南堡沙河街组硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法

南堡沙河街组硬脆性泥页岩是典型的井壁易失稳地层,钻井过程中,井壁垮塌、漏失现象频发。目前,针对页岩井壁失稳现象,研究主要集中在结构面影响下的井壁垮塌。然而,实际钻井过程中,由于泥页岩层理、裂缝等结构面发育,导致地层漏失明显,严重制约了安全高效钻井。因此,基于室内力学实验,考虑页岩结构面发育特征,融合页岩沿基体破裂、沿层理或裂缝破裂及沿裂缝扩展等多类漏失机制,构建了一种新的硬脆性泥页岩地层漏失压力预测方法,明确了地层漏失压分布特征及影响因素。研究结果显示:层理与天然裂缝作为典型弱结构面,是硬脆性泥页岩地层漏失的主要控制因素。相比较均质地层,结构面发育的页岩地层漏失压力明显降低,安全井眼轨迹方位减少,钻井难度增大。此外,受弱结构面影响,难见沿基体的破裂漏失现象。漏失优先出现在天然裂缝面,天然裂缝对漏失影响强于层理面。研究成果可为硬脆性页岩地层钻井设计提供理论基础,对实现页岩地层安全高效钻井具有重要意义。

玛湖凹陷风城组岩石力学参数自适应权重组合预测

准噶尔盆地玛湖凹陷风城组岩性复杂,为准确预测其岩石力学参数,提出了一种自适应权重组合预测方法。首先分析、对比传统方法和不同机器学习算法(BP神经网络、XGBoost、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)、卷积神经网络(CNN)、决策树(CART)、长短时记忆神经(LSTM)网络等)的预测效果,传统方法难以准确预测岩石力学参数,而不同机器学习算法的预测效果不同,其中抗压强度、抗张强度和脆性指数预测的最优机器学习算法模型为SVM,弹性模量为BP,泊松比为RF,内聚力为XGBoost,内摩擦角和断裂韧性为LSTM网络;单一机器学习算法难以实现对多个岩石力学参数的同步准确预测。在此基础上,通过对不同岩石力学参数选取不同预测基模型,再根据基模型预测效果赋予权重并进行组合,以开展自适应权重组合预测。结果表明,该方法能够有效提升机器学习算法的预测精度和泛化性能,可实现复杂岩性地层多个岩石力学参数的同步准确预测。

酸作用下碳酸盐岩刻蚀形貌及力学性能研究

碳酸盐岩在化学和力学作用下结构及力学特征是该类储层酸压技术有效性评价的重要研究课题。以海相碳酸盐岩为研究对象,开展了20%HCl胶凝酸对碳酸盐岩结构和力学性能影响的室内实验研究。基于矿物组成,将碳酸盐岩划分为灰岩、含云质灰岩、含灰质云岩和云岩4种类型,相对于灰岩的均匀刻蚀,酸在含云质灰岩表面选择性刻蚀,形成蚓蚀刻槽,而含灰质云岩和云岩则以点状刻蚀和沿着结构面侵蚀为主。酸作用前碳酸盐岩具有基质强度主导的剪切破坏特征,而酸作用后改变了岩石内部结构,导致碳酸盐岩更易在拉张应力作用下发生破坏,更容易劈裂破坏或沿结构面破坏。酸作用后碳酸盐岩的宏观强度降幅远大于基质强度降幅,酸液通过侵入岩石内部,在岩石内部形成更多微观缺陷,表现为峰值应力时弹性能占比降低和耗散能占比增加,因此其宏观力学性能劣化是基质强度劣化和内部结构改变共同作用的结果。研究结论对于碳酸盐岩现场酸压实践以及后续生产方案制定提供一定指导。

