（油气井工程专业论文）北大港油田沙河街泥页岩井壁坍塌周期研究.pdf

t h es t u d yo fb o r e h o l es l o u g h i n gp e r i o d i ns h a l ef o r m a t i o no fs h a h e j i eo fn o r t h d a g a n go i l f i e l d y a n gq i n g m i n ( 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 w e l l b o r ei n s t a b i l i t yo fs h a l ei sac o m p l i c a t ea n dw o r l d w i d ep r o b l e m ，a n dm a n yr e s e a r c h w o r k sh a v eb e e nd o n ef r o m1 9 3 0 st o19 9 0 s ，s e v e r a lm a t hm o d e l sc o u p l e dw i t hm u l t i f i e l d s h a v eb e e nd e v e l o p e d t h ed e v e l o p m e n to fm e c h a n i c sf r o md a s t i e i t yr e s e a r c ht o m e c h a n i c s - c h e m i c a l e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h b u t b e c a u s et h e c o m p l e x i t y o f m u l t i - f i e l d s - c o u p l e dp r o b l e m , m a n yp a r a m e t e r si nt h e s em o d e l sc a n tb em e a s u r e di nl a b ，t h a t d e c r e a s e dt h er e l i a b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo fm o d e l ss e r i o u s l y o nt h eo t h e rh a n d , w h e nu s e d t h ep a r a m e t e rt oa n a l y s i st h eb o r e h o l es l o u g h i n gp e r i o d ，t h eo t h e re l e m e n t sw h i c ha f f e c t e dt h e p a r a m e t e rw a s n o tc o n s i d e r e d ，s ot h ee f f e c t sw a s n tw e l l u s e dt h en e wm e a s u r i n gm e t h o d s o ft w om a i np a r a m e t e r si nl a b , a n dp a r tp a r a m e t e r sw a sa m e n d e di nt h i sp a p e r , s ot h e p r a c t i c a b i l i t yo f t h i sm o d e li si n c r e a s e d m o d i f i e dt h ea p p a r a t u so ft h em e c h a n i c s c h e m i c a le x p e r i m e n t a la n dt h em e t h o d si n t e s t i n g , e n h i g l i t e dt h ee f f i c i e n c ya n dt h ea c c u r a c yo ft e s t i n g b a s eo nt h et h e o r yo ft h e b o r e h o l ew a l ls l o u g h i n gp e r i o d a n du s e dt h em e t h o d so ft e s t i n gi nh o u s et od e t e c tt h e p a m m e t e r so fs h a h e j i eo fn o r t hd a g a n go i l f i e l d w h i c hi st h eb a s eo ft h eb o r e h o l ew a l l s l o u g h i n gp r e s s u r e t h er e g u l a r i t yo ft h eb o r e h o l ew a l ls l o u g h i n gp e r i o do fs h a h e j i eo fn o r t hd a g a n g o i l f i e l dw a sa n a l y z e du s e dt h es o f t w a r eo fm e c h a n i c s - c h