（油气井工程专业论文）伊通盆地泥页岩井壁稳定弹塑性分析.pdf

t h ee l a s t i c p l a s t i ca n a l y s i so fw e l l b o r es t a b i l i t yf o rs h a l e f o r ma t i o ny i t o n gb a s i n h a ny u z h u o ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c h e n gy u a n f a n g a b s t r a c t y i t o n gb a s i ni so n eo ft h em a i ne x p l o r a t i o na r e af o rj i l i no i l f i e l d b o r e h o l ei n s t a b i l i t y p r o b l e mo fs h u a n g y a n gs h a l ei sv e r ys e r i o u si ne x p l o r a t i o nd r i l l i n g i tm a k e sd r i l l p i p es t u c k ， w e l l b o r ee n a r g e m e n t ，i n c r e a s e dt o r q u ea n dd r a g ，c e m e n t i n gw o r s e s ow e l l b o r ei n s t a b i l i t yo f s h a l ef o r m a t i o ni sa n k e yi s s u ef o re n h a n c e i n gt h ee x p l o r a t i o ni nt h i sa r e a w e l l b o r ei n s t a b i l i t yi sa n u b i q u i t o u sp r o b l e ma n dc a nh a r ms e r i o u s l yt od r i l l i n g e n g i n e e r i n g m a n ys c i e n t i f i cr e a s e a r c hi n s t i t u t e sg i v eag r e a te f f o r t st os t u d y t w of a c t o r sa r e r e l e v a n tt os t a b i l i z a t i o no fs h a l e sw e l l b o r e ：o n ei sc h e m i s t r yo fd r i l l i n gf l u i da n ds h a l e s ， a n o t h e ri sm e c h a n i c so ff o r m a t i o n a tp m s e n t ，s t u d yo fs t a b i l i z a t i o na b o u tw e l l b o r ei sf o c u s o nc o u p l i n go fm e c h a n i c s c h e m i s t r y m yp a p e rb e l o n g st ot h i sf i e l d t h ee l a s t i c p l a s t ia n a l y t i c a lm o d e lf o rv e r t i c a lw e l li sd e r i v e db yp e r t u r b a t i o nm e t h o d w h i c hi st h eb a s ef o rc o l l a p s ep e r i o da n a l y s i so fs h a l ef o r m a t i o n t h r o u g ht h ep r e s s u r e t r a n s m i s s i o nt e s t ，t h ep e r m e a b i l i t ya n dm e m b r a n ee f f e c i e n c yf a c t o ro fs h a l ea r eg i v e n an e w w a t e ra b s o r p t i o nm e t h o df o rs h a l es a m p l ei st a k e nt og e tas e r i e so fd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t s h a l es a m p l e s t h ec o h e s i o na n di n t e r n a lf i i c t i o na n g l ea r eo b t a i n e dt h r o u g ht h