横观各向同性水敏性地层斜井眼坍塌压力确定

在以泥页岩为目标储层的非常规油气藏水平井开发中, 钻遇井壁的稳定性问题突出, 一方面是由于在设计钻井液密度时简单采用各向同性介质模型和Mohr-Coulomb强度准则, 另一方面则是由于选用的钻井液性能欠佳, 难以保证建井全过程的井壁稳定。为此, 将地层视为横观各向同性介质, 采用Mogi-Coulomb强度准则判别岩石基体和层理面的稳定性, 同时考虑泥页岩水化作用对岩石力学强度参数的影响, 建立了水敏性地层井壁稳定分析模型, 分析了坍塌压力随井斜、方位、钻井液性能、钻井时间等因素的变化规律。研究结果表明:对于具有显著层理面结构的泥页岩地层, 采用横观各向同性模型比各向同性介质模型更能描述强度的各向异性;采用Mogi-Coulomb准则比Mohr-Coulomb强度准则得到的坍塌压力值与实际吻合程度更高, 在保证井壁稳定的前提下有利于降低钻井液密度, 实现钻井提速;提高钻井液封堵能力、减小泥页岩吸水扩散能力, 有利于延长坍塌周期。利用东濮、威远、焦石坝等工区多口页岩气水平井的实钻资料对本文方法进行了验证, 证实本文方法确定的钻井液密度窗口下值更能满足安全钻井需求。     

层理性地层钻井稳定性分析模型

针对钻井工程常遇的层理性地层,以应力张量坐标转换关系和井孔应力集中方程为基础,引入弱面剪切滑动和岩体Mogi-Coulomb双强度准则,建立了分析层理性地层井壁稳定性的模型。对含层理弱面的典型油气储层中钻井的合理钻井液密度和安全钻井方向进行研究,结果表明：层理面的存在加剧了井壁围岩的破坏,且改变了围岩破坏的位置;水平井坍塌压力随着钻井方向变化而连续性变化,其在特定钻井方向取得最小坍塌压力;斜井取得最小坍塌压力的方位与层理面在空间中并不垂直,空间中关于主平面对称的斜井破裂压力相同;既可获得较大钻井液安全压力窗口又可取得较小坍塌压力的方向为优选钻井方向,在钻井液压力窗口变化大的倾向上钻井需严格控制钻井轨迹曲线。     

中牟页岩气区块泥页岩井壁稳定影响因素分析及技术对策

井壁失稳是钻井过程中常常遇见的难题之一,尤其在钻遇泥页岩井段。针对河南中牟页岩气区块在山西组-太原组泥页岩钻进过程中发生井壁坍塌掉块、卡钻、井径扩大率大等复杂情况,利用MY1井钻井岩心从泥页岩类型划分、孔渗特征、微观结构、岩石力学以及地应力等方面开展井壁稳定性影响因素实验分析。通过分析可知,中牟区块泥页岩属硬脆性泥页岩,造成井壁失稳的主要因素为地层非均质性强,岩石脆性程度较高,微裂缝发育,易导致井壁机械剥落、坍塌掉块。通过合理控制钻井液密度、优化井身结构及钻井参数、研发低自由水强封堵钻井液提高井壁稳定性,在区块钻井实践中取得了较好的应用效果,基本解决了井壁失稳难题。     

东胜气田井壁稳定技术研究

随着世界石油工业的不断发展,勘探开发领域的持续拓宽,勘探开发方向逐渐转变为“攻深找盲”,高风险井、深井、超深井占比的增加,对钻井技术和钻井液技术提出了更高的要求。特别是自2014年起东胜气田的钻井环境有了显著变化,钻井液不落地技术的应用推广引起大量旧钻井液经过简单处理之后又参与循环,钻井液中大量亚微离子参与循环导致钻井液维护、处理困难。还有部分老区块加密布井,特别是在已经开采的老区块布井施工,由于前期钻井过程中钻井液渗透作用使地层岩石的力学强度降低和岩石的应力分布改变,使原有地质资料无法精确预测地层压力,井壁失稳问题更加凸显。因此钻井施工也需要向科学管理、精细管理靠拢,更需要通过模拟分析,精确钻井液性能范围来稳定井壁。本文对近两年东胜气田水平井施工中出现的井壁失稳现象进行了探讨,结合钻井液与工程两方面措施形成一套井壁稳定技术,来应对日益复杂的井内情况。     

