筒崩塌引起的井筒损坏、过多的地层流体流入井筒而需要地面处理。在考虑地质条件的情况下,找到和使用一个优化合理的压差,通过合理的井筒压力平衡井眼周围地层的损害是目前迫切需要的。     

本期导读

<正>由于对欠平衡钻井条件下的地层造斜特性了解不够,不能有效控制井斜。张辉等应用有限元方法分析了不同井底压差下倾斜地层近井底岩石应力的分布状态,得出了井底压差和地层倾角对井底应力分布的影响规律,确定了井斜趋势的     

气体钻井岩石应力应变场对井斜的影响分析

井斜问题是气体钻井技术应用过程中的主要技术瓶颈,因为井底负压差条件使地层岩石的视强度显著降低,一方面有利于地层岩石破碎与提高机械钻速,另一方面也容易在较短的时间内形成较大的井斜角.目前对气体钻井过程中的岩石力学特性研究甚少.以传统的井周应力模型为基础,考虑地层孔隙压力和原始地应力的作用,利用Ansys软件分析了气体钻井井周与井底岩石应力应变场分布.分析结果认为,气体钻井井底岩石应力分布的差异是造成井斜的主要原因,井眼轨迹有向最大水平主应力方向漂移的趋势.     

欠平衡钻井欠压差的确定方法研究

欠平衡钻井时 ,如果负压差不合理 ,压差过大 ,地层流体产出速度很高 ,对于速敏感性地层 ,极易引起储层内部微粒运移 ,堵塞孔喉 ,导致近地带的储层伤害 ;对于应力敏感性强的储集层 ,过低的井底压力降低了近井地带地层的孔隙流体压力 ,导致裂缝趋于闭合。同时 ,井壁失稳的可能性也大。反之 ,如果压差过小 ,井底的压力波动 ,又容易超过欠平衡压差量 ,形成瞬时正压差或周期性的正负压差 ,造成对储集层的伤害。因此 ,进行欠平衡压差设计 ,选择恰当的压差量 ,是欠平衡钻井设计时应考虑的主要问题。     

欠平衡钻井避免储层应力敏感损害的井底压力设计方法

对于应力敏感性较强的储层,井底压力设计值的下限应以避免储层应力敏感损害为基准.对储层井周应力进行弹性分析,在应力敏感损害机理的基础上,引入岩石破坏程度(破坏比),通过岩心渗透率测试,建立渗透率与破坏比的数学回归模型,依据实践经验和试验数据确定岩石临界破坏比,结合井周应力模型,得出欠平衡钻井避免储层应力损害的井底压力下限.通过对呼3井储层模拟计算,充分证实欠平衡钻井避免应力敏感损害的极限井底压力设计方法的科学性.     

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确定合理的井底负压差值对于欠平衡钻井至关重要。如果负压值过大，地面设备控制和处理困难，并可能导致地层坍塌、出砂，造成地层渗透率严重下降。因此，如何准确确定井壁失稳和储层损害的最大负压差，关系到欠平衡钻井工程的成败。文章根据岩石力学和渗流力学理论对井壁失稳的力学机理进行了分析，并基于摩尔—库仑准则建立了欠平衡钻井井壁失稳极限压差的数学模型。同时，针对欠平衡钻井储层伤害的问题，着重分析了储层应力损害的机理，首次提出并引入了井壁岩石破坏比的概念，通过大量岩心实验，得出井壁岩石渗透率与其所受应力之间的数学回归关系式和相应的极限压差数学模型。并结合新疆呼图壁气田呼3井和石南4003井2口井现场数据和相应地层层位的岩心力学实验数据，进行了实例计算模拟，此2口井的钻井实践证实了文章中欠平衡钻井井壁失稳和储层损害的最大负压差确定的理论方法和数学模型的正确性，表明该数学模型对欠平衡钻井设计具有重要的实用意义。     

降低储层伤害的欠平衡钻井压差优化设计

<正>欠平衡钻井(UBD)作为一种降低储层伤害的方法在油田中得到广泛应用。在钻达目的层时,当井筒压力小于地层压力,即井筒压力与地层压力之间存在一个压差,这样就能降低对储层的伤害。通常认为井底压差越大,储层受到的伤害越小,因此,井的产量也越高。但较大     