et r i a x i a l s t r e n g t ht e s ta n dg e tt h eq u a n t i t i t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o h e s i o na n dw a t e rc o n t e n t t h e b o r e h o l ec o l l a p s ep e r i o da n a l y s i ss o f t w a r ei sd e v e l o p e d 、析mv i s u a lb a s i c6 0b a s e do nt h e e l a t i c p l a s t i ce q u a t i o no fw e l l b o r es t r e s sd i s t r i b u t i o n a tl a s t ，t h er u l eo fw e l l b o r ei n s t a b i l i t y f o rs h u a n g y a n gs h a l ei sg i v e n k e yw o r d s ：e l a s t i c p l a s t i ca n a l y s i s ，s h a l ef o r m a t i o n ，y i t o n gb a s i n ，c o l l a p s ep e r i o d ， s t r e n g t ho fs h a l e ，w a t e rc o m e n t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：董聿至遂 日期：跏扩年二月毋 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：墼垂垫 指导教师签名：刍显名： 日期：勿脚f 二月汐日 日期：二暑年i 乙月g 日 中国，f i 油人学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 伊通地区是吉林油田的主要勘探区域之一。在勘探过程中，双阳组泥页岩井壁不稳 定问题十分突出，主要表现为坍塌卡钻、钻柱扭矩过大、井眼扩大、电测遇阻、固井质 量低下等。这些事故不但会延误钻井周期，而且还会给保护油气层技术的实施带来困难。 因此深入开展伊通地区泥页岩井壁稳定机理研究，有针对性地制定技术措施，对伊通地 区钻井有着十分重要的意义。 井眼不稳定多数发生在泥页岩井段。石油钻井钻遇地层大约7 5 以上是由泥页岩构 成的，约有9 0 的井眼垮塌问题都与泥页岩地层有关。钻进泥页岩地层可能导致从冲刷 到完全坍塌的一系列问题。这些问题对于石油工业来说是严峻的，估计每年造成的损失 就高达5 亿美元。因此，开展泥页岩的稳定性研究对更好地解决井眼不稳定问题尤为重 要。这些工程问题和研究主要包括：页岩的综合性质如，与环境有关的强度和变形特性、 孔隙度、含水量、粘土含量、组成、压实速率等；钻井液的综合性质如，化学组成、泥 浆连续相的集度、内部相的组成和类型( 如果存在的话) 、与连续相相关的添加剂类型、 系统的维护等以及稳定井壁所采取的技术措施。 8 0 年代以前研究工作主要着眼于钻井液化学研究，研究抑制泥页岩水化膨胀的钻井 液添加剂和钻井液体系。其本质是降低钻井液对泥页岩强度的影响程度，并通过钻井液 的护壁作用稳定井壁。随后的研究表明，泥页岩井壁稳定除与钻井液化学有关外，还与 地层的力学性质密切相关。泥页岩井壁稳定与否最终取决于井壁应力状态与地层强度的 比较。若井壁应力大于地层强度，就会发生坍塌破坏，反之，井壁将处于稳定状态。近 年来人们逐渐将力学与化学两个方面结合起来开展泥页岩井壁稳定研究。 l o m b a , c h e n e v e r t 以及s h a r m a 等人利用唯象规律，通过不可逆传递过程的“流 与“力” 的耦合，将水力电化学耦合起来。在最近几年，多场耦合井壁稳定研究均是以此方法 为基础，进行横向扩展，即由力学化学耦合向力学，化学，电势，热力等多场耦合方 向发展【1 - 2 捌。虽然，l o m b a 模型实现了流化耦合，且考虑了流体对固体的影响，但是却 忽略了固体对流体的影响，在流固耦合方面存在缺陷。而且，他们虽然给出了唯象系 数和反射系数的理论表达式，但由于泥页岩孔隙的高度复杂性，事实上很难通过表达式 估计泥页岩的唯象系数和反射系数，这些参数的实验室确定也相当困难。王京印【4 】对这 一问题进行了进一步深化研究，以化学势传递理论为基础提出了新的确定膜效率的方 法。 第一章前言 泥页岩井壁失稳的力学与化学耦合研究仍是目前井壁稳定研究中较为关注的研究 方向。但是，在坍塌周期确定过程中仍以多孔弹性理论为基础，而井壁实际坍塌过程是 一个弹塑性变化过程。因此开展泥页岩井壁坍塌周期弹塑性分析更符合实际情况。 本研究主要以吉林油田伊通盆地双阳组泥页岩为对象，通过室内实验和理论研究， 建立泥页岩坍塌周期弹塑性分析模型，在此基础上分析地应力、岩石强度、钻井液类型 等因素对井壁稳定的影响规律。