（油气井工程专业论文）泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论研究.pdf

s u b j e c t ：t h es t u d yo fs t r e n g t ht h e o r yo fb o r e h o l ei n s t a b i l i t yu n d e rt h em u ds h a l e h y d r a t i o n s p e c i a l i t y ：o i l g a sw e l le n g i n e e r i n g n a m e ：z h a oc h u n ! o n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：q uz h a n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a s t w e l l b o r ei n s t a b i l i t yo fm u ds h a l ei sac o m m o na n dc o m p l i c a t ep r o b l e mi nt h ep e t r o l e u m i n d u s t r y a sar e s u l to fw a t e ri n t ot h ec l a ys h a l e ，s e r i o u si m p a c t o nt h eb o r e h o l es t a b i l i t yo f m u ds h a l e t h i sp e p e rh a sm a d eas t u d yo nt h ee f f e c t so fh y d r a t i o no n + m e c h a n i c a la n d s t r e n g t ho f t h et h e o r e t i c a l t h em a i nm a t t e r ss t u d i e di nt h i sp a p e ra l ef o l l o w s ： 1 a n a l y z i n g t h ei m e m a lf a c t o r so fm u ds h a l eh y d r a t i o nb ys t u d y i n gm u ds h a l e c o m p o s i t i o n sa n dc l a ym i n e r a l ，e s t a b l i s h i n gt h ep h y s i c a lm o d e lo f s h a l e ； 2 a c c o r d i n gt ot h el i n e a re l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e ld e r i v e dv e r t i c a lw e l l s ，d i r e c t i o n a l w e l l sw e e k ss t r e s sd i s t r i b u t i o n ； 3 s t u d y i n gt h em e c h a n i s mo fs h a l eh y d r a t i o na n di t se f f e c to i lt h ei m p a c to fc h a n g e s i n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 4 b a s e do nt h ec o n d u c t i o ni np o r o u sm e d i a ( e n e r g ya n dm a t e r i a l ) ，a d s o r p t i o na n d d i f f u s i o n ( w a t e rm o l e c u l e sa n dh y d r a t e di o n s ) ，d o u b l e l a y e r e l e c t r i cf i e l da n de l e c t r o n r e p u l s i o ns t r e s s ，e s t a b l i s h i n gl a w o ft h eh y d r a t i o n ； 5 a n a l y z i n gt h et h r e ec o m m o n l yu s e dc l a yt h e o r e t i c a ls h e a r f a i l u r ec r i t e r i aa n dd r a w na c o n c l u s i o nt h a tl a r g ed i f f e r e n c ec o l l a p s ep r e s s u r eh a v eb e e nc a l c u l a t e dw i