煤矿区钻井裂缝性漏失承压堵漏机理与关键技术研究

来源 :煤炭科学研究总院 | 被引量 : 3次 | 上传用户:xiaoyuzxcv123
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随着煤矿、煤层气勘探开发的进一步深入,煤矿区钻探过程中钻遇地层愈加复杂,在钻进至破碎、裂缝发育地层时,漏失问题尤其是裂缝性漏失问题突出。在裂缝内建立稳定封堵隔墙,阻断钻井液漏失通道,提高地层承压能力是解决井漏问题的关键。论文围绕如何在裂缝内部形成稳定封堵隔墙这一核心问题,在对黔西煤矿区煤层气井钻遇漏失地层特性及裂缝性漏失规律分析的基础上,以封堵材料进入裂缝、堆积形成封堵隔墙及封堵隔墙稳定性分析为主线,应用理论分析、数值模拟与相似模拟相结合的方法,开展了封堵隔墙形成过程与承压能力理论研究,优化形成了不同破坏形式下封堵隔墙承压能力预测模型,研究了封堵隔墙承压能力影响因素与强化方法,研究形成了高浓度桥塞复合堵漏技术与配套机具。取得如下成果:(1)研究提出了桥塞堵漏材料粒径设计方法。根据牛顿流体N-S方程,建立了基于漏失量和裂缝内压力梯度的裂缝力学开度计算方法;利用数值模拟、相似模拟与灰色关联分析方法,明确了架桥颗粒特征粒径D50和D90对封堵隔墙起始位置密切相关;结合颗粒沉降试验,采用数据拟合方法,得出了实验条件下固相颗粒拖曳力系数与颗粒雷诺数的对应关系;结合筛网形态与室内实验结果分析,建立了满足裂缝进入与堆积架桥条件的堵漏材料特征粒径取值条件。(2)通过封堵隔墙宏观、细观受力分析与裂缝尖端应力强度因子计算,优化形成了封堵隔墙剪切失稳、滑移失稳及裂缝变形失稳条件下承压能力预测模型。模型分析表明,桥塞材料物理力学性能、几何参数、封堵隔墙起始位置、封堵隔墙长度及其孔隙率是影响封堵隔墙承压能力的主要因素。(3)针对封堵隔墙承压能力主要影响因素,分别利用数值模拟和相似模拟研究了封堵隔墙承压能力强化方法,利用三维颗粒流分析软件PFC3D,定性分析了桥塞材料颗粒级配、颗粒浓度、堵漏压差对封堵隔墙形成及其形态的影响;基于项目研制的可进行封堵隔墙的形成与动态变化过程实时监测的长裂缝堵漏模拟实验装置,研究得出了堵漏材料粒径、类型、浓度、纤维材料长度及加量、堵漏工艺对封堵隔墙承压能力与堵漏过程漏失量的关系。研究表明,合理的颗粒特征粒径D50和D90利于封堵隔墙的形成,D10值对封堵过程漏失量有明显影响;占桥塞材料质量比为2.0%、长度约为裂缝开度2倍的聚丙烯纤维能够有效提高封堵隔墙的整体性与承压能力;堵漏材料浓度的提高,利于封堵隔墙长度、密实程度与极限承压能力的提高,但封门概率提高,项目实验条件下的最优材料浓度为15%。(4)针对宽裂缝内封堵隔墙承压能力低的问题,通过复配实验,分别优选出具有一定触变性与短期抗压强度的触变性水泥浆和对钻井液体系影响较小的可固化堵漏浆体系,(5)研究提出了高浓度桥塞堵漏、高浓度桥塞复合堵漏技术,研制了堵漏施工配套机具,并在贵州黔西煤矿区进行了多井次现场试验。验证并完善了裂缝性漏失堵漏机理与封堵技术研究成果。本文研究成果为煤矿区裂缝性漏失提供了较为科学便捷的封堵工艺方法,对堵漏技术研究与应用具有理论指导与工程借鉴意义。
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