最后制定减缓或消除伊通地区双阳泥页岩井壁不稳定的 技术措施，为优快钻井奠定基础。 2 中国年i 油入学( 华东) 硕士学位论文 第二章泥页岩井壁稳定研究现状 泥页岩占石油工程钻遇地层的7 5 以上，而泥页岩井壁稳定事故占总事故率的9 0 以上。可见泥页岩井壁稳定分析是井壁稳定研究的主要对象，且有着十分独特的属性。 泥页岩井壁稳定研究按历史发展的先后顺序包括泥页岩井壁稳定化学研究、泥页岩井壁 稳定力学研究、泥页岩井壁稳定力学化学耦合研究、泥页岩坍塌周期分析、化学固壁 研究等。下面对泥页岩井壁稳定研究现状予以综述。 2 1 泥页岩概述 沉积岩是地球表面分布最广的一种岩石类型，沉积岩中7 0 是泥页岩。因为泥页岩 的主要成分是粘土矿物，所以泥页岩也称为粘土岩。对泥页岩的深入了解是研究泥页岩 井壁稳定的基础，包括泥页岩的矿物组成、成岩机理、强度、水化机理等。 泥页岩含有各种粘土矿物，主要是蒙脱石、伊利石、高岭石、伊蒙间层和绿蒙间层 等粘土矿物。 泥页岩最显著的特性就是粘土矿物含量高，渗透率极低。其极低的渗透率是由不良 的小孔狭口的连通性造成的，且与水和热膨胀性有很大的关系。粘土含量的多少，决定 了泥页岩的亲合力，当泥页岩中含蒙脱石比含伊利石或高岭土高时，泥页岩对水就具有 更多的亲和力。粘土与水接触就会发生水化膨胀，只是水化膨胀的程度不同。粘土水化 有两种机理：表面水化作用和渗透水化作用。 表面水化作用是粘土水化的第一个阶段，它是粘土晶体表面上吸附水分子的作用， 也称为晶格膨胀。引起粘土表面水化作用的力是表面水化能。交换性阳离子以两种方式 影响粘土表面的吸附水：一是许多阳离子本身是水化的，即它们本身有水分子的外壳； 二是它们与水分子竞争，键接到粘土晶体的表面上，并且倾向于破坏水的结构。 渗透水化作用是粘土水化作用的第二阶段，即完成了离子水化与粘土表面层水化后 才进行的。当粘土暴露在自由水中，由于粘土表面的阳离子浓度小于溶液内部的浓度， 因此，水发生浓度差扩散，形成了扩散双电层。渗透水化引起的体积增加比表面水化大 得多1 5 。 2 2 井壁稳定化学研究 泥页岩井壁稳定性研究初期，很多学者开展过粘土水化研究及泥页岩水化对并壁稳 定性的影响研究。同时在粘土矿物研究方面己取得一系列的成果：多孔介质物质如粘土 第二章泥页岩井擘稳定研究现状 矿物的组成、基本结构、晶体光学性质；粘土矿物的水化作用；粘土矿物与各种离子间 的相互作用，粘土矿物的物理化学性质的变化【6 , 7 , 8 】，流体在多孔介质( 包括页岩问) 的 流动及影响【9 , 1 0 】等。这些成果为钻井中泥页岩水化问题的研究做了很好的开端。 早期研究泥页岩水化问题的国外专家主要有：c h e n e v e r t ，h a l e 和m o d y ，t a n ，g r a y 和d a r l y 等。1 9 6 9 年，c h e n e v e r t i l l l 开始针对泥页岩水化问题进行实验研究，主要是对泥 页岩进行了水化膨胀压的实验测量，并将该膨胀压表示为页岩内水活度的函数。g r a y 和 d a r l y 主要从理论上进行了一些研究，进行了页岩水化对井壁稳定影响的基本原因分析， 经过长期积累，提出了研究井壁稳定所应收集的全套地质数据、现场数据和应进行的岩 心或岩屑实验。在早期的泥页岩水化问题的研究中，泥页岩活度这一概念已经提了出来， 在随后的研究中，c h e n e v e r t 进一步提出了活度平衡的概念，并建议采用以高浓度盐水 为内相、油为连续相的油包水平衡活度泥浆，应用活度平衡理论引导泥页岩中水分的流 动。现场实验证明，高浓度盐水泥浆可较好地防止页岩水化。同时，借鉴物理化学中半 透膜的概念，并提出非理想半透膜的概念。d a r l y 解释了油包水泥浆的半透膜原理，指 出内相含过多的盐会使页岩水析出，这种析出有利于井眼稳定，并在模拟井眼上进行了 实验【1 2 1 ，同时，g r a y 和d a r l y 针对裂缝性泥页岩进行了一定程度的研究指出：对于有微 小裂缝的页岩，由于侵润性和表面张力的作用，使得油基泥浆的临界毛管压力非常之高， 以至于整个液柱压力全部作用在井壁上；而水基泥浆只是液柱压力与孔降压力之差作用 在井壁上【1 3 1 。这个观点促成了物理方法降滤失稳定井壁技术的发展，如各种油渣及沥青 制品的封堵剂。在泥页岩水化研究的初期，人们认为泥页岩井壁失稳主要是由于膨胀性 粘土的影响。d a r l y 在1 9 6 9 年所做室内实验则指出，伊利石水化虽然膨胀体积不大，但 膨胀压力不小，且有明显的后效性，吸水几十个小时后产生很大膨胀压，这将导致页岩 破碎。因此，伊利石水化对井壁稳定有严重影响，且影响程度仅次于蒙脱石和混层粘土。 这也解释了为什么有些井泥页岩层在井眼打开后几天甚至一月以后开始出现问题。自此 以后，人们认识到所有粘土岩都不同程度地存在水化破坏问题：但不同组份、不同结构 的粘土岩其水化破坏的方式也不同；在现场采用的处理剂、钻井液、工艺措施也应不同。 c l l e r w v e x t 在1 9 7 0 年所做的关于泥页岩水化的一系列实验研究中【1 4 1 ，讨论了页岩 对自由水分子吸附和解吸；页岩膨胀、水化应力、屈服强度、体积密度等，并进行了水 吸附量与时间关系曲线的实验。