钻井液浸泡页岩裂缝宽度的模拟及应用

鉴于我国页岩气开发试验区水平井油基钻井液钻井过程中,频繁出现严重的井壁失稳、井漏等井下复杂情况,选取渝东南龙马溪组露头页岩为实验岩样,开展了钻井液浸泡前后页岩岩石力学性质的测试,基于有限元数值模拟法建立了连通井筒单条垂直裂缝情况下的裂缝动态宽度预测模型,研究了钻井液浸泡后页岩裂缝宽度变化的行为,修正和完善了基于有限元的裂缝动态宽度预测方法,并讨论了裂缝宽度变化模拟在漏失性储层保护和井壁失稳控制方面的应用。结果表明,钻井液浸泡后页岩弹性模量减小,泊松比增加,岩石强度明显降低;钻井液浸泡后页岩裂缝动态宽度对井筒压力变化更加敏感,各裂缝长度和井筒正压差条件下的半缝宽增量均比浸泡前增加了约8%,且半缝宽增量随井筒正压差的增加而大幅度增加,动态缝宽可达数毫米量级;钻井液密度—裂缝宽度—架桥封堵颗粒粒径三者紧密相关。研究获得的裂缝动态宽度参数对优选钻井堵漏材料和粒径级配、控制合理钻井液密度、控制井漏和井壁失稳具有重要的意义。     

顺南区块裂缝性储层置换式气侵影响因素研究

塔河油田顺南区块塔中北坡奥陶系鹰山组上段属于碳酸盐岩裂缝孔洞型储层,钻进该层段时气侵现象严重,现场常采用提高钻井液密度和循环排气的方式处理气侵。为解决裂缝性储层在高密度钻井液条件下易发生漏失、循环排气方式处理时间较长等问题,对裂缝性储层置换式气侵发生时间的影响因素进行了研究。通过建立漏失速率模型与置换式气侵模型,分析了裂缝宽度、高度、长度,地层压力、压差及钻井液的黏度、密度对气侵发生时间的影响。研究发现,裂缝宽度越小、高度和长度越大,钻井液黏度越大、密度越小,以及地层压力越低、压差越大时,气侵发生时间越长。研究结果表明,现场施工中合理控制钻井液密度和压差,可以控制和减小置换式气侵速度。      

几种裂缝性漏失压力计算模型的比较分析

漏失压力是地层发生漏失现象时的最高承压临界值,是现场钻井液密度确定的一个重要依据,对裂缝性地层尤其重要。鉴于此,在分析裂缝性地层漏失机理的基础上,分别采用漏失压力的最小水平主应力模型、基于统计学的漏失模型和基于临界裂缝宽度的漏失模型,创新性地建立了基于裂缝圆环应力的漏失模型,针对渤中区块裂缝性地层,分别对这4种模型的漏失压力进行了实例计算,并与漏失点处的实际井底压力进行对比。分析结果表明:基于裂缝圆环应力的漏失模型得到的漏失压力小于实际井底压力,比较符合现场实际。因此,裂缝圆环应力模型具有一定的现场应用价值,可指导裂缝性地层钻井液密度设计。     

泥页岩井壁稳定流固化耦合模型

考虑泥页岩-钻井液体系电化势渗透产生的流体流动和离子运移、泥页岩-钻井液体系中流体流动和溶质扩散过程的非线性、流体流动和离子运移对固体变形的影响,建立泥页岩井壁稳定流-固-化耦合模型。应用建立的模型计算实例井井眼周围地层随时间变化的孔隙压力、应力以及破坏指数。结果表明,若不考虑泥页岩膜离子选择性形成的扩散电势,计算的孔隙压力和应力偏小,而线性模型过高地预测了井壁周围的孔隙压力场和应力场。根据破坏指数可以看出,坍塌破坏首先发生在井壁附近地层,坍塌压力随时间延长增大且变化较明显,破裂压力随时间延长减小但变化不显著,钻井液密度窗口随时间变窄。     

