深部砂岩力学实验及储层开采出砂影响规律

为研究深部储层砂岩在高温、高压、高应力状态下的开采出砂规律及主控因素,以克深区块为研究对象,开展了相应的岩石力学实验和数值模拟分析。实验岩心取自该区块致密砂岩储层,通过实验获得了高温高压下岩石的弹性模量、内聚力和内摩擦角等参数及其变化规律。结合实验结果和该地区地质特征,建立了深部砂岩储层直井开采热流固耦合模型,并利用有限元软件进行求解;通过分析储层Mises应力、等效塑性应变等参数变化特征,结合出砂判别标准,得到了不同开采条件下的出砂影响规律。采用正交试验设计方法进行了出砂敏感性因素分析,获得了其出砂的主控因素。研究结果表明:水平地应力的非均匀程度对储层开采出砂的影响最大,岩石胶结强度和生产压差的影响次之,地层温度变化影响相对较小。

页岩气储层井壁坍塌压力研究

页岩气储层各向异性强,易发生井壁失稳。利用四川盆地所取页岩气储层岩芯测试钻井液对页岩基体及层理面强度的影响规律,结合单一弱面准则,建立页岩气井井壁稳定预测模型,分析层理面倾角、钻井方位、钻井时间及钻井液类型等因素对页岩储层水平井坍塌压力的影响规律。研究结果表明:层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁会发生本体破坏;沿最小水平地应力方位附近钻进水平井最容易发生井壁坍塌;随钻井时间的增加,坍塌压力逐渐升高,井壁破坏形式可能会由初始的页岩基体破坏变为层理面破坏;使用油基钻井液比使用水基钻井液更容易保持井壁的长期稳定。研究结果可以为页岩气井钻井设计提供参考依据。

压力衰竭储层井壁稳定性变化规律研究

油气田在开发中后期会发生储层压力衰竭,压力衰竭将导致储层地应力发生变化,进而影响钻井中的井壁稳定性。从压力衰竭对储层地应力的影响入手,结合压力衰竭地层的井周应力分布规律对安全钻井液密度窗口随压力衰竭程度的变化规律进行了研究。结果表明,在压力衰竭储层钻定向井时存在一个中性角,当井斜角小于中性角时,压力衰竭使安全钻井液密度窗口变宽;当井斜角大于中性角时,压力衰竭使安全钻井液密度窗口变窄;中性角的大小与地层压力衰竭程度无关,与钻井方位有关,保持井斜角小于中性角并远离水平最大地应力方向有利于压力衰竭地层的钻井安全。研究结果可以为油气田在不同压力衰竭时期的钻井设计提供参考。

安全钻井液密度上限的确定方法

当钻井液密度达到安全钻井液密度窗口的上限时,井壁并不只是发生拉伸破裂,还有可能发生剪切破裂。为此,根据井壁围岩的应力分布规律,分析了井壁破裂时可能发生的各种破坏模式,并给出了相应的3个破裂压力计算公式。在此基础上,定量分析了地应力非均匀性、地应力大小、地层强度和孔隙压力对井壁破裂时破坏模式的影响规律。结果认为:地应力非均匀性较小时,井壁易发生剪切破裂,发生拉伸破裂的可能性随地应力非均匀性的增强而增大;当水平地应力较小时,剪切破裂和拉伸破裂均有可能发生,随地应力增大,发生拉伸破裂的可能性减小;地层强度和孔隙压力越大,井壁发生拉伸破裂的可能性越大。最后,通过东方13-1气田的1口井实例分析说明了在确定安全钻井液密度窗口上限时,必须考虑剪切破裂发生的可能性,应以发生拉伸破裂和剪切破裂所需钻井液密度的最低值作为安全钻井液密度窗口的上限。

深水油气田控制井眼缩径的钻井液密度研究

深水地层上覆岩层压力低,钻井安全泥浆密度窗口窄,发生井下事故的风险更大,需要确定水平井眼的变形规律,减少或避免因疏松砂岩储层蠕变缩径造成的井下复杂情况和事故。荔湾3—1气田是我国第一个即将投入开发的深水油气田,利用分级加载的方式测试了荔湾3—1气田疏松砂岩储层的蠕变变形规律。应用拉格朗日元法进行数值模拟计算,得出了荔湾3—1气田疏松砂岩储层水平井井眼缩径变形随时间的的变化规律和控制井眼缩径率的钻井液密度图版,分析了水深对水平井井眼变形的影响。结果表明,在相同条件下,深水油气田因疏松砂岩储层蠕变缩径而影响水平井安全钻进的风险比陆地和浅水油气田更小。研究结果对确定深水水平井安全钻井周期和开展水平井极限延伸长度的研究具有指导意义。

