考虑岩石弹塑性变形的井周应力场计算模型研究

针对煤岩、页岩等岩石具有弹塑性这一特性,考虑岩石非线性硬化与软化变形,并耦合工作液渗滤作用,沿井筒径向方向将地层分为塑性软化、塑性硬化和弹性区,根据弹性区与塑性区交界处应力连续的特点,建立了耦合工作液渗滤和岩石非线性硬化与软化变形的井壁应力场模型。分析表明,塑性区大小与井眼流体压力、泊松比和地层初始孔隙流体压力呈正相关关系,与岩石强度呈负相关关系。与弹性状态相比,岩石塑性变形降低了井眼应力集中效应,岩石塑性变形对井周径向应力影响较小,但会使井周周向应力增加。

煤储层中巷道型水平井井周应力分布特征的数值模拟研究——以晋城矿区胡底矿为例

为了研究煤储层中巷道型水平井井周应力分布特征,以晋城矿区胡底矿为例,基于煤储层及其顶底板的岩石力学性质,利用ABAQUS数值模拟软件,建立在煤储层和顶底板耦合作用下巷道型水平井开挖过程井周应力场计算模型,探讨不同断面形状、尺寸、开挖方向时井周应力分布特征,结果表明:(1)顶底板明显改变了竖直应力分布,促进了分界面处的应力集中,有利于巷道型水平井开挖;(2)圆形和矩形巷道型水平井井周应力影响范围基本相同,但圆形巷道型水平井应力释放更剧烈,易造成井壁破裂和失稳,利于扩大井径;(3)对于圆形巷道型水平井,随着断面尺寸增加,应力剧烈释放区和应力影响区范围增大,且后者增加更为明显;(4)巷道型水平井无论沿最大水平主应力方向还是沿最小水平主应力方向开挖,均在竖直方向出现应力集中,而水平方向表现为应力释放。研究结果认为,相比于矩形巷道型水平井,圆形巷道型水平井井径扩展更为显著,且断面尺寸越大,应力影响区范围越大,在开挖方向上沿最小水平主应力方向开挖优于沿最大水平主应力方向开挖。

基于有限元的井眼径向位移、井周应力和井眼稳定性研究

采用弹性和弹塑性有限元对井眼径向位移变化、井壁周围的应力变化和井眼稳定性进行讨论。利用AN SYS软件导出了井眼径向位移变化、井壁周围的应力变化的曲线图,并结合该图对其变化规律进行具体分析。得出在实际中采取的井眼稳定性的具体措施,即对钻井液进行调整控制,钻井液密度对井壁的稳定性具有重要的作用。

岩石各向异性对井周应力分布及破裂压力影响

岩石力学参数的各向异性不仅影响井周应力分布,还对井壁破裂压力及位置有至关重要的影响。基于页岩储层水平井井周应力分布模型,研究井壁破裂压力的大小及破裂位置受岩石力学参数各向异性的影响。研究结果表明：岩石力学参数各向异性度严重制约井壁稳定性,井周受力状态明显恶化,加剧了井漏事故的发生。高弹性模量各向异性和低泊松比各向异性时,岩石在水平方向刚性较强,井壁更容易起裂;弹性模量各向异性小和泊松比各向异性较大时,岩石在垂直方向刚性较强,岩石不易起裂。起裂压力对弹性模量各向异性度较敏感,受泊松比各向异性度影响较小。因此,实施页岩水平井压裂,应考虑层理页岩力学参数各向异性,从而对裂缝起裂压力进行合理的预测。

页岩横观各向同性储层水平井井周应力预测模型

致密页岩储层进行水平井钻井和压裂改造时,为了精确确定页岩气储层水平井的井周应力,在页岩岩石力学特性的基础上,建立了考虑页岩横观各向同性的本构模型和页岩气储层的地应力模型,并进而建立了页岩气储层水平井的井周应力模型。通过分析页岩气水平井井周应力的分布规律,结果表明:水平和垂直弹性模量比、地应力比和孔隙压力对井周应力的分布有较大影响,而泊松比的影响相对比较小。该致密页岩储层水平井井周应力的计算方法,可为页岩气水平井的钻井和压裂改造提供理论参考和指导。