t hd i f f e r e n tf a i l u r e c r i t e r i o ns e l e c t e d ；b a s e do nt h ec r i t e r i af o rr o c km a s sc l a s s i f i e db ye m p i r i c a lh o c k - b r o w n s t r e n g t hc r i t e r i o n ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ee m p i r i c a lr o c km a s ss t r e n g t hc r i t e r i o n ，a n a l y z e d t h e v a r i o u sc r i t e r i af o rs e l e c t i n gt h eo p t i m a ls t r e n g t hc r i t e r i o n 6 a n a l y z i n gt h es h a l eh y d r a t i o ne f f e c to nt h ei m p a c to fc h a n g e si nb o r e h o l es t r e n g t h c r i t e r a ，e s t a b l i s h i n gt h es t r e n g t hm o d e lu n d e r t h em u ds h a l eh y d r a t i o n 7 a c c o r d i n gt oc a l c u l a t et h ec o l l a p s ep r e s s u r ea n df r a c t u r ep r e s s u r eo fs h a l eh y d r a t i o n s i t u a t i o n , a n a l y z e dc o l l a p s ep r e s s u r ec h a n g e sw i t hd i f f e r e n td r i l l i n gf l u i da c t i v i t y k e y w o r d s ：c l a ys h a l e ，b o r e h o l ei n s t a b i l i t y ，s t r e n g t hc r i t e r a ，h y d r a t i o ns t e s s ，c o l l a p s e p r e s s u r e t h e s i st y p e ：f u n d a m e n t a ls t u d y ( t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：趁焘盛 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：弦卵_ f 归 日期：殍塑 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 舷一易径 丝瑭 盔屋 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出、研究的必要性和可行性 长期以来，井壁失稳问题一直是困扰油气工程的难题之一，我国石油工作者在钻井 过程中也经常遇到并壁失稳问题。特别是自2 0 世纪8 0 年代以来，随着勘探领域向新区 扩展，钻井过程在地层日趋复杂的地区进行，井壁失稳问题日益严重。在我国西部，各 大油田钻遇地层的7 5 以上是泥页岩，而由它引起的井壁不稳定问题超过了9 0 。由 于泥页岩地层井壁坍塌和缩径等问题既严重影响钻井速度，又严重影响油气井后期作业 如测井和测井评价以及固井作业，固井质量的好坏又将进一步影响后期的射孔、防砂、 采油和增产措施等一系列问题。在西部油气勘探开发时由泥页岩井壁失稳问题所引发的 钻井事故不仅造成了巨大的经济损失，同时将严重影响勘探开发速度而制约西部油气资 源开发战略的发展步伐。因此，泥页岩井壁失稳现象是西部油气资源勘探开发中的一个 关键性的突出问题，急需进行深入地分析研究，探索其深层机理，以求得根本性的解决。 井壁失稳是钻井工程中经常遇到的一个十分复杂的问题，影响井壁稳定的因素是多 方面的，而泥页岩井壁稳定力学机理是这一问题的难点之一，从力学的角度来讲，造成井 壁坍塌的原因是由于井内液柱压力太低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强 度而产生剪切破坏所造成的，此时，对于脆性地层会坍塌掉块，井径扩大，而对塑性地 层，则向井眼内产生塑性变形，造成缩径，井壁坍塌与否与井壁围岩的应力状态，围岩的 强度特性等密切相关。 以往在强度准则的选取方面，弹性分析通常将应力与主应力定义的强度准则项比 较。但是由于泥页岩在井下条件下与钻井液相互作用变成了模量、强度均随时间变化的 复杂介质，在最终达到屈服破坏时，不再呈现纯弹性方式，因此就需要更为合理的泥页 岩强度准则来判断其屈服破坏。