CO_(2)改造水合物藏海底边坡稳定性研究

为了深入研究CO_(2)改造后天然气水合物藏开采过程中海底边坡的稳定性,首先,通过含水合物试样的三轴力学实验,建立CO_(2)改造CH_(4)水合物藏及开采过程中地层力学参数的动态演化模型;其次,利用ABAQUS软件进行二次开发,建立了描述注CO_(2)改造CH_(4)水合物藏的温度-渗流-应力-饱和度多场耦合模型;最后,结合边坡稳定性分析中的强度折减法,研究注CO_(2)改造后进行CH_(4)水合物开发的边坡稳定性。研究结果表明:CH_(4)水合物试样和CO_(2)水合物试样的弹性模量、峰值强度和内聚力都随饱和度增加而增大;在相同水合物饱和度下,CO_(2)水合物沉积物的强度高于CH_(4)水合物沉积物的强度;在CH_(4)水合物储层的盖层中注入CO_(2)改造后再进行降压开采,海底边坡发生滑坡的风险大幅下降;随着注CO_(2)改造层厚度和范围增大,海底边坡抵抗滑坡的能力增强;对CH_(4)水合物储层的下伏地层进行改造比对上覆盖层进行改造更利于水合物开采后边坡的稳定。

深水钻井井壁稳定性评估技术及其应用

深水地层上覆岩层压力低,井眼破裂压力低,安全钻井液密度窗口窄,易发生井壁失稳,因此,准确评估安全钻井液密度窗口对深水钻井十分必要。深水地层井壁稳定性研究难点在于准确评估上覆岩层压力与建立浅层井眼坍塌压力和破裂压力计算模型,针对国外现有模型中对深水地层密度评估存在偏差的问题,从深水地层特性出发,认为深水浅层和深层处于不同的成岩阶段,应采用不同的模型进行密度评估;针对深、浅层井周应力状态的差异,分别对深水浅层和深水深层的井壁稳定性进行研究,得出了安全钻井液密度窗口计算的分段模型。利用该模型对南海某深水气田的安全钻井液密度窗口进行了评估,评估结果与实钻情况吻合,表明该模型准确、可靠,为深水钻井液密度设计提供了重要依据。

深水油气田钻井安全密度窗口计算方法

近年来深水油气勘探发展迅速,与陆上及浅海区域的钻井相比,深水上覆岩层压力较低,容易发生漏失。另外,深水浅层泥页岩也容易发生水化坍塌。因此,深水钻井中要求提供更精确的安全密度窗口,以防止发生复杂事故。通过借鉴陆上与浅海地区钻井中的井壁稳定性分析方法,结合深水钻井自身特点,得出了深水钻井安全密度窗口计算方法,其中上覆岩层压力利用密度积分方法计算,孔隙压力可以利用测井数据根据Eaton法进行计算。针对深水浅部地层的特殊性,建立了塑性区半径评价法用于浅部地层坍塌压力计算,并且认为深水钻井中漏失压力等于水平最小主应力,钻井中将漏失压力作为允许使用钻井液密度的上限。根据上述计算方法可以得出深水钻井的安全密度窗口,为钻井工程提供参考。

深水浅层破裂压力计算方法

假设深水浅部地层为均质、各向同性的理想弹塑性材料,将井眼周围的地层分为弹性区和塑性区两部分,地层屈服后服从Mohr-Coulomb强度准则,推导出深水浅层不排水时的塑性区半径和井周应力场的理论解答,引入土力学中的超孔隙压力理论,得出井眼钻开引起的超孔隙压力在井眼周围的分布规律,结合水力压裂理论分析了深水浅部地层的破裂机理并推导出破裂压力的理论公式。该理论的计算结果与工程实测结果接近,证明该理论的可靠性的。深水浅部地层未成岩,在分析深水浅部地层的地质力学问题时,应当考虑引入土力学中的相关理论进行分析。

