页岩层理弱面对井壁坍塌影响分析
发布时间：2019-09-25 09:46
【摘要】：受层理特征的影响,页岩地层的井壁坍塌形状与坍塌压力不再与各向同性地层表现一致。基于Jaeger弱面强度准则计算了井壁坍塌区域分布与坍塌压力大小,结果表明:井壁坍塌是页岩基质与弱面破坏叠加的结果,且当层理弱面倾斜角增大时,井壁坍塌逐渐受层理弱面破坏主导,坍塌方位不再与水平最小地应力方位一致,即井壁坍塌区域发生偏转,井壁坍塌形状由对角破坏演变为四角破坏;各向异性地层井壁坍塌压力只沿水平最小地应力(层理面倾向)对称分布,最优钻井方位不再仅沿水平最小地应力方位,而是应结合层理弱面的倾向,尽量减小井眼轨迹与层理弱面法向夹角;考虑钻井液侵入对井周地层压力的改变与地层强度的降低,钻井液的使用应在确保井壁力学稳定性的同时提高钻井液封堵性且使用尽量小的钻井液密度。本文研究结果可为预防页岩井眼钻进过程中井壁坍塌提供参考。
【图文】：
［13］在线弹性力学理论模型基础上，考虑地层孔隙压力、渗透性等因素对页岩井壁稳定做了进一步分析。然而，目前尚缺乏页岩层理产状对井眼轨迹优化与钻井液性能要求方面的研究。本文通过将井周应力分别转换为基质围岩与弱面上的应力，运用Jae-ger弱面强度准则判断井壁坍塌区域分布与坍塌压力大小，最终结合地层强度弱化规律分析了页岩的井壁坍塌周期，研究了最优钻井方位的确定方法及钻井液封堵性的重要性，为预防页岩井眼钻进过程中井壁坍塌提供了技术支持。1层理性页岩井周应力分析页岩具有鲜明的层理性特点。图1为重庆市渝东南地区志留系龙马溪组地下页岩岩心照片，可见其破坏结构面多为层理弱面。因此，可将页岩等效为层理结构岩石［14-15］，即把页岩视为岩石基质和层理弱面的组合，基质与弱面在同样的地应力条件下分别满足不同的强度判断标准，所以页岩井眼(图2)的井壁稳定性分析须针对页岩基质与弱面分别作研究。图1重庆市渝东南地区志留系龙马溪组页岩岩心照片Fig．1CoresfromSilurianLongmaxiFormationshaleintheSoutheastzoneofChongqing图2页岩地层井眼示意图Fig．2Wellboredrilledinshaleformation井壁围岩基质与层理弱面的应力状态影响因素包括原地应力状态、井眼轨迹、弱面产状等，表1为涉及到的具体参数及符号表示。为推导远场地应力作用下的围岩基质应力与层理弱面应力，分别建立如图3和图4所示的坐标系:大地坐标系［X，Y，Z］，X、Y分别对应正北方向、正东方向;地应力坐标系［XS，YS，ZS］，不考虑主地应力的偏斜，则XS、YS、ZS分别对应水平最大地应力σH方向、水平最小地应力σh方向和上覆岩层压力σv方向;井眼坐标系［x，y，z］，其中x轴对应井眼圆周低边方
准则判断井壁坍塌区域分布与坍塌压力大小，最终结合地层强度弱化规律分析了页岩的井壁坍塌周期，研究了最优钻井方位的确定方法及钻井液封堵性的重要性，为预防页岩井眼钻进过程中井壁坍塌提供了技术支持。1层理性页岩井周应力分析页岩具有鲜明的层理性特点。图1为重庆市渝东南地区志留系龙马溪组地下页岩岩心照片，可见其破坏结构面多为层理弱面。因此，可将页岩等效为层理结构岩石［14-15］，即把页岩视为岩石基质和层理弱面的组合，基质与弱面在同样的地应力条件下分别满足不同的强度判断标准，所以页岩井眼(图2)的井壁稳定性分析须针对页岩基质与弱面分别作研究。图1重庆市渝东南地区志留系龙马溪组页岩岩心照片Fig．1CoresfromSilurianLongmaxiFormationshaleintheSoutheastzoneofChongqing图2页岩地层井眼示意图Fig．2Wellboredrilledinshaleformation井壁围岩基质与层理弱面的应力状态影响因素包括原地应力状态、井眼轨迹、弱面产状等，表1为涉及到的具体参数及符号表示。为推导远场地应力作用下的围岩基质应力与层理弱面应力，分别建立如图3和图4所示的坐标系:大地坐标系［X，Y，Z］，X、Y分别对应正北方向、正东方向;地应力坐标系［XS，YS，ZS］，不考虑主地应力的偏斜，则XS、YS、ZS分别对应水平最大地应力σH方向、水平最小地应力σh方向和上覆岩层压力σv方向;井眼坐标系［x，y，z］，其中x轴对应井眼圆周低边方向，其投影为井眼轨迹方位线，z轴对应井眼轴线方向;层理面坐标系［n，，s，t］，其中n轴对应弱面法向，t轴对应弱面上倾方向。
【作者单位】： 中国石油大学(北京);中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部;
