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。     

温压耦合影响下科学钻探深井结晶岩层井壁稳定性分析

科学钻探深井结晶岩处在高地应力、高地层压力和高地温的“三高”环境中,自身的结构特征和物化特性会发生根本性变化,因温度变化引起的应力变化极易导致井壁失稳。本文依据温压耦合影响下坍塌压力和破裂压力计算模式,确定不同井壁温度下的安全钻井液密度窗口,通过FLAC3D开展温压耦合影响下井壁稳定数值模拟,分析在不同钻井液密度下井眼打开后不同时间的井壁周边温度和井壁稳定变化情况。结果表明：地层弹性参数对地层破裂压力的影响较大,对于花岗岩此类弹性模量较大的结晶岩,温度变化对破裂压力影响更大;井壁处附加应力受温度变化的影响程度：附加周向应力>附加径向应力>附加垂向应力;在最小主应力方向的井壁周边地层等效应力与钻井液密度呈正比关系,在最大主应力方向呈反比关系。     

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。     

羌塘盆地天然气水合物钻探试验井工程井壁稳定性分析

基于三维快速拉格朗日有限差分法多孔介质流固耦合理论及弹塑性极限平衡理论,根据羌塘盆地天然气水合物钻探试验井工程QK-2井实钻资料,分析在渗流条件下井壁失稳机理,并对失稳段井壁稳定性进行了数值模拟分析,研究在不同钻井液密度下井径周围围岩应力分布和井眼坍塌或拉裂变形规律,为羌塘盆地天然气水合物钻探试验井工程确定地层不坍塌（不缩径）、不压漏的钻井液安全密度窗口,以便为钻井井身结构设计及合理钻井液密度的确定提供依据。     

中国南海神狐海域水合物储层井壁稳定可靠度分析

天然气水合物具有巨大的潜在经济和环境价值,其开发利用对国家能源安全和实现国家碳达峰碳中和的“双碳目标”具有战略意义。我国天然气水合物资源主要分布于南海海域,海洋环境的复杂性和隐蔽性使工程测量数据具有较大不确定性,影响钻井安全。目前未见有水合物储层井壁稳定可靠度研究。为定量评估在我国南海神狐海域水合物储层钻井风险,基于水合物储层钻井井壁稳定解析理论和南海神狐海域具体地质条件,结合可靠度分析方法中的改进一次二阶矩法和响应面法,研究南海神狐海域水合物储层钻井井壁失稳概率分布特征,分析该海域井壁失稳概率及安全钻井液压力窗口对主要参数均值和不确定性的敏感性,结果表明：（1）若测量数据足够精确,在我国南海神狐海域水合物储层进行钻井活动的安全性较高,安全钻井液压力窗口也较大。测量数据的不确定性增大将使井壁失稳概率显著升高,缩窄安全钻井液压力窗口。（2）较低的钻井液温度对降低井壁失稳概率略有帮助,且能明显地扩大安全钻井液压力窗口。（3）5个主要参数的均值和不确定性对井壁失稳概率的影响次序相同,均为初始地应力>初始内摩擦角>弹性模量比>初始黏聚力>初始弹性模量。实际工程中对初始地...     

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。     

各向异性岩体中利用测井资料反演地应力的方法

地应力场分析在钻井工程中具有重要意义,现代声、电扫描测井技术通过提取井下人工诱导裂缝信息为地应力反演提供了新的技术手段。钻井工程常遇含层理、结构面的岩体,而常规井壁崩落法反演地应力将岩体假设为各向同性与实际情况不符。为考虑井壁围岩的各向异性特征,引入层理弱化面概念建立了利用片壁坍塌崩落资料预测最大水平主应力的模型。计算结果表明:岩体中软弱面方位对井壁坍塌裂缝的位置和规模产生重要影响;随着大小水平主应力比值的增大,井壁坍塌区域产状及位置会发生规律性地变化;通过测井资料提取坍塌裂缝产状及位置信息可较为精确地限定水平最大主应力的取值区间。     

地层温度对科学超深井井壁稳定的影响

井壁稳定问题包括井壁坍塌和地层破裂2种基本类型,科学超深井钻探的目的层是处于高地应力、高地温和高地层压力的深部岩层,井壁稳定问题更加突出。以12000 m科学超深井为例,从地层温度入手,分析钻井液循环温度变化所引起的当量静态钻井液密度和环空压力当量密度的变化,以及温梯应力、温差应力对井壁稳定的影响。     

海拉尔地区三个地层压力的预测与计算

根据已钻井的测井资料,对海拉尔油田的几个主要区块进行了地层孔隙压力、地层破裂压力和井壁坍塌压力的分析和计算,并建立了不同区块的单井压力的变化及本区块压力随深度变化的剖面图。分析研究发现,使用声波时差方法预测地层压力可以取得准确的预测值：破裂压力计算应用了伊顿模式、史蒂芬模式、黄荣樽模式和测井资料法,然后对各种方法进行对比分析发现黄荣樽法破裂压力预测数据准确;而坍塌压力则可以通过莫尔-库仑准则得到满足工程需要的精度。最后综合考虑确定出各个区块的合理安全泥浆密度窗口。     

