能源——用于裂隙地层钻进的扩展泥浆窗口3维数值计算格式.pdfVIP

2016 Simulia China Regional User’s Meeting, Shanghai, China, 2016 November 1 to 2 用于裂隙地层钻进的扩展泥浆窗口3维数值计算格式 Guoyang Shen （沈国阳）, GTS, Houston, TX, USA; 沈新普, 北方工业大学 3D numerical modeling of widened mud weight window for drilling through natural fractured reservoirs Guoyang Shen （沈国阳）, GTS, Houston, TX, USA; 沈新普, 北方工业大学 摘要: 本文使用三维有限元工具研究天然裂隙在注入压力载荷作用下的行为，目的是得到用于裂隙地层钻进的 扩展泥浆窗口。详细内容包括： 1) 封堵剂的水力挤入：在注入载荷作用下裂纹张开、扩展；2) 应力笼效应： 封堵剂挤入裂隙中以后，注入压力卸载，井底恢复常规压力，这个时候的环向应力相对于初始状态没有封 堵剂时的变化幅度。这个变化幅度就是应力笼效应带来的泥浆窗口上限的扩展幅度。 文中首先给出描述天然裂隙材料行为的固体本构模型的介绍，之后给出缝隙流的渗流本构。模型使用黏 性裂纹单元模拟天然裂隙。最后结合实际工程中的背景数据，给出验证例子。这里的例子一共有三个，第 一个是简单模型的水力封堵和应力笼模拟与计算；第二个是墨西哥湾深水区块的岩盐下破碎区天然裂隙储 层钻进的扩展泥浆窗口上限计算；第三个例子是中国西南重庆页岩区块裂隙储层的天然裂隙水力封堵和扩 展的泥浆窗口计算。 1 引言 一般地说，泥浆窗口上限即漏失压力（Fracture Gradient ）取决于最小水平主应力。但是，在裂隙地层钻进 时，泥浆窗口的上限很多时候取决于裂隙的渗透系数：如果是高导缝即裂缝的水力导流系数较高，那么只 要泥浆压力超过孔隙压力就会发生泥浆漏失。这个时候的泥浆上限远远小于最小水平主应力。这种情况常 常发生在岩盐下的破碎区、以及某些页岩和致密砂岩储层。解决裂隙地层钻进时的泥浆漏失的办法很多， 一般以压力封堵和应力笼效应为主。多年来有很多文献报道相关的工程实践 (Lietard et al. 1996; Edwards et al. 2002; Guo et al. 2014; Mehrabian et al. 2015) 。 Lietard 等人(1996) 利用钻进过程中泥浆漏失的流量和压力等信息确定了钻遇的天然裂隙的宽度和长度信 息，并进一步确定封堵剂颗粒尺寸。在他的文献中他还讨论了通过随钻测井得到的影像测井得到的数据。 Caughron 等人 (2002) 以及Edwards 等人 (2002)在他们的文献中报道了使用单井分析数据得到天然裂隙位置 并设计优化了的封堵剂颗粒尺寸匹配的工作。还有很多其他人的文献，这里不一一介绍。 这些文献表明，压力封堵及应力笼措施是提高扩展的泥浆窗口上限值的有效方法。 本文使用三维有限元工具研究天然裂隙在注入载荷作用下的行为，这是压力封堵过程的主要力学机制。 具体包括：  封堵剂注入过程天然裂隙的张开过程；  应力笼：封堵剂注入后井底压力恢复正常以后的环向应力的变化幅度；  天然裂隙的渗透系数随封堵剂注入的变化过程 最后将给出两个应用实例，其中一个是墨西哥湾深水区岩盐下破碎区井段的扩展泥浆窗口计算，另一个是 重庆页岩区井段的扩展泥浆窗口。 2 模型的描述：理论 2.1 准脆性材料的弹性损伤界面裂纹本构模型 关于准脆性材料断裂研究的文献很多(Hillorberg et al. 1976; Bazant and Cedolin 1991; Cocchetti et al. 2002). 图 2016 Simulia China Regional User’s Meeting, Shanghai, China, 2016 November 1 to 2 1给出了混凝土类材料的准脆性断裂示意图。图中显示，在宏观裂纹的前面，有一段一定长度的损伤区，材 料的断裂过程在这个损伤区内完成。因此，这个损伤区又被称为损伤过程区(Lubliner et al. 1998; Lee