【NGIB】王鹤远、冯福平等:流体侵入引起的岩石强度劣化对页岩井壁稳定性的影响

文摘   2024-11-20 09:30   四川  



研究背景


页岩层理面与流体之间的相互作用显著削弱其结构完整性,影响页岩储层的井壁稳定性。传统的研究忽略了流体从井眼侵入层理面,使得对页岩劣化背后的机理理解不准确。为此,来自东北石油大学的冯福平教授团队通过结合页岩的各向异性及水敏性特性开展了针对研究,同时进行贴合现场实际的井壁稳定性分析,页岩地层钻井工程的安全平稳开展提供参考借鉴


研究思路、方法


论文开展了室内钻井液侵入实验及三轴压缩实验,分析了层理性页岩各向异性及流体侵入对岩石强度的影响,给出了不同条件下岩石强度演化方程及力学参数演化方程;提出了坍塌压力和坍塌区域计算模型,分析了层理面、井斜角、井筒方位角、层理面倾角、使用油基钻井液及水基钻井液条件下钻井周期对井壁稳定性的影响研究结果可为现场钻井工程中井眼轨迹及钻井液性能参数设计提供参考。



研究结果


1. 页岩层理面的存在引起了明显的强度各向异性,根据β角差异分为基质破坏和弱面破坏模式(图1)。流体侵入对泥页岩强度的影响与层面应力和侵入持续时间有关(表1)。通过将不同侵入条件下的页岩强度演化方程与损伤准则相结合,推导出了不同条件下岩石基质和弱面破坏时岩石力学参数的变化情况(公式1—4)。


图1 层理性页岩破坏模式图


表1 页岩强度演化方程



2. 仅考虑基质破坏时,坍塌压力沿井周呈椭圆形分布,最大坍塌压力沿着最小主应力方向分布,坍塌区域呈对称的月牙形;仅考虑弱面破坏,坍塌压力分布呈四叶草形,最大坍塌压力分布在井周四个方向,形成对称的猫耳形坍塌区域。因此,将基质和弱面破坏相结合,才能准确获得井周坍塌压力及坍塌区域情况(图2、3)。

图2 不同破坏模式井周坍塌压力计算结果图


图3 不同破坏模式井周坍塌区域计算结果图


3. 直井段的坍塌以基质破坏为主,随着井斜角的增加,坍塌压力逐渐增加,并转变为基质和弱面的复合破坏模式(图4、5)。与井斜角相比,井眼方位角对坍塌压力的影响最小,建议沿水平最小地应力方向钻水平井(图6、7)。层理面的产状主要对弱面破坏计算坍塌压力及坍塌区域产生影响,随着层理面倾角的增加,井壁稳定性逐渐升高(图8、9)。


图4 不同井斜角下井周坍塌压力计算结果图


图5 不同井斜角下井周坍塌区域计算结果图


图6 不同方位角下井周坍塌压力计算结果图


图7 不同方位角下井周坍塌区域计算结果图


图8 不同层理面倾角下井周坍塌压力计算结果图


图9 不同层理面倾角下井周坍塌区域计算结果图


4. 在固定泥浆压力的情况下,初始井周主要涉及弱面破坏,随着钻井周期的增加,同时发生页岩基质和弱面破坏,最大坍塌半径向90°方向移动。相较水基钻井液,油基钻井液对页岩强度影响更小,因此建议层理性页岩地层井眼使用油基钻井液钻进,尽量减少钻井液侵入劣化岩石,进而造成井壁延迟失稳事故(图10—13)。

图10 不同钻井周期下井周坍塌压力计算结果图(水基钻井液)


图11 不同钻井周期下井周坍塌区域计算结果图(水基钻井液)


图12 不同钻井周期下井周坍塌压力计算结果图(油基钻井液)


图13 不同钻井周期下井周坍塌区域计算结果图(油基钻井液)


第一作者简介

王鹤远,东北石油大学石油工程学院博士研究生,主要从事岩石力学、井壁稳定性等方面的研究工作。近年发表论文6篇,授权发明专利2项。

通信作者简介

冯福平,东北石油大学石油工程学院教授、博士研究生导师,主要从事井筒完整性失效机理与评价、非常规储层水力压裂岩石力学理论等方面的研究工作。近年来主持国家自然科学基金2项,中国博士后基金1项;主持黑龙江省自然科学基金、中国石油创新基金等省部级项目8项;发表论文50余篇,其中SCI/EI期刊收录20余篇;获得省部级科研奖励5项,以第一发明人身份授权发明专利16项。

江蕊希

排版:张  敏

审核:罗  强  黄   东

《NGIB》


Natural Gas Industry B 创刊于2014年,是天然气工业杂志社与KeAi公司合作出版的一本开放获取型国际期刊,在爱思唯尔旗下的ScienceDirect平台上双月出版。创刊至今,Natural Gas Industry B 始终秉承“报道天然气领域前沿学术研究,展示工程技术发展趋势,以理论研究成果推动工程技术进步”的办刊宗旨,服务全球天然气产业,并积极推动能源行业碳减排和低碳转型的发展。近年来,期刊逐渐获得了国际学术界的广泛认可,论文下载量超20万次/年,读者来自于全球85个国家和地区,论文被71个国家和地区的1310个机构引用。2024年6月Web of Science影响因子4.2,在ENERGY & FUELS学科类的Q2区。2023年12月入选《2023年中国科学院文献情报中心期刊分区表》。根据谷歌最新学术指标排行榜显示,期刊位居全球石油、天然气工程类学术期刊第10名。


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