煤层气水平井煤层段井壁破裂压力预测——以沁水盆地樊庄3号煤层为例

针对煤层气井井壁破裂问题,应用岩石力学分析方法,从井壁应力分布入手,根据任意斜井井壁力学模型,结合最大拉应力理论,建立了水平井煤层段井壁临界破裂压力计算公式,并对沁水盆地樊庄3号煤层水平井煤层段井壁临界破裂压力进行了预测。结果显示:樊庄3号煤层水平井在钻井过程中(为防止地层被压开),钻井液密度应控制在3.28 g/cm3以内;水平井压裂时最小破裂压力梯度为3.22 MPa/hm。      

Borehole Stability in High-Temperature Formations

In oil and gas drilling or geothermal well drilling, the temperature difference between the drilling fluid and formation will lead to an apparent temperature change around the borehole, which will influence the stress state around the borehole and tend to cause borehole instability in high geothermal gradient formations. The thermal effect is usually not considered as a factor in most of the conventional borehole stability models. In this research, in order to solve the borehole instability in high-temperature formations, a calculation model of the temperature field around the borehole during drilling is established. The effects of drilling fluid circulation, drilling fluid density, and mud displacement on the temperature field are analyzed. Besides these effects, the effect of temperature change on the stress around the borehole is analyzed based on thermoelasticity theory. In addition, the relationships between temperature and strength of four types of rocks are respectively established based on experimental results, and thermal expansion coefficients are also tested. On this basis, a borehole stability model is established considering thermal effects and the effect of temperature change on borehole stability is also analyzed. The results show that the fracture pressure and collapse pressure will both increase as the temperature of borehole rises, and vice versa. The fracture pressure is more sensitive to temperature. Temperature has different effects on collapse pressures due to different lithological characters; however, the variation of fracture pressure is unrelated to lithology. The research results can provide a reference for the design of drilling fluid density in high-temperature wells.     

气体吸附对煤层安全钻井液密度的影响

煤岩中割理极为发育,导致煤层非均质性极强,在煤层钻井过程中井壁极易垮塌,掩埋钻具,钻井过程中配置合理的钻井液用以保持井壁稳定具有重要的意义。现阶段主要是运用经典连续介质理论模型进行钻井过程中安全钻井液密度窗口预测,导致现场实际效果较差。实际煤层不仅割理发育并且大量CH₄以吸附态赋存于煤层中,将弱化煤岩力学强度,使原本就易失稳的井壁越加不稳定。因此,针对煤层为非连续介质的特殊性,基于非连续介质力学构建的离散元模型分析钻井过程中煤层井壁稳定性,并结合连续介质强度分析法在考虑气体吸附对煤岩力学强度弱化影响的情况下,用以确定煤层最佳防塌钻井液。最后,根据山西省宁武盆地的煤岩数据及现场钻井液资料,利用上述理论进行实例计算,指出研究区煤层防塌需保证钻井液密度大于1.009 g/cm3,并且需在钻井液中添加暂堵剂以提高其封堵能力。      

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。     

柴家沟钼矿复杂地层岩心钻探技术

柴家沟钼矿地层破碎、裂隙发育、蚀变多样、涌水、完整岩石坚硬,而且地质设计要求大部分为斜孔,钻探施工中遇钻孔漏水、坍塌掉块、进尺缓慢、跑斜严重等技术难题。从钻孔结构、冲洗液配置、护壁堵漏、硬岩钻进、涌水地层加重泥浆的使用、立轴式钻机斜孔施工注意事项等方面总结了钻探施工经验。     

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。     

川藏铁路DZ-深02-1钻孔高密度冲洗液的研究与应用

川藏铁路林康段DZ深021孔系构造勘察孔,地层非常复杂。钻探施工中出现了涌水、涌砂,掉块、缩径等复杂孔内情况。涌水携带破碎颗粒极容易造成孔内卡钻。同时孔内涌水稀释冲洗液,造成孔内压力失衡,加大了孔内垮塌事故,提高了钻孔的施工难度。通过研究和应用高密度冲洗液,平衡孔内压力,防止泥砂涌入钻具,使内管能顺利到位钻进。通过强抑制性低失水冲洗液的选择与配置,减少了泥岩的垮塌与缩径现象。通过采用加大钻头,增大环空间隙,使孔内岩粉能顺利排出,减低循环泵压,有利于断层泥段孔壁稳定。通过下入花管隔离等方法,分离出部分涌水量,减少了对冲洗液性能的破坏。通过强化钻进参数控制,减少了钻进中对孔壁的扰动,尽可能维持了孔壁稳定。最终钻进至设计孔深,达到了工程勘察的目的。