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。     

考虑地层各向异性井壁稳定性研究进展

考虑地层各向异性井壁稳定性研究对地质特征复杂的非常规油气储层开发意义重大,在对国内外近10年相关研究成果调研基础上对其主要进展进行了综述。影响井壁稳定性的地层各向异性因素包括:区域地应力大小、区域应力性质、岩石物理力学参数差异、井身结构、水化膨胀、微裂缝及弱层理盘角度等。详细梳理了各单因素对井壁稳定性的影响机制,地层应力系统及岩石强度对井壁稳定性的影响最大。对于具弱层理盘地层,沿不同钻井方向岩石强度差异较大;沿弱层理面地层容易发生水化膨胀,且往往微裂缝发育,井壁容易失稳,因此应采用高抑制钻井液体系或油基钻井液。在复杂地层钻井过程中,以上各单因素相伴而生,进行各单因素耦合条件下井壁稳定性分析对合理制定应对策略具有重要意义。加强考虑地层各向异性井壁稳定性基础理论、数值模拟及基于三维可视化建模的近实时井壁稳定动态模拟预测研究是该研究在未来的主要发展方向。     

砂土地层泥水盾构开挖面孔隙变化特征理论研究

为保证开挖面的稳定,泥水盾构压力舱中的泥浆必须及时在开挖面土体表层形成泥膜,泥浆压力才能有效平衡地层中的水土压力。在考虑泥浆渗滤效应的基础上,建立了砂土地层泥水盾构开挖面泥浆恒压渗透模型,分析了渗透时间、泥浆浓度、泥浆压力和地层初始孔隙率对土体孔隙率及泥浆成膜的影响。结合刀具周期性切削作用,总结了泥浆反复渗透引起的开挖面表层土体孔隙率变化规律。基于刀盘、刀具布置形式和盾构掘进参数,分析了盾构掘进期间开挖面支护机制。结果表明：在无刀具切削作用时,泥浆渗透规律主要受到泥浆和地层特性影响;在刀具周期性切削作用下,在相同的切削深度下,刀具切削周期越短,泥膜在开挖面上越难形成;刀具较小的纵向切入速度有利于开挖面上更快形成泥膜;适当减少刀盘上同一轨迹刀具布置数量,降低盾构掘进速度和刀盘转动速度,有利于盾构掘进期间开挖面上泥膜存在面积的增大,对开挖面稳定起到积极作用。     

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。     

深部开采圆形巷道围岩破损区与支护压力的确定

应用经典塑性力学理论确定的圆形巷道围岩弹塑性应力场存在一些问题,这影响深部圆形巷道的稳定性评价及支护设计的合理性。应用塑性力学求解新体系确定的圆形巷道围岩弹塑性应力场准确解,进行了各向同性均质地层中圆形巷道破损区、地层残余强度与支护压力关系方面的研究,取得了如下成果:(1)破损区随开采深度的增加而增大,它们基本呈线性关系。(2)建立了支护压力与巷道埋深、围岩强度、围岩破坏后残余强度、围岩泊松比和重度之间的关系。研究成果可为支护设计提供重要参考。     

深部巷道围岩变形破坏机制分析

采用弹脆性本构模型以及滑移破坏理论,对深部围岩应力分布以及变形破坏机制进行分析。计算结果表明,开挖卸荷将引起剪应力的增长,滑移剪切变形的发展将围岩划分成具有一定尺度的块体（或条带）,它们之间的相互摩擦决定着残余强度的大小;在各向不均匀压缩的作用下,深部围岩能够产生区域拉伸破碎,使围岩开挖断面监测到的位移大大超出按连续介质理论计算得到的数值。采用考虑扩容的计算模型可以得到围岩产生区域拉伸破碎的条件,计算得到的该条件与岩体力学性质以及破碎尺度密切相关。     

基于微观力学机制的各向异性结构性砂土的本构模型研究

在岩土破损力学基础上,基于微观破损机制,提出了考虑各向异性的结构性砂土本构理论。采用Lade-Duncan强度准则考虑中主应力对抗剪强度的影响;采用考虑颗粒排列组构的各向异性状态变量A反映各向异性对土体强度和变形的影响;通过相似扩大重塑土的屈服面反映结构性对土性的影响;通过引入非相关联流动法则考虑各向异性和结构性对土体塑性变形的影响。同时,将基于微观力学机制的损伤演化规律引入结构性土的硬化规律;该硬化规律同时考虑了塑性体积应变和剪切应变对各向异性结构性土强度的影响。然后将该模型用于模拟室内三轴压缩试验,初步验证了该模型的合理性和适用性。     

