井眼变形局部化剪切带数值模拟研究

井眼剪切破坏是井眼岩石基本破坏形式之一。国际上 ,在非线性固体力学的研究中 ,局部化和剪切带等问题已成为研究的热点问题之一。文中采用FLAC3D对在类似于平面应变条件下的井眼进行了数值模拟研究 ,由模拟结果可见明显的变形局部化现象。采用变形局部化的数值模拟研究可对井眼失效的机理分析、预测和控制提供新的思路     

页岩地层产状对水平井井眼破坏的影响

页岩地层的钻井作业尤其是水平井的钻井作业持续增加,页岩地层的水平井钻井过程往往伴随着一
系列井壁稳定问题。为此,利用坐标转换和弱面滑动破坏理论,建立了页岩地层水平井井眼破坏程度预测和坍塌
压力计算模型。利用所建模型分析了页岩地层产状对水平井井眼破坏形状的影响和坍塌压力的影响。分析表明,
页岩层理面滑动破坏后的水平井井眼总体呈“四叶状”,破坏程度较小时可能呈“狗耳朵”状;垂直于层理面或与层
理面夹角较小的水平井破坏程度较小,甚至不会发生层理面滑动破坏。所建模型及分析结果可用于优化页岩地层
水平井钻井方向,避免钻井过程中发生层理面滑动破坏,防止水平井井眼稳定因页岩层理面而恶化。     

脆性泥页岩椭圆形井眼坍塌规律分析

脆性泥页岩在钻井过程中受到钻头机械碰撞等容易造成井壁部分崩落,井眼形状偏离理想的圆形,按照圆形井眼研究地层坍塌规律会带来一定误差。为此,将真实井眼近似为椭圆形状,分析得到井壁应力分布模型,利用"弹性-应变软化-塑性"模型预测井壁坍塌压力,对影响脆性泥页岩直井井壁坍塌失稳因素进行敏感性分析,并利用有限元软件建模分析椭圆形井眼的塑性损伤破坏特性。研究结果表明:与常规圆形井眼相比,椭圆形井眼坍塌压力较高,且由于椭圆长轴端点处周向应力集中程度随椭圆度增加而增大,椭圆形井眼坍塌压力也随椭圆度的增大而进一步提高;脆性泥页岩塑性损伤破坏表现为局域化的破坏断裂带形式,而不是相对均匀的塑性区。研究结果对更好地认识脆性泥页岩的坍塌失稳机理有一定的指导意义。     

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利用下部钻具力学分析和钻头与地层相互作用模型来预测和控制井眼轨道对于大多数钻井作业来说仍是一个难题。文章分析了沿钻头的瞬时钻进方向向前差分存在的问题；在分析井眼轨道形状的基础上，提出了井眼轨道预测的4点新认识，建立了侧向钻速等于零的预测和控制准则；分别建立了井眼轨道预测方程、井眼轨道控制方程、钻具导向能力预测方程，并应用于国家重点科技攻关项目和“863”项目中。预测数据与实测结果误差较小。以井眼轨迹光滑为目标，将下部钻具组合三维力学分析与三维钻速方程相结合建立的井眼轨迹预测方程较其它轨迹预测方法具有明显的理论上的先进性和实际应用上的可靠性与准确性。     

定向井井眼轨迹预测与控制技术

影响井眼轨迹的主要因素有地质特性、钻具组合结构、井眼轨迹几何形状、钻井工艺参数等。在钻井过程中,预测是控制的基础,如果没有精确的井眼轨迹参数预测,就不可能实现准确的井眼轨迹控制。通过实践经验和研究归纳总结出了一套井眼延伸方向预测的实用程序及井眼轨迹控制原则,供现场钻井施工技术人员参考。     

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科学的井眼轨迹设计方法和精确的井眼轨迹预测与控制技术是确保定向井、丛式井、水平井、大位移井、老井重钻、复杂结构井等一系列特殊工艺井钻井成功，降低钻井成本的关键技术。科学的井眼轨迹预测不仅可以指导轨迹设计、预测实钻井眼轨迹参数，而且可以优化下部钻具组合、提高轨迹控制精度。文章对井眼轨迹预测理论及方法作了简要的分类，介绍了几种目前常用的井眼轨迹预测方法及其特点；提出了基于钻井系统动力学的井眼轨迹预测理论及方法，建立了新的预测模式，提出了井眼轨迹不仅与下部钻具组合和钻头与岩石互作用有关，而且与钻柱的振动和钻井液水力作用有关。     