各种破坏准则都有其应用环境和针对性，对于具体问题， 各种强度准则所计算的结果都有一定的误差，而我们需要的就是更为精确的结果，所以 研究各种破坏准则对于精确计算井壁坍塌与破坏是非常重要的。 对泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论的对比分析研究，了解井壁失稳的力学机 理，以及化学因素对井壁强度的影响，针对具体的问题选择合适的强度准则，为有效地 解决钻井过程中的井壁失稳问题提供可靠的科学依据，对减少井下复杂事故的发生、缩 短建井周期、降低油气勘探开发成本都有非常重要的意义。 本文的研究是可行的，原因有三点，首先，多年来，国内有些油田对所钻遇的井壁 不稳定地层利用矿物学进行的矿物组分与理化性能分析积累了大量的实验资料数据，为 进步深入研究泥页岩与钻井液相互作用关系奠定了基础；其次，现代岩石力学理论的 发展，特别是岩石变形的流变学的发展及应用并和地质学的结合，为研究复杂条件下泥 页岩井壁稳定问题提供了基本的途径；最后，国内外在井壁稳定性方面的最新研究成果 两安石油大学硕上学位论文 也为本论文开展打下了坚实的基础。 1 2 泥页岩井壁稳定力学和化学研究国内外发展现状 多年来，国内外对泥页岩地层的井壁稳定性问题十分重视，做了大量的研究工作， 从1 9 4 0 年h m w e s e t g r a a d r 发表了一篇对井眼周围应力分布的研究的题为“深井周围应力 的塑性状态f l 】”的论文开始，井壁稳定的力学研究有了长足发展。从井壁稳定性的弹性力 学分析、井眼稳定性的弹一塑性分析、井眼稳定性的损伤力学分析三个方面的研究，国 内外科学家已经做出了巨大的贡献，建立的各种的强度准则理论，对解决井壁失稳问题 起到一定的作用。 泥页岩井壁失稳问题并不是单纯的力学问题，而是井壁稳定力学与化学相结合的交 叉问题，从7 0 年代开始，人们逐渐试图将力学和化学结合起来对泥页岩井壁稳定性问题 进行研究，1 9 8 9 年，t a x a s 大学的c h y e w 等人利用热弹性比拟法【2 】，将泥页岩水化膨胀 应力比拟为热膨胀变温应力，根据热弹性力学理论，建立泥页岩水化产生的力学效应定 量化模型。根据该模型，只要确定出任意时刻近井壁的含水量分布，便可求得井壁周围 的水化膨胀应力分布。1 9 9 2 年，h a l e 和m o d y 首次提出力学化学耦合的水分子自由能热动 力理论法，认为在泥页岩中水的总渗透量等于压力梯度作用下的渗流流量与化学势作用 下的渗流流量的和。利用半透膜渗透压的概念，将给定化学势差条件下的渗流等效于某 一压力差下的渗流，得到化学势产生的等效孔隙压力模型，得出了泥页岩吸水与内相水 活度有关，泥页岩强度受吸水量影响的结论。1 9 9 3 年，m o d y 和h a l e 又将半透膜等效孔隙 压力理论【3 】应用到泥页岩与水基钻井液的作用上，假设泥页岩与水基钻井液表面有半透 膜，得到等效孔隙压力修正模型，进一步假设粘土表面的吸附阳离子不能自由移动、扩 散或交换，根据多孔介质弹性力学计算和d r u k e 卜p r a g e r 破坏准则【4 j ，建立了一套通过水 化渗透压进行耦合的力学计算方法，并用专用试验装置进行了水化渗透压的实验。之后， o s i s a n y a 和c h e n e r t 在1 9 9 4 年做了迸一步的研究，引入了线性单相渗流方程，并求得其解 析解。1 9 9 4 年，h a l e 和m o d y 进行泥页岩内水的传输机理研究，从非平衡态动力学角度提 出了泥页岩中物质传输与能量传输唯象模型，认为在泥页岩中传输物质与能量有自由水、 化学离子、热量与电流，这些传输的驱动力有压力势、化学势、电势和热势。在国内， 黄荣樽 5 1 等人在力学和化学结合起来研究井壁稳定性方面也做了一些工作，认为井壁岩 石的破坏和失稳都是岩石应力和化学应力共同作用的结果。孟英峰等人研究了泥页岩水 化作用，将泥页岩视为拟线弹性体【6 1 ，推导出泥页岩水化的拟线弹性本构关系。 综上所述，尽管国内外在泥页岩井壁稳定力学与化学耦合研究方面已做了不少的工 作，促使泥页岩井壁稳定性研究取得了一定的进展，但截至目前，现有的各个结果都存 在有一定缺陷。其中很重要的一个缺陷在于强度准则的选取，弹性分析通常将应力与用 主应力定义的强度准则相比较。但是由于泥页岩在井下条件下与钻井液相互作用变成了 2 第章绪论 模量、强度均随时间变化的复杂介质，在最终达到屈服破坏时，不再呈现纯弹性方式， 因此就需要更为合理的泥页岩强度准则来判断其屈服破坏。 1 3 强度理论的研究现状 人们对岩石强度理论的研究，最早始于1 8 世纪。岩石的强度指的是岩石破坏时的应 力状态或应变状态，或者是岩石抵抗破坏的极限能力，而破坏则是岩石变形过程中的一 个特殊阶段。在实际工程中，则指的是岩石失去了预期的承载任务的能力，显然，形成 破坏的具体现象将取决于其承载的任务如何。岩石的强度与破坏是相关联的，一般地说， 如果在特定的条件下增加某一应力分量值直至破坏发生，那么，破坏时的应力值就叫做 该条件下的材料强度。简单应力状态下的强度可由试验确定，复杂应力状态下的强度则 由强度理论来确定。