【基金】：国家自然科学基金项目“裂缝性油气储层水力裂缝模拟的有限元方法(编号:11502304)” 中国石油大学(北京)人才引进项目“基于增强有限元方法(A-FEM)的水力压裂数值模拟研究(编号:2462013YJRC023)” 青年创新团队项目“深层非常规储层岩石断裂特征研究(编号:C201601)”部分研究成果
【分类号】：TE21
本文编号：2541376
【图文】：
［13］在线弹性力学理论模型基础上，考虑地层孔隙压力、渗透性等因素对页岩井壁稳定做了进一步分析。然而，目前尚缺乏页岩层理产状对井眼轨迹优化与钻井液性能要求方面的研究。本文通过将井周应力分别转换为基质围岩与弱面上的应力，运用Jae-ger弱面强度准则判断井壁坍塌区域分布与坍塌压力大小，最终结合地层强度弱化规律分析了页岩的井壁坍塌周期，研究了最优钻井方位的确定方法及钻井液封堵性的重要性，为预防页岩井眼钻进过程中井壁坍塌提供了技术支持。1层理性页岩井周应力分析页岩具有鲜明的层理性特点。图1为重庆市渝东南地区志留系龙马溪组地下页岩岩心照片，可见其破坏结构面多为层理弱面。因此，可将页岩等效为层理结构岩石［14-15］，即把页岩视为岩石基质和层理弱面的组合，基质与弱面在同样的地应力条件下分别满足不同的强度判断标准，所以页岩井眼(图2)的井壁稳定性分析须针对页岩基质与弱面分别作研究。图1重庆市渝东南地区志留系龙马溪组页岩岩心照片Fig．1CoresfromSilurianLongmaxiFormationshaleintheSoutheastzoneofChongqing图2页岩地层井眼示意图Fig．2Wellboredrilledinshaleformation井壁围岩基质与层理弱面的应力状态影响因素包括原地应力状态、井眼轨迹、弱面产状等，表1为涉及到的具体参数及符号表示。为推导远场地应力作用下的围岩基质应力与层理弱面应力，分别建立如图3和图4所示的坐标系:大地坐标系［X，Y，Z］，X、Y分别对应正北方向、正东方向;地应力坐标系［XS，YS，ZS］，不考虑主地应力的偏斜，则XS、YS、ZS分别对应水平最大地应力σH方向、水平最小地应力σh方向和上覆岩层压力σv方向;井眼坐标系［x，y，z］，其中x轴对应井眼圆周低边方
准则判断井壁坍塌区域分布与坍塌压力大小，最终结合地层强度弱化规律分析了页岩的井壁坍塌周期，研究了最优钻井方位的确定方法及钻井液封堵性的重要性，为预防页岩井眼钻进过程中井壁坍塌提供了技术支持。1层理性页岩井周应力分析页岩具有鲜明的层理性特点。图1为重庆市渝东南地区志留系龙马溪组地下页岩岩心照片，可见其破坏结构面多为层理弱面。因此，可将页岩等效为层理结构岩石［14-15］，即把页岩视为岩石基质和层理弱面的组合，基质与弱面在同样的地应力条件下分别满足不同的强度判断标准，所以页岩井眼(图2)的井壁稳定性分析须针对页岩基质与弱面分别作研究。图1重庆市渝东南地区志留系龙马溪组页岩岩心照片Fig．1CoresfromSilurianLongmaxiFormationshaleintheSoutheastzoneofChongqing图2页岩地层井眼示意图Fig．2Wellboredrilledinshaleformation井壁围岩基质与层理弱面的应力状态影响因素包括原地应力状态、井眼轨迹、弱面产状等，表1为涉及到的具体参数及符号表示。为推导远场地应力作用下的围岩基质应力与层理弱面应力，分别建立如图3和图4所示的坐标系:大地坐标系［X，Y，Z］，X、Y分别对应正北方向、正东方向;地应力坐标系［XS，YS，ZS］，不考虑主地应力的偏斜，则XS、YS、ZS分别对应水平最大地应力σH方向、水平最小地应力σh方向和上覆岩层压力σv方向;井眼坐标系［x，y，z］，其中x轴对应井眼圆周低边方向，其投影为井眼轨迹方位线，z轴对应井眼轴线方向;层理面坐标系［n，，s，t］，其中n轴对应弱面法向，t轴对应弱面上倾方向。
【作者单位】： 中国石油大学(北京);中国石油集团海洋工程有限公司钻井事业部;
【基金】：国家自然科学基金项目“裂缝性油气储层水力裂缝模拟的有限元方法(编号:11502304)” 中国石油大学(北京)人才引进项目“基于增强有限元方法(A-FEM)的水力压裂数值模拟研究(编号:2462013YJRC023)” 青年创新团队项目“深层非常规储层岩石断裂特征研究(编号:C201601)”部分研究成果
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