PDC钻头复合冲击井下破岩特性模拟研究

为对比各种冲击钻井技术的破岩效果,利用ABAQUS/Explicit模块建立PDC单齿-岩石冲击模型,研究PDC单齿在无冲击、轴向冲击、扭向冲击和复合冲击作用下的破岩特性,再进一步对影响复合冲击性能的因素进行分析。分析结果表明:在其他条件相同的条件下,复合冲击下的破岩比功相较于无冲击降低了28%,较轴向冲击降低了7%,以复合冲击破岩方式破岩效率最高;岩石在复合冲击作用条件下,钻压对PDC齿破岩效率影响较大,且存在明显差异,增大钻压有利于破碎岩石;转速对复合冲击破岩效率存在一个临界值,未达到这个值时,增大转速反而会降低PDC齿的破岩效率。所得结论可为复合冲击钻井工具选择合适的钻压和转速提供理论依据。

水力压裂致套管剪切变形机理及套变量计算模型

针对天然裂缝滑移导致页岩气井压裂易出现套管变形(简称套变)问题,在应力分析的基础上建立了裂缝面受力模型,并采用复变函数建立了套变量计算模型,开展井筒剪应力、套变量的影响因素分析。研究表明:(1)裂缝逼近角与井筒逼近角对井筒剪应力影响显著,在威远页岩气田现场常见井筒逼近角(近90°)条件下,裂缝逼近角为20°~55°(或其补角)时,井筒剪应力大,套变风险高;(2)当裂缝未完全撑开时,井筒剪应力与缝内流体压力正相关、与摩擦系数负相关;当裂缝完全撑开时,井筒剪应力与天然裂缝面积正相关;(3)弹性模量越低,裂缝越长,套变程度越严重;泊松比对套变量影响较弱;套变量随裂缝逼近角增加先增大后减小,裂缝逼近角为45°时达最大值;(4)裂缝逼近角一定时,可适当调整井筒逼近角以避免井筒受到高剪应力,合理控制缝内流体压力可以降低套变风险;套管所受剪应力通常远大于套管抗剪强度,提高套管强度或固井质量对降低套变风险作用有限。经现场井径测井数据验证,套变量计算模型可靠,可用于建立套变风险程度分析图版及计算套变量,为压裂设计中快速预判水平井套变风险提供参考。

暂堵颗粒在水力裂缝中的封堵行为特征

采用可视化水力裂缝内暂堵实验装置,开展了不同携带液排量、黏度条件下,不同粒径、不同浓度的暂堵颗粒在水力裂缝中的封堵实验,分析了暂堵颗粒在水力裂缝中的封堵行为特征。研究结果表明:(1)携带黏度越大、排量越大,封堵层形成难度越大;暂堵颗粒粒径越大、浓度越大,封堵层形成难度越小。(2)当粒径缝宽比(暂堵颗粒粒径与裂缝宽度的比值)为0.45时,封堵层的形成主要受暂堵颗粒质量浓度、携带液黏度控制,暂堵颗粒质量浓度小于20 kg/m^(3)或携带液黏度大于3 mPa·s时难以形成稳定的封堵层;当粒径缝宽比为0.60时,封堵层的形成主要受暂堵颗粒质量浓度控制,暂堵颗粒浓质量度小于10 kg/m^(3)时难以形成稳定的封堵层;当粒径缝宽比为0.75时,封堵层形成与否基本不受其他参数的影响,实验条件范围内均能形成稳定的封堵层。(3)封堵层的形成过程包括2个阶段和4种模式,影响封堵层形成模式的主控因素为粒径缝宽比、携带液排量、携带液黏度。