岩石的强度准则又称破坏判据，是研究岩石在极限应力状态下的应 力状态和岩石强度参数之间的关系。一般用极限应力状态下的主应力关系方程表示： 厂( 盯l ，盯2 ，盯3 ) = 0 ( 1 一1 ) 或者用处于极限平衡状态下斜面上的剪应力和正应力关系方程表示： f = 厂p ) ( 1 - 2 ) 在岩石强度理论一百多年的发展过程中，许多专家学者相继提出许多非常有价值的 强度准则，为岩石力学的发展做出了贡献。根据他们的研究理论和方法，可将岩石强度 理论划分为“理论强度准则”和“经验强度准则”两大类。前者基于材料力学和弹性力学的 知识体系，包括4 个经典强度理论：最大正应力强度理论、最大正应变理论、最大剪应力 理论、八面体剪应力理论。其它的还有m o h r - c o u l o m b 强度理论、g r i f f i t h 和修正的g r i f f i t h 理论以及双剪强度理论等。后者则是以试验为主要研究手段，近似地描述岩石破坏机理 的破坏判据最著名的有h o e k b r o w n 经_ 验强度准则【7 8 】等。具体描述如表1 1 所示： 表1 - 1 岩石强度理论的分类 m 经典 最大正应力理论 石 最大正应变理论 强度 石 岩石理论强度准则 理论 最大剪应力理论 强理论强度准则八面体剪应力理论 度m o h r - c o u l o m b 强度理论 理 g r i m t h 和修正g r i 伍t h 强度理论 论 结构面强度理论基于m o h r - c o u l o m b 强度理论 经验强度准则 h o e k b r o w n 强度准则等 1 3 1 理论强度准则 1 最大正应力理论：也称之为朗肯( r a n k i n e ) j 望论，是最早提出并且至今仍被采用的 一个强度理论，它认为材料的破坏只取决于绝对值最大的正应力。因此，对于岩石内的3 西安石油大学硕十学位论文 个主应力只要有一个达到单轴抗压强度r c 或抗拉强度r t 时，岩石就发生破坏。 2 最大正应变理论：认为岩石的破坏取决于最大正应变，只要岩石内任意方向的正 应变达到单向压缩或单向拉伸破坏时的应变值m 时，岩石就发生破坏。 3 最大剪应力理论：也称为单剪理论，当材料发生屈服时，试件表面便出现大致与 轴线呈4 5 。夹角的斜破裂面。由于最大剪应力就是出现在与试件轴线呈4 5 。夹角的斜面上， 所以这些斜面即为材料沿着该斜面发生剪切滑移的结果，由于滑移是材料塑性变形的根 本原因，因此，很自然的假设：材料的破坏取决于最大剪应力。也就是说，当最大剪应力 t m a x 达到单向压缩或拉伸时的极限剪应力t m 时，岩石就发生破坏。其表达式为： t m a x f 。( 1 - 3 ) 在复杂应力状态下，最大剪应力为f 一= 【盯- 一c r 3 在单轴压缩或单轴拉伸条件下， 极限剪应力为f 。= 尺2 ，于是得到强度条件的另一种形式： 盯l 一仃3 r( 1 - 4 ) 其解析形式为： 【( 盯l 一盯3 ) 2 一r 2 】 ( 盯3 一盯2 ) 2 一r 2 】 ( 盯2 一盯1 ) 2 一r 2 】= 0( 1 - 5 ) 该准则即为塑性力学中的t r e s c a 强度准则，对塑性岩石和二向应力状态较适用，但 未考虑中间主应力的影响，也不能考虑岩石材料的摩擦性质，也不适用于脆性岩石。 4 八面体剪应力理论：也称为弹性畸变能理论或米赛斯( m i s e s ) 屈服条件，认为材 料屈服或破坏是由于八面体剪应力达到某一临界值引起的。米赛斯认为，当八面体剪应 力t o c t 达到单向受力至屈服破坏时的八面体极限剪应力t s 时，材料便屈服或破坏【9 1 。 5 m o h r c o u l o m b 强度理论：适用于均质各向同性的岩石，计算结果也与实际情况相 符，即可描述脆性材料的破坏特征，又可以描述塑性材料的破坏特征。因此，该强度理 论在岩石力学中应用最广，这也是岩石力学中最常用的理论，该强度理论认为，即材料 达到极限状态时，某剪切面上的剪应力达到一个取决与正应力与材料性质的最大值。 6 g r i f f i t h 强度理论和修正的g r i f f i t h 强度理论：以上各种理论均把岩石材料看作连 续的均质介质，实际上，岩石内部存在的许多细微裂隙，在力的作用下，这些细微裂隙 周围，特别是裂隙尖端产生较大的应力集中，从而增加裂隙尖端区域的弹性能。当由应 力集中造成的弹性能积累到能使岩石沿裂纹扩展所作的阻力功，岩石材料将沿裂纹开 裂。裂纹扩展释放的弹性能一部分转化为新表面的表明能，一部分消耗于克服摩擦阻力 所作的功，还有一部分转化为因位移而造成的动能。g r i f f i t h 通过对材料及裂隙进行简 化，提出了自己的强度准则【l o , 1 1 。 7 双剪统一强度理论【1 2 】：是西安交通大学俞茂宏教授1 9 8 5 年首次提出并逐渐完善 的强度理论。与m o h r - c o u l o m b 强度理论( 单剪理论) 相比，他认为除了作用于岩石的 最大应力莫尔圆( 最大主剪应力t 1 3 ) 对岩石的破坏有影响外，其它2 个主剪应力( 下2 3 4 第章绪论 和 i 7 1 2 ) 及其作用面上的正应力对岩石破坏有影响，其数学表达式为： f = f 。