空气钻井提高钻速机理研究

我国一些地区为提高深井和大尺寸井眼的机械钻速，降低钻井成本，采用了气体钻井技术，因此需要对气体钻井技术提高钻速的机理进行研究。首先对石油钻井过程中降低井底压降、旋冲钻井、提高清洁效率、避免重复破碎等提高破岩效率的方法进行了简单总结．然后通过对相关文献提供的数据和图表资料的分析，比较了空气钻井与常规钻井液钻井的差别，最后指出空气钻井能大幅度提高机械钻速的主要机理是：负压差作用、井底岩石力学性质和应力状态发生变化、钻头旋转；中击破碎岩石、井底清洁及热应力等。这为进一步研究提高空气钻井的机械钻速机理提供了参考依据。     

考虑有效膜压力的坍塌压力计算模型

川渝气区风险探井欠平衡井段的井眼扩径率普遍较高,井眼扩径率介于20%~30%,最高可达140%,增加了风险探井的钻探风险,而且欠平衡钻井井壁稳定的问题也尚未得到有效解决。为此,针对欠平衡井段井壁失稳机理开展了研究,提出了计算欠平衡钻井井壁坍塌压力的方法:通过引入有效膜压力系数,结合达西定律、地层流体状态方程、连续性方程,求解出井周压力分布解析解;依据叠加原理得到了井周应力分布模型,并采用Mohr-Coulomb准则推导出维持井壁稳定的最低钻井液密度计算模型;研究了欠平衡、过平衡、欠平衡转过平衡3种典型工况下的井周压力演化规律,并总结了欠平衡钻井井壁失稳的规律。结论认为:该模型反映了泥饼对井壁稳定的影响,由其计算得到的坍塌压力比常规模型计算所得的结果要高,说明有效膜压力系数对井壁坍塌的影响显著,而岩石强度(内聚力、内摩擦角)、地应力、岩石孔隙度等参数对井壁坍塌的影响则相对较小,采用该模型计算的结果更加符合现场实际。     

欠平衡钻井油气藏与井筒耦合模型

利用流体力学的质量守恒方程、动量守恒方程和地层的渗流力学方程,建立了欠平衡钻井油气藏与井筒耦合流动模型,并利用有限差分方法对模型进行了求解.所建立的欠平衡钻井油气藏与井筒耦合模型能模拟主要油气藏类型欠平衡钻井过程中油气藏流体与井筒内流体的耦合流动,模拟地层油、气的流入对井底压力的影响.欠平衡钻井过程中,不同类型油气藏和井筒流体耦合流动时地层油/气进入动态不同,地层油/气的进入对井底压力的影响规律也有很大区别.计算结果表明地层油/气的流入可以使井底压力下降0.03～2.50 Mpa,因此在欠平衡钻井设计中,应充分考虑产层段油/气流入对井底压力的影响.     

渗流对欠平衡钻井井壁稳定性的影响

欠平衡钻井过程中井壁稳定是保证欠平衡钻井成功的关键。在常规钻井时，井壁不稳来自力学和化学作用，而欠平衡加大了这些作用机理。在欠平衡钻井过程中，地层流体不断流入井内，井眼形成后井筒周围的应力将伴随地层流体的渗流而重新分布，进而影响井壁的稳定性。文章将由原地应力产生的应力与地层流体向井眼径向渗流产生的应力叠加而求得了欠平衡钻井井周应力的解析解，运用Mohr-Coulomb强度准则建立了欠平衡钻井坍塌压力的计算式。计算结果表明:在欠平衡钻井过程中，考虑地层流体在岩石中的渗流作用后、地层坍塌压力更大即井壁更易失稳，应用于塔中722井的井壁稳定性分析表明，理论结果与工程实际吻合，说明了模型的正确性，可进一步推广应用。     

欠平衡钻井的配套录井技术

目前广泛推广使用的欠平衡钻井工艺的施工方法已对录井作业产生了直接或间接的、不同程度的影响。为此，从分析欠平衡钻井的工艺入手，研究了其对录井作业的各种影响因素，特别是对工程录井、常规地质录井和气测录井的影响。结果认为，欠平衡钻井工艺对录井作业的影响是非常明显的，但这些影响可通过调整录取方法、改变录取位置、改变解释方法而得以剔除，部分影响还需要进一步寻求合适的途径来消除。从长远看，发展适应欠平衡钻井工艺的录井设备和软件体系是非常必要的；同时加快录井工艺研究、适应钻井工艺发展步伐，也是现代综合录井工作长期努力的方向。     

