井眼剪切带分叉研究

井眼基本破坏形式是由于不稳定性造成的井眼岩石崩落坍塌和剪切带。井眼破坏的非均匀性采用传统的理论和方法不能得到较好的解释和预测。采用材料的分叉分析方法和变形局部化的数值模拟研究 ,可望对井眼失效的机理分析、预测和控制提供新的思路     

基于离散元法的天然气水合物沉积物剪切带演化机理

钻采工程会影响天然气水合物沉积层的地质环境,这可能导致水合物沉积层的变形和破坏,继而可能引发一系列工程问题。因此,要实现天然气水合物资源的安全有效开发,需要对天然气水合物沉积物的变形破坏特性开展研究。考虑水合物的胶结效应,采用胶结接触模型,用离散单元法模拟了胶结型天然气水合物沉积物试样的三轴试验,通过局部变形、孔隙率、颗粒的旋转及胶结破坏的特征研究了剪切带的萌生发展规律及其细观机理。研究结果表明:(1)离散元数值试验能有效模拟水合物沉积物的强度和变形特性;(2)不同水合物饱和度试样的剪切带的模式不尽相同,当水合物饱和度为26%和40%时,趋向于形成两条分叉结构的剪切带,而当水合物饱和度为55%时,趋向于形成单一斜向剪切带;(3)剪切带萌生于应变硬化阶段,完全形成于应变软化阶段,是局部变形渐进发展的结果;(4)剪切带内外的局部应变、孔隙率、颗粒的旋转等特征差异明显,具有强烈的局部化特征;(5)水合物胶结对剪切带的萌生和发展具有双重作用,微裂纹首先因水合物颗粒间的胶结破坏而产生,砂土和水合物之间的胶结则限制了裂纹的扩展,而砂土和水合物之间的胶结破坏又促进了裂纹扩展形成剪切带。研究结果对于理解天然气水合物沉积物变形破坏过程中的细观力学机制具有参考价值。     

基于离散元法的天然气水合物沉积物剪切带演化机理

钻采工程会影响天然气水合物沉积层的地质环境,这可能导致水合物沉积层的变形和破坏,继而可能引发一系列工程问题。因此,要实现天然气水合物资源的安全有效开发,需要对天然气水合物沉积物的变形破坏特性开展研究。考虑水合物的胶结效应,采用胶结接触模型,用离散单元法模拟了胶结型天然气水合物沉积物试样的三轴试验,通过局部变形、孔隙率、颗粒的旋转及胶结破坏的特征研究了剪切带的萌生发展规律及其细观机理。研究结果表明:(1)离散元数值试验能有效模拟水合物沉积物的强度和变形特性;(2)不同水合物饱和度试样的剪切带的模式不尽相同,当水合物饱和度为26%和40%时,趋向于形成两条分叉结构的剪切带,而当水合物饱和度为55%时,趋向于形成单一斜向剪切带;(3)剪切带萌生于应变硬化阶段,完全形成于应变软化阶段,是局部变形渐进发展的结果;(4)剪切带内外的局部应变、孔隙率、颗粒的旋转等特征差异明显,具有强烈的局部化特征;(5)水合物胶结对剪切带的萌生和发展具有双重作用,微裂纹首先因水合物颗粒间的胶结破坏而产生,砂土和水合物之间的胶结则限制了裂纹的扩展,而砂土和水合物之间的胶结破坏又促进了裂纹扩展形成剪切带。研究结果对于理解天然气水合物沉积物变形破坏过程中的细观力学机制具有参考价值。     

流固耦合模型在定量预测油水井出砂过程中的应用

在综合考虑流体渗流、储集层变形或破坏等因素的基础上，建立了流固耦合形式的出砂定量预测模型。提出了2类出砂机理：流体渗流剥蚀作用下的细砂产出和储集层结构破坏情况下的粗砂产出，并采用DruckerPrager准则研究了出砂过程中的砂岩储集层骨架应力和变形。有限元法数值模拟结果表明：在整个出砂过程中，地层渗透率的变化与生产压差、储集层物性密切相关。在相对平衡的地层压力条件下，由于剥蚀或储集层骨架破坏，地层渗透率可以增加30％；过高的生产压差可能造成井眼局部储集层压实，渗透率下降幅度可达50％。因此，保持适当的地层压力是控制渗透率下降进而保持产能的关键。图4表3参15     

欠平衡钻井条件下钻井液的密度对中子孔隙度测井的影响

欠平衡钻井采用低密度钻井液,中子孔隙度的测井响应和常规井眼流体有一定差异.通过对双层介质扩散方程解析解的分析以及蒙特卡岁数值模拟,研究了低密度钻井液条件下中子孔隙度测井响应的变化规律.低密度井眼流体会对补偿中子孔隙度测井产生井眼挖掘效应,使视孔隙度值低于真孔隙度,且井眼流体密度越小,井眼尺寸越大,地层孔隙度越大.井眼挖掘效应越明显.利用数值模拟结果计算得到了井眼挖掘效应的孔隙度校正公式及不同密度泡沫钻井液时的中子孔隙度校正图版.     

