页岩卸荷能量演化特征试验研究

隧道、硐室和矿井等地下空间,应力卸荷是导致岩体破坏的主要原因之一。因此,为研究卸荷条件下的岩石破坏行为,以页岩为研究对象,开展恒定轴压卸围压三轴压缩试验。基于能量耗散与释放原理,分析试验不同阶段能量演化规律及临界围压对试样吸收的总能量和耗散能的影响,探讨卸荷条件下岩石破坏条件。研究结果表明,卸荷试验能量变化主要分为能量聚集阶段、能量耗散阶段和能量释放3个阶段:(1)外力对试样做的功主要以弹性能形式存在;(2)外力所做的功主要耗散于微裂纹形成、扩展,岩石强度降低,此阶段耗散能迅速增加而弹性能基本保持不变;(3)当岩石强度降低到一定程度时,弹性能瞬间释放,岩石破坏。     

龙马溪组页岩地层井壁坍塌周期预测

针对页岩层理结构和水化特性易导致钻井过程中井壁坍塌的问题,开展岩石三轴力学实验,以确定不同钻井液作用时间下的页岩力学参数;综合考虑层理产状和水化作用对页岩强度的影响,建立页岩地层井壁稳定性分析模型,预测页岩地层坍塌周期。计算分析表明：层理产状变化使得坍塌压力分布更为复杂,水化作用使得坍塌压力在钻井初期迅速升高;层理和水化作用导致的坍塌压力增量分别为0.26~0.38 g/cm³和0.60~0.79 g/cm³,缩短了页岩地层的坍塌周期。该模型能准确预测坍塌周期,对优化钻井液性能,调整钻井液密度,保证井壁稳定有重要意义。     

环空渗流诱发环空带压机理研究

随着天然气井的开发,持续环空带压问题越来越突出,对安全生产造成了严重的威胁。造成环空带压的原因较多,主要可分为温度效应诱发的环空带压、密封失效诱发的环空带压以及气体运移诱发的环空带压。针对日益严重的环空带压问题,文章根据井身结构、天然气性质,对由气体运移诱发的环空带压进行了研究,并建 立了由此诱发的环空带压计算模型。在建立数学模型过程中,将天然气在水泥环中的渗流简化为低渗透多孔介质的不稳定渗流,并在漂移模型基础上建立了气体在水泥环上部液柱中的瞬态运移模型。根据某气井数据进行了实例分析计算,并记录12.7mm针型阀放压和关闭针型阀24h内压力下降曲线和压力上升曲线。结果表明,所建模型计算出的环空带压值与现场检测数据相吻合,这为SCP风险评估和制定解决方案提供了依据。     

基于腐蚀时间效应的含H_2S/CO_2环境中的腐蚀速率预测模型

高含H_2S/CO_2高温高压气井中井筒油管、套管的腐蚀已成为制约井筒完整性的主要因素,一旦井筒完整性失效将会给油气田的开发造成重大影响,并可能导致严重的人员安全、环境及经济损失。由于高温高压H_2S/CO_2环境腐蚀机理较为复杂,国际上使用较为广泛和经典的DE Waard腐蚀速率计算模型已不能预测类似高温高压复杂环境下井筒的腐蚀速率。目前,实验室通常开展短期的腐蚀测试试验,并以此数据预测长期的腐蚀速率,但长期的腐蚀速率与短期腐蚀速率差异甚大。因此,为了准确地预测服役寿命周期内油套管的腐蚀状况,采用自主设计制造的高温高压材料损伤试验平台,模拟气井井筒的实际腐蚀环境,开展CO_2、H_2S腐蚀环境中的电化学腐蚀速率测试试验,研究了不同测试时间下的腐蚀速率,分析了腐蚀速率的时间效应。结果表明:在管柱服役早期,其腐蚀速率较大,随着服役时间的延长,由于形成了腐蚀产物膜以及腐蚀性气体浓度的降低,腐蚀速率逐渐降低直至稳定于某一较低值。最后,利用数理统计方法建立了考虑腐蚀时间效应的腐蚀速率预测模型,可为合理选择油套管材质和油气井的安全评价提供依据。     

基于弹性应变能强度准则评价井壁稳定性

岩石强度准则是石油工程的重要基础理论,对于井壁稳定性研究更是不可或缺。然而,以经典弹塑性理论的岩石强度准则作为井壁失稳判断依据时所得结果,往往与现场实际情况存在较大误差。开展三轴力学试验,测试岩石不同围压条件下的极限储能,从能量角度建立岩石能量强度准则,并与其他强度准则对比分析了井壁的稳定性。计算结果表明:使用不同强度准则所得坍塌压力相差较大,其中Hoek-Brown准则的坍塌压力过低且存在井壁坍塌风险,Mohr-Coulomb和Drucker-Prager准则的结果过于保守且存在压破地层风险,而根据能量强度准则所得坍塌压力则能保证井壁不塌不漏。该准则是井壁稳定评价的一种新方法,为钻井液密度设计提供了可靠的理论依据。     

浅层页岩气投球转向压裂工艺及应用

水力压裂过程中,投暂堵球封堵孔眼是一种低成本的限流转向工艺,能有效提高改造体积。本文通过研究暂堵球在水平井段的运动规律,分析了影响暂堵球座封孔眼效率的因素,得到了泵送排量、暂堵球直径、孔眼数量与座封效率的关系。分析结果表明：常规施工排量以及暂堵球粒径都满足使暂堵球稳定座封于孔眼的条件,并且提高施工排量、合理选取暂堵球直径有利于提高暂堵球封堵孔眼效果。现场投球暂堵转向应用表明,暂堵后地层开启新破裂,同时也增加了裂缝的条数。通过对暂堵球座封孔眼效率影响的分析,可为现场投球转向工艺提供工程指导。