深水钻井安全钻井液密度窗口计算模型的建立与应用——以西非AKPO深水油田为例

以西非AKPO油田为例,对深水浅层和深层的井壁稳定性分别采用塑性力学和弹性力学理论进行了研究,建立了深水钻井安全钻井液密度窗口计算模型。该模型在AKPO深水油田钻井实践中得到了验证,对类似深水油田井壁稳定性分析有借鉴意义。

涡流钻头降压机制及设计原则

涡流钻头通过反向喷嘴和高速旋转形成负压漩涡,降低井底压差,提高钻井的机械钻速.对涡流钻头降压机制进行研究.采用混合网格计算方法分析反向喷嘴的轴向倾角、径向倾角、上返流量、出口高度和旋转速度等对涡流钻头降压性能的影响,并提出涡流钻头的设计原则.结果表明：反向喷嘴下方井底钻井液回流是影响涡流钻头降压能力的主要因素.涡轮钻头设计的理论原则：轴向倾角为150°～ 180°、径向倾角为60°～75°、上返流量大于30％、反向喷嘴的出口高度为100～140 mm,井壁间隙应小于3 mm,尽可能地提高钻头旋转速度.

基于钻井和测井数据的水平地应力分析新方法

分析地应力的大小和方向是油气勘探开发中的一项重要工作,油田地应力测量可以通过现场试验或室内实验手段测量地应力大小,但不能获得地应力的纵向连续剖面。利用钻井数据和测井数据结合地应力解释模型能够解决这一问题,其中的关键技术是确定构造应力系数的大小,为此建立了一种根据钻井中的地漏试验数据和钻井液密度、井壁坍塌数据分析构造应力系数的新方法。依据该方法建立井周应力约束条件,能够快速准确得出构造应力系数,进而利用测井数据计算水平主应力大小随井深变化的连续剖面。

莺歌海盆地DF13-1气田井壁稳定性研究

DF13-1气田是高温高压气田,温度会对井壁稳定产生很大影响。传统的井壁稳定模型多未考虑温度的影响,为研究东方13-1气田的井壁稳定,在室内试验的基础上研究了该气田地层强度纵向分布规律,建立了考虑温度效应的井壁稳定分析模型,分析了温度对井壁稳定性的影响。指出在DF13-1气田钻井最大的挑战是井壁温度降低使破裂压力大幅降低,从而导致钻井液漏失,而钻井液密度过低又无法压住地层高压,准确预测地层破裂压力是DF13-1气田安全钻井的关键。在高温高压储层钻井时,考虑井壁温度变化的影响能提高安全钻井液密度窗口预测精度,对实际钻井具有指导意义。

南海神狐海域水合物地层多物理场耦合模型及井壁坍塌规律分析

为了研究水合物地层钻井过程中井壁及近井地层力学稳定性的演化规律,采用ABAQUS软件建立考虑水合物相变的“热-流-固”多物理场耦合井壁稳定分析模型,通过自适应网格方法模拟地层的坍塌过程,并对不同钻井时间、钻井液温度及钻井液密度下井壁坍塌演化规律进行分析。基于分析结果建立不同钻井液温度、钻井液密度及钻井时间时的井眼扩径图版。研究结果表明:井壁坍塌会导致地层传热路径发生改变,产生更大的水合物分解范围及塑性区范围;随着钻井时间增加,井周地层塑性变形的累积及水合物分解范围的扩大会大幅加剧井壁的不稳定性;控制钻井液密度在合理范围内是维持水合物地层井壁稳定的最重要手段;适度降低钻井液温度可以降低水合物的分解范围与井眼的扩径率。可根据实际工程需要选择合适的钻井液密度、温度及钻井时间组合,为水合物地层钻井方案的选择提供理论依据。

油井出砂可视化模拟实验系统设计

设计了一套油井出砂可视化模拟实验系统,利用多发多收声波探测方法,通过交叉路径波速探测,检测整个岩样出砂的位置和几何形态,实现了出砂研究的可视化,也可作为出砂科研的重要辅助手段。该套系统可培养学生建立从多视角分析问题的意识以及创新实验研究能力。