钻井过程中井筒裂缝动态扩展规律研究

为了搞清井筒裂缝的动态扩展规律,针对渤海湾渤中区域东营组硬脆性泥岩地层微裂缝漏失问题,利用有限元数值模拟法,建立了裂缝动态扩展与井筒压力、地层岩石力学参数的有限元模型,分析了单条裂缝与成组裂缝的延伸长度、宽度、沿裂缝应力分布随压差及初始裂缝长度的变化规律。结果表明,随着井筒压差的增加,裂缝尖端位置处的等效应力约呈0.78 MPa/MPa的趋势增加,井壁裂缝宽度约呈0.01 mm/MPa的趋势增加;随着初始裂缝长度的增加,裂缝尖端处的有效应力约呈0.06 MPa/mm的趋势增加,井壁裂缝宽度约呈0.003 mm/mm的趋势增加,裂缝初始延伸所需的井筒压差逐渐降低。与单条裂缝相比,成组裂缝宽度及延伸长度变化幅度更大。以渤中区域某深井3000 m处漏失情况为例开展模拟,得到漏失处井筒正压差3.9 MPa,裂缝宽度增加80μm,堵漏时综合考虑井筒压差产生的裂缝宽度变化与地层原有裂缝宽度的尺寸,对堵漏材料颗粒进行设计。该成果对工程实际具有一定指导意义。     

裂缝性地层钻井液漏失动力学模拟及规律

井漏是裂缝性地层钻井过程中较为常见的井下复杂情况之一,为从本质上认识漏失的发生机理,以流体动力学为基础,将钻井液看作宾汉流体,裂缝看作是表面粗糙、指数变形、存在倾角的二维单条裂缝,建立了宾汉流体在二维粗糙裂缝内漏失控制方程。运用有限单元法对漏失控制方程进行了求解,基于所建立的模型分析二维粗糙裂缝中钻井液的漏失规律。研究结果表明:裂缝越光滑,漏失速率与累积漏失量越大;裂缝倾角对漏失速率影响较小,对累积漏失量有一定的影响;裂缝面积越大,漏失速率与累积漏失量越大;裂缝长度越小,漏失速率与累积漏失量越大;裂缝宽度越大,漏失速率与累积漏失量越大;井底压差越大,漏失速率与累积漏失量增加明显;流体动切力对漏失速率影响不大,对累积漏失量有一定的影响;塑性黏度越小,漏失速率与累积漏失量越大。     

页岩储层渗透率数学表征

为研究页岩储层渗透率表征方法中存在的问题,根据页岩储层独特的裂缝、孔隙分布特点,分别建立了裂缝渗透率理论计算模型和基质渗透率理论计算模型,定性分析了缝宽、孔隙直径、孔隙压力等参数对渗透率的影响。模型研究表明：裂缝内气体渗流满足立方定律,其渗流能力由缝宽决定;基质渗透率受气体滑脱效应和扩散效应影响,其渗流能力由孔隙压力和孔隙直径共同决定,且随孔隙压力和孔隙直径的变化发生动态变化;裂缝渗透率和基质渗透率极差较大,实际应用时须进行适当分类处理,以克服采用现有渗透率数学表征方法表征页岩气渗透率的不足。应用实例结果表明,该方法准确有效。     

页岩气水平井增产改造体积评价模型及其应用

目前,已有的水力压裂储层增产改造体积(SRV)评价方法主要包括微地震监测法、倾斜仪测量法以及数学模型计算法,其中,直接测量方法都存在着成本高、可复制性差的不足,而理论模型计算SRV可以降低成本,提高计算的速度和结果的准确性、可靠性。为此,在分析目前SRV评价模型局限性的前提下,基于水平井分段分簇压裂裂缝扩展理论、岩石力学理论和渗流力学理论,考虑页岩气水平井分段分簇压裂裂缝扩展过程中流体扩散渗流场和裂缝诱导应力场同时改变对页岩体天然裂缝的触发破坏机制,针对页岩气储层水平井分段分簇缝网压裂建立了一套SRV数值评价模型(以下简称新模型),并据此对分簇裂缝延伸行为、水力裂缝诱导应力场变化、水力压裂储层压力场抬升以及天然裂缝破坏区域的扩展进行数值模拟与表征,计算储层改造总体积,并在涪陵国家级页岩气示范区X1-HF井对新模型进行了矿场应用验证。结果表明:(1)新模型的计算方法与页岩压裂过程储层SRV实际物理演化机制相一致,可实现对SRV更准确地计算和定量表征;(2)新模型模拟所得SRV与现场微地震监测结果较为吻合;(3)示范区内水平井分段压裂形成的SRV能够满足页岩气高效开发的要求,压裂增产效果明显。结论认为,新模型具有较高的准确性和可靠性,对于涪陵页岩气示范区后期页岩气缝网压裂优化设计、井间距调整和加密井部署设计等都具有重要的指导作用,值得大规模推广应用。     