准噶尔盆地南缘异常高压泥岩段地层压力预测方法

准噶尔盆地南缘安集海河组泥岩层段为异常高压地层,但地层异常高压的成因机制尚不清晰。此外,该泥岩层段具有强流体敏感性,易造成测井信息产生偏差,不利于地层压力预测。为此,考虑流体作用对泥岩物性参数的影响,建立了测井物性校正方法。在此基础上,综合声速-密度曲线与综合压实曲线,揭示了泥岩地层异常高压成因机制,融合有效应力理论与多元回归分析方法,构建了泥岩段多参数地层压力预测方法。研究表明:准噶尔盆地南缘泥岩地层高压成因机制为欠压实、构造挤压以及构造压实;测井校正后,随有效应力增加,泥岩纵波时差、孔隙度、自然伽马和平均水平应力减小,密度增大;有效应力与纵波时差、密度、孔隙度呈线性关系,与自然伽马、平均水平地应力呈指数相关。以此为依据,构建了泥岩地层压力测井预测方法,验证了其适用性。研究成果有助于研究区泥岩段钻井方案设计,对准噶尔盆地南缘区域油气高效勘探开发具有重要意义。

川西中坝致密砂岩气储层微观孔隙结构特征及分类评价

川西中坝地区致密砂岩储层经历复杂的沉积作用和成岩演化,导致其储层物性差、孔隙结构复杂且非均质性强,给储层有效性评价和“甜点”预测带来困难。针对这一问题,以中坝地区须家河组致密砂岩储层为例,基于气测孔渗、铸体薄片、高压压汞及扫描电镜等岩石物理实验,系统评价了储层微观孔隙结构特征,并结合流动单元理论及BP神经网络技术进行储层分类测井评价,明确优质储层发育及分布特征。结果表明:研究区目的储层物性差,储集空间主要为次生粒间孔和溶蚀孔,喉道类型以点状和缩颈状为主,孔径主要为纳米—亚微米级;基于流动单元对储层进行分类,将储层分为4类(Ⅰ—Ⅳ)。流动单元指数(FZI)可有效表征储层孔隙结构及渗流特征,研究区须二段主要发育Ⅱ、Ⅲ类储层,气藏中部ZB9-65-46井区域Ⅰ类储层发育;中坝主体构造储层厚度大,以Ⅱ类储层为主,老坪坝和构造鞍部发育储层多为薄层,以Ⅲ类储层为主;有效储层纵向上主要发育在须二段上部,其厚度占储层总厚度的73.60%。研究结果可为同类型致密砂岩气藏的储层评价及高效开发提供科学依据。

海陆过渡相储层不同岩性断裂特征及其对压裂的影响

岩石断裂力学性质是决定储层压裂改造效果的内在地质力学基础,明确海陆过渡相储层不同岩性断裂力学性质对于优化压裂改造措施、改善造缝效果具有现实意义。以鄂尔多斯盆地东缘海陆过渡相储层为研究对象,开展储层多种岩性断裂韧性测试,明确储层不同岩性断裂力学特征及影响因素,并在有限元平台建立了具有测井岩石力学参数分布特征的压裂数值模型,着重研究了岩性组合对裂缝高度扩展规律的影响。结果表明:海陆过渡相储层岩性复杂,富含石英和黏土矿物,力学变形破坏呈较强的脆性特征;与海相页岩相比,海陆过渡相储层岩石具有低断裂韧性的特点,断裂韧性值大小呈现煤岩<碎屑沉积岩<灰岩的特征,其中植物碎屑、纹层等弱结构面通过改变断裂路径影响相应岩性的断裂韧性,有较强的劣化作用;储层岩石静态弹性模量是控制不同岩性断裂韧性的重要力学因素,断裂韧性与静态弹性模量具有线性正相关性;储层岩石具有较强的层间力学非均质性,水力裂缝高度倾向钝化于由泥岩层进入砂岩层过程中,储层夹煤层将明显降低裂缝高度,增大支撑剂在储层非均匀铺置的概率。储层地应力对裂缝高度形态的影响与岩性组合有关,因此在前期水平井穿行轨迹选择需要重视水平井上、下岩性组合特征对后续水平井压裂效果的影响。