由这组实验可以清楚看出：泥页岩的性质与水化作用是 直接相关的。后期关于泥页岩水化方面的实验研究还有很多，文献【l5 】对此综述较详细， 主要研究内容有以下几个方面1 1 6 l ： 4 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 ( 1 ) 防塌剂及其稳定机理研究 无机阳离子防塌处理剂。基于无机盐对泥页岩膨胀、分散的抑制作用，开发出了无 机阳离子防塌处理剂，并进一步对其稳定机理进行了研究。如采用x 衍射仪、原子吸收 光谱仪等仪器来研究阳离子防塌机理。发现阳离子与泥页岩相互作用存在两种方式，一 是离子交换，另一种是晶格固定。这一研究结果同传统的认识是一致的，但是近来的研 究发现不同类别泥页岩，阳离子作用方式不相同。而且随p h 值的增高，钙等阳离子浓 度的增加，会阻碍阳离子对泥页岩的固定作用。 硅基防塌处理剂及其防塌机理的研究。这类处理剂主要包括硅酸盐和有机硅。其中 硅酸盐是一类十分重要的防塌剂，其井壁稳定机理有以下四个方面：( 1 ) 硅酸盐进入地层 孔隙形成三维凝胶结构和不溶沉淀物，快速在井壁处堵塞泥页岩孔隙和微裂缝，阻止滤 液进入地层，同时减少了压力穿透作用；( 2 ) 硅酸盐抑制泥页岩中粘土矿物的水化膨胀和 分散：k c l 聚合物硅酸盐体系( 代号k s p ) 各处理剂间的协同作用，使粘土产生脱水而 收缩，使泥页岩的结构强度提高；( 3 ) 硅酸盐可能与泥页岩中的枯土矿物发生反应，生成 类似氟石的非晶质的联结非常致密的新矿物，增强井壁的稳定性。可溶性硅酸盐溶液还 具有抗腐蚀性能，能有效地抑制非膨胀粘土矿物悬浮液p h 值升高时界面上硅石的溶解， 保持聚结晶体里的晶间凝结力。而对于机硅防塌剂，研究表明，钻井液中加入有机硅防 塌剂后，有机硅在泥页岩表面迅速展开，形成薄膜，在一定温度下，在粘土表面形成一 种很强的化学吸附作用，同时有机硅中的有机基因有憎水作用，使粘土表面发生润湿反 转，从而使泥页岩的水化得到控制。 多元醇、聚合醇类处理剂及其作用机理。多元醇由于防塌抑制能力优异，环保特性 良好，引起了人们的关注和研究。a s t o n 对多元醇的防塌机理进行了较深入的研究。所 研究的多元醇包括简单的聚乙二醇以及环氧乙烷或环氧丙烷复杂聚合物。分子量一般为 1 0 0 0 左右，目的是使多元醇渗入泥页岩基体，如果分子量过大就会被挡在泥页岩表面。 多数研究者认为在泥浆中无机盐( 如k c l ) 的影响下具有浊度效应的多元醇聚合物， 在温度作用下产生亲油的晶状微粒，封堵泥页岩表面，形成憎水性封堵膜，减少孔隙压力 穿透作用，是多元醇泥浆的主要作用机理。而a s t o n 则认为，即使在温度低于浊点的条件 下多元醇( 包括无浊度效应的多元醇) 仍具有良好的抑制性能。浊度效应并不是多元醇 抑制性能的基本条件。他的机理研究主要是通过热重分析和便携式岩屑硬度测试仪，来研 究泥页岩样品含水量变化与硬度和页岩回收率的关系，发现在油基泥浆中见到的泥页岩 硬化现象在多元醇泥浆中也存在，但作用机理不同。研究表明多元醇与泥页岩有强烈的 第- 二章泥页岩井壁稳定研究现状 亲合性，多元醇能抢先吸附在泥页岩上，排挤泥页岩表面和吸附阳离子所带的束缚水， 并在泥页岩内浓集，使泥页岩含水量减少。但多元醇的吸附量还不是使泥页岩硬化的关 键，多元醇必须复配k c l 才能具有优良的防塌效果。这是因为多元醇与k c l 具有强烈 的亲合性，足以将溶剂化水分子移走，形成牢固的复合物，为多元醇提供吸附动力，从 而在泥页岩内形成氢键力和亲合力共同作用的复合物吸附网络，使泥页岩含水降低，强 度增大，产生了硬化的效果。b l a n d 认为多元醇能够排除粘土表面的水并与粘土形成稳 定的复合物，其相互作用比水与粘土的相互作用更大。 聚合物处理剂及其稳定井壁机理。聚合物处理剂包括阳离子聚合物，两性离子聚合 和m m h 。阳离子聚合物泥浆以高分子阳离子聚合物作为粘土抑制剂，以小分子阳离子 作为粘土稳定剂，并复配以增粘剂、降滤失剂、封堵剂等。大阳离子的大分子链上含有 正电荷基团，与粘土的作用除氢键作用外，主要为粘土表面的负电荷与聚合物分子链上 的正电荷之间的静电作用。小阳离子分子量小并带有正电荷，易吸附在粘土表面，进入 粘土晶层间并取代交换性阳离子而吸附于其中，并且吸附力很强而不容易脱附。吸附分 子外表面是含有碳氢基团的憎水表面，可阻止水分子进入，故能有效地抑制粘土的水化 膨胀和分散，稳定井壁。现场应用实践表明，小阳离子与低分子量聚合物复配体系具有 更强的稳定井壁能力，如x a 1 s d x 低聚物抑制性泥浆。近年来发展了j t - 8 8 8 两性离 子聚合物防塌泥浆。j t - 8 8 8 是由非离子、阳离子和阴离子三种类型的单体反应而成的两 性离子型中分子量聚合物，吸附强度由两种阳离子单体调节，能够与c m c 等处理剂通 过氢键和静电引力等作用形成复合物，通过阳离子基团牢固地吸附在泥页岩表面，阻止 泥浆水的侵入，m m h 泥浆具有优异的井壁稳定能力，其稳定井壁的机理为：( 1 ) m m h 泥 浆在井壁上能形成不动层，减小钻井液对井壁的冲蚀作用；( 2 ) m m h 胶粒在井壁上形成 正电膜，抑制粘土或泥页岩的分散。 