，一触。+ b f f 。：一胁。：) = k0 。：一胁。：r ：，一弦：，) ( 1 6 ) f = f 1 3 一膨1 3 + 6 ( 2 3 一膨2 3 ) = kg 1 2 一胁1 2 r 2 3 一弦2 3 ) ( 1 7 ) 式中b 为中间主剪应力及其法向正应力对岩石破坏的影响程度；反映正应力对材 料破坏的影响系数；k 材料的强度参数； 1 3 2 经验强度准则 长期以来，人们一直考虑如何通过小试件的试验结果和现场地质背景调查来推算岩 石的强度和变形特征，或者根据已有大量的原位试验资料建立某种经验关系来估算岩石 的强度。从上个世纪6 0 年代开始，许多学者致力于岩石强度的经验判据的研究，表1 2 列出了一些众多学者提出的经验强度准则，这些准则均属非线性判据，其中一些判据对 某些岩石类型的试验数据拟合的好，有些则不然。 l 、h o e k b r o w n 经验强度准贝, f j t l 3 】 在众多经验强度准则中，h o e k b r o w n 经验强度准则是被应用最广的强度准则之一， 它不仅反映了岩石的固有特点和非线性破坏特征，以及岩石强度、结构面组数及所处应 力状态对岩石强度的影响，而且弥补了m o h r - c o u l o m b 强度准则的不足。它能解释低应 力区、拉应力区和最小主应力对强度的影响并能延用到破碎岩石和各向异性岩石的情 况。 ( 1 ) 狭义h o e k b r o w n 经验强度准则 1 9 8 0 年，e h o e k 和e t b r o w n 研究大量的岩石三轴试验资料和分析岩石现场试验 成果认为岩石的强度准则应与试验的强度值相吻合；其数学表达式应尽可能简单；岩石 的强度准则除了能够适用于结构完整且各向同性的均质岩石材料外，还应当适用于节理 化岩体和各向异性的岩石的情况，并能为现场岩石强度提供近似的预测。基于这些认识， 他们提出了抛物线型强度准则- - h o e k - b r o w n 经验强度准则，也称为狭义h o e k b r o w n 经验强度准则，其表达式为： ，、i 0 - l = 0 3 + 切仃。0 3 + j 仃；厂2 ( 1 8 ) d l ，砚一岩石破坏时的最大、最小主应力( m p a ) ，6 。一完整岩石( 岩块) 的单轴抗压 强度；i t i 、s 一经验系数，其中m 反映了岩块的软硬程度，取值范围从0 0 0 1 ( 高度破碎 岩石) 到2 5 ( 坚硬完整岩石) ；s 反映了岩石的破碎程度，取值范围在0 ( 破碎岩石) 到1 ( 完整岩石) 之间，参数取值见表1 3 。 英国学者j b r a y 根据1 8 推导出了计算岩石或潜在破坏面上的抗剪强度的方法，具 体公式为： 西安石油大学硕士学位论文 f = i l 所盯。0 喀伊i - c o s 缈1 ) ( 1 - 9 ) j b r a y 认为岩石的内聚力和内摩擦角随着应力水平而变化，在正应力较低时，岩石 中的岩块互相锁定，因此，内摩擦角较高；当正应力较高时，岩块间将发生剪切错动， 内摩擦角逐渐降低，直至达到最小值。内聚力在高侧限条件下，随正应力的增加而增大。 表l 一2 岩石的经验强度准则 序号学者经验强度准则参数备注 一个三维g r i f f i t h 理 l m u r e l l ( 19 6 3 )如= 8 乙藏帮：= ( 三维准则)论得出 两个完整岩块二维 2 f a i t h u r s t ( 19 6 4 ) ( 盯l 一盯3 ) 2 = 口+ b ( o - l + 盯3 ) ( 二维准则) g r i 币t h 理论 两个 3 m u r r e l l ( 19 6 5 ) 盯l2 盯c + ao - 3 6 岩样拟合 ( 二维准则) 两个 4 h o b b s ( 19 6 6 ) o - t = 舰6 + 0 3 或者f k 2 盯： 完整岩块拟合 ( 二维准则) o i = 吗+ 如+ 呸广或者 两个 5f r a n k l i n ( 19 7 4 ) ( 二维准则) 岩样拟合 f 2 b 盯：+ o 1 0 - 。 三个 6 b i e n i a w s k i ( 1 9 7 4 )o i = k 孝+ 呸 岩样拟合 ( 二维准则) y o s h i n a k a 和三个 7 q 一吒= 瞰g ) + 吒+ 巳) 声 软岩数据分析 y a m a b e ( 1 9 8 0 )( 三维准则) h o e k 和b r o w n 仃。：吼+ b 盯。盯，+ s 盯；卢 三个 岩石结构和 8 ( 1 9 8 0 ) ( 二维准则) g r i f f i t h 理论 三个岩块和岩石数 b i e n i a w s k i ( 1 9 7 4 ) 仃c 俐l 仃c ( 三维准则)据拟合 9 y u d b h i r a l ( 19 8 3 ) k i m 和 睁7 埘铂 三个 1 0 试验分析 l a d e ( 1 9 8 4 ) ( 三维准则) 三个 软岩拟合 l lj o h n s t o n ( 1 9 8 5 ) 盯。