新场构造三压力剖面计算方法

新场构造地层岩石致密、硬度大、可钻性差,机械钻速低,欠平衡钻井能有效地提高机械钻速,由于该地区地层压力高、泥页岩发育稳定性差,有必要开展欠平衡钻井适应性研究,建立地层三压力剖面,优选适合欠平衡钻井地层及确定合理的欠压值,为工程施工优化设计提供科学依据.在分析欠压实理论的基础上,运用伊顿法利用测井资料,结合实测资料建立了新场构造钻遇地层准确的孔隙压力剖面;通过井壁力学理论分析,结合实钻井资料,确定了井眼扩大率为60％是新场构造允许井眼最大垮塌范围,然后计算出井眼扩大60％时地层坍塌压力;根据岩石最大拉应力理论,结合钻井试压和储层水力压裂资料,建立了较准确的地层破裂压力剖面.三压力剖面计算结果表明,新场地区地层破裂压力比孔隙压力和坍塌压力高,差值较大,具有较宽的泥浆窗口;须二以上地层坍塌压力与孔隙压力之差相对较大,适合液体欠平衡钻井,欠压值在0.3 g/cm3左右,须二地层孔隙压力与坍塌压力接近,不适合液体欠平衡钻井;同时须二段地层孔隙压力与上部须三段地层坍塌压力一致,目前以须二段为目的层的常规钻井四开次钻井身结构可以进一步优化,简化井身结构,加快建井周期.     

低渗透致密气藏水基欠平衡钻井损害评价技术

低渗致密砂岩气藏具有孔喉细小、强亲水、裂缝发育等特点,在作业过程中易于受到损害,即使在欠平衡条件下,仍然具有一定的损害可能.在水基欠平衡钻井条件下,低渗致密砂岩气藏主要的损害方式为水锁和应力敏感.利用裂缝可视化测试系统、毛管流动孔隙结构仪等分析测试手段评价了低渗致密气藏的水锁和应力敏感损害.研究表明,低渗致密气藏在欠平衡条件下仍有很强的水锁损害可能,初始渗透率越低,水锁损害程度越大;有效应力一定时,欠压值越小,水锁损害程度越大,过小的欠压值不能起到保护储集层的作用;欠压值一定时,有效应力越大,水锁损害程度越大.目前对欠平衡条件下的水锁损害评价还处于摸索阶段,下一步工作的重点是储集层原地作业条件的真实模拟以及将室内实验结果应用于现场工程设计.图7表6参13     

欠平衡钻井条件下的井径扩大率预测技术

基于弹性力学理论及岩石摩尔-库仑强度破坏准则,提出了欠平衡钻井条件下井径扩大率的预测方法。利用本文方法,可进行欠平衡钻井可行性分析以及欠平衡钻井压差确定。结合渤海某井地应力及地层强度参数得到的井径扩大率预测结果,可为该井区实施欠平衡钻井提供参考。     

气液两相流循环温度和压力预测耦合模型

为保证欠平衡钻井安全钻进,需要给欠平衡钻井设计提供井筒温度和压力分布等基础数据。基于气液两相流钻井液循环时的流动特征和井筒与地层的传热机理,建立了适用于欠平衡钻井预测气液两相流钻井液循环温度和压力的耦合模型,给出了模型的离散方法和求解方法。在模型的求解过程中,考虑了温度和压力对气相（空气、氮气）的密度、比热、比焓、动力黏度、热导率等热物性参数的影响及热源对气液两相流钻井液温度场的影响,保证了气液两相流循环温度和压力的计算精度。基于大庆油田升深2-17井充氮气欠平衡钻井试验数据,利用气液两相流钻井液循环温度和压力预测耦合模型对欠平衡钻井时的井底温度和压力进行了计算,计算结果与实测结果吻合程度高,验证了模型的有效性。对比分析了以地温、地面温度作为气液两相钻井液温度和考虑井筒换热3种情况下的环空压力剖面特征,为欠平衡钻井设计及控压钻井设计和施工提供了理论基础和技术支持。     

乳化柴油钻井液欠平衡钻井技术在松辽盆地南部油气田的应用

依据松辽盆地南部油气田负压钻井存在的主要技术难点，通过对井眼稳定的实验分析、负压钻井的安全与井底负压值的控制设计以及负压钻进结束后压井技术的系统研究，确定了以乳化柴油钻井液作为钻进和压井的负压钻井施工方案。首次在国内安全顺利地应用低粘、低切、低密度乳化柴油钻井液体系，在探井SNl82井、评价井SN98井进行了欠平衡压力钻井施工。在SNl82井中新发现了2个天然气层；在SN98井中钻遇了多个天然气层，从2038m点着火到完钻，实现了“边喷边钻”，放喷管线口火焰最高时达8．5m左右。机械钻速比邻井高2—4倍，1只钻头相当于邻井2只钻头的进尺。此外，该乳化柴油钻井液在加入破乳剂等处理剂后可回收部分柴油，大大降低了欠平衡钻井成本。