椭圆形井眼的井壁稳定分析

本文分析了由井眼崩落造成的椭圆形井眼的井壁稳定问题，推导出了椭圆形井眼的地层破坏压力和地层坝塌压力的计算式，结果表明椭圆形井眼的破裂压力和坝塌压力都比圆形井眼大，从而提高了钻井液密度的设计下限。     

椭圆形井眼的井壁稳定分析

本文分析了由井眼崩落造成的椭圆形井眼的井壁稳定问题,推导出了椭圆形井眼的地层破坏压力和地层坍塌压力的计算式,结果表明椭圆形井眼的破裂压力和坍塌压力都比圆形井眼大,从而提高了钻井液密度的设计下限。     

定向井井眼轨道预测方法研究及其应用

对定向井片眼轨道进行预测是实现井眼轨道定量控制的关键.本文提出了井眼轨道预测控制的力-位移模型.在此基础上,建立了描述侧向切削问题的多元幂积模式,推导了预测井斜、方位及其变化率的基本预测公式,形成了井眼轨道预测控制系统,并进一步研制了适于井场快速预测的自适应信号跟踪顶测软件,针对IBM-PC微机,开发了定向井井眼控制预测软件包DTCPS.多例预测实践表明,使用该软件包预测井眼轨道,精度较高,相符程度较好.     

井底预测技术

井底预测是实现井眼轨道定量控制的基础。本文阐述了井底预测的性质,概括了影响井眼轨道的因素。根据井底预测的特点,将这个问题抽象为一些数学模型,给出了各种预测方法的理论依据和计算公式。实践证明,这些方法简单、快速、方便、实用,预测精度满足施工要求。本文提出的井底预测方法也可以作为井眼轨道预测的辅助手段,对指导现场施工具有重要意义。     

欠平衡钻井坍塌压力计算模型

欠平衡钻井过程中井壁稳定是保证欠平衡钻井成功的关键。在欠平衡钻井过程中，地层流体不断流入井内，促使井筒周围的应力将伴随地层流体的流入而重新分布，进而影响井壁的稳定性。根据原地应力产生的应力与地层流体向井眼径向流动产生的拖拽力叠加而求得了欠平衡钻井井周应力的解析解，考虑欠平衡钻井过程中地层流体对岩石拖拽作用后地层坍塌压力更大即井壁更易失稳，运用Mohr-Coulomb强度准则建立了欠平衡钻井坍塌压力的计算模型。将所建立的计算模型应用于塔中722井的井壁稳定性分析，结果表明：理论分析结果与工程实测数据对比，计算结果较为准确。     

A new well path optimization model for increased mechanical borehole stability

Borehole collapse is the commonly encountered wellbore stability problem during drilling. The precursor of such borehole failure can be often eliminated by a proper determination of the critical mud pressure. Recently, Al-Ajmi and Zimmerman developed a new 3D analytical model to estimate the mud pressure required to avoid shear failure (i.e., borehole collapse) at the wall of an arbitrarily oriented borehole. This was achieved by using linear elasticity theory to calculate the stresses around the borehole, in conjunction with the fully-polyaxial Mogi–Coulomb criterion to predict failure. This model was used to study the behaviour of the collapse pressure under different in situ stress regimes. We found that the optimal drilling trajectory is directly related to the principal in situ stresses. Accordingly, we now develop a new analytical solution to optimize well path. The stability model has been applied to several field cases, from the North Sea, Indonesia and the Arabian Gulf, and the new model in each case is consistent with the field experience. We conclude that the optimal wellbore profile can be ensured by employing this new analytical stability model.     

