地层类型对水泥环的力学作用及影响

地层类型制约地应力对固井水泥环的力学作用方式,明确地层类型对水泥环应力和结构完整性的影响特征,是建立井筒完整性保障技术的基础。以蠕变、弹性、刚性地层为研究对象,建立套管—水泥环—地层固结体有限元力学模型,分析地层类型、施工项目等对水泥环界面应力的影响。结果表明:蠕变地层中,地应力增加,界面接触压力增大;弹性、刚性地层中,地应力对界面应力无影响。蠕变、弹性地层中,地层弹性模量对界面应力的影响与地层、应力类型有关;刚性地层中,地层弹性模量对界面应力无影响。弹性地层中,加载时,水泥环易发生周向拉伸破坏,危险部位为窄间隙内界面。套管试压施工时,存在水泥环拉伸破坏的危险,危险井段为井口及深部弹性地层井段;储气库井注气施工时,存在的主要危险为加载过程中弹性地层井段水泥环本体拉裂破坏。     

不同含油、含水饱和度致密砂岩真三轴力学特征

致密砂岩储层中水、石油或天然气等流体赋存可能会对致密砂岩的力学特征产生影响。选取鄂尔多斯盆地蟠龙地区延长组致密砂岩,利用YSZS-2000型多功能电液伺服岩石真三轴试验机对不同含油和含水饱和度致密砂岩力学特征进行了研究。结果表明:①含油性对砂岩的峰值应力和弹性模量产生弱化作用,表现为峰值应力和弹性模量随着含油饱和度的增大而减小,“准饱和”时峰值应力可下降5.35%,弹性模量可下降11.38%;②含水砂岩根据其吸水特性曲线分为Pa型与Pb型,含水性对砂岩的峰值应力产生弱化作用,饱和时Pa型砂岩峰值应力可下降11.58%,Pb型砂岩峰值应力可下降15.95%;③观察实验后浸油砂岩内部结构发现,油集中分布于砂岩矿物间裂隙,对破裂面产生润滑作用从而降低了砂岩的承载力。本研究成果可以对致密油气的开发提供可靠依据。      

变井径环空分形表征及其对固井顶替效率的影响

为分析井径非线性变化对油气井注水泥顶替效率的影响,利用W-M分形函数、体积填充等理论,研究变井径环空几何形态表征及注水泥顶替效率计算,建立实测井径曲线的分形函数特征参数计算方法及变井径环空顶替流动分析模型,开展注水泥顶替流动数值模拟。结果表明：变井径环空的顶替效率低于均匀井径环空的顶替效率;标度参数、分形维数增大,井壁壁面凸起、凹陷高度增大,不规则程度增高,顶替效率降低;高标度参数、高分形维数范围内,顶替效率降低幅度高,顶替效率相对变化率大;顶替注入流速增大,顶替效率相对变化率减小;井斜角增大,顶替效率相对变化率增大;计算顶替效率时,当标度参数、分形维数低于阈值时,可将井眼环空近似考虑为均匀井径环空,而当标度参数、分形维数较高时,采用均匀井径环空简化处理会造成很大偏差;工程中,应注意处理计算模型选择及有效解决顶替效率问题。该结果为解决注水泥顶替效率计算的准确性、推进科学化固井设计与施工提供基础。     

龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征

层状页岩的微观非均质性及力学各向异性对研究井壁稳定以及水力裂缝扩展形态具有重要意义。为了向页岩优化钻井、压裂工艺参数提供一定的理论和试验依据,对沿不同角度取心的页岩试样开展单轴压缩实验,配合场发射扫描电镜、原子力显微镜观测实验和波速测试等,研究龙马溪组层状页岩微观非均质性及力学各向异性特征,并讨论这些物理力学特征对水力裂缝形态的影响规律。结果表明:受层理面的影响,龙马溪组页岩呈现出较强的微观非均质性和宏观力学各向异性特征。具体的,微观孔隙结构特征方面,随着观测方向与层理方向之间夹角β的增大,微观孔隙结构的发育程度逐渐增加,说明气体的储集和空间呈增加趋势;宏观力学特征方面,单轴压缩条件下,随着加载方向与层理方向间夹角θ的增加,页岩试样的破坏模式从贯穿层理面的张拉破坏,先转变为剪切破坏,再变为劈裂-剪切混合破坏;龙马溪组层状页岩的单轴抗压强度、泊松比随着θ的增加呈现出先减小后增大的"U"形各向异性模式,弹性模量、横纵波速则逐渐减小,胶结程度较弱的页岩层理面会先于基质体发生破坏,进而显著影响岩石整体的力学性质;页岩微观非均质性及力学各向异性特征在一定程度上影响压裂过程中水力裂缝的扩展行为,以及停泵后压裂液的渗流路径。研究结果可为页岩压裂工艺参数优选提供一定依据。      

三向应力及湿度状态改变对非饱和黄土力学特征的影响

通过对黄土常规三轴试验结果分析,给出了非饱和黄土的强度参数随含水量的指数型变化关系式,并验证了D-P屈服准则对不同湿度状态下黄土发生塑性屈服的适用性。不同三向应力条件和温度状态下的压缩试验表明,Q3黄土的应力应变关系随着三向应力和含水量而变化,这种本构关系可以用一个简单的指数函数来描述。与已有的模型相比,基于室内试验提出的半经验型黄土本构关系具有模型简单、参数少、易确定的优点。     

气藏型储气库圈闭应力场扰动规律及影响因素分析

气藏型储气库的季节性周期注采过程引起储层局部压力变化,圈闭应力场受到扰动,应力路径发生改变。基于渗流—应力耦合理论,考虑储气层—盖层—底板—围岩复合地质体,建立储气库力学数值模型,分析天然气注采周期内储气库圈闭应力场及应力路径变化,探讨盖层物理力学参数对储气库圈闭应力场的影响。结果表明：注采作业后,储气库圈闭应力场不均匀分布,距离储层越近的应力场受扰动程度越大,储层与盖层交界面受扰动程度最大,其次是盖层与底板交界处,上覆层受扰动程度最小;采气阶段的应力场受扰动程度大于注气阶段的,且垂直总应力增量大于水平总应力增量,水平总应力增量大于剪切应力增量;应力路径在储层与盖层交界面发展速度最快,在储气库圈闭水平距离内,垂直应力路径因数总体发展趋势为先下降后上升,水平应力路径因数为先上升后下降;盖层物理力学参数对储层与盖层交界面的应力场扰动程度由大到小依次为：盖层弹性模量、盖层渗透率、盖层泊松比。该结果为气藏型储气库建库设计及安全运行分析提供依据。