热渗耦合效应对欠平衡工况井周应力的影响

欠平衡钻井过程中,地层流体向井筒内渗流和近井地带地层温度的改变均会造成近井地带孔隙压力发生变化,此外,井壁岩石温度改变还会产生热应力,这些因素均会造成井壁岩石有效应力发生变化,影响欠平衡施工过程中的井壁稳定性分析和欠压值设计。近井地带井壁岩石温度和孔隙压力变化是一个耦合变化的过程,文章结合实例,通过对温度-渗流耦合模型进行求解,得到了近井地带地层温度和孔隙压力在径向上的变化规律,计算出欠平衡工况下考虑地层岩石温度变化和地层流体渗流影响的井周应力。结果表明欠平衡工况下温度和孔隙压力的变化会对井周应力产生较大的影响,在对欠平衡钻井过程中的井壁稳定性分析和欠压值设计时有必要考虑热渗耦合效应的影响。

基于弹塑性井周的井筒-射孔地层破裂压力预测模型

深部“高地应力、高温度、高地层压力”的赋存条件,使储层呈现脆性-延性-应变硬化的塑性特征。针对深部塑性储层的水力压裂改造,存在人工裂缝起裂、延伸压力高的挑战。本文通过开展实时高温高围压的储层岩石三轴压缩实验,明确了储层岩石的塑性破坏特征。建立了深部储层岩石的塑性硬化本构模型,推导了井周的弹塑性应力场分布。结合断裂力学理论,建立了考虑井周塑性区的射孔尖端应力强度因子计算模型,并提出相应的迭代求解方法。采用模型预测室内实验与新疆某油田实际条件下的水力压裂裂缝起裂压力,模型预测结果与实测结果对比表明,考虑弹塑性井周应力场的破裂压力预测值比实际压裂预测值高,储层塑性特征不利于水力裂缝的起裂。模型预测值与油田实测结果的误差为6.6%,验证了模型的可靠性。考虑弹塑性井周的破裂压力预测模型可保证压裂设计的安全性,为深部储层的压裂方案设计提供有效指导。

南缘深层高温高压井出砂临界压差预测研究

深层超高压水平井出砂预测困难且针对性研究较少,难以制定合理有效的控砂和防砂措施,油田产量和经济效益受到较大的影响。综合考虑井筒内流体流动、高温差下井壁岩石的应力变化、流体渗流效应、地应力在井壁上的复杂分布、地层压力衰竭及水侵因素对出砂的影响,建立了适用于南缘深层高温高压井出砂临界压差的预测模型。分析表明,高生产压差是深井出砂的主导因素;高产造成的井筒与地层的温差会在井壁产生应力,影响井壁稳定性;生产后期地层孔隙压力下降会增大井筒周向应力,地层水侵会降低岩石强度,两者均会增大出砂风险;采用南缘实例井进行出砂压差验证后结果较吻合,研究成果可为类似深层高温高压井出砂临界压差预测和合理生产压差制定提供理论指导。

完整性与非完整性井壁应力模拟分析研究

井周应力分布研究可通过解析解和数值解两种方法求解,其中完整性井壁根据井眼力学模型,采用内外边界条件解析求解和数值求解两种方法均可求得,而非完整性井壁由于其复杂性和特殊性难以应用解析解模型求解。文章应用有限元数值解模拟方法开展完整性与非完整性井壁应力模拟分析研究,通过完整性井壁、单裂缝及正交裂缝非完整性井壁应力分布模拟研究,明确了完整性与非完整性井壁应力分布特征,为特殊非完整性井壁稳定性研究提供了基础性指导。

井壁强化技术的研究及其在乐东区块的应用

乐东区块构造位于莺歌海盆地的凹陷斜坡带,属于典型的海上超高温高压区块,地层安全密度窗口窄,深层井漏问题突出,严重制约了乐东气田的勘探与开发。针对该区块的井漏技术难题,通过井史资料统计,分析了该区块的漏失特征及漏失机理。基于黏滞单元法,模拟了井壁强化作用前后的井周应力变化,并预测了预充填裂缝开度。基于新型可变裂缝封堵模拟实验装置,开展了井壁强化材料粒径及浓度优化实验研究。实验结果表明,较优粒度匹配准则为D_(50)准则,合理浓度为5%。基于乐东区块抗高温油基钻井液,优化构建了井壁强化钻井液体系配方。综合评价表明,该井壁强化配方对钻井液的流变性影响较小,砂床滤失侵入深度仅为1.5 cm,1 mm动态裂缝封堵承压能力达12 MPa以上。