两种漏失压力计算模型的比较分析

钻井液发生漏失是多因素共同作用下的复杂问题，如何采用合适的计算模型来确定漏失压力的值一直以来都是一个难题。为解决此问题，在分析两种漏失种类的基础上，分别建立了漏失压力的力学模型和基于统计的漏失压力计算模型，并就两种模型的计算结果进行了实例计算分析，认为漏失压力的大小与压差有比较明显的关联性，压差越大，漏失速率越大。利用基于统计的漏失压力计算模型比漏失压力的力学模型得到的结果好，与现场实测数据相符合，具有较强的实用性。     

川南深层页岩各向异性特征及对破裂压力的影响

川南深层页岩地层地应力非均匀性强,钻进过程中漏失严重,破裂压力预测困难,在进行深层页岩微观组构观测和宏观力学试验的基础上,测试了深层页岩的各向异性特征,考虑各向异性特征建立了井周应力模型,结合深层页岩本体拉张破坏、裂缝剪切滑移破坏和裂缝张性破坏模式,建立了深层页岩地层破裂压力预测模型,分析了各向异性特征对地层破裂压力的影响规律。分析结果表明:页岩各向异性越强,地应力差异越明显,大斜度井裂缝越易滑移;较高的粘聚力可有效抑制裂缝弱面的错动能力;裂缝倾角大小主导着裂缝张性漏失。预测模型在川南彭水区块页岩气井地层破裂压力预测的结果表明,地应力差异较弹性差异对深层页岩破裂压力的影响更为显著,岩石粘聚力是诱导裂缝剪切滑移漏失的主因,相对裂缝倾角是诱导裂缝张性破坏的主因。裂缝发育的页岩地层以裂缝破坏为主,破裂压力受岩石粘聚力、裂缝倾角和地应力的影响显著,在预测破裂压力时应综合3种破裂模式判断破裂方式和预测破裂压力。      

提高地层承压能力的钻井液堵漏作用机理

应用线弹性岩石力学和岩石断裂力学基本理论,揭示了钻井液堵漏阻止诱导裂缝延伸并提高裂缝重启压力从而提高地层承压能力的作用机理。通过分析承压堵漏后缝内压力分布,建立了封堵诱导裂缝的断裂力学模型,并给出承压堵漏阻止诱导裂缝延伸的必要条件;基于井周围岩裂缝诱导应力场的数学模型,提出了堵漏提高诱导裂缝重启压力的力学实质。理论研究表明,堵漏材料在裂缝入口后一定距离封堵为封堵诱导裂缝的最佳位置形式;裂缝尖端部分流体压力必须低于水平最小主应力,且该压力越低,越有利于裂缝的阻裂;诱导裂缝重启压力的提高依赖于周向诱导应力,堵漏材料必须支撑裂缝以维持周向诱导应力;承压堵漏作用机理包含密封和支撑裂缝两方面,堵漏材料应同时具有封堵性能和机械强度。     