深层泥页岩井壁失稳机理与预测模型研究进展

深层油气资源开发已成为国家油气发展的重要战略，泥页岩井段井壁失稳是制约深层油气资源安全高效开采的技术“瓶颈”。本文在分析深层泥页岩井壁失稳的力学机理和化学机理基础上，着重论述考虑泥页岩水化作用、弱结构面、各向异性和多场耦合的井壁稳定性预测模型的研究进展和发展趋势。钻井液密度不合理是井壁力学失稳的主要原因，泥页岩水化作用是井壁化学失稳的主要原因；在井壁流-固-化-热四场耦合作用下，考虑弱结构面、各向异性对泥浆安全密度窗口的影响，是目前研究深层泥页岩井壁稳定性的主要趋势和方法。     

页岩各向异性特征的试验研究

为研究彭水页岩气区块储层的各向异性特征,开展了石柱县龙马溪组页岩的单轴和三轴压缩试验,分析了其力学特性、强度特征和破裂模式的各向异性,并揭示了其破坏机制的各向异性。结果表明：(1) 龙马溪组页岩具有明显的各向异性特征,弹性模量在平行层理方向最大,垂直层理方向最小,且围压的增加使其增加速率不断减小;0°、30°和60°、90°页岩的泊松比随围压的增加呈现出了相反的变化规律,这可能与页岩层理间孔隙和微裂缝的良好发育有关。(2) 相同围压下,0°试样强度最高,90°次之,30°最低,总体上呈现出两边高、中间低的U型变化规律,而不同角度的Hoek-Brown强度准则能较好地反映其强度的各向异性特征。(3) 页岩破裂模式的各向异性是由破坏机制的各向异性引起的,而强度的各向异性是由破坏机制的各向异性控制的。单轴压缩时,0°页岩为沿层理的张拉劈裂破坏,30°为沿层理的剪切滑移破坏,60°为贯穿层理和沿层理的复合剪切破坏,90°为贯穿层理的张拉破坏。三轴压缩时,0°为贯穿层理的共轭剪切破坏,30°为沿层理的剪切滑移破坏,60°和90°为贯穿层理的剪切破坏;页岩地层的层状沉积结构和层理间的弱胶结作用是破坏机制各向异性的根源。研究结果为水平井井壁的稳定性分析和水力压裂施工设计等提供了技术参考。     

井底应力场对气体钻井井斜的影响

建立了油气井钻井过程中的井底力学模型,该力学模型考虑了井眼内压力、岩石节理、井眼深度、地应力、岩石材料特性、井眼直径等影响因素,并讨论了各个因素对井底应力场的影响,阐明了气体钻井时井底应力场分布变化对井眼井斜的影响。气体钻井时井眼内的压力远小于井眼周围的围压,井底会出现很大的拉应力,岩石容易破坏,因此,气体钻井时钻井速度远远大于钻井液钻井,但拉应力越大,井眼与岩石节理面交接处产生的应力集中越大,应力集中处岩石更容易破坏,也更易产生井斜。气体钻井时井底的应力状态对地层倾角、材料特性、井眼直径、井眼深度及初始地应力的变化较钻井液钻井时更敏感。     

实验尺度下钻井液在含水合物地层流动数值模拟

钻井实践表明,钻井液侵入会改变井壁围岩特性,例如岩石强度、孔隙压力等。在非常规的含水合物地层,钻井液侵入还可能诱发地层中水合物分解和再形成,从而对井壁稳定和测井解释产生影响。因此,研究钻井液在含水合物地层中侵入流动特性有非常重要的理论和实际应用价值。基于野外水合物储层的相关数据和室内实验模拟系统,采用数值模拟方法研究了实验尺度下钻井液在含水合物地层中的侵入流动规律及其对储层物性的影响。模拟结果可为后续实验模拟方案设计以及热开采研究提供一定的指导作用。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著，为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响，开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验，探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的黏聚单元建立了数值模型，采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性；同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大，且试样的层理面与加载方向夹角越小，断裂韧度受层理面强度变化影响越明显；试样的断裂模式不仅与层理面强度有关，还受层理倾角的控制，层理面与加载方向夹角θ = 0o试样断裂模式基本不受层理面强度影响，θ = 30o试样主要沿层理面张拉或剪切破坏，且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大；层理面强度较大时，θ = 45o试样主要沿层理面张拉破坏，θ = 60o～90o试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主；层理面强度较小时，θ = 45o～90o试样均以沿层理面的剪切破坏为主，其中θ = 45o试样沿层理剪切长度最大。另外，通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