沥青类防塌剂及稳定井壁机理的研究。为了研究沥青类产品的防塌机理，美国 n d a v i s 等人使用h d s s l e r 型高温渗透率仪在1 3 7 m p a 的压力和不同温度下向直径为1 英 寸、长度为5 0 8 厘米的氧化铝岩心柱( 使用这种岩心的目的是为了使沥青中所含的硅作 为分析的示踪剂) 注入加有沥青类产品的钻井液，持续1 小时。实验结束后，从岩心柱 流动方向末端不同剖面上取样，进行扫描电镜和能谱色散x 射线衍射分析。通过对不同 温度、压力下使用不同沥青类产品所获得的显微照相及相应的谱图综合分析可以看出， 当温度增至一定值时，沥青类产品变得有韧性，能发生塑性流动，在一定压差作用下被 挤入页岩微裂缝、孔隙和层面中，降低滤失量和钻井液总的侵入量，阻止页岩沿微裂缝 6 中国石油入学( 华东) 硕士学位论文 及层面滑动和破碎。此外，沥青还覆盖在井壁上形成一层致密的薄膜，加固井壁，阻止 钻井液冲蚀井壁。从氧化铝芯柱横剖面谱图可以看出，沥青类产品必须在一定温度与压 差下才能起封堵作用。温度过低，则沥青仍为固体颗粒，不能形成十分致密的泥饼，无 法挤入页岩层理、裂缝中：而温度过高，沥青熔化被挤入页岩深部，也不起封堵作用。 沥青类产品的有效温度随沥青软化点的升高而升高对于磺化沥青类产品，若磺化度过 高，产品水溶性好，在压差作用下，渗至页岩深部，不能有效地堵塞井眼表面或形成薄 的内泥饼。 其他处理剂。除上面介绍的几类处理剂外，还有一些其他类型的处理剂如表面活性 剂类、糖类、甲酸盐等物质。 ( 2 ) 水化膨胀和分散特性研究 泥页岩粘土矿物组份的水化能力和特点。主要研究了各种粘土矿物的水化现象， 并从理论上讨论粘土矿物的表面水化、渗透水化和离子水化。研究表明地层中粘土矿物 己经部分或完全表面水化，而渗透水化和离子水化主要发生在蒙脱石晶片间和其它粘土 矿物颗粒间，受离子交换和双电层扩散规律控制。 温度和压力对泥页岩水化膨胀性能的影响。g m b o l 曾使用不同封闭压力的膨胀 仪进行实验得出下述结论：封闭压力对页岩的膨胀性影响很大，有效封闭压力越高，页 岩遇水后所产生的膨胀压力也越高，但体积膨胀不大：在中等到较低的有效封闭压下， 页岩遇水后可形成明显的膨胀压力和体积膨胀；有效封闭压力为零时，能形成很大的体 积膨胀。 无机盐对泥页岩水化膨胀、分散的影响。关于无机盐对泥岩水化的影响，国内 外的研究者们做了大量的实验。如e a r o e h l 测定了四种类型粘土矿物在不同浓度的 k c l ，c a c l 2 溶液中的膨胀率，以及使用膨胀仪对k c l ，n a c l ，c a c l 2 三种无机盐抑制页 岩膨胀性能进行了实验；t w b e i h o f f e r 等人使用k c l ，n h 4 c 1 ，n a c l ，c a c l 2 等四种无机盐 对页岩进行滚动分散实验。实验表明：随着无机盐浓度的增加，蒙脱石的膨胀率急剧下 降，然后趋于稳定，而伊利石、绿泥石、高岭石的膨胀率没有明显的变化。同时，研究 用的几种无机盐都能使页岩膨胀指数下降，并抑制其分散，盐的浓度越高，膨胀指数越低， 抑制能力也增强。比较而言，n a c i ，c a c l 2 抑制效果相近，k c l ，n h 4 c i 优于n a c l ，c a c l 2 。 无机盐能抑制页岩水化膨胀和分散的原理为：无机盐加入钻井液后，可以通过降低水的 活度来阻止水进入页岩的裂缝，从而提高裂缝性页岩的稳定性。k + 、n h 4 + 抑制性强的 原因是水化能低和离子尺寸刚好能嵌入两个氧六角环之间的空间，使粘土矿物发生收缩 7 第- 二章泥页岩井壁稳定研究现状 效应。 p h 值对泥页岩水化膨胀、分散的影响。通过大量研究证实了氢氧离子可以促进 泥页岩中粘土矿物分散。它既影响低膨胀性粘土，如伊利石和高岭石，也能对蒙脱石类粘 土产生明显的影响。当水溶液中p h 值低于9 时，p h 值对泥页岩水化影响不大，p h 值 继续增加，泥页岩水化膨胀加剧，促使泥页岩坍塌。 泥页岩动态水化过程的研究这方面主要是对泥页岩水化的时间效应研究，即 泥页岩水化的动力学过程及对井壁失稳的影响进行研究。如国内大庆油田采用x 衍射对 各种粘土矿物动态水化过程进行研究，获得了泥页岩吸水后晶层间距随时间变化规律， o o 发现膨润土吸水后，晶层间距很快从1 2 6 3 a 扩展到4 8 a 。而以伊利石为主的泥页岩， 粘土矿物的晶层间距基本上不发生变化。 2 3 井壁稳定力学研究 进入2 0 世纪8 0 年代后，人们发现研制新型钻井液体系并不能完全防止井壁垮塌。 调节钻井液密度可以很好地改善井眼的稳定性。因此，人们开始着力开展井壁稳定的力 学研究。主要研究成果【1 7 】包括线弹性力学模型研究、多孔弹性力学模型研究、弹塑性 力学模型研究等。 2 3 1 线弹性模型 对于任意斜井眼，设井深为h ，井斜角为a ，方位角为b ，受到上覆岩层压力ov 、 最大水平主应力oh 、最小水平主应力oh 的作用。井眼液柱压力为p w ，地层孔隙压力 为p p ，同时假设地层为均质、同性、线弹性体。