准噶尔南缘复杂构造地质力学分析与井下复杂机理研究
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摘要
新疆准噶尔盆地南缘具有优良的生油气条件，多年来一直是被寄予厚望的地区，勘探潜力巨大，是油气资源的有利接替区，现已发现多个含油气构造和油气聚集带。钻井方面由于存在巨厚砾岩层、高陡地层发育、客观存在地应力的各向异性、多套压力系统共存；同时因为构造运动造成地层破碎易垮塌、漏失，井眼复杂在所难免，严重的制约了钻井速度。为了实现在盆地南缘安全快速钻进，井下复杂是必须逾越的难关，因此研究造成井下复杂的力学机理，对推动盆地南缘勘探具有十分重要的意义。
针对新疆准噶尔盆地南缘钻井难题，从地质力学的角度系统地分析噶尔盆地南缘高陡构造破碎地层井下复杂的根本原因，以岩石力学室内试验和现场试验数据为基础，用固体力学有限元法的原理和方法，建立高陡破碎地层井下复杂力学机理分析模式，对准噶尔南缘山前构造井下复杂(包括井眼失稳、井壁垮塌、井漏等)的力学机理进行了深入研究。
南缘地区由于近期构造运动强烈，在许多地层中形成了破碎带，且存在较大的地层倾角，井眼垮塌还存在两重性，即，泥浆密度低于坍塌压力会发生垮塌，而泥浆密度高于地层孔隙压力将导致泥浆滤液进入地层微裂缝。钻遇这些地层井壁极易发生垮塌，同时也易发生井漏。本文用非线性岩石力学的理论和方法分析新疆准噶尔南缘山前构造的地质力学问题，提出了适合山前破碎地层的岩石力学分析的原理和方法。
地应力问题是南缘地区钻井的主要难点，也是钻井过程中井下复杂的根本原因之一。南缘地区由于受构造运动影响形成了强扭压应力场，造成了地应力异常，是强地应力地层。本文结合新疆准噶尔南缘山前构造的实际地质特征，提出了研究高构造地应力场大小和方向的原理和分析方法，并通过理论研究、实验研究和现场实际应用确定了研究工区地应力的大小和方向。
南缘地区地层破碎带来的钻井难点还由于破碎地层新，地层本身强度低，易水化膨胀，带来钻井的难度更大。本文应用断裂力学和损伤力学的理论，研究盆地南缘破碎地层井壁失稳的力学机制，并用岩石力学和弹塑性力学原理和有限元分析方法，研究了新疆准噶尔南缘山前破碎地层井下复杂的力学机理。并对岩石水化作用对井壁稳定性作用机理及其影响因素进了分析。
在理论研究的同时，为了确定研究工区的地应力的大小及方向、岩石力学参数，进行了包括岩石力学实验、地层破裂压力试验等实验研究，为理论研究提供了必要的基础数据。
通过系统的理论研究和实验研究，并结合现场试验，针对新疆盆地南缘钻井过程中井下复杂，提出了一套适合盆地南缘复杂构造钻井、减少井下复杂，提高钻井效率的可操作的技术措施。
Good hydrocarbon condition is possessed in the south edge of Zhunger Basin in Xingjiang. For many years the area has been thought to be enormous potentiality for exploration and is the advantageous successor of hydrocarbon resource . Now many hydrocarbon-bearing structure and petroleum accumulation zones have been discovered . In the drilling aspect, there is inevitable complicated downhole problems, the penetration is seriously restricted because there are great thick gravel payer , upgrowing big dip angle block , crustal stress , multiple pressure system , meanwhile tectonic movement leads to formation breakdown and formation caving and leak-off. In order to realize drilling safely and quickly at the south edge of Zhunger Basin, the complicated downhole problems must be resolved . It is very important to study the mechanical principle and mechanism of the complicated downhole problems which is much useful for improving the exploration of Zhunger Basin.For the drilling problem at the south edge of Zhunger Basin, the fundamental reason of its complication has been systematically analyzed from geological mechanics , based on the data of experiment of rock mechanics in door and on-site . Using the principles and methods of finite element analysis on solid mechanics, Models have been established to analyze the mechanism under this condition . By studying the mechanism thorough (including borehole stability , borehole caving , lost circulation ) , countermeasures and measures can be got to prevent downhole trouble.Because recent tectonic movement has been strong , many formation of the south area has formed fracture belt and has been big formation dip . Formation collapsing is dual nature , namely when the mud pressure is lower than caving pressure , borehole wall will collapse , but the mud pressure is higher than pore pressure , the mud will come into the microcrack . When such formation being drilled , borehole is prone to collapse and leak . In this paper nonliear principle and method of rock mechanics are used to analyse the geological mechanical problems of mountain front structure at the south edge of Zhunger Base in Xingjiang and adequate principles and methods are offered to research these rock mechanics mechanism.The crustal stress problem is major difficulty during drilling at the south area of the Base and is the fundamental reasons of the complicated downhole condition during drilling . The