各向异性地层定向井井壁坍塌压力计算方法

层理性地层的力学性质和强度特征具有各向异性,受层理弱面的影响,钻井过程中容易发生井壁失稳的问题。各向异性地层中的井壁坍塌压力分析方法与普通完整性地层不同,强度准则应选用弱面破坏准则,并且层理面的存在也对井眼周围应力分布产生影响。对于各向异性地层中定向井钻进时井壁稳定的分析,需采用有限元等方法进行数值求解。某油田层理性泥页岩地层中不同井斜角和方位角条件下井壁坍塌压力的计算结果表明：定向井钻井中存在最佳钻入角,解决这类地层的井壁失稳问题主要应从控制井斜角和钻井方位入手,避免在井壁坍塌压力较高的井斜和方位范围内钻进定向井。     

节理煤层井壁稳定性的评价模型

对节理煤层的井壁失稳机理分析表明,近井壁的裂纹受到地应力和裂纹应力的双重影响,比煤岩块体更容易遭到破坏。用应力强度因子描述了裂纹的受力集中程度,利用强度准则构建了裂纹扩展破坏的判据,据此提出了节理煤层井壁稳定评价模型。该模型可以定量判断节理煤层直井或水平井井壁是否稳定,对其他节理地层的井壁失稳评价也具有借鉴意义。应用该模型并结合实例评价了煤储层水平井的井壁稳定,分析了裂纹倾角、井底压力、裂纹长度和井眼半径对应力强度因子的影响。对于节理煤层水平井,随着井底压力的增加,应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ呈线性减小,井壁稳定性变好;随着裂纹长度的增加,应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ也显著增加,井壁稳定性变差;裂纹倾角增大,应力强度因子K_Ⅰ减小,而K_Ⅱ增加,裂纹的抗张能力增强,抗剪能力降低,井壁的整体稳定性变差。当井径增加时,K_Ⅱ增加,抗剪能力降低,井壁的整体稳定性变差。节理煤层中井眼存在尺寸效应,煤岩中存在裂纹是其重要原因。裂纹与井径的比值越大,尺寸效应越明显。     

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在水平井钻井中，进行水平井造斜段实钻井眼轨迹中靶情况判别和待钻井眼轨迹的设计是非常复杂而又至关重要的问题，它们相互影响，并直接关系着水平井钻井的成败。文中揭示了实钻井眼轨迹和待钻井眼轨迹间的相互关系。首先通过实钻井眼轨迹数据和井下钻具的造斜能力来判别实钻井眼轨迹与原设计井眼轨迹的偏离情况，然后根据偏离的情况来修正待钻井段的井眼轨迹设计，并对待钻井段造斜钻具组合进行判别：当未发生偏离时，不改变原钻具组合，继续钻进；当实钻井眼与原设计轨迹发生偏离时，利用实钻中正在使用的造斜钻具另加一套稳斜钻具可准确钻达水平段的入靶点。这样可充分保证在钻达水平段入靶点时的垂深、水平位移都能达到原设计要求，为水平段在产层内准确钻进打下良好的基础。     

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。      

空气钻井随钻监测技术及其应用

为解决现有录井监测系统不能满足空气钻井现场的需要,容易出现钻具失效、井下燃爆、地层出水及井壁坍塌等复杂钻井问题。基于井下燃爆理论和监测监控系统技术,以井下燃爆监测成果为基础,应用UBD气体监测系统及其配套分析技术;通过多次在空气钻井现场监测服务,验证了该监测系统及分析技术的合理性和实用性,为安全顺利实施空气钻井提供了技术保障。     

螺旋井眼对随钻测井数据的影响及对螺旋井眼的识别、处理、建模和防治

螺旋井眼在钻井作业中普遍存在并产生诸多不良影响。当螺旋井眼发生在钻井作业中,会影响随钻测井数据质量和实时性,并且带来诸多后续作业困难。通过螺旋校正方法,能够在作业后改善测井数据曲线质量,并降低螺旋井眼带来的不良影响,但是随钻测井实时效益受到影响。论文应用钻具受压屈曲理论模型,通过三维有限元建模的分析方法,综合研究螺旋井眼形成的主要原因。针对某深海探井钻井案例,对比不同钻具组合设计和钻井参数下的钻具动力学响应,对比判断螺旋井眼的发生机率。采用该分析方法,在工具入井前即可优化钻具组合设计,预防螺旋井眼的产生;同时该模型分析可在作业中对调整作业参数提供建议,降低螺旋井眼产生带来的不良影响。     

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。