剪切速率对水泥浆稠化时间的影响规律

剪切速率对水泥浆稠化时间的影响比较大,确定水泥浆真实的稠化时间能够保障固井安全。引用水泥浆在井眼内和室内稠化试验2种状态下的剪切速率数学模型,根据水泥浆在不同剪切速率下的稠化试验结果（30和80℃）,分析剪切速率对水泥浆稠化时间的影响规律。30℃时,在22~652/s的剪切速率范围内,稠化时间偏差超过2 h,剪切速率低时稠化时间短;80℃时,在177~885/s的剪切速率范围内,稠化时间偏差在1 h内,剪切速率高时稠化时间短。研究结果表明,选用150 r/min的转速进行稠化试验,能较好地模拟大多数固井情况下的稠化时间,但对于大直径表层套管固井和小间隙固井,应根据实际情况选用合适的剪切速率进行水泥浆稠化试验,才能模拟固井施工时的稠化时间,确保固井施工的安全。      

页岩水平井井眼轨迹方位与层理面产状的关系

准确掌握层理面产状对页岩水平井井眼轨迹方位选取的影响规律,能有效预防井壁坍塌,节约钻井成本。对长宁区块H1井龙马溪组岩心进行三轴压缩实验,依据页岩岩石强度单一弱面剪切破坏准则和页岩水平井井壁应力分布模型,建立了页岩水平井井壁坍塌压力计算模型。利用页岩水平井测井资料和岩石力学实验数据,采用数值模拟方法,得到层理面产状对页岩水平井井壁坍塌压力的影响规律。当页岩层理面倾向一定时,随层理面倾角的逐渐增大,页岩水平井井壁坍塌压力当量密度范围逐渐变宽。当层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面的剪切破坏;当层理面倾角大于45°时,井壁岩石发生本体破坏,且当井壁岩石发生本体破坏时,页岩水平井沿层理面倾向的相反方向钻进有利于井壁稳定。     

切顶卸压护巷技术在马兰矿的应用研究

马兰矿针对18509工作面巷道围岩变形破坏严重的问题,以18509工作面为背景采用FLA 3D数值模拟软件对该工作面切顶卸压后巷道围岩变形进行模拟研究,实践监测表明:切顶后巷道顶底板变形量减少,有效提升巷道围岩的稳定性。     

榫合插接结构分支井井眼连接总成的研究与应用

在不稳定地层中,分支井眼连接处易发生变形破坏,为此,设计了一个分支井眼连接总成。该总成包括两个预制的部件:模板和连接器,它们通过一个梯形导轨啮合在一起后形成一个连续的整体机械结构,配合的间隙和公差满足连接器液力密封的要求。利用有限元数值模拟对该连接总成进行了3种地层压力下的位移和内部应力分析,结果表明其变形量非常小,内部所能达到的最大应力小于N80钢的屈服强度,表明该连接总成具有较强的抗地层挤压能力。在河3-支平1井安装了该连接总成,验证了该连接总成连接的可靠性,建议进一步推广应用。     

中短半径水平井弯曲井段套管受力分析

套管柱在高井眼曲率的水平井弯曲井段将产生较大弯曲应力和较大的径向变形，有可能导致强度破坏和变形失稳。为了研究套管在弯曲载荷作用下的应力分布及变形情况，采用三维实体单元，运用有限元方法建立了中短半径水平井弯曲井段套管的计算模型，分析了三种不同外径尺寸的套管在一定围压和不同弯曲载荷作用下的最大径向变形量和最大等效应力值，并分析其随井眼曲率的变化规律。计算表明，井眼曲率增大，弯曲井段套管的径向变形和应力也随之增大；同一井眼曲率下，外径较大的套管，径向变形和应力也较大。通过研究，对高井眼曲率下中短半径水平井弯曲井段套管柱强度设计提供了理论依据。     

一种基于页岩损伤规律的井壁坍塌压力确定方法

页岩的破坏有劈裂式、单剪切式、双剪切式等3种模式,而目前常用于预测井壁坍塌压力的Mohr-Coulomb准则仅适用于发生单剪切式破坏的井壁。针对该问题,首先基于最小耗散能原理和损伤力学,建立了包括页岩损伤演化方程、损伤阈值应变计算式、极限损伤变量计算式的页岩损伤力学模型;然后,以具有代表性的塔里木盆地群库恰克地区页岩地层标准岩心为研究对象,进行了常三轴抗压室内试验,并将试验得到的应力-应变曲线与理论曲线进行了对比分析,发现吻合较好;最后,将理论模型与室内试验结果相结合,研究了应变能密度与岩石破坏时应变、损伤阈值应变之间的关系曲线,并确定出维持井壁稳定的最低钻井液密度。分析认为,利用该种维持井壁稳定最低钻井液密度的确定方法,可以确定页岩地层的井壁坍塌压力。      

