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。     

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。     

岩石各向异性对井周应力分布及破裂压力影响

岩石力学参数的各向异性不仅影响井周应力分布,还对井壁破裂压力及位置有至关重要的影响。基于页岩储层水平井井周应力分布模型,研究井壁破裂压力的大小及破裂位置受岩石力学参数各向异性的影响。研究结果表明:岩石力学参数各向异性度严重制约井壁稳定性,井周受力状态明显恶化,加剧了井漏事故的发生。高弹性模量各向异性和低泊松比各向异性时,岩石在水平方向刚性较强,井壁更容易起裂;弹性模量各向异性小和泊松比各向异性较大时,岩石在垂直方向刚性较强,岩石不易起裂。起裂压力对弹性模量各向异性度较敏感,受泊松比各向异性度影响较小。因此,实施页岩水平井压裂,应考虑层理页岩力学参数各向异性,从而对裂缝起裂压力进行合理的预测。     

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。     

深水钻井热交换作用下的井壁稳定性分析

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。     

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。     

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。     

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。     

复合坚硬顶板水压裂缝扩展过程研究

为研究复合坚硬顶板的水压裂缝扩展过程,建立相应扩展模型,对水压裂缝的扩展机制和扩展模式进行理论分析,以大同矿区复合坚硬顶板为研究对象,采用岩石损伤破裂过程渗流-应力耦合分析系统(RFPA~(2D)-Flow)数值模拟软件,研究水压裂缝的扩展过程及不同因素下的影响,并用相似模型试验方法验证数值模拟结果。结果表明,水压裂缝的扩展主要受到顶板岩石的力学性质、主应力差、层理面倾角和层理面力学性质等因素的影响。大同矿区的复合坚硬顶板中的水压裂缝优先扩展进入强度最低的泥岩层,随主应力差增大,水压裂缝向不同岩性岩层扩展过程的差异性减弱。随着层理面倾角增大,水压裂缝由穿过粗粒砂岩层扩展逐渐转为沿层理面和限制在压裂层内扩展。而层理面弹性模量的增大,有利于水压裂缝直接扩展进入粗粒砂岩层。     

气体钻井突发性井壁失稳动力演化机理及试验研究

从致密砂岩损伤破坏的角度出发,综合考虑致密砂岩的物理力学性质、地应力、裂缝圈闭高压等因素,在分析孔隙压力、地应力、裂缝圈闭高压在突发性井壁失稳过程中所起的作用基础上,将气体钻井突发性井壁失稳具有强烈时间效应的动态力学过程分为孕育、突变、井筒运移和终止4个阶段。对裂缝圈闭高压、地应力作用下致密砂岩的加速损伤演化引起的突发性井壁失稳机理进行了阐述,裂缝圈闭高压是突发性井壁失稳的主要动力源,地应力对突发性井壁失稳起辅助作用。通过模拟实验表明,受地应力破坏后的致密砂岩岩体在有裂缝情况下,卸压初始时刻释放的能量是无裂缝时的5~10倍,且该能量与动力学失稳密切相关。     

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。     

页岩气体积压裂过程中套管失效机理研究

为了研究体积压裂过程中套管失效问题,基于页岩气水平井X-1h钻完井资料,提出了微地震数据反演方法,并结 合岩石断裂力学和岩石损伤力学,建立了X-1h体积压裂地层-多簇射孔-套管有限元模型。有限元结果表明:体积压裂范 围内的地应力场发生明显变化,甚至出现“张应力”区和“零应力”区的应力反转现象,该特征将不同程度地使套管在 地层中出现“悬空”状态,导致套管沿其径向产生一定程度的挠度变形,沿轴向套管呈现“S”型变形。适当增加压裂 段与段之间的间距,缩短多簇射孔压裂段的有效长度,可以有效地降低或控制水平段套管的“S”型变形量。该研究方 法和研究成果为体积压裂技术的套管变形失效控制以及页岩气安全生产提供了理论依据。     

基于多因素耦合的井筒完整性风险评价

为了合理开展井筒完整性评价,提出合理的管理措施,综合考虑管柱力学、管柱腐蚀、管柱及附件密封、水泥环力学、地层以及油气井管理等关键节点及因素的相互耦合协同作用,分析多因素耦合协同作用对井筒完整性的影响。对于管柱力学等具有比较明确物理意义且可以量化的因素,采用定量分析评价;对于操作管理等难以量化的因素采用定性评价,对于腐蚀环境因素采用定量与定性相结合的方法进行评价;在定性及定量评价的基础之上,对关键节点进行风险概率和风险影响程度的划分及量化,再基于层次分析及风险矩阵的方法建立井筒完整性评价模型;基于模型编制了相应的计算程序,并对某高腐蚀性气井开展了井筒完整性评价。评价结果表明,在影响该井井筒完整性的风险因素中,高酸性气体腐蚀是造成该井井筒完整性失效的主要因素。     

考虑损伤与剪胀及中间主应力的巷道围岩弹塑性分析

为研究圆形巷道围岩的稳定性,考虑了巷道围岩的损伤、剪胀特性以及中间主应力效应,建立了圆形巷道围岩弹塑性损伤力学模型,推导出圆形巷道围岩的弹塑性应力场和位移场解析解。研究结果表明:考虑损伤时围岩塑性区范围更大,所需支护阻力增长明显,塑性区位移明显增加;剪胀对位移场影响较大,对应力场影响较小,剪胀系数越大,需要提供的支护阻力就越大;随着中间主应力系数的增大,所需支护阻力降低,塑性区位移减小,最大位移减小幅度高达79.74%,不考虑中间主应力的强度准则偏于保守;考虑损伤、剪胀和中间主应力的新的位移解更加合理,研究成果为圆形巷道的设计支护提供了一定的理论基础和参考价值。     

基于弹性理论的软弱顺层岩质边坡受采动影响研究

在有软弱顺层边坡地形中进行采矿通常会引起边坡稳定性变化,因而研究此类边坡在受采动沉陷的影响在地质问题中是尤为重要的。首先利用关键层理论概念分析得到,在含有软弱结构层的岩质斜坡受到采动或开挖影响时,软弱结构层将和关键层同步变形而与上部岩质斜坡产生离层,形成悬臂结构。再根据弹性力学理论计算出岩质斜坡的极限悬臂长度以及断裂长度。最后利用实际矿山地质进行稳定性判断。结果表明,随着工作面的不断推进,采动影响下的离层距离变大,岩质坡体最大拉应力将沿着坡表面向前移动并且逐渐增高,最大拉应力点与发生离层点的距离X_(max)却急速减小,当离层距离达到l_(max)时,最大拉应力达将到坡体抗拉强度,岩质坡体断裂,此时岩体断裂长度达到l_(max)+X_(max);通过实际矿山工程算例得到,当坡顶上离层距离达到6.88 m时,若下方采空区继续推进增加,则上方坡体将产生断裂形成滑坡。