力学模型如图2 1 所示。 o x y 、 2 - 1 斜井井眼力学模型 、 f i g2 - 1 m e c h a n i c a lm o d e lo fad e v i a t e db o r e h o l e 首先将原地应力主分量转换到井轴柱坐标系下，得到6 个应力分量数学表达式如下： 8 中国缸油大学( 华东) 硕十学位论文 仃，= ( 仃，c o s 2 + 仃 s i n2 7 ) c o s 2 口+ 仃，s i n 2o f o r ，= ( 仃s i n 2 + 盯 c o s f l ) 盯矗= ( o hc o s 2 + 仃 s i n 2 ) s i n 2 口+ 仃vc o s 2 口 ( 2 1 ) f w = 0 5 ( 0 h 一盯) s i n 2 f l s i n a 、7 下计= q 5 ( o hc o s lp + o h s i n zp o ，) s i n 2 a f 删= 0 5 ( a 一仃h ) s i n 2 f l c o s c r 然后再根据广义平面应变模型，得到井壁围岩应力分布规律为： 咿扣小豺扣嘶+ 等等 c o s 2 秒 坞( ，+ 7 3 a 4 一等 a 2 仉 驴扣q ( ，+ 升弘1 ，叫+ 刳c o s 2 秒 ( + 等k 口一知 仃。= 矿：一2 c q q ，( 等 c 。s 2 9 + 4 f 习，( 等 s i n 2 9 确_ 扣妙m c o s 2 9 l ( 1 + 等一等 铲i t = e o s o + r 声s i n o 【t 一等 铲 r 弦c o s 0 - r = s i n 0 【+ 等 ( 2 - 2 ) 井眼围岩应力分布函数是径向距离，和圆周角0 的函数。 2 3 2 孔隙弹性模型 通常岩石中存在大量的孔隙，由于这些孔隙的存在，改变了岩石的力学特性，因此 提出了多孔弹性模型。起先是将线弹性方程加以扩展，来分析多孔各向同性固体的固结 情况，后来又用有关混合物的连续力学理论扩展了b i o t 的理论，提出了描述可压缩多孔 介质的模型。也有人用比拟法，将热弹性比拟成多孔弹性，并指出多孔弹性的h o o k 定 律可写为： 铲i 1h - v ( 叩酬+ 警”届卅咒 ( 2 - 3 ) 9 第二章泥页岩井壁稳定研究现状 式中： e 弹性模量，m p a ； 只孔隙压力，m p a ； 层孔隙间材料的压缩系数与多孔材料压缩系数比。 用这种比拟法就可以采用解决热应力i ；- j 题的弹性方法来解决多孔介质孔隙压力引 起的应力问题。井眼周围的附加应力模式为： 小r 警专心咣 ( 2 4 ) 式中，口：= l 一层为多孔弹性常数。 对于多孔弹性模型，在进行井壁稳定性分析时做了两种假设：完全渗透性井壁和非 渗透性井壁。这是因为传统的理论中，井眼周围的孔隙压力不能精确的测量。而近来发 展的倾斜井眼的多孔弹性模式，精确考虑n - f 岩石基质和孔隙流体之间的相互作用。该 模式指出，井壁周围的孔隙压力与原始地层压力大不相同，特别是岩石破碎效应和与钻 井液接触后的一段时间内的变化1 7 1 。 尽管这些模型包含了特定形态下孔隙压力的扩散情况，但并不存在流体孔隙压力与 岩石变形的联合作用。因此又提出了三维的多孔模型【18 1 ，用以研究斜井井壁处于渗透性 地层和非渗透性地层条件下的情况。这两种压力流动边界条件是井眼稳定性分析中最常 见的。在井中的抽吸压力和激动压力作用中，与时间相关的压力流动边界条件更加符合 实际。这种多孔介质模型不仅可以预测井眼围岩所受应力与孔隙压力的大小，而且验证 了有人在现场发现的延时性坍塌现象【1 9 1 。这一点与常规模型有很大差别。另外，多孔模 型可以预测导致井眼最终坍塌的初始裂纹。 在静态条件下，均质各向同性体的线性多孔弹性调和方程描述如下： 22 g 勺+ 鸡2 g v 7 ( 1 2 v ) 一印毛 ( 2 5 ) p 2 m 一凹) ( 2 6 ) ，厂b 1 = o ( 2 7 ) 堕o t ( 2 8 ) g f 一p ， ( 2 9 ) l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 上述方程的假设条件是：流体静态下，无源无汇。 式中： 卜孔隙压力，m p a ； 口有效应力系数。 斜井的应力可表示为： 盯，r = 一p o + s oc o s 2 ( 0 一只) + 盯+ 盯譬+ 盯譬 仃卯= 一p s oc o s 2 ( 0 - 0 r ) + c r 饕) + 仃+ 仃窘 仃荔= v ( a ，+ 仃卯) 一a o 一2 v ) 一s ：+ 【v ( s ，+ s y ) + a o 一2 v ) p o 铲( s = e o s o + s vs i n 0 ) 1 圳d 刍( 2 - 1 0 ) p 2 f = ( s i n o + s 馆c o s 0 ) 1 - i - h ( f ) - 一5 - f 坩= - s os i n 2 ( o q ) + 仃坩 井壁稳定弹性分析方法认为：当井壁在线弹性条件下失稳时，井壁上的应力状态处t 于临界点。