b 【- 嚣 j ( 二维准则) d e s a i 和s a l a m i j , 2 = ( - - - 竺a ( ly + 咿。) 2 ) o 一羼) ” 六个以上应力不变量拟 1 2 ( 1 9 8 7 ) ( 三维准则)合分析 b a l m e r ( 19 5 2 ) 卟小爿 三个 1 3岩样拟合 s h e o r e y a l ( 19 8 9 ) ( 二维准则) s h e o r e y 等人 旰小剖6 四个岩块和岩石结 1 4 ( 1 9 9 0 ) ( 二维准则)构拟合 6 第一章绪论 表1 3 狭义h o e k b r o w n 经验强度准则系数m 及s 值 狭义h o e k b r o w n 经验碳酸盐类泥质岩石砂质岩石，晶细粒多矿物粗粒火成岩 强度准则 间裂隙少火成结晶岩类及变质岩 类 结构完整的岩石( 无裂 m = 7m = l oi n = 1 5m = 1 7m = 2 5 缝)s - - - - - 1 s = l s = ls = l s = l 质量极好的结构体紧m = 3 5m = 5m = 7 5m = 8 5m = 1 2 5 密相嵌的岩石，仅有间 s = 0 1s = 0 1s = 0 1s = ls = 0 1 距为1 - 3 m 的轻微风化 节理 质量好，具有间距为m = 0 7m = lm = 1 5m - - - 1 7m = 2 5 1 - 3 m 轻微风化节理s = 0 0 0 4s = 0 0 0 4 vs = 0 0 0 4s = 0 0 0 4s = 0 0 0 4 中等质量的岩石，具有 m = 0 1 4m = 0 2 0 m = 0 3 7m = 0 3 4m = 0 5 0 间距0 3 一l m 的中等风s - - - 0 0 0 0ls = 0 0 0 0ls = 0 0 0 0ls = 0 0 0 0 1 -s = 0 0 0 0l 化 质量较低的岩石，具有 m = 0 0 4m = 0 0 5m = 0 ，0 8m = 0 0 9m = 0 1 3 大量1 日j 距为3 0 5 0 0 m ms = 0 0 0 0 0l s = 0 0 0 0 0ls = 0 0 0 0 0ls = 0 0 0 0 0ls = o 0 0 0 0 1 的强风化夹泥节理 质量极差，具有大量间 m = 0 0 0 1m = 0 0 1 0m = 0 0 1 5 m = 0 0 1 7m = 0 0 2 5 距小于5 0 m m 严重风 s = 0 s = 0s = 0s = 0s = 0 化夹泥节理 ( 2 ) 广义h o e k - b r o w n 经验强度准则 e h o e k 针对1 9 8 0 年提出的强度准则的不足之处，提出了狭义h o e k b r o w n 经验强 度准则的修改形式，称之为广义h o e k b r o w n 经验强度准则，其表达式为： 表1 4 广义h o e k b r o w n 经验强度准则系数m 及s 值 广义h o e k b r o w n岩石参数质量好；质量好；质量一质量差；结 质量较差 经验强度准则结构面粗 结构面粗般；结构构面强风结构面强 糙，未风糙，轻微面光滑，化，被致密风化，上有 化风化 中等风矿物薄膜擦痕，被粘 化覆盖或砾土矿物薄 石岩屑充膜覆盖或 填填充 块状岩石一由三组 正交结构面切割成 m m m i o 6 0 40 2 60 1 60 0 0 8 so 。1 90 0 6 20 0 1 50 0 0 3 0 0 0 0 4 嵌固紧密，未受扰 a0 5o 50 50 5o 5 动的立方体状岩块 碎块状岩石一四组 或四组以上结构面 m i i l m i 0 40 2 9o 1 6o 1 l 0 0 7 s0 0 6 2o 2 l0 0 0 30 0 0 lo 切割成嵌固紧密， a0 5o 5o 50 5 o 5 3 部分扰动的岩块 7 西安石油大学硕士学位论文 块状，层状岩石一m i i l m i o 2 4o 1 7 0 1 2 o 0 8o 0 6 断裂的岩石，受多s 0 0 1 20 0 0 4o 0 0 l00 组结构面切割 a0 5o 5 o 50 5 0 5 5 破碎岩石由角砾岩 和组成的极度破碎 m m m i 0 1 7o 1 2 0 0 80 0 60 0 4 s0 0 0 4o 0 0 looo 岩石。岩石间嵌固 a o 50 5 o 50 5 5o 6 松散 盱七刊。 ( 1 1 0 ) 式中：o 。一是完整岩石( 岩块) 的抗压强度； m m 一岩石的经验参数值，类似于岩块的m 值； s 、a 一与岩石特征有关的常数。 可见广义h o e k b r o w n 经验强度准则包含y ( a = 0 。5 ) 狭义的h o e k b r o w n 经验强度准 则，它也适用于结构松散无粘聚力的岩石。具体参数取值见表1 4 。 一般地，随着围压0 3 的增大，多数岩石的介质状态发生改变，破坏方式也发生变化， 即岩石破坏由脆性向塑性转变。