e m i c a le x p e r i m e n t a l s o m e c o n c l u s i o nc a l lb eg o tt h a tl o w e rw a t e ra c t i v i t ya n dl o w e rt e m p e r a t u r eo fm u da n dh i 曲e r m e m b r a n ee f f i c i e n c ya r eb e n e f i tt ob o r e h o l es t a b i l i t y k e y w o r d s ：s h a l e ，b o r e h o l es t a b i l i t y , m e m b r a n ee f f i c i e n c y , c o u p l i n gh y d r o m e c h a n i c s w i t hc h e m i c a le n e r g y , p o r ep r e s s u r ep r o p a g a t i o n , w a l ls l o u g h i n gp e r i o di ns h a l e 1 l 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：盔丕焘邀日期：功。夕年广月比日 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：三逸丝 指导教师签名：越 日期： 们多年4 - 月7 正日 日期：加乡年j 月础日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 论文的研究目标和意义 第一章引言弟一早 ji 苗 井壁失稳问题一直是钻井工程中一个复杂且带有世界性的难题。井壁失稳给钻并工 程造成巨大的困难，主要表现为缩径、坍塌卡钻、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。 井眼不稳定多数发生在泥页岩井段。钻井地层大约7 5 以上是由页岩构成，约有 9 0 的井眼垮塌问题都与页岩不稳定性有关。对于北大港油田沙河街地区，利用测井曲 线，通过等效深度方法，测得垂向井段存在异常压力段；根据单井的泥岩欠压分析，分 为e d 2 、e s l z 两个主要欠压实带，在其下有三个超压带。故此地区地层极不稳定，容易 造成井壁坍塌，所以，因此，此地区的泥页岩稳定性研究，尤其是对于泥页岩坍塌周期 的研究尤为重要。 先前针对井壁失稳这一问题，国内外很多学者经过几十年的艰苦研究，已经形成了 套系统的研究方法。其整体的研究思路是从纯力学研究，到泥浆化学研究，到力学与 化学耦合研究，再到力学、化学、热力学耦合研究。其中纯力学研究过程中经过了弹性 力学时期，弹塑性力学时期，再后来发展到了多孔弹性力学阶段。力学研究主要从岩石 力学、流固耦合的角度研究井壁失稳机理及对策；化学研究主要从泥页岩水化应力的 角度分析井壁失稳的机理及对策。7 0 年代以前，这两方面研究各自独立进行，没有有 机的结合起来。7 0 年代到9 0 年代，这两方面逐渐的结合起来，但只是处在实验研究层 次。直至9 0 年代后期，将力学因素与化学因素耦合起来进行泥页岩井壁稳定性研究才 开始进入定量化数学描述阶段。2 1 世纪初期，l o m b a ，c h e n e v e r t 以及s h a n n a 等人利用 唯象规律，通过不可逆传递过程的“流一与“力一的耦合，将水力一电化学耦合起来。 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，即由力学一 化学耦合向力学，化学，电势，热力等多场耦合方向发展n 一3 1 。虽然，l o m b a 模型实 现了流一化耦合，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，在流一 固耦合方面存在缺陷。虽然他们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。 在国内外研究中，膜效率( 有的文献称为反射系数) 作为基础参数，是力学一化学 第一章引言 耦合方法进行泥页岩井壁坍塌周期分析的前提条件，均是通过实验室直接测定的。但是， 国内外文献在实验室测量过程中，流体在岩芯中的流动实际上是力学化学耦合流动，然 而，在膜效率值的计算过程中，由于方法的限制，只能将耦合的流动看成是单纯化学作 用下的流动，来获得膜效率值，以便进行下一步的耦合计算，这种方法存在缺陷。目前， 国内外对模型应用时，由于涉及到的附加参数多，均竭力将模型进行简化，以至于很大 程度上失去了耦合的真正含义。而且，在化学势差实验的过程中，由于以往换溶液时间 较长，最初的化学势反应过程未能记录下来，以致实验效果不太理想。 以往的坍塌周期数学模型大多从力学、化学角度考虑，有的也考虑了水化应力对岩 石强度的影响，但并未考虑对水化后强度参数的修正。鉴于此，本文修正了部分参数值， 建立了多因素( 包括水力压差、化学势差、温度的共同作用) 井壁坍塌周期模型，并分 析了井壁坍塌周期。 因此，深化力学一化学耦合基础理论研究，建立正确的膜效率计算方法，建立合理 的力学一化学耦合井壁稳定计算模型，精确实现全部模型参数能够可测量化，增加模型 的实用性，仍然是一项复杂，艰巨且具有重大研究意义的课题。 