深水钻井热交换作用下的井壁稳定性分析北大核心CSCD

为了研究深水钻井过程中热交换作用对井壁稳定性的影响规律,建立了钻井液、钻柱、海水和地层各介质热交换作用下温度控制方程,根据热弹性理论计算温度变化对井周应力的影响,结合地层强度准则与拉伸破坏准则确定深水井壁坍塌压力与破裂压力。结果表明,钻井液循环对地层产生的冷却作用能够降低井壁坍塌压力与破裂压力,但破裂压力降低幅度比坍塌压力的降低幅度稍大。因此,尽管钻井液的冷却效果能够抑制井壁坍塌,但应注意低温度的井壁更易形成诱导缝,甚至引发地层漏失。计算结果对深水钻井作业具有指导意义。     

页岩层理对井壁稳定性影响分析

为了分析页岩的层理和水化损伤对钻井过程中井壁稳定性的影响,开展室内岩石三轴力学试验测试页岩原始状态和钻井液作用不同时间的力学特性;然后基于孔隙弹性理论和岩石弱面强度理论,综合考虑层理产状和水化损伤对页岩强度的影响,建立页岩地层井壁稳定性分析模型。结果表明:层理产状和水化损伤对井壁稳定性有显著的影响,都会导致坍塌压力升高,加剧井壁的不稳定性。综合考虑页岩的层理和水化损伤两个因素分析地层井壁稳定性,对优化不同时段钻井液性能,调整钻井液密度,保证钻井安全有重要意义。     

基于Mogi-Coulomb强度准则的井壁稳定性力学分析新方法*

传统井壁坍塌失稳分析模型是基于M-C破坏准则而建立的，该方法忽略了中间主应力对岩石强度的影响，常使得预测的钻井液密度过于保守。为此，引入考虑中间主应力的Mg-C破坏准则建立任意井眼的井壁稳定性评价新模型，通过数值模拟法分析了不同地应力状态下的井斜角和方位角对井壁稳定性的影响。研究结果表明: Mg-C准则克服了M-C准则忽略中间主应力低估岩石强度的影响，其计算结果略低于M-C准则的计算结果，有助于提高钻速，降低钻井成本；正断层地应力状态时，沿最小水平主应力方向钻进时，井壁稳定性最好；走滑断层地应力状态时，沿最大与最小水平主应力之间的某一临界角钻进时井壁最稳定；逆断层地应力状态时，沿最大水平主应力方向钻进时井壁最稳定；该模型有助于指导现场钻井井眼轨迹的优化设计及安全施工。     

二叠系火成岩地层井壁稳定性分析

火成岩地层是井壁失稳的高危地层,目前针对火成岩井壁稳定性研究缺乏系统分析。基于此,考虑火成岩结构,形成了多结构面强度准则,利用准则构建火成岩地层坍塌压力预测方法,分析该类地层井壁稳定性。研究结果表明:火成岩弱结构面发育,易导致岩石沿结构面破坏,从而降低岩石强度;结构面存在时,坍塌压力分布复杂,尤其弱面数量增多,岩石强度逐渐受弱面控制,坍塌压力显著上升;同时,水化作用也会导致地层坍塌压力增加;水化与弱结构面是火成岩地层井壁失稳的主要因素,考虑两者耦合作用是建立井壁稳定技术的关键。     

考虑钻井液安全密度窗口不确定性的钻井风险评价

评价钻井风险对于优化钻井设计和保证钻井施工安全具有重要意义。由于油气地质的复杂性、解释资料的不完备性以及数学模型的精度等问题,钻井液安全密度窗口会存在一定不确定性,给钻井风险评价带来了一定难度。本文利用有效应力-Eaton联合方法建立了考虑不确定性的地层压力计算方法,确定了考虑不确定性的钻井液安全密度窗口,并基于广义强度-干涉理论和Monte Carlo模拟方法,建立了井涌、井壁坍塌、井漏、压差卡钻、压井井漏等钻井风险的概率计算方法,以新疆油田某井进行了实例分析,风险分析结果与现场相符,表明该方法科学合理,能够对钻井风险进行定量评价。     