基于液相敏感性与加卸载机制的泥岩地层压力预测方法

地层压力是井壁稳定分析的重要参数,尤其在异常高压泥岩段的高压机制复杂,且泥岩具有强液相敏感性,不利于地层压力预测,钻井风险高。基于此,以准噶尔盆地南缘安集海河组泥岩层段为例,考虑流体作用对泥岩物性参数的干扰,建立了泥岩地层物性参数的测井校正方法。结合声速-密度版图法与综合压实曲线法,揭示了泥岩地层异常高压的成因机制;基于高压成因机制,依据加卸载理论与有效应力原理构建了南缘泥岩段地层压力预测方法。结果表明:由于泥岩地层高黏土含量与油水两亲性,水相与油相介质均对泥岩物性具有显著影响,必须开展校正工作;在测井校正后,明确了泥岩段具有加载与卸载的高压成因机制,阐明了加卸载条件下泥岩有效应力与岩石物性的相关性;本文方法较Eaton法、等效深度法、加卸载预测方法、多参数综合预测法等地层压力预测方法具有较高精度。本文建立的泥岩段地层压力预测方法已在准噶尔盆地南缘地层压力预测中取得成功应用,预测地层压力与实测地层压力吻合度高,可为异常压力泥岩段的地层压力预测和泥岩地层安全高效钻井提供借鉴。

硬脆性泥页岩井壁稳定渗流-力化耦合研究

硬脆性泥页岩发育弱面结构且具有水化特性,易造成钻井过程中井壁失稳问题。在室内定量分析了钻井液对岩石弱面强度、基体强度、孔隙空间的影响程度。基于实验结果,利用线弹性理论和单一弱面准则,建立了考虑弱面结构、水化和渗流作用的渗流-力化耦合井壁稳定模型。实例计算表明:弱面结构的存在使得坍塌压力上升;弱面结构产状变化,造成坍塌压力分布复杂,不再存在单调变化的井斜方位;渗流应力变化对钻井初期坍塌压力影响较小,但在后期影响明显。该模型能准确地计算硬脆性泥页岩地层坍塌压力,对钻井工程有一定指导意义。

水化作用和润湿性对页岩地层裂纹扩展的影响

页岩地层裂纹扩展对页岩气井井壁稳定有重要影响,而钻井液与页岩间相互作用(毛细管效应和水化作用)将对页岩地层裂纹扩展产生影响。选择四川盆地龙马溪组露头及井下岩心开展室内实验研究页岩润湿性和水化作用,基于断裂力学理论,考虑水化作用和润湿性(毛细管效应),建立页岩裂纹裂缝扩展模型,分析了水化作用和润湿性对页岩裂纹扩展的影响。研究结果表明,龙马溪组页岩表面既亲油又亲水,且页岩表面更倾向于油湿;页岩浸泡在水中,水化应力随着时间增加而先上升后趋于稳定,而先浸泡在白油中、后浸泡在水中或浸泡在10%KCl溶液中测试膨胀应力,水化应力上升速度减慢;页岩浸泡在水中,岩样表面形成的裂缝主要平行于层理面,随着时间增加,岩样保持完整或剥落成碎块,而页岩浸泡在10%KCl中,岩样表面形成裂缝数量少且破裂程度轻;水化作用和润湿性对应力强度因子增量影响较大及对页岩裂纹扩展有重要影响,钻井液体系应减小钻井液滤失量及钻井液界面张力、增加黏土矿物水化抑制剂和增大钻井液与页岩表面接触角,减小自吸作用,抑制水化作用。油基钻井液与页岩表面接触角小,但其界面张力小,造成毛细管力小,因此页岩地层钻井中,采用油基钻井液能在一定程度上抑制裂纹扩展,使井壁不易失稳。

川南地区龙马溪组页岩孔隙结构的分形特征

分形维数是多孔介质不规则程度的度量。对川南下志留统龙马溪组页岩的氮气吸附法测量结果分析，采用基于FHH模型的分形维数计算模型，得到龙马溪组页岩孔隙的分形维数。川南龙马溪组页岩具有明显的分形特征及较大的分形维数，分形维数变化范围在2．6005～2．648，平均为2．6252。页岩分形维数与页岩比表面积和孔容呈正相关，且页岩中的微孔对页岩分形维数有重要影响。有机质、石英和黏土矿物对页岩分形维数影响较大，长石和碳酸盐对页岩分形维数影响较小；页岩分形维数与有机碳含量和石英含量呈正相关，而与黏土矿物含量呈负相关，其中黏土矿物中伊利石和绿泥石对页岩孔隙结构影响不同。页岩分形维数越大，页岩孔隙结构越复杂或孔隙表面越粗糙，页岩的吸附气体能力越强，但页岩气的解吸、扩散及渗流变得越困难。