但是，在实际钻井过程中，由于孔隙流体迁移的粘滞效应，井壁出现裂缝并 不会导致井眼出现大面积的垮塌。这样可能在井眼附近出现一个塑性屈服带，使临界破 坏点发生在岩石内部而不是在井壁上。因而，又提出了弹塑性分析模型。 2 3 3 弹塑性模型 用柱面坐标中的应力函数来解决弹塑性问题，对于弹性区，利用h o o k 定律，而对 塑性区，则采用c o u l o m b 屈服准则，在这种屈服条件下，m o h r 圆的屈服包络线是一条 直线。由于此模型方法简单，因而经常应用。 为了更实际的模拟井眼的塑性特征，常使用应变硬化和应变软化的概念。对于应变 软化这一特性，由于它只涉及到单轴和三轴下的岩样的局部变形，而且在建立本构模型 时曾假定变形是均匀的，因而不提倡使用这一特性。尽管如此，随着永久变形的进行， 势必发生强度的降低，因此不能排除进行应变软化的模拟。 对于渗透性介质，井眼周围屈服带的渗透性与远场弹性区的渗透性存在差异，这对 破坏区尺寸的影响很大。对那些非胶结地层，采用线弹性模型会过高( 保守) 的估计维 持井壁稳定的井眼液柱压力，因此建议采用非线弹性的本构模型。但这样就不可能具有 。解析解而需要采用数值方法 2 0 l 。 d p 屈服准则的函数形式为1 2 l j ： 第- 二章泥页岩井擘稳定研究现状 2 ；f l j i i i 葡4 ( c m c o s q ，m - 妒( ，- ) p s i n ) = 。 ( 2 1 1 ) 总的来说，一方面随着物体结构破坏而产生破裂，胶结逐渐消失；另一方面，随着 塑性应变的增加，内摩擦角增大，导致物质变硬，最终达到一定的内摩擦角。 通过上述方法确定出井壁上点的应力后，就需要把计算出的应力与相应的岩石强度 相对比，应力状态超出岩层强度的临界值，可以认为破坏已开始。常用破坏准则有：拉 伸破坏准则、摩尔库仑准则、h o c k b r o w n 破坏准则、d r u c k c r - p r a g e r 准则等。 中国石油大学( 华东) 根据地质力学理论、多孔弹性介质力学理论、岩石力学及声 学理论，对井壁围岩的受力状态，地应力的测量技术，岩石强度的测定方法，以及泥页 岩水化应力及其分布的确定、相应计算方法等进行了系统的研究和分析2 2 1 。 2 4 井壁稳定力一化耦合研究 在以上实验和理论的基础上，人们更加重视从泥页岩钻井液力学化学耦合角度综 合分析泥页岩井壁失稳机理。研究钻井液与泥页岩作用后所产生的水化应力和孔隙压力 的变化，井壁泥页岩的吸附水状况及其对围岩的应力分布、弹性模量和强度参数的影响。 可以分为以下几方面的内容：总吸附水量相关法、等效孔隙压力法、总水势的增量弹性 理论等【2 3 1 。 2 4 1 总吸附水量相关法 运用总吸附水量相关法来分析非渗透性各向同性泥页岩的水化问题，将垂直井设为 柱坐标系，假设吸附水是可以自由扩散的物质，用热扩散模拟吸附水扩散，扩散驱动力 设为吸附总水量的浓度梯度，结合质量守恒方程，得到如下吸附水量方程 2 4 1 ： c 7 _ o r 妒2 百 ( 2 1 2 ) ，i 狮”1 0 f ，) 一1 ，) 、 再结合初始条件和边晃条件，求得总吸附水量为： 警小p 蝴严一警 仁 y e wch ，c h e n e v c nme 认为泥岩的泊松比与吸附水量基本无关，吸水造成的泥岩 体积膨胀与总吸附水量按二次多项式相关，弹性模量与总吸附水量呈线性关系，有： ls ，= k l 形+ k 2 2 【e = e 。+ j 矿 ( 2 1 4 ) 1 2 中国石油入学( 华东) 硕士学位论文 式中： 。( ) ，k ( ) 零阶第一类、第二类贝塞尔函数； c l 一吸附水扩散系数，c m 2 s ： r 井眼半径，c m ； 1 一泥页岩泊松比； 踟一泥岩的原始弹性模量，m p a 。 酽瑚页岩含水量为矽的弹性模量，m p a 。 经岩心测试得到系数k 1 ，k 2 ，s 及c 和泥页岩的昂，v 及破坏强度后，将( 2 1 2 ) 至( 2 1 4 ) 式与柱坐标下的平面应变方程联立，可求得吸水后应力、应变及位移。 然而，也有学者认为泊松比与含水量有关，弹性模量与总吸附水量为指数关系而非 线性关系。 2 4 2 等效孔隙压力法 在对油基钻井液与泥页岩相互作用研究的基础上，h a l eah ， m o d yfk 等人首次 提出等效孔隙压力法【2 5 1 ，认为泥岩中水的总渗透量是压力梯度作用下的渗流流量和化学 势作用下的渗流流量之和，并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，得到化学势差作用下的等效孔隙压力： h + 等l n 等 他们提出泥页岩与水基钻井液表面的半透膜不是理想半透膜，以穿透半透膜的溶液 质量流量( j ，) 为0 为条件，引入表明非理想程度的反射系数o ( 理想半透膜的。值为1 ) ： 仃= 鱼l 印理论值。j v 却 从而将( 2 - 1 6 ) 式修改为： p ：碥+ 盯坚扬堑 p 嘞竹一v 扬亡 ( 2 - 1 6 ) 式中： 卜热力学温度，k ； r 气体常数，8 3 1 4 j m o l 1 k ： 可水的偏摩尔体积，c m 3 m o l - 1 ； 1 3 第二章泥页岩井壁稳定研究现状 p 。