考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型开发及应用

针对冻土的各向异性特性,基于线性黏结接触模型,建立了能够反映冻土各向异性特性的修正线性黏结接触模型,并通过C++语言生成供颗粒流程序PFC3D调用的离散元本构子程序DLL。首先对单一接触进行了拉伸、直接剪切测试,通过对比数值与理论结果,验证了考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型的正确性。此外,模拟了不同温度条件下的冻土三轴压缩试验,并与试验得到的应力-应变曲线进行对比,结果表明,所提出的修正线性黏结接触模型对冻土具有较好的适用性。基于标定后的模型细观参数,开展了一系列的三轴压缩离散元数值模拟,利用模拟结果探讨了虚拟弱面法向倾角对冻土的应力-应变曲线特征、强度及抗剪强度指标的影响,并分析了有效配位数、细观组构量的演化规律。研究结果可为冻土各向异性宏-细观力学特性提供数值基础。     

采动影响下巷道围岩变形与破坏的弱结构面效应

岩体中弱结构面的产状要素和力学参数是影响深部巷道围岩变形和破坏的重要因素。通过对金川矿区地下开采过程中发生的与弱结构面效应有关的巷道变形特征、破坏模式与机理分析得出,在断层附近或穿过断层开挖时,往往会引起断层活化,引发巷道变形和破坏。当在节理岩体中开挖时会使围岩中低强度的节理裂隙等弱结构面正应力减小,抗剪强度降低,从而发生相对滑移、变形。此外,与巷道开挖相比,矿体开采的影响不仅在持续时间上,还是在影响以及程度上都是造成巷道变形和破坏的弱结构面效应更加显著的主要原因。     

敦煌莫高窟洞窟围岩渗透特性研究

敦煌莫高窟壁画受自身材质和自然环境等的影响,已经保存了1000多年的壁画产生起甲、酥碱、空鼓、壁画大面积脱落等多种病害。多项研究已经证明,这些病害主要是由于水盐运移导致的,水汽在岩体内的运移促使盐分在壁画表面富集是造成石窟病害主要原因之一。通过石窟围岩的渗透性研究可以解释水汽运移的规律,研究壁画病害形成的机制。在研究中应用原位定水位渗透试验测得了莫高窟洞窟围岩不同地层岩组的渗透系数,并通过高密度电阻率法监测原位渗透试验、X射线CT计算岩石孔隙比等多种方法和手段研究莫高窟围岩的渗透性,认为敦煌莫高窟围岩不同地层具有不同的渗透性,因此,即便处于同一地层岩组,渗透系数也有较大差别;在莫高窟围岩中存在渗透性好的地层,使水汽通过这些地层岩组向洞窟内运移成为可能;鉴于文物的特殊性等原因,在无法直接测得围岩渗透性的情况下,高密度电阻率法和X射线CT扫描是了解围岩渗透特性有效的办法。     

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.     

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。     

Discrete element method modeling of inherently anisotropic rocks under uniaxial compression loading

A new numerical approach is proposed in this study to model the mechanical behaviors of inherently anisotropic rocks in which the rock matrix is represented as bonded particle model, and the intrinsic anisotropy is imposed by replacing any parallel bonds dipping within a certain angle range with smooth‐joint contacts. A series of numerical models with β = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, and 90° are constructed and tested (β is defined as the angle between the normal of weak layers and the maximum principal stress direction). The effect of smooth‐joint parameters on the uniaxial compression strength and Young's modulus is investigated systematically. The simulation results reveal that the normal strength of smooth‐joint mainly affects the behaviors at high anisotropy angles (β > 45°), while the shear strength plays an important role at medium anisotropy angles (30°–75°). The normal stiffness controls the mechanical behaviors at low anisotropy angles. The angle range of parallel bonds being replaced plays an important role on defining the degree of anisotropy. Step‐by‐step procedures for the calibration of micro parameters are recommended. The numerical model is calibrated to reproduce the behaviors of different anisotropic rocks. Detailed analyses are conducted to investigate the brittle failure process by looking at stress‐strain behaviors, increment of micro cracks, initiation and propagation of fractures. Most of these responses agree well with previous experimental findings and can provide new insights into the micro mechanisms related to the anisotropic deformation and failure behaviors. The numerical approach is then applied to simulate the stress‐induced borehole breakouts in anisotropic rock formations at reduced scale. The effect of rock anisotropy and stress anisotropy can be captured. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

地质岩心钻孔人工造斜方法实践

在岩心钻探施工过程中,钻遇岩（矿）心脱落需要补取岩心,或钻具脱落、埋钻和烧钻需要绕障时,人工造斜方法是解决问题的有效手段。钻孔较浅,造斜孔段刚好在变径后的位置,且上部孔壁稳定,易于扩孔和下套管,宜选用异径偏心楔人工造斜;钻孔较深,不能改变口径,造斜孔段岩层硬度较大,宜选用同径偏心楔人工造斜;钻孔较深,造斜孔段岩层硬度不大（如煤系地层中的煤层、泥岩等）,宜选用同径自然造斜。选用偏斜楔造斜时,偏斜楔长度、偏斜角大小和导斜槽直径的合理选择,偏斜楔下入钻孔过程中的正确操作;选用同径自然造斜,水泥浆灌注孔段位置确定、水泥浆凝固后达到一定的强度和造斜过程中合理的钻进参数,是造斜成功的关键。     