两性离子聚合物黏土水化抑制剂的合成与性能

以丙烯酰胺(AM),2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和氯化N-甲基-N-烯丙基咪唑(MAC),烯丙醇聚氧乙烯醚(APEG)制备了一种耐温耐盐四元共聚物AM/AMPS/MAC/APEG,并对该聚合物进行了红外、核磁表征,考察了聚合反应条件对聚合产物防膨率的影响,探讨了不同条件下合成聚合物溶液及其与KCl复配体系对膨润土的防膨能力以及对伊利石和泥页岩水化作用的影响。结果表明:最佳合成条件为:单体总量为20%,单体配比AM/AMPS/MAC/APEG为90∶5∶3∶2,引发剂(亚硫酸钠/过硫酸铵,摩尔比1∶1)加量0.2%,p H值4,反应温度40℃。合成聚合物具有较强的抑制能力。浓度为20 g/L合成聚合物溶液对膨润土的防膨率为79%,且能明显降低伊利石的水化膨胀应力,同时30 g/L合成聚合物与5 g/L的KCl复配后能够将泥页岩在水溶液浸泡后的压入硬度保留率由在水中的21.7%提高至69%。

天然裂缝对页岩储层网状诱导缝的控制作用

页岩地层只有借助体积改造技术形成网状裂缝系统才能实现有效开发,而网状裂缝形成的必要条件是诱导缝沿天然裂缝转向。借助RFPA2D数值仿真软件,从岩石力学角度出发开展诱导缝转向规律的机理研究。结果表明,天然裂缝的长度、走向等都会影响诱导缝转向的难易程度,裂缝长度越大、与最大主应力夹角越小,发生转向的可能性越大;其次,诱导缝起裂的角度也会影响其转向,起裂方位与最大主应力夹角越大,诱导缝沿天然裂缝转向越容易。文章还分析了复杂裂缝性地层诱导缝延伸规律,直观地再现了诱导缝依次打开天然裂缝并分叉的现象,并证明了只有诱导缝沿天然裂缝转向才可能形成复杂诱导缝体系。

龙马溪组页岩的力学特性及破坏模式研究

井壁稳定性是页岩气勘探开发关键技术的核心问题之一。针对页岩井壁稳定问题,以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,结合实际钻井情况,开展了不同围压、加卸载模式、取芯角度、流体浸泡等一系列岩石力学实验,为页岩气的勘探和开发提供基础数据。研究表明:四川盆地龙马溪组页岩单轴抗压强度较高,脆性较强;卸载作用造成岩样破坏更加剧烈,破坏模式更加复杂;取芯方向与层理面夹角为15°时,岩样的抗压强度和内聚力最低,夹角为45°时,岩样的破坏最剧烈;流体浸泡使岩样的强度和内聚力大幅下降,岩样以剪切破坏为主,浸泡过油基钻井液的岩样的强度和内聚力损失最小;随浸泡时间的增长,岩样的内聚力和内摩擦角先快速降低后趋于平缓。

天然裂缝对页岩储层井周诱导缝形成扩展的影响

页岩储层物性极差,必须通过体积改造形成网状裂缝系统才能实现经济有效开发,掌握页岩地层中诱导裂缝延伸规律是成功实现缝网压裂的基础。借助基于细观损伤力学和弹性力学研发的岩石破裂分析系统RFPA2D,开展了页岩储层在水力压裂过程中的裂缝形成及延伸规律研究。在考虑到地层非均质的前提下,结合页岩本身的力学特性,分析了井周天然裂缝长度及密度对井周诱导缝形成及发展的影响。结果表明,井壁天然裂缝越长、密度越大,其开启可能越大,开启后伴生诱导缝发育程度越高。另外,对不同地应力差下天然裂缝长度影响开展的研究表明,低应力差下,即使天然裂缝较短,也会被打开,伴生诱导缝延伸具有较强的随机性,在天然裂缝长度较长的情况下,伴生诱导缝倾向于沿天然裂缝方向继续发展。