南海深水高温高压条件下地层破裂压力的确定

我国南海北部深水地层欠压实程度高,具有胶结弱、承压能力低等力学特性,同时由于存在温度场,地层与钻井液之间的热交换会产生附加应力场,导致深水钻井过程中极易发生井漏,严重影响钻井效率和固井质量,亟需明确温度场对附加应力的影响。为此,笔者以弹性力学为基础,采用数值模拟方法,建立了考虑温度影响的井周应力分析模型;在现有地层破裂压力模型基础上,综合考虑温度及时间的影响,确定了南海深水环境下的地层破裂压力动态变化规律。分析结果表明:井壁和地层的温度变化幅度随着钻井液循环时间增长而逐渐增大,热附加应力也随着钻井液循环时间增长逐渐增大,最大径向热应力在距井眼中轴线一定距离处,最大切向应力和最大垂向应力均在井壁处;井壁温度降低时,井壁收缩产生拉应力;井壁温度降低时,井周应力也随之降低,切向应力和垂向应力在井壁处的降低幅度最大,径向应力降低幅度最大处在距井眼中轴1.65倍井眼半径处;考虑温度变化影响时的破裂压力偏差远低于不考虑温度变化影响时。研究结果表明,温度变化对井周应力有影响,预测地层破裂压力时考虑温度的影响可以提高其预测精度,从而提高钻井液安全密度窗口的预测精度,可为南海深水安全高效钻井提供理论指导。

定向射孔水力压裂起裂压力的预测模型

目前水力压裂起裂压力的预测模型均针对螺旋射孔的情形,忽略套管对井周应力场的影响,已不适用于定向射孔水力压裂起裂压力的预测。定向射孔时,井周未产生微环隙,以此建立了套管井井周应力的解析模型。以渤海BZ25-1油田A1井为例,将该井周应力解析模型与有限元模型进行对比,其最大误差仅为2.3%。同时,结合Hossain模型和最大拉应力准则,建立了套管井定向射孔时孔眼的起裂压力和起裂角的预测模型。考虑流体渗流和套管的共同作用,采用水力压裂的渗流与变形耦合的数值计算方法进行验证,该模型得到的起裂压力与数值计算的误差仅为2.9%,表明该模型准确可靠,可以用于指导定向射孔水力压裂的设计。

定向射孔压裂起裂与射孔优化设计方法研究

目前定向射孔压裂时起裂压力的预测仅立足于裸眼的情况,忽视套管对起裂压力的影响,在工程应用中将产生较大的误差。考虑套管作用,推导建立定向井井周应力模型。假设地层岩石为张性破坏,并综合以上模型,得到定向射孔井水力压裂起裂压力和起裂角的预测模型。根据该模型编程开发一套定向射孔压裂起裂与射孔优化的软件,可预测定向射孔井的压裂起裂压力和起裂角,并优化选择射孔角度和射孔长度。应用软件对渤海油田三口井进行模拟计算和射孔优化,结果发现,模型的起裂压力预测结果与现场实测结果误差最大仅为4.33%,预测的起裂角也与实际结果相一致,从而验证了本模型的正确性。模型和软件对于现场压裂施工和射孔优化有重要的指导作用。

超临界CO_2压裂起裂压力模型与参数敏感性研究

超临界CO2流体具有低黏度、无表面张力的特性,若应用于非常规油气储层压裂可望实现一种无污染的新型无水压裂方法。通过建立流体在井筒内的增压速率模型,得到了考虑超临界CO2流体黏度、压缩性及增压速率的裂缝起裂压力预测模型,并与水力压裂、液态CO2压裂起裂压力进行了对比分析。结果表明,超临界CO2流体的起裂压力比液态CO2流体低20.5%,比常规水力压裂起裂压力低75.5%;超临界CO2流体的黏度、压缩性及增压速率对裂缝起裂压力影响显著。模型与文献中试验数据对比,误差在3%以内,可为超临界CO2压裂起裂压力预测提供指导。