高温高压岩石压缩系数实验装置研制

研制了高温高压岩石压缩系数教学实验装置,基于该装置测试了温度对岩石压缩系数的影响。结果表明:岩石压缩系数与岩石所处的应力状态和温度密切相关,压缩系数随温度的升高而增大,随净有效覆盖压力的增大而降低;在进行温度和孔隙压力循环后,岩石的压缩系数大幅降低;在进行第2次循环时压缩系数降低幅度最大,随后压缩系数降低的幅度逐渐减小。对衰竭式开采的油气藏进行产能预测时需要充分考虑温度对储层压缩系数的影响。

岩石三轴力学教学实验装置研制及教学应用

随着构思—设计—实现—运作教学理念在国内高校的推广,实验教学对学生学习越来越重要,但传统的常规三轴力学实验装置造价高且实验过程具有一定的危险性。为了克服以上实验教学过程中的局限,设计了一种内置框架岩石三轴力学教学实验装置。该装置省去了传统装置中体积巨大的框架结构,具有刚度大、体积小、成本低、操作安全简单等特点,有利于在实验教学中激发学生的科研兴趣,培养学生的动手实践能力。

天然气水合物藏井眼蠕变缩径研究

天然气水合物作为储量丰富的清洁能源备受世界各国的关注,但水合物储层的不稳定性使得其钻井和开采都存在困难。当井眼钻开后,水合物储层的蠕变特性会造成井眼缩径,进而影响水合物井的钻井安全。对冻土水合物地层在井眼钻开后的井眼缩径进行分析。结果表明:缩径发生时井眼不同方位地层将以不同速率进行缩径,但随着时间的增加,不同方位处的缩径速率趋于相同;随着水合物层埋深的增加,井眼的蠕变量将呈近线性增加;井眼的蠕变缩径速率将随着地应力非均匀性的增大而增大;随着水合物饱和度的增加,井眼的缩径速率降低。研究结果可为水合物地层钻井液密度的选取提供理论依据。

页岩气藏水平井多级水力压裂方法优选

水平井多级水力压裂是有效开发页岩气藏的必要技术手段。针对页岩气藏水平井多级水力压裂过程中不同压裂方法对裂缝扩展的影响问题,利用有限元模拟软件建立了在基于黏聚单元方法的扩展有限单元法架构下的二维流-固耦合模型,模拟分析了5种不同压裂施工方案对裂缝扩展的影响规律。结果表明:同步法压裂对储层改造的体积较小;两步法压裂和顺序法压裂会导致近井筒处裂缝过度闭合,不利于后续开采作业;反两步法压裂和交替顺序法压裂可以有效降低应力干扰的影响,增加储层改造体积。模拟结果表明了不同压裂方法对储层改造效果的影响,并认为反两步法压裂为最优化多级水力压裂方法。研究成果为页岩气藏水平井压裂提供了新的思路,对典型的现场应用具有指导意义。

水力切割模拟水合物储层成孔特性试验

为了探究水力割缝技术对于天然气水合物储层改造的适用性,开展了模拟水合物储层的地面水力割缝模拟试验。采用大尺寸试样,分析了喷射压力、喷嘴直径和加砂体积分数对套管及模拟试样的割缝形态、成孔特征以及破坏形式的影响。研究结果表明:水力喷射切割过程中,由于高压射流的冲击力及冲蚀作用,模拟水合物储层中形呈近似椭圆锥体孔眼,内表面凹凸,并出现裂缝、凹坑及其他不规则形状;近喷嘴端孔眼会形成冲蚀空腔,孔眼直径较大,而随着孔眼深度增加,孔眼直径逐渐缩小;模拟水合物储层在水力切割后呈现破碎、不规则冲蚀、扩孔、冲刷、侧向裂缝等多种复杂破坏形式,比常规砂岩、煤岩的破坏形式更为复杂;孔眼深度随着喷嘴直径增加先增大后减小,而孔眼深度随着喷射压力逐渐增大;当喷射压力为25 MPa,喷嘴直径为5 mm,含砂体积分数为6%时,可形成深度约92 cm,最大直径约为14 cm的椭圆形孔眼;在套管与水合储层直接接触条件下,切割套管缝宽受喷嘴直径、喷射压力和加砂体积分数的影响,缝长主要由喷嘴移动距离决定。射流对水合物储层的破坏作用影响因素多,不仅与水射流及冲蚀条件有关,还与水合物储层的物化性质密切相关。