页岩水化特征及其井壁稳定分析

为深入研究页岩的水化特征及水化对井壁稳定的影响,以鄂尔多斯盆地石盒子组页岩为研究对象,开展了钻井液浸泡前后岩样的超声波透射实验、层理面直剪实验、三轴压缩实验,探讨了页岩水化的声学性质变化与岩石力学特征,分析了页岩水化对坍塌压力的影响。结果表明:弹性模量、泊松比等参数的变化难以准确评价页岩的水化特征,声波时差、衰减系数、时域曲线、频域曲线等超声波信号可作为研究页岩水化特征的有效手段;页岩水化直接导致其岩石力学性质发生变化,水化是坍塌压力上升的主要原因之一,对井壁稳定造成潜在的威胁;井壁稳定设计时应充分认识页岩的水化特征,避免井壁坍塌,确保钻井施工安全进行。     

海上超高温高压钻井井筒温度压力场耦合研究*

为研究海上超高温高压钻井井筒温度压力的变化规律,基于流体力学和传热学理论,考虑超高温高压井筒环境对钻井液密度以及钻井液流变参数的影响,建立海上超高温高压钻井井筒温度压力耦合预测模型,并利用实例井现场随钻数据进行模型验证,分析正常钻进期间井筒温度压力的变化规律。研究结果表明:对井筒温度而言,钻井液流变性变化的影响大于钻井液密度变化的影响,耦合计算温度结果要大于不耦合计算的温度值,且两者之间的温差随井深的增加越来越大;对井筒压力而言,钻井液密度变化对当量循环密度ECD（equivalent criculating density）的影响要大于流变性对ECD的影响,且耦合计算的ECD要小于不耦合计算的ECD值。该耦合模型可以提高井筒温度压力的预测与控制精度,并降低超高温高压地层窄密度窗口中的安全钻进风险,研究结果对超高温高压钻井精准的井筒温度压力预测及控制具有重要意义。     

基于节理塑性模型的页岩地层水平井井壁稳定性分析*

为研究层理页岩地层中水平井井壁失稳机理,基于流固耦合理论,考虑地层渗透率和强度各向异性,运用节理材料模型对水平井井周塑性失稳区域分布规律进行数值分析。结果表明:钻井液流体侵入导致井周孔隙压力分布呈各向异性,页岩水平井井周破坏形态为四角形状,且随时间增加逐渐向地层内部延伸形成剪切带;在考虑井壁渗透情况下,增大钻井液密度并不能显著改善页岩井壁失稳状况,加强钻井液封堵性对维护井壁稳定具有重要作用。     

极地冻土低温力学特性及井眼坍塌风险分析*

为解决极地冻土区油气资源储量极大但其力学特性和钻井井壁失稳机理尚不清晰的问题,对冻土岩样开展低温三轴力学特性实验,并基于此开展钻井井壁坍塌失稳相关数值模拟分析。结果表明:冻土的极限强度会随温度的降低和围压的增大而逐渐提高;冻土弹性模量尽管会随温度的降低而增加,但受围压影响较小,而泊松比基本不受温度及围压的影响;冻土内聚力会随实验温度的降低得到较大幅度提升,但不同实验温度范围内温度对冻土内聚力的影响程度存在差异,实验温度高于-12.5 ℃时温度对冻土内聚力的影响较强;极地冻土储层钻井过程近井地带冰的分解会随钻井作业的进行而逐渐变慢,冰的最终分解前缘位置为0.079 6 m,井眼扩大率达到63.51%。研究结果可为极地冻土层油气资源钻井作业设计提供参考与指导。     

黄土地层浅埋暗挖隧道松散围岩压力计算*

为研究黄土地层浅埋暗挖隧道松散围岩压力特征,根据既有隧道施工现场裂缝扩展情况,假定隧道开挖后的土体存在破裂区,取一半破裂区土体进行静力极限平衡分析,考虑静止土压力、侧向土压力、隧道尺寸和土层参数对半结构的影响,推导出适用于黄土地层浅埋暗挖隧道的围岩压力解析式,确定该公式下的隧道深浅埋划分界限,并结合工程实例分析隧道埋深、静止土压力系数和侧压力系数对围岩压力的影响。研究结果表明:随隧道埋深增大,围岩压力存在峰值,围岩压力曲线呈先增大后减小的趋势;围岩压力随静止土压力系数和侧压力系数的增大而减小,但静止土压力系数对围岩压力的影响较大;将新方法得到的围岩压力值分别与现场实测值和既有理论围岩压力值进行对比,计算的垂直、侧向围岩压力值均大于实测值,且新方法的计算误差相对较小。     