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。

页岩储层各向异性对水平井坍塌压力的影响

为揭示层理页岩强度各向异性对水平井井壁坍塌压力的影响规律,对取自四川盆地龙马溪组页岩钻井不同层理角度的岩芯,通过岩芯观测、偏光显微镜、扫描电镜试验分别从宏观和微观角度研究了页岩层理特征,并基于单轴抗压强度研究了页岩强度各向异性特征.层理结构发育导致页岩呈现出显著的各向异性特征,粗略地将页岩视为各向同性体及简单采用Mohr-Coulomb准则作为破坏判据,使得预测的维持井壁稳定的坍塌压力不能满足安全钻井的需要.该文在研究层理地层岩石力学特性的基础上,采用横观各向同性地层井周应力分析模型,研究了弹性模量及地应力各向异性比对井周应力的影响;并结合考虑中间主应力的Mogi-Coulomb判据,分析了井壁坍塌压力对弹性模量E和Poisson(泊松)比ν各向异性比值变化的敏感性.实例分析结果表明:弹性模量和水平地应力各向异性比值的变化会对井周应力产生较大影响;Poisson比各向异性对井壁坍塌压力没有明显影响,而弹性模量比值的变化对井壁坍塌压力影响较大;横观各向同性地层中井壁坍塌压力与储层水平和垂直方向的硬脆性强弱关系有关,弹性力学参数各向异性既有可能利于井壁稳定,也可能更易导致井壁的剪切破坏;在实际工程中应根据储层岩石水平和垂直方向的硬脆性强弱关系,确定安全钻井液密度窗口.该结果对现场施工具有很好的指导意义.

弹塑性地层水力压裂起裂模式及起裂压力研究

针对弹塑性储层,基于线弹性理论假设的传统起裂模型已不再适用,需要研究基于非线性本构方程的起裂模型。基于岩石非线性本构方程,运用塑性全量理论,建立了弹塑性地层井周应力场模型;结合"井壁"应力场模型和弹塑性岩石破坏准则,建立了弹塑性地层的起裂压力预测模型。结果表明:岩石产生塑性屈服,"井眼"应力集中效应会减弱,"周向张应力会减小",甚至无法产生。屈服后的起裂压力比线弹性理论预测值大,起裂模式存在拉张和剪切两种方式,剪切起裂存在破坏角。屈服后,幂硬化指数小于等于0.5的岩石只可能产生剪切起裂;幂硬化指数大于0.5的岩石,屈服应力、幂硬化指数、内摩擦角和凝聚力越小,越容易产生剪切起裂,反之越容易产生拉张起裂。

泥页岩地层井壁失稳的一种新机理

在泥页岩地层井壁稳定分析中,将泥页岩视为孔隙介质,研究了孔隙压力变化规律及井周有效应力状态,根据多孔热弹性理论,给出泥页岩地层耦合温压影响下直井周有效应力计算模式,结合地层破坏准则分析了泥页岩地层井壁失稳机理。

水力压裂破裂压力计算模型

水力压裂工艺的关键点是岩石破裂压力的确定。依据破裂模型理论基础的不同,将弹性力学破裂模型和断裂力学破裂模型细分为6类:线弹性拉伸破裂模型、多孔线弹性拉伸破裂模型、特征距离模型、剪切破坏模型、能量释放率模型和应力强度因子模型。在此基础上分析了现有细分模型的基本假设、推导原理、适应性和局限性。结果表明:线弹性拉伸破裂模型、多孔线弹性拉伸破裂模型被普遍应用于矿场设计,但其不能综合考虑升压速率、井眼尺寸等因素对破裂压力的影响;特征距离模型可综合考虑这些因素的影响,但其基于的破裂物理过程假设有待进一步检验;剪切破坏模型基于岩石宏观破坏理论,较适合低弹性模量的高渗砂岩;基于断裂力学理论提出的能量释放率和应力强度因子模型,其物理假设与水力致裂的实际物理过程较为接近,但其在初始裂纹长度等基础参数提取方面存在局限。

基于ABAQUS的井壁强化数值模拟研究

近年来,井壁强化技术已成为国外钻井工程中提高地层承压能力的重要手段。以ABAQUS软件为平台,建立二维井壁强化模型,通过数值模拟方法探讨了井壁强化作用机理及影响因素。结果表明,封堵材料在裂缝中架桥后,挤压两侧地层,使井周应力增加,且在低角度（0～30°）范围内,周应力增量最大;周应力重新分布后,地层破裂压力提高,且易破裂点的位置发生偏移;在一定裂缝开度范围内,裂缝开度越大,表明对裂缝两侧地层挤压越严重,强化井壁的效果越明显。地应力各向异性、封堵架桥位置及井眼压力对周应力影响较大,应力各向异性越严重,井眼压力越大,架桥后周应力增量越大;封堵材料在距离井壁越近的位置架桥,在一定范围内强化井壁的效果越明显,随着架桥位置逐渐靠近缝尖,强化井壁的作用逐渐减弱。