从岩石中的应力条件对岩石破坏特征的显著影响看，可 以认为岩石由脆性向塑性转变时的应力条件以o l = a 0 3 为分界线：当o l a 0 3 时，岩石处于高应力状态，发生塑性 破坏。m o g i 在1 9 6 6 年通过三轴试验得出均质岩石的脆性一粘性过渡值为o i - 4 4 0 3 。 岩石由脆性向塑性转变的应力条件，限制了h o e k b r o w n 准则的适用范围，因为该 准则仅适用于低应力状态的脆性破坏。 1 4 本文研究的内容 1 研究分析泥页岩的物理化学性质，分析泥页岩水化作用引起的井壁失稳力学机 理变化过程，总结井壁失稳的原因，建立近井地带应力状态方程和物理模型： 2 针对各种泥页岩水化作用引起井壁失稳的情况，研究水化作用对泥页岩井壁强 度的影响规律； 3 研究各种井壁破坏强度理论，分析各种坍塌破坏强度理论的适应情况以及解决 问题的精确程度：分析总结出判断和选择合适的强度理论的方法和原因，并对其强度理 论进行完善，建立泥页岩水化作用下的强度计算模型； 4 通过实例计算，根据所建立的强度模型计算水化情况泥页岩的坍塌压力和破裂 压力，分析钻井液活度不同的情况下坍塌压力的变化规律。 第二章泥页岩的基本特性与井壁受力分析 第二章泥页岩的基本特性与井壁受力分析 影响泥页岩井壁稳定的内因是泥页岩的基本性质，所以对于井壁稳定问题的研究首 先应从泥页岩的基本性质着手，也就是从泥页岩的形成、物理成分、化学特性等基本性 质开始研究分析。 2 1 泥页岩的形成和组成 2 1 1 泥页岩的形成 泥岩和页岩总称泥页岩，指以粘土矿物为主( 其含量大于5 0 ) 的固结程度较高的沉 积岩，泥岩不显层理，呈块状，页岩有明显的页状层理。通常情况泥岩和页岩的结构都 不是各向同性的均质结构。泥页岩本质上应属于一种外生或者它生的沉积岩 1 4 1 ，主要由 母岩碎屑化作用生成的风化物，经过以悬浮的方式运移，最终沉积并压实作用而形成， 在这个过程中，再附加上一些层内溶解、沉淀胶结等作用。在不同的沉积过程和环境中， 形成了各种不同结构、类型的泥页岩。泥页岩形成过程中，泥页岩的形成不光依靠外生 成因，它也同样存在一定程度的内生或者内生成因，通过生物、物理和化学等作用，根 据溶液中某类物质的沉淀，形成各种质地不同的泥页岩，诸如钙质泥页岩和碳质页岩等。 随着沉积压实作用的变化，也就是上覆沉积物不断增加的厚度，碎屑化的风化物聚沉产 物所受到的压力和它所在地层的深度不断增加，导致了页岩多方面的变化，比如显微结 构、化学成份和宏观性质等。沉积压实作用对于各种岩性变化的影响是不可逆的，泥页 岩性质不会因为压实应力的撤消而发生逆转还原。因此，通过沉积压实形成的泥页岩， 它经过上升作用或侵蚀作用而造成应力释放，其压实作用是不可逆的。由于这种不可逆 现象的存在，岩石中存在超致密的页岩。同时也存在着较为松散的页岩，一般和这种页 岩的存在都伴生有超压现象的出现。这是由于良好封闭和快速沉积的共同作用，使沉积 物含水较多，且快速压实过程中沉积物中的水不易排出，从而造成沉积物中流体的异常 高压。 泥页岩的形成过程中，脱水过程对泥页岩的形成有着重要的作用。随着时间的推移， 泥页岩中流体的存在方式和化学性质都会慢慢变化。一般情况下，随着埋藏深度的增加， 水的矿化度也随之增高，这是因为压实过程中，自由水的不断排出，剩余水中水化结合 水的百分比增加，并且由于页岩的结构连接强度增大，从而导致沉积物中的流体的盐度 逐渐增高，在沉积的整个过程中，粘土颗粒间的连接强度从无到有，从而岩石的沉积压 力从最开始作用在粘土的水化膨胀应力上，到最后存在连接强度时，转嫁到连接强度上， 也因此引起盐度从低到高的变化。 2 1 2 泥页岩的物质组成 9 西安石油大学硕士学位论文 泥页岩的组成成分主要有三类矿物，分别是非粘土矿物、晶体粘土矿物和非晶体矿 物，非粘土矿物有长石、石英、方解石、白云石等，晶体粘土矿物有蒙脱石、伊利石、 绿泥石、高岭石、伊蒙混层、绿蒙混层等，非晶体矿物有蛋白石等，晶体和非晶体的粘 土矿物是影响泥页岩稳定性的主要成分。 四种主要的晶体粘土矿物的结构特点如下： 1 高岭石 其晶体构造是则一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面体晶片组成的两层型粘土矿 物，和发生晶格取代现象，整个体系呈电中性，阳离子交换容量少，交换位置在断键边 缘上，颗粒直径大，比表面也比较小。 2 蒙脱石 蒙脱石的结构由两个四面体中间夹一个八面体组成。其晶格中的s i 3 + 被a 1 3 + 或f e 2 + 取代，八面体中的a 1 3 + 或f e 3 + 被m 矛+ 扩所取代，从而形成晶格负电荷，负电荷被粘 土表面上的n a + ，c a 2 + 等交换性阳离子平衡，其晶格取代现象主要发生在中间八面体层。 3 伊利石 其构造和蒙脱石相似，但是晶格取代主要发生外面的四面体层，且取代程度高于蒙 脱石，因而伊利石单位表面积上交换阳离子是蒙脱石的六倍，这些交换性阳离子靠近表 面，对于负电荷中心具有较大的能量，因此吸附的阳离子不易起先交换。 4 绿泥石 是由被八面体的氢氧化镁分隔的硅氧四面体一铝氧八面体组成的。