south area has formed strong wrest-compressed stress field because of the effect of tectonic movement, so the crustal stress is abnormal, the crustal stress is strong in the area. Considering the actual geological characters of mountain front structure of Zhunger in Xinjiang, and the principle and method to study the magnitude and direction of crustal stress field of big dip block are proposed . By theoretic study , experimental study and practical application in the fields , the magnitude and direction stress field for the working block is determined decided.The drilling problems in the breakage block is caused by the reasons that the breakage block is new , the formation intensity is low, and is prone to hydrate, which brings bigger drilling problem. In this paper the theories of fracture mechanics and damaging mechanics are used to study the mechanism of borehole well instability for breakage formation at the south edge of the Basin , and the mechanism of rock mechanics and elastoplastic mechanics and analysis method of finite element are used to study the mechanism of the complicated downhole problems (including borehole instability , borehole collapsing , lost circulation) for the piedmont fractural formulation at the south edge of Zhunger . working mechanism of rock hydration affecting borehole wall stability and its factors have been studied .Besides theoretic study , in order to determine the magnitude and direction of crustal stress in the working block and the rock mechanics parameter , the experiments have been done including rock mechanics experiment, formation fracture experiment and so on, which provide the n
针对新疆准噶尔盆地南缘钻井难题，从地质力学的角度系统地分析噶尔盆地南缘高陡构造破碎地层井下复杂的根本原因，以岩石力学室内试验和现场试验数据为基础，用固体力学有限元法的原理和方法，建立高陡破碎地层井下复杂力学机理分析模式，对准噶尔南缘山前构造井下复杂(包括井眼失稳、井壁垮塌、井漏等)的力学机理进行了深入研究。
南缘地区由于近期构造运动强烈，在许多地层中形成了破碎带，且存在较大的地层倾角，井眼垮塌还存在两重性，即，泥浆密度低于坍塌压力会发生垮塌，而泥浆密度高于地层孔隙压力将导致泥浆滤液进入地层微裂缝。钻遇这些地层井壁极易发生垮塌，同时也易发生井漏。本文用非线性岩石力学的理论和方法分析新疆准噶尔南缘山前构造的地质力学问题，提出了适合山前破碎地层的岩石力学分析的原理和方法。
地应力问题是南缘地区钻井的主要难点，也是钻井过程中井下复杂的根本原因之一。南缘地区由于受构造运动影响形成了强扭压应力场，造成了地应力异常，是强地应力地层。本文结合新疆准噶尔南缘山前构造的实际地质特征，提出了研究高构造地应力场大小和方向的原理和分析方法，并通过理论研究、实验研究和现场实际应用确定了研究工区地应力的大小和方向。
南缘地区地层破碎带来的钻井难点还由于破碎地层新，地层本身强度低，易水化膨胀，带来钻井的难度更大。本文应用断裂力学和损伤力学的理论，研究盆地南缘破碎地层井壁失稳的力学机制，并用岩石力学和弹塑性力学原理和有限元分析方法，研究了新疆准噶尔南缘山前破碎地层井下复杂的力学机理。并对岩石水化作用对井壁稳定性作用机理及其影响因素进了分析。
在理论研究的同时，为了确定研究工区的地应力的大小及方向、岩石力学参数，进行了包括岩石力学实验、地层破裂压力试验等实验研究，为理论研究提供了必要的基础数据。
通过系统的理论研究和实验研究，并结合现场试验，针对新疆盆地南缘钻井过程中井下复杂，提出了一套适合盆地南缘复杂构造钻井、减少井下复杂，提高钻井效率的可操作的技术措施。
Good hydrocarbon condition is possessed in the south edge of Zhunger Basin in Xingjiang. For many years the area has been thought to be enormous potentiality for exploration and is the advantageous successor of hydrocarbon resource . Now many hydrocarbon-bearing structure and petroleum accumulation zones have been discovered . In the drilling aspect, there is inevitable complicated downhole problems, the penetration is seriously restricted because there are great thick gravel payer , upgrowing big dip angle block , crustal stress , multiple pressure system , meanwhile tectonic movement leads to formation breakdown and formation caving and leak-off. In order to realize drilling safely and quickly at the south edge of Zhunger Basin, the