基于故障树与贝叶斯网络的钻井井塌事故的定量分析

井塌事故在钻井过程极其常见,由于钻井液、井身结构等设计不合理,以及钻井过程的误操作均会造成井塌的发生,其后果主要是造成卡钻、卡套管等事故,严重时造成井眼毁坏。为了对井塌事故进行危险性分析,采用贝叶斯网络与故障树相结合的方法,避免传统故障树方法的局限性。首先对井塌事故的所有危险因素进行辨识建立故障树,然后将故障树转化为贝叶斯网络,建立条件概率表,运用贝叶斯网络的推理能力对井塌事故进行危险性分析。对井塌事故各基本事件概率分布的计算分析结果表明,考虑事件的多态性,综合利用故障树分析法和贝叶斯网络法能有效提高井塌事故分析的有效性,推算出井塌事故概率分布更为准确。     

An advanced Driller's Method simulator for deepwater well control

Deepwater hydrocarbon reserves play an important role in the global energy industry. The safety issue which is associated with deepwater well control is one of the most crucial aspects during the well design and construction in a drilling scenario. Limited by the narrow drilling window and the long but small choke line, accurate prediction of the wellbore pressure is required to ensure a successful well control operation in deepwater. This paper focuses on the deepwater Driller's Method, developing an advanced simulator to predict the standpipe and choke pressures in deepwater horizontal well killing on the basis of “dynamic” bottom hole pressure. In order to improve the precision of the simulator, circulation temperature, gas expansion and choke line friction loss have been considered in the model. According to the data of a planned horizontal well X-2, the simulation and analysis of the behaviors of the standpipe and choke pressures during the deepwater Driller's Method well killing operation were performed with the proposed simulator. For further understanding the characteristics of the deepwater Driller's Method, it investigated the influence of some engineering parameters on the surface pressures, including seawater depth, horizontal section length, gas kick volume and killing rate. The results demonstrate that the standpipe pressure increases with seawater depth and killing rate; the peak choke pressure increases with seawater depth and gas kick volume; and the horizontal section length has a little impact on the standpipe and choke pressures. In addition, the application of the well killing case in BY-3 well, which is located in the South China Sea, has proved the validity of the simulator.     

着床后引燃对电弧迸溅熔珠组织特征的影响*

为探究迸溅熔珠着床后的热交换过程对其组织特征的影响,建立基于着床后高温迸溅熔珠的动态测温方法,从而揭示迸溅熔珠着床后引燃与否对其组织特征形成的影响规律。研究结果表明:引燃可燃物的熔珠受火焰热反馈和铜氧化放热的共同作用,着床后其温度出现反复波动,延长迸溅熔珠的冷却凝固时间,组织呈等轴状;无法引燃可燃物的熔珠在可测范围内,短暂升温后降温速率持续上升,组织更易呈现树枝状或胞状。研究结果可为准确认定电气故障电弧迸溅熔珠引发火灾提供技术支持。     

深部开采松软煤层抽采钻孔变形特性研究

为了研究深部开采松软煤层抽采钻孔变形失稳特性,基于有限元理论和统计损伤理论数值模拟了深部开采松软煤层抽采钻孔变形失稳整个过程,分析了钻孔周围煤体应力及形变分布、卸压区演化和渗透特性。研究表明:钻孔破坏形式为上方发生垮塌,形成垮塌区;左右侧发生破坏,形成破碎区;钻孔周围煤体均向钻孔移动,钻孔附近煤体位移量较大,远处煤体位移量相对较小;钻孔形状由开始的圆形逐渐变成“类橄榄球形”,然后钻孔“类橄榄球形”断面逐渐减小至坍塌。钻孔失稳过程中,钻孔附近煤体渗透率逐渐增大,钻孔周围煤体渗透率变化量及变化范围均不断增加;周围煤体渗透率分布均大致呈“V”字型变化规律,即煤体渗透率呈随着距钻孔距离的增加先减小后增加然后趋于稳定的趋势。研究结果可以为我国煤矿深部开采松软煤层瓦斯治理和煤层瓦斯抽采提供理论支撑,具有指导性意义。