向斜核部超深孔施工技术

在河北省开平向斜核部煤田普查区,由于煤层埋藏较深,地层易缩径、压力异常,给钻探施工带来巨大压力。2011年2月19日,本区ZK9-1号钻孔成功完成地质钻探任务,实际终孔深度1950.68m,为国内目前该区采用Φ50mm钻杆施工煤田取心最深钻孔。从设备选择、钻具选择使用及其抗拉强度扭矩校核,泥浆使用、压力平衡钻进、防斜措施等方面介绍了该孔克服深孔地层压力异常、泥岩蠕变钻孔缩径,一次成孔达到设计要求的施工经验,对类似地区的钻探施工有一定的借鉴意义。     

Evolution of anisotropy with saturation and its implications for the elastoplastic responses of clay rocks

Many clay rocks have distinct bedding planes. Experimental studies have shown that their mechanical properties evolve with the degree of saturation (DOS), often with higher stiffness and strength after drying. For transversely isotropic rocks, the effects of saturation can differ between the bed-normal (BN) and bed-parallel (BP) directions, which gives rise to saturation-dependent stiffness and strength anisotropy. Accurate prediction of the mechanical behavior of clay rocks under partially saturated conditions requires numerical models that can capture the evolving elastic and plastic anisotropy with DOS. In this study, we present an anisotropy framework for coupled solid deformation-fluid flow in unsaturated elastoplastic media. We incorporate saturation-dependent strength anisotropy into an anisotropic modified Cam-Clay (MCC) model and consider the evolving anisotropy in both the elastic and plastic responses. The model was calibrated using experimental data from triaxial tests to demonstrate its capability in capturing strength anisotropy at various levels of saturation. Through numerical simulations, we demonstrate the role of evolving stiffness and strength anisotropy in the mechanical behavior of clay rocks. Plane strain simulations of triaxial compression tests were also conducted to demonstrate the impacts of material anisotropy and DOS on the mechanical and fluid flow responses.     

柴达木盆地深层钾盐察ZK02孔施工工艺

柴达木盆地察汗斯拉图矿区蕴藏着极为丰富的钾盐类矿产资源。钾盐察ZK02孔设计1500 m,钻遇地层为新近系盐湖相沉积地层。在钻进过程中易产生缩径、造浆、掉块、坍塌等现象,钻遇盐岩层或含钙、镁离子盐水入侵时,钻井液性能易发生变化,给钻探施工带了困难。根据盐矿钻孔地质条件和技术要求,设计3级口径的钻孔结构。在施工中,针对巨厚层砂砾碎屑岩的特点,选择加重卤水钻井液护壁,起到了安全护壁效果,并采用研制的卤水钻井液混合搅拌器,提高了配浆速度,保证了钻井液性能和质量。卤水钻井液和卤水钻井液混合搅拌器的使用,为柴达木盆地深层卤水钾盐矿区的钻探施工探索出了快速配制钻井液提供了借鉴。     

煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展

我国碎软煤层赋存层位多、分布广,普遍存在构造应力复杂、瓦斯压力高、煤体力学强度低、渗透性差等特点,钻进时易塌孔、喷孔、孔壁失稳,导致钻进困难、孔内事故频发、成孔深度浅、钻孔堵塞、存在抽采盲区等问题。随着煤炭开采深度的不断增加,碎软煤层瓦斯抽采钻完孔就更加困难。因此,碎软煤层高效、深孔、精准钻进技术以及增透、增产、护孔的完孔技术一直是碎软煤层瓦斯治理的重大技术需求和研究热点。从护孔、排渣、轨迹控制、完孔等成孔的关键技术难题方面,总结了碎软煤层顺层钻完孔技术研究现状和应用情况,分析了目前碎软煤层钻进技术存在的问题,提出了改进完善建议,分析了内控导向式旋转定向钻进技术,多孔介质充填式筛管、折叠膨胀管完孔技术等碎软煤层钻完孔技术新进展,为进一步完善现有碎软煤层钻完孔技术提供了思路。      

河南中牟页岩气区块地层特征及钻探问题研究

页岩气主要以吸附和游离状态贮藏在海相、陆相和海陆过渡相泥页岩中,这些岩石的沉积过程、时间和类型不同,表现出了地层或岩石的物理化学性质各向异性的特点。页岩气钻探所遇地层主要是不同时代的泥岩、砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩等,这些岩石对钻井液中水分子具有极强的敏感性。所以,在钻探过程中常遇到起下钻遇阻、孔内沉渣多、重复破碎、卡钻等问题,由此花费大量的时间处理,从而减少了纯钻时间。这些问题的根本原因则是由于岩石膨胀缩径、孔壁崩塌超径所造成的。本文首先对河南中牟页岩气区块地层特征进行了描述,并就牟页1井钻探问题从钻孔缩径和超径2个方面进行了理论研究和分析,最后从钻井液和钻探工艺选择方面提出了原则性的建议。