complicated downhole problems must be resolved . It is very important to study the mechanical principle and mechanism of the complicated downhole problems which is much useful for improving the exploration of Zhunger Basin.For the drilling problem at the south edge of Zhunger Basin, the fundamental reason of its complication has been systematically analyzed from geological mechanics , based on the data of experiment of rock mechanics in door and on-site . Using the principles and methods of finite element analysis on solid mechanics, Models have been established to analyze the mechanism under this condition . By studying the mechanism thorough (including borehole stability , borehole caving , lost circulation ) , countermeasures and measures can be got to prevent downhole trouble.Because recent tectonic movement has been strong , many formation of the south area has formed fracture belt and has been big formation dip . Formation collapsing is dual nature , namely when the mud pressure is lower than caving pressure , borehole wall will collapse , but the mud pressure is higher than pore pressure , the mud will come into the microcrack . When such formation being drilled , borehole is prone to collapse and leak . In this paper nonliear principle and method of rock mechanics are used to analyse the geological mechanical problems of mountain front structure at the south edge of Zhunger Base in Xingjiang and adequate principles and methods are offered to research these rock mechanics mechanism.The crustal stress problem is major difficulty during drilling at the south area of the Base and is the fundamental reasons of the complicated downhole condition during drilling . The
south area has formed strong wrest-compressed stress field because of the effect of tectonic movement, so the crustal stress is abnormal, the crustal stress is strong in the area. Considering the actual geological characters of mountain front structure of Zhunger in Xinjiang, and the principle and method to study the magnitude and direction of crustal stress field of big dip block are proposed . By theoretic study , experimental study and practical application in the fields , the magnitude and direction stress field for the working block is determined decided.The drilling problems in the breakage block is caused by the reasons that the breakage block is new , the formation intensity is low, and is prone to hydrate, which brings bigger drilling problem. In this paper the theories of fracture mechanics and damaging mechanics are used to study the mechanism of borehole well instability for breakage formation at the south edge of the Basin , and the mechanism of rock mechanics and elastoplastic mechanics and analysis method of finite element are used to study the mechanism of the complicated downhole problems (including borehole instability , borehole collapsing , lost circulation) for the piedmont fractural formulation at the south edge of Zhunger . working mechanism of rock hydration affecting borehole wall stability and its factors have been studied .Besides theoretic study , in order to determine the magnitude and direction of crustal stress in the working block and the rock mechanics parameter , the experiments have been done including rock mechanics experiment, formation fracture experiment and so on, which provide the n
引文
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