层理面特性对砂岩断裂力学行为的影响研究

层理弱面对层状岩石的力学特性影响较显著,为了研究层理面特性对岩石断裂力学特性的影响,首先开展了具有不同层理方向的砂岩试样三点弯试验,探讨了砂岩断裂韧度及断裂模式的各向异性。之后基于有限元中的粘聚单元建立了数值模型,采用数值模拟方法研究了层理面强度对各层理角度试样断裂力学行为的影响规律。结果表明：层理方向影响下砂岩的断裂韧度及模式存在各向异性;同一层理方向试样的断裂韧度随层理面强度的增大而增大,且试样的层理面与加载方向夹角越小,断裂韧度受层理面强度变化影响越明显;试样的断裂模式不仅跟层理面强度有关,还受层理倾角的控制,层理面与加载方向夹角θ = 0°试样断裂模式基本不受层理面强度影响,θ = 30°试样主要沿层理面张拉或剪切破坏,且沿层理面的破裂长度随层理面强度的降低逐渐增大;层理面强度较大时,θ = 45°试样主要沿层理面张拉破坏,θ = 60°～90°试样主要以贯穿层理的张拉破坏为主;层理面强度较小时,θ = 45°～90°试样均以沿层理面的剪切破坏为主,其中θ = 45°试样沿层理剪切长度最大。另外,通过数值模拟结果分析了层理面强度及方向对试样的起裂角及裂纹扩展路径产生的影响。该研究成果可作为层状岩石断裂力学理论的有益补充。     

深部地质钻探钻遇弱面地层井孔围岩稳定分析

深部地层地质条件复杂,随钻探向纵深发展,钻遇弱面地层导致井孔围岩失稳将严重影响工程进程。本文总结分析具有弱面地层岩石物理力学特性,探讨强度各向异性孔壁围岩稳定模型的适用性;考虑流体向弱面渗透存在渗透各向异性和传热各向异性,发展了具有弱面地层井孔围岩稳定理论。研究发现,某些强度各向异性模型在特定情况下可能失去其适用性;在深部高温环境下忽略弱面地层渗透和热传的各向异性特征可能会导致井孔围岩压力、破坏区域以及坍塌压力产生较大误差。     

泥质岩膨胀各向异性与循环胀缩特征

采用自主开发研制的软岩膨胀试验装置,对新生代煤系地层中泥质岩进行膨胀试验研究,分析了泥质岩膨胀各向异性以及循环胀缩特性,并结合SEM试验结果,探讨了膨胀各向异性和循环胀缩特性的形成机制。结果表明:泥质岩膨胀性随岩样端面与层理面夹角的增大而减小,具有明显的各向异性;泥质岩所含黏土矿物颗粒排列的择优取向导致了泥质岩吸水膨胀的各向异性,可通过膨胀各向异性系数进行定量描述;随着干湿循环次数的增加,泥质岩绝对膨胀率增加,趋于某一稳定值;相对膨胀率和相对收缩率降低,亦趋于某一稳定值;泥质岩循环胀缩特性是干湿循环过程中矿物颗粒排列方式改变和微裂隙萌生扩展的能量耗散共同作用的结果。     

陡倾坡外弱面控制的斜坡滑移-剪损变形破坏模式

斜坡变形破坏和稳定性分析是各类工程建设中高度关注的问题.采用实例调查、理论分析、数值计算等技术方法,以雅砻江某水电工程坝址区右岸顺层岩质斜坡为例,研究总结了斜坡发育滑移-剪损变形破坏的成因机理、发育特征以及与弱面倾角和发育深度的关系.研究表明,滑移-剪损变形破坏通常发育在力学性能相对较差的薄层、互层状结构的顺层岩质斜坡或斜坡强-弱风化带内.斜坡发育滑移-剪损变形破坏与陡倾坡外弱面的倾角和发育位置密切相关.倾角在45°~65°之间或距斜坡表部水平距离小于80 m的弱面对斜坡发育滑移-剪损变形破坏的影响控制作用明显,并且弱面距斜坡表部水平距离比弱面倾角对斜坡发育滑移-剪损变形破坏的影响控制作用更强.研究成果可补充完善岩质斜坡变形破坏类型,具有重要的工程意义和实践价值.      

The Impact of Heterogeneity on the Anisotropic Strength of an Outcrop Shale

Properly accounting for the mechanical anisotropy of shales can be critical for successful drilling of high inclination wells, because shales are known to be weak along bedding planes. To optimize the drilling parameters in such cases, a sufficiently representative, anisotropic rock mechanical model is therefore required. This paper presents such a model developed to better match results from a dedicated, extensive set of uniaxial and triaxial compression tests performed on plugs of Mancos outcrop shale with different orientations relative to the bedding plane. Post failure inspection of the plugs shows that the failure planes are to some extent affected by the orientation of the applied stress relative to the bedding planes, indicating that the bedding planes may represent weak planes which tend to fail before intrinsic failure occurs, whenever the orientation of these planes is suitable. The simple “plane of weakness” model is commonly used to predict strength as function of orientation for such a rock. A comparison of this model to the experimental data shows, however, that the weak planes seem to have an impact on strength even outside the range of orientations where the model predicts such impact. An extension of this model allowing the weak planes to be heterogeneous in terms of patchy weakness was therefore developed. In this model, local shear sliding may occur prior to macroscopic failure, leading to enhanced local stresses and corresponding reduction in strength. The model is found to give better match with strength data at intermediate orientations. The model is also able to partly predict the qualitatively different variation of Young’s modulus with orientation for this data set.     