地层孔隙压力，m p a ； 广化学势差作用下的等效孔隙压力，m p a ； 口硝钻井液的活度； 口。泥页岩的活度。 假设粘土表面的吸附阳离子不能自由移动、扩散或交换的基础上，m o d yfk 和h a l e a h 借助于简单的多孔介质弹性力学计算和d r u k e r - p r a g e r 破坏准则，发展了一套耦合水 化渗透压的力学计算方法。在大量实验基础之上，o s i s a n y a 等人引入线性单相渗流方程 【2 6 】： a l 一# t c 。却 0 x 2 k t a ( 2 1 7 ) 其解析解为： j p ( x ，d = 只+ ( 己一只) p 矿o 彳口，) k = 鸺7 k ( 2 1 8 ) 然后依据半透膜理论得出在一定活度差条件下的渗透压力，并引入总等效压力的概 念，得到如下方程： 弓( 列) = b ( 砌+ ( 弓( 卜曲) 一弓( 加) ) 万 4 口，) ( 2 1 9 ) p ，井内液柱压力，m p a ； p o 地层孔隙压力，m p a ； p 吹卜误差函数； t a nc p ，r i c h a r d sb r i a ng 等人认为总水势( 孔隙压力与渗透压之和) 差是导致水流动 的根本原因，根据水和岩石组分的连续性方程推导出膨胀性介质中的水流方程【2 7 】： ( 筹) 工出：= c c c 厄，一( 号 只 ， 。2 2 。， 中国石油火学( 华东) 硕士学位论文 式中： 口总水势，j ； 鼢，h 一岩石体积模量和水的体积摸量，m p a ； g r 岩石剪切模量，m p a ； 卜岩石的水力传导系数； c r 岩石的体积变化系数； 根据( 2 2 0 ) 式，考虑溶质的对流、弥散、扩散、交换吸附、化学反应、注入和抽出， 可导出溶质的运移方程，求出溶质的浓度分布，进而得出系统的渗透压。 他们还认为，泥页岩孔隙水总水势的增加导致水被粘土片吸附，引起黏土膨胀( 粘 土片可自由移动时) 或产生水化应力( 膨胀受限时) 。总水势的变化与其引起泥页岩潜在体 积变化的关系可表示为： 瓴= q f h l g ( 2 2 1 ) 因为总水势的变化会影响岩石的有效应力，于是有： 占“= s j l g 仃7 ( 2 2 2 ) 若膨胀受限，则相应的水化应力为： a o “= 【d k ( 2 - 2 3 ) 式中： 因总水势变化在f 方向产生的应变； 一r 方向的有效应力，m p a ； q f ，墨总水势和一定应力下的体积应变系数，n - - i 由实验确定； 盯讲- 1 方向的水化应力，m p a 。 用( 2 2 0 ) 式与( 2 - 2 1 ) 式、溶质运移方程和渗透压方程联立求解，可得出孔隙压力、化 学势和水化应力。 在理论方面，真正能用于定量计算的方法只有两种，一种是t a x a s 大学c h y e w 的 热弹性比拟法，另一种是s h e l l 公司f k m o d y 等人的水分子自由能热动力理论法f 2 8 1 。 前一种理论的关键在于如何准确获得井壁含水量分布和岩石弹性模量随含水量的关系。 该理论的难点：井壁含水量分布和吸水膨胀系数以及弹性模量随含水量变化关系的确 定。 1 5 第二章泥页岩井壁稳定研究现状 f k m o d y 等人的水分子自由能热动力理论，把化学作用引起的应力变化同力学作 用引起的应力变化结合了起来。该理论认为，由于钻井液与井壁泥页岩间活度( 化学势) 差的存在，驱使自由水进出泥页岩，改变井壁的孔隙压力，从而影响近井壁的有效应力。 根据该耦合模型和适当的强度准则，便可确定出保持井壁稳定的最佳泥浆含盐浓度和最 佳泥浆密度。该方法的难点：如何准确测定井壁泥页岩中水的活度。m o d y 给出了预测 井壁泥页岩水活度的模型为： a s = e 萧q + 吼+ 一蹦 。蚴) 泥页岩水化的力学与化学耦合研究虽然已经开始，但由于问题的高度复杂性，已有 研究成果并不一致，而且每一种理论都有明显缺陷。如总含水量相关法把所有水化变化 都归因于总含水量，这显然不太妥当，因为泥岩中的水有表面水化水、渗透水化水、离 子水化水、孔隙自由水、毛管吸附水等，其中有些与水化反应无关，笼统地用“总含水 量概括很粗糙。可见，泥页岩水化问题的力学与化学耦合需要更为逼近真实的理论基 础，也需要进一步深化机理研究。 1 6 中国打油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章井眼稳定的弹塑性理论分析 3 1 塑性力学概论 在塑性理论中，材料从受力到破坏一般要经过三个阶段：弹性、塑性与破坏。弹性 阶段的受力与变形是弹性力学的研究范畴，在这一阶段应力与变形存在着一一对应关 系，当应力消除后变形就完全恢复。塑性力学用来研究材料在塑性阶段的受力与变形， 这一阶段内的应力应变关系受到加载状态、应力水平、应力历史和应力路径的影响。 连续介质力学中，应力平衡方程和应变、位移的几何关系都是与材料性质和应力状态无 关的，因而弹性与塑性力学的差别在于应力与应变之间的物理关系不同，既本构方程不 同。弹性力学中，材料的本构关系服从广