硅氧四面体中的 a 1 3 + 取代了s i 4 + ，因此产生负电荷，由a 1 3 + 取代氢氧化镁中的m 9 2 + 而达到平衡，从而 使整个体系保持电中性，其阳离子交换容量低，交换的位置主要在断边缘上，绿泥石颗 粒比较粗，比表面积小。 5 混层矿物 混层矿物或间层矿物是指各个晶体均由两种或两种以上的基本构造单元晶体层沿 c 轴重叠所构成的粘土矿物。各晶层可以呈有序间层、部分有序间层或无序间层；有序 问层的粘土矿物具有明显的周期性。无序间层可按两种或多种晶体的类型和比例加以描 述。常见的混层矿物有伊蒙混层与绿蒙混层两种。伊蒙混层的膨胀性、阳离子交换容量 均介于蒙脱石与伊利石。 6 非晶体粘土矿物 泥页岩中除了存在晶体粘土矿物之外，还含有不定量的非粘土矿物，如蛋白石、氢 氧化铁、氢氧化铝等。非晶体粘土矿物具有一定的活性，泥页岩的阳离子交换容量不公 与晶体粘土矿物的种类、含量有关，还和非晶体粘土矿物的含量有关。 2 1 3 泥页岩的物理结构 l o 第二章泥页岩的基本特性与井壁受力分析 1 泥页岩的微组构 泥页岩的微观结构的不同对泥页岩水化反应和力学性质都有非常显著的影响，以 前，人们在对泥页岩的力学性质进行研究过程中，对此没有太多重视，但是早在1 9 2 5 年，微组构概念就被t e r a g h i 提出，他认为无数的粘土片互相粘接在一起构成了峰窝状 构造，同时，很多学者提出了不同的构造，例如：非絮凝片架结构、絮凝片架结构和空 间分散结构 1 5 1 。随着现代科学技术的发展，透射电镜、电镜扫描，x 衍射技术等技术的 出现，更多的微观结构因为学者利用这些技术对泥页岩进行研究而提出，比较实用的有 涡流状构造、书页状构造、片架状构造等。研究泥页岩的力学性质的各向异性对泥页岩 水化问题研究有很重要的影响，然而泥页岩宏观的各向同性或者各向异性又是由泥页岩 的微组构所决定。泥页岩的宏观性质有拉压强度、本构参数、孔隙分布与渗透率等，目 前还没有可以应用于定量模型描述岩心的宏观参数与微观组构的关系，只能间接地通过 各种实验来测得。在泥页岩水化过程中，泥页岩的渗透率的各向异性对泥页岩井壁稳定 问题的影响非常突出，泥页岩的吸水和水化随着渗透率的变化而有所不同，这就引起了 泥页岩不同方式和程度的井壁稳定问题的发生。这方面在斜井和水平中的表现非常明 显，泥页岩层的水平井和斜井的井壁稳定性非常差，造成井壁稳定性较差的原因中一个 非常重要的因素就是泥页岩渗透率各向异性。 2 泥页岩的物理结构 泥页岩中各种粘土类矿物的微观结构都是由某种片、板状单元通过有序或无序排列 堆积。通过粘土矿物的电化学特征可知：各种粘土矿物均为表面带负电荷的晶片或晶片 构造层；不同矿物，晶片形状不同，大小厚薄不同，带电量不同，阳离子交换能力不同。 即使同一种粘土矿物，其化学组份、晶构构造、形状和尺寸也有一定的变化。但它们的 共同之处是它们都是片状带电体。泥页岩由泥质颗粒和非泥质颗粒组成，泥质颗粒由各 种粘土矿物片组成；非泥质颗粒由石英、长石、方解石等顺粒组成，泥页岩最主要的化 学反应是水化反应和离子交换，因此泥页岩中含有多种赋存形成的水。有很多泥页岩还 含有微裂缝和层理缝。因此，泥页岩是由泥质团状颗粒、非泥质颗粒、多种孔隙与裂缝、 各种形式的水、化学离子、泥质颗粒中的各种粘土片组成。泥页岩结构框架如表2 1 所 示。 表2 1 泥页岩物理模型结构 泥蒙脱石t o t 型 页 粘土 伊利石t o t 型 岩 颗 矿物 绿泥石t o t o 型 t ：硅氧四面体 粒 高岭石t o 型 o ：铝氧八面体 混层矿物混合型 非粘土矿物：惰性，与水不发生化学作用 水 孔隙水：孔隙中的自由水 吸附水：颗粒表面的束缚水 两安石油大学硕j 二学位论文 层问水：粘土矿物晶体结构晶层间的结晶水 结构水：以h o 一形式存在的化合水 孔 大孔隙：粒间孔隙，裂缝孔隙；存在压力渗流和化学扩散 微孔隙：粘士片与片之间的孔隙；只存在化学扩散 隙 晶间孔隙：晶片间尺寸大于水分子尺寸的孔隙；存在分子扩散 2 2 泥页岩的物理与化学性质 2 2 1 泥页岩的物理性质 由上述的泥页岩的组成和成岩过程可知，因为泥页岩是一种特殊的多孔介质，所以 除了具有一般多孔介质的性质外，还具有一些其他的物理性质，这些性质都会对泥页岩 的水化产生不同方面的影响。现将与泥页岩固体架构有关的几个性质进行阐述： 1 比表面 泥页岩的比表面是单位泥页岩体积内所有颗粒的总表面积，定义为 口= 万a a r ( 2 - 1 ) 式中，1 7 是比表面，量纲是m ；鲋，是体积a v 内所有颗粒的总表面积，量纲是 m 2 。在石油工程中，泥页岩比表面常被定义为1 0 0 克干燥的泥页岩中的总表面积，即 s = 半( 2 - 2 ) 式中，s 是比表面，单位一般是m 2 1 0 0 9 页岩；鲋。即是质量为w 的干页岩的总表 面积，单位是m 2 。 泥页岩组分、孔隙率、粒径、颗粒排列方式和颗粒形状对泥页岩的比表面有很重要 的影响。比表面在对研究泥页岩的泥页岩的研究起着非常重要的作用，例如泥页岩从流 体中吸收物质和粘土双电层斥力。 2 阳离子交换容量( c e c ) t 阳离子交换容量与粘土阳离子交换容量相似，泥页岩的阳离子交换容量是指在分散 介质的p h 为7 条件下，泥页岩所能交换下来的阳离子总量，包括交换性盐基和交换性