灰色理论在裂缝性储层测井识别中的应用

裂缝预测识别是裂缝性储层评价的关键技术之一。本文基于灰色关联理论,开展了裂缝性储层的常规测井识别研究。研究结果表明,基于灰色关联理论的裂缝性储层常规测井识别,具有较好的效果,为裂缝性储层的识别评价提供了新思路、新途径。

页岩水化特征及其井壁稳定分析

为深入研究页岩的水化特征及水化对井壁稳定的影响,以鄂尔多斯盆地石盒子组页岩为研究对象,开展了钻井液浸泡前后岩样的超声波透射实验、层理面直剪实验、三轴压缩实验,探讨了页岩水化的声学性质变化与岩石力学特征,分析了页岩水化对坍塌压力的影响。结果表明:弹性模量、泊松比等参数的变化难以准确评价页岩的水化特征,声波时差、衰减系数、时域曲线、频域曲线等超声波信号可作为研究页岩水化特征的有效手段;页岩水化直接导致其岩石力学性质发生变化,水化是坍塌压力上升的主要原因之一,对井壁稳定造成潜在的威胁;井壁稳定设计时应充分认识页岩的水化特征,避免井壁坍塌,确保钻井施工安全进行。

四川某滑坡成因机制分析及稳定性评价研究

所研究滑坡位于四川东部某市境内,滑坡变形分布较为零散,规律性相对较差。鉴于该滑坡紧邻市区,危害严重,对其进行了成因机制的分析及稳定性的评价研究,以期为该滑坡的防治与治理工程提供科学依据。该滑坡为一小型土质顺层古滑坡体,受下覆基岩面的控制和滑坡体西北侧开挖临空面的影响,滑坡发生沿S82°W方向的滑动,同时向临空面产生方向约为N37°W的局部次级滑动。稳定性分析结果表明,在暴雨工况下,该滑坡将沿主滑方向发生失稳。

页岩声学参数与力学参数相关性的试验研究

用实验方法探讨了页岩的波速和衰减系数与抗压强度、弹性模量,泊松比的相关性。结果表明:1纵波波速建立的力学参数模型比横波波速模型的相关性要好;2除纵波波速与弹性模量模型的相关性较好外,纵波波速反演抗压强度、泊松比的误差较大;3纵波衰减系数与弹性模量、泊松比、抗压强度分别呈正相关指数、负相关线性和负相关多项式关系,且纵波衰减模型比波速模型的拟合效果好;4综合考虑波速和衰减系数建立的抗压强度模型、弹性模量模型、泊松比模型比单一因素模型反演精度更高,纵波波速和衰减系数。综合模型的相关性系数均大于0.85,完全能满足工程需要。其中横波的波速、衰减系数的抗压强度模型与纵波的波速、衰减系数模型预测结果相近,可用以验证纵波抗压强度预测效果。

基于极限平衡理论定量评价井壁稳定性

井壁稳定性的准确评价对优化井身结构、优选完井方式、提高固井质量、提高测井解释精度等具有极其重要的指导意义。井壁稳定归根结底是井周应力状态与地层岩石强度的平衡关系问题。基于极限平衡理论从受力与材料强度两方面出发,应用统一处理平衡方程与破坏准则,分析了井周的应力分布,得出在与原水平最大主应力方向夹角为90°和270°处,井壁最易坍塌;夹角为0°和180°处,井壁最易破裂。进而提出了井壁的坍塌评价系数Sc和破裂评价系数Sf,当Sc=1或Sf=1时,井壁处于极限平衡状态;当Sc>1、Sf>1时,井壁稳定,且值越大,井壁越稳定。井壁坍塌评价系数和破裂评价系数为评价井壁稳定性提供了定量指标。

基于接触理论研究裂缝性储层应力敏感性

较强的应力敏感性是裂缝性储层的重要特征之一,并直接关系到裂缝性储层开采方案的制定。基于Brown&Scholz粗糙面接触理论,从细观上建立了裂缝面弹塑性接触模型,并依据此模型进行了裂缝应力敏感性分析。结果表明,裂缝的开度或渗透率越大,则相应储层的应力敏感性愈强。该模型的建立对裂缝性储层开采方案的合理制定具有一定的指导意义。