不分散低固相钻井液体系在张掖平山湖矿区中的应用

平山湖矿区第四系、第三系地层属于遇水不稳定地层,钻探施工时,地层造浆严重、孔径扩大率高,造成钻探事故频发、施工效率低。采用以聚合物为主要添加剂的不分散低固相钻井液体系在该矿区进行了应用试验,有效地抑制了粘土造浆及泥页岩水化膨胀,取得了很好的效果。     

麦盖提区块钻井关键技术研究及应用

塔里木盆地麦盖提地区异常地应力发育、古近系盐膏层易蠕变挤毁套管、二叠系火山岩钻井速度慢、古生界地层岩性复杂钻头选型难、三开井眼井壁稳定性差、奥陶系裂缝性地层涌漏风险高,为此开展了断裂带异常地应力分布规律、井身结构优化、高效破岩工具研制、刀翼式孕镶钻头研发、井壁稳定高效钻井液、欠平衡钻井等关键技术研究,提出了非常规井身结构优化设计系列,研制了高效破岩工具和刀翼式孕镶金刚石钻头,研发了高效抑制性防塌钻井液体系。在此基础上形成了钻井提速配套技术系列,完钻井平均机械钻速提高17.89%,钻井周期缩短34.55%。     

深埋顺层偏压隧道围岩破坏机理及规律研究——以郑万线某隧道为例

处于薄—中层倾斜层状岩体中的深埋隧道常会产生地质顺层偏压的问题,导致隧道局部塌方、偏压变形及支护结构破坏。本文以郑万线某隧道为例,采用理论分析、数值模拟方法对深埋顺层隧道的破坏机理及不同结构面参数下的破坏规律展开了研究。研究结果表明:（1）深埋顺层偏压隧道洞周围岩将根据其切向应力与结构面夹角的不同发生岩层拉裂破坏、结构面剪切破坏及岩体自身破坏,其中切向应力与结构面平行位置,即反倾侧拱腰及顺倾侧拱脚位置主要发生拉裂破坏,此处围岩塑性区范围最广,围岩位移最大,围岩处于极不稳定状态;（2）顺层偏压隧道的破坏规律与结构面强度参数有直接关系,围岩塑性区范围及围岩位移均随着结构面摩擦角的增大而降低,且降低趋势逐渐放缓,当结构面摩擦角达到岩体摩擦角后,结构面摩擦角继续增加对围岩稳定性影响较小;（3）围岩塑性区及围岩位移场偏压分布特征随结构面倾角的变化而整体旋转,且对于隧道底部而言,结构面最不利倾角为0°,此时隧底最大上鼓量大于其他倾角下的最大上鼓量;对于隧道拱部而言,最不利倾角为40°,此时洞周最大收敛值大于其他倾角下的最大收敛值,最不利位置位于反倾侧拱腰。     

Anisotropic mechanical properties and brittleness evaluation of layered phylliteEI北大核心

为了研究层状千枚岩的力学特性与各向异性特征,开展了不同层理倾角与不同围压下的千枚岩力学试验。对比分析了千枚岩试样强度、变形、脆性与破坏模式等各向异性特征。结果表明:(1)随着层理倾角β增加,岩样的强度、变形特征曲线形状呈U型;随围压增加,岩样强度及塑性增强,各向异性度逐渐减弱稳定。(2)采用多种强度准则描述岩样强度各向异性,其中Saeidi准则和改进Ramamurthy准则能很好地预测岩样在不同层理倾角下的抗压强度。(3)基于岩样峰前应力-应变曲线与能量特征提出了综合脆性评价指标,在层理倾角β=45°左右时,岩样脆性指标较低,更易发生剪切滑移破坏,得出脆性下降顺序为:沿层理面拉伸劈裂>穿层理面拉伸劈裂>沿层理面剪切>穿层理面剪切。(4)千枚岩的破坏模式与层理倾角和围压有关,单轴条件下,岩样劈裂破坏后易形成复杂裂纹网络;高围压下,岩样破裂后多形成单一的沿层理面或贯穿多层理面的剪切破坏。