复合油藏压裂水平井复杂裂缝分布压力动态特征

压裂改造是提高油田产量、改善井筒附近储层物性的重要方法,但在实际多段压裂体积改造过程中,由于地层条件复杂,导致井筒附近形成了复杂的缝网体积,因此,加强对水平井体积压裂改造试井模型的研究十分必要。基于体积压裂水平井复杂裂缝分布的渗流特征,建立径向复合多段压裂水平井试井解释数学模型,耦合储层与裂缝模型解求得Laplace空间井底压力半解析解,应用Duhamel原理得到考虑井储和表皮影响的Laplace空间井底压力解,利用Stehfest数值反演求得实空间井底压力,并绘制实空间压力动态特征曲线。根据压力导数曲线特征划分流动阶段,通过模型验证证明了该方法的正确性,进而分析了裂缝不对称、裂缝夹角、裂缝分布方式、内区半径和流度比对特征曲线的影响。结果表明,裂缝不对称交错分布有助于增大裂缝控制面积,从而减少流体流入井筒的压力消耗,早期阶段对应的压力曲线也越低;内区半径越大,压裂改造效果越明显,对应压力曲线越靠下。该模型可为多段压裂水平井所形成的复杂裂缝试井资料解释和压裂方案设计提供理论依据。     

钻井液对裂缝性地层气侵的影响模拟研究

裂缝性地层钻进过程中,容易发生重力置换气侵,裂缝内气体进入井筒后,控制不当易引发井涌、井漏、井喷等复杂情况,气侵发生时裂缝附近的压力波动容易导致井壁失稳。在塔中北坡顺南区块裂缝特征参数分析基础上,使用Gambit建模软件进行前期建模和网格划分,建立了井筒与裂缝的三维模型;运用ANSYS Fluent流体力学软件,建立多相流模型,分析置换过程中裂缝开口处动压对裂缝开口处井壁稳定性的影响;以现场某井的数据为参考,模拟分析钻井液的密度、黏度、排量对重力置换气侵的影响。结果表明,置换气侵发生时,由于压差较大,瞬间流速较大,在0.1 s内降低至较低水平;动压的最大值在裂缝的上下两端,最小值在裂缝中上部,这3个位置的裂缝口缝宽容易增加,引起井壁失稳;钻井液的密度、黏度变化对气侵时裂缝口的动压影响较小,变化量小于6%,对气侵速度的稳定值影响也较小;而排量对于气侵时裂缝口的动压影响较大,变化量达到66.9%,降低钻井液排量有利于井壁稳定。      

超低压水平井井壁稳定性研究与应用——以崖城13-1气田为例

在气田开发中后期的调整井钻井中,由于储层压力衰竭,会产生与常压或异常高压地层中不同的井壁稳定问题,主要体现在钻进中容易漏失,导致井下复杂情况或钻井事故。崖城13-1气田在开发10余年后,主力储层压力系数衰减为0.47左右,是典型的超低压力气藏。针对该气田储层压力衰竭情况,建立了调整井井壁稳定力学分析方法,对崖城13-1气田某大位移调整井压力衰竭后的坍塌压力、破裂压力和漏失压力情况进行了分析。计算结果表明,地层压力降低导致坍塌压力和破裂压力均有不同程度下降,使钻井中坍塌风险降低,漏失风险增加。因此,在压力衰竭储层段钻井液密度设计中需要以压力衰竭后的坍塌压力、破裂压力及漏失压力为参考。实际钻井情况表明,考虑压力衰竭条件下的井壁稳定性分析在崖城13-1气田水平井的应用取得了良好效果。     

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用断裂力学有限元法,建立了裂缝宽度预测的有限元模型,研究了川西守向井致密气层中裂缝宽度,裂缝长度及裂周围应力变化与液柱压力的关系,用弹塑性断裂力学有限元法来确定裂缝的宽度以及裂缝尖端处的应力强度因子,同时研究裂缝周围的应力变化,目的是通过大量的计算机模拟,找出裂缝宽度变化与井筒压力的关系,最终建立工度与井筒压力,地层岩石力学特性参数及裂缝长度的预测模型,结果表明,同一井筒压力作用下,总能找到某一临界缝长度,使得应力强度因子达到最大,超过这一临界裂缝长度时,裂缝的开裂能力减弱,要使缝继续扩展,则必须提高应力强度因子,文章研究方法为预测裂缝宽度,裂缝走向提供了理论数据。     