Simulation of Progressive Borehole Failure at Multi-Lateral Junctions

Multi-lateral junction failure, one of the challenges introduced by employing multi-lateral technology to improve production of oil and gas wells, has imposed significant impacts on the employment of this new technology. Therefore, a powerful computer simulator is required for analyzing the issues of both fracturing and collapse at the multi-lateral junction. In this study, we present such a simulator, Rock Failure Process Analysis (RFPA^2D), in which rock is assumed to be heterogeneous at a mesoscopic level and an elastic-damage based constitutive law is used to describe the constitutive law of elements. The applicability of RFPA^2D to simulate progressive borehole failure processes at junction locations is demonstrated through (1) successful comparisons of the simulated distribution of stress concentration factors with the known analytical solutions for the elastic case; (2) successful comparisons of the simulated borehole failure patterns with experimental observations reported in previous studies; and (3) simulations of progressive borehole failure processes under a variety of geometrical and loading conditions.     

随钻扩眼工具钻压分配比的计算方法及对钻速的影响

为了研究随钻扩眼工具在钻井过程中的破岩特性,更好地发挥其在钻井过程中的优点,建立了随钻扩眼工具井底钻压的计算模型。依据岩石破坏的应变能密度基本原理,推导出了阶梯效应指数计算表达式,并得出了用阶梯效应指数与井眼几何参数为变量的阶梯井眼的钻压分配比计算方法,并分别进行了理论和实例分析研究。理论分析结果表明,随钻扩眼形成的阶梯式井底岩石要比领眼井底岩石接近屈服状态,岩石更容易破碎。实例分析也表明,随钻扩眼工具比相同尺寸钻头的钻具有更好的快速钻井效果,验证了理论计算结果的正确性。     

层状岩石中井孔稳定性的数值分析

如何保持复杂地层中斜井或水平井井孔的稳定。是油气田钻井和生产期间的重要研究课题。从横观各向同性本构模型出发，考虑岩石拉伸强度的方向性以及层状岩石中存在剪切强度薄弱面(如节理、断层、岩层界面等)，在广义平面应变假定条件下，提出了一种可以分析任意走向层状岩石中井孔稳定性问题的二维有限元数值计算模型和计算方法。对复杂地质构造的层状岩石中井孔稳定性的二维有限元数值计算表明，岩层中薄弱面上出现的剪切破坏是导致井孔失稳的主要原因。对于特定的地质条件，用该模型可以快速预测现场钻井时的安全钻井压力，也可以分析和显示井孔周围破坏区的形状和范围。图4表1参10     

水平井试油过程裂缝性储层失稳机理

针对水平井裂缝性储层试油过程中井底压力选择不当会引起井壁坍塌问题,开展了天然裂缝性储层水平井井壁稳定问题研究。从井壁稳定的力学机理出发,建立了水平井井周应力状态,选用弱面破坏准则,建立了水平井段测试过程维持井壁稳定的井底最小压力模型,模型考虑了天然裂缝产状、井斜方位、地应力、地层强度与孔隙压力的联合影响。在此基础上定量分析了各因素对维持井壁稳定的最小井底压力的影响。结果表明：天然裂缝面倾角小于45°时,井壁岩石发生弱面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁岩石会发生本体破坏;天然裂缝走向对井壁的破坏形式也有显著的影响,在最小水平地应力方位附近,井壁最易坍塌;随着地应力非均质性的增强、孔隙压力的升高,维持井壁稳定的井底最小压力逐渐增大。     

裂缝性泥页岩地层防塌误区及强封堵防塌对策

对于裂缝发育等破碎性地层,在井筒内外压差作用下钻井液极易沿裂缝等天然通道侵入地层,致使近井裂缝发育带孔隙压力增加,引发泥页岩水化膨胀及强度性能下降,导致坍塌压力增加,从而使得井壁垮塌越加严重,搞清破碎性地层垮塌机理至关重要。结合延安气田石盒子和石千峰组裂缝性泥页岩“越提密度、垮塌越严重”井塌处理误区,指出缺乏对裂缝有效封堵是症结所在。为此提出适用于裂缝发育等破碎性地层“封堵为先、抑制水化、合理密度”的防塌技术对策,在此基础上,优选出延安气田强封堵钻井液配方并在现场成功应用,相关技术思路及研究成果可为类似破碎性地层防塌提供参考。      

塔里木盆地富满油田二叠系玄武岩井壁稳定技术研究及应用

塔里木盆地富满油田二叠系普遍发育有玄武岩,玄武岩段钻进易发生井壁失稳,引起卡钻等井下故障复杂,影响了在该区块钻井时效和经济效益。通过对二叠系玄武岩进一步结构特征研究、易垮井地震相态特征及实 钻特征研究、理化特性、地应力、坍塌压力研究,确定引起井壁失稳的原因。根据该区块现场实钻资料及井壁失稳处理经验,从强化钻井液封堵性、控制滤失量、提高钻井液抑制性、携岩能力、密度优选、控制工程参数等几个方面 给出避免二叠系玄武岩井壁失稳的处理建议。研究成果在AM3井应用成功,效果显著,对指导富满油田二叠系玄武岩钻进具有一定的指导意义。