裂缝性岩样应力敏感性实验研究

川东北地区裂缝性地层存在严重的钻井液漏失问题,做好防漏堵漏工作的基础是需要认识储层初始裂缝宽度,并对钻井过程井壁地层裂缝变化规律进行研究.结合钻井过程,对应力敏感实验设备和实验程序进行了改进,设置了新的应力敏感实验方法,模拟了地层压力、围压和井筒流压条件下设置的实验方法更加符合钻井过程应力变化的实际.裂缝性碳酸盐岩应力敏感性实验结果显示,以原地有效应力点为中心,随着井筒钻井液液柱压力的增大裂缝张开,随井筒钻井液柱压力降低,裂缝闭合,而裂缝张开的幅度比裂缝闭合的幅度更大.因此,研究压裂液应力扰动条件下裂缝宽度变化能够对防止漏失提供基础依据.     

深部裂缝性致密储层随钻堵漏材料补充时机研究

深部裂缝性致密储层地质条件复杂、天然裂缝发育,钻井液漏失风险大。加入随钻堵漏材料是预防裂缝性地层钻井液漏失、控制储层损害的重要手段。为系统研究考虑钻进过程中材料消耗的随钻堵漏材料补充时机,以塔里木盆地某深部裂缝性致密气藏为研究对象,实验评价了不同随钻堵漏材料消耗比例下的油基钻井液体系承压能力,并基于地层裂缝产状构建了随钻堵漏材料消耗率计算模型。结果表明:当材料消耗率超过15%后,随钻堵漏油基钻井液体系的封堵能力显著降低;地层裂缝宽度及倾角对随钻堵漏材料消耗率影响显著,裂缝倾角越接近90 °、裂缝宽度越大、裂缝线密度越大,材料消耗率增长越快;在确定随钻堵漏材料补充时机及补充量时,需要特别注意地层裂缝宽度及倾角变化。该计算模型在现场试验中取得了良好应用效果,对深部裂缝性致密储层高效钻井有指导意义。     

大牛地气田下套管作业中环空波动压力分析

大牛地气田刘家沟组为低破裂压力带，套管下入过程中产生波动压力，易引起漏失。针对此问题，以稳态波动压力理论为依据，考虑扶正器的局部阻力效应，建立下套管波动压力计算模型，根据建立模型分析钻井液性能、套管下入速度、环空间隙等因素对波动压力的影响，结果表明，随着钻井液密度、稠度系数、静切力、套管下入速度、扶正器的增加，环空间隙的减小，波动压力增加。针对波动压力影响因素，提出现场安全下套管技术对策，对下套管过程中避免因波动压力引起刘家沟组漏失具有重要的参考意义。     

基于可靠度理论的斜井井壁失稳风险评价方法

由于地质环境的隐蔽性和复杂性,地质力学参数和岩石力学参数具有很大的不确定性,井壁稳定分析中忽略不确定的影响可能导致钻井液密度设计不合理,进而直接影响钻井井壁稳定。国内外学者对确定参数条件下的井壁稳定开展了深入的研究,但对不确定参数条件下井壁稳定影响的研究并不深入,尤其是对于任意斜井失稳风险的评价。为此,在井壁稳定孔弹性力学模型和崩落宽度模型基础上,建立了基于可靠度理论的井壁失稳风险评估方法,采用Monte-Carlo随机方法模拟了四川盆地CW气田直井、斜井和水平井的井壁失稳风险,并系统分析了参数均值和方差对井壁失稳的影响规律。研究结果表明：①随着井斜角增加,井壁坍塌当量密度显著增加,井壁破裂当量密度显著降低,不同井型失稳风险与常规井壁稳定规律基本一致。②考虑参数不确定影响后,坍塌当量密度增加、破裂当量密度降低,安全密度窗口逐渐变窄,说明参数不确定影响不可忽略。③崩落宽度对井壁坍塌影响显著,崩落宽度越大则井壁坍塌可靠度越高,在不发生井壁失稳事故的前提下,允许适当的井壁崩落有助于提高成功钻井概率。④4参数均值和变异系数敏感性分析结果表明,影响井壁稳定最为显著的因素为地应力,其次为孔隙压力和岩石强度;随着变异系数的增加,坍塌当量密度逐渐增加、破裂当量密度逐渐降低,安全密度窗口逐渐变窄,井壁失稳的风险越高。