1 2 国内外研究现状 关于井壁稳定性问题，力学研究主要从岩石力学、流一固耦合的角度研究井壁失稳 机理及对策；化学研究主要从泥页岩水化应力的角度分析井壁失稳的机理及对策。 分析力学一化学耦合井壁稳定模型的发展过程可知：力学一化学耦合真正的含义是流 - n 一化耦合。力学一化学耦合的基础是流一固耦合，通过流一化耦合，发展到流一固一化耦 合，这是力学一化学耦合的一个方面，这个过程不包括流体成分直接与固体成分发生纯 化学反应的情况；而力学一化学耦合的另一方面是泥页岩水化对岩石力学性质的影响， 这一方面主要是物理化学作用的结果，也可能有纯化学作用，因此，力学一化学耦合问 题可分为两个层次的研究，一是流一固耦合问题研究，二是流一固一化耦合研究。本章将 对以上述两方面理论为基础的、有代表性的、前沿的力学一化学耦合理论作详细的综述 分析。 1 2 1 流固耦合理论 对于流一固耦合闯题研究，多孔弹性理论起着至关重要的作用。多孔弹性理论主要 研究含有粘稠液体的固体孔隙介质的变形问题。孔隙流体的出现通过两种机理引发岩 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 石内部应力的相应变化：( 1 ) 孔隙压力的变化引起岩石体积的变化，此为流体对固体 的影响；( 2 ) 岩石应力状态的改变引起孔隙中未排出液体孔隙压力的变化，此为固体 对流体的影响( 如果孔隙中流体不能流入或流出岩石) 。 1 2 1 1 固体对流体的影响 t c r z a g h i 和p e c k 于1 9 4 8 年在假定流体和固体介质不可压缩的条件下，提出了有效 应力的概念，有效应力定义为： 彩= + p 磊 ( 1 1 ) 这里为作用在岩石上的有效应力张量，为总应力张量( 力除以包括孔隙在内 的总面积) ，p 为孔隙压力( 标量) 。磊是克罗内克6 符号。根据连续介质力学，拉伸应 力定义为正应力。1 9 6 0 年，s k e m p t o n 将固体骨架的压缩性考虑进来，提出了修正的 t e r z a g h i 有效应力，表述形式为嘲： 喵= o 口+ a p 5 v ( 1 - 2 ) 其中：口= l 一召 b ：鲁( 1 - 3 ) 疋 这里k 和墨分别为固体骨架( 干岩石) 的体积模量和岩石的总体积模量。召称为 s k e m p t o n 系数，口为b i o t 常数。注意到k 值从0 到( 1 一伊) k 之间变化，妒为岩石的孔 隙度。因此口的范围为矽 口 l ，对于非固结岩石，口接近于l ( f j a e r e t a l ，1 9 9 2 ) 。 b i o t ( 1 9 4 1 ) 用总应力张量和孔隙压力给出了最初的孔隙弹性本构关系1 。后来，到1 9 5 5 年，b i o t 应用偏应力的概念重新建立了本构关系表达式湖。总应力张量分成两部分：固 体偏应力张量( 作用在固体部分上的力) 瞄和流体偏应力张量仃( 作用在流体部分上 的力) 。应力之间的关系为： 哦= g 七o p 6 仃= 一卯( 1 - 4 ) 在上述方程的导出过程中，弹性骨架是通过连通孔隙的统计学分布和有效孔隙度 来进行考虑的，定义为： 3 第一章引言 9 专( 1 - 5 ) 也表示成： 伊专( 1 - 6 ) 这里孔隙体积是指相互连通的孔隙空间体积，v 是总孔隙体积，s 。为任意横截面s 上孔隙占据的面积。 含水量的变化定义为每单位体积的岩石，孔隙流体体积的增加。设固体骨架排水 量的组分为及孔隙流体排水量的组分为。固体骨架巳和孔隙流体吁的扩张( 体 积的相对变化) 为： 乞2 “麒 吩= ( 1 7 ) 通常规定，逗号后面跟有下标的表示与空间坐标的区别。体积膨胀量仅为固体应变 张量斜线项简单相加之和。体积应变张量将在后面作以定义。流体含量的变化与固体 骨架和流体体积膨胀之间的关系为： 。 f = 缈( 乞一勺) ( 1 - 8 ) 1 9 4 1 年，b l o t 将各向同性体的线弹性概念应用于多孔介质，由此产生了多孔弹性 理论。b i o t 理论的缺点是理论中的参数物理意义难于解释，其中一些常量用实验方法 很难得到。b i o t 分别对各向异性介质口1 ，对不同的问题进行调研，研究参数的实验确定 方法嘲，曾经对其理论反复修正了很多次。c l e a r y 于1 9 7 6 年在b i o t 研究成果的基础上， 着手以常规方法重新定义物质的参数嗍。由于数学问题的复杂性( 一对耦合的偏微分方 程) ，当时没有很好的解决方法，因此，l u b i n s k i 类比热弹性问题n 们，通过假定孔隙结 构，忽略固体骨架变形对流体流动的作用来简化方程。后来，在l u b i n s k i 的倡导下y e w 和l i u 重新修订了这一方法，找到了极好的简化方程的方法u 。 1 2 1 2 流体对固体的影响 流体对固体的影响主要反映在井眼周围的应力分布上。将y e w 和l u b i n s k i 的多孔 弹性理论方法应用到井眼状态下进行应力分析。原地应力分成三个部分：上覆岩层压 力或垂直应力，两个水平应力。将原地应力沿着井眼轴线旋转到新的坐标体系，这里给 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 假定在一定深度处的原始地层中存在原始地层孔隙压力e o ，以密度为昂的钻井液 进行斜井或定向井的钻进。昂，岛以及流体流动只能产生正应力，不能产生剪切应力。 根据y e w 和l u b i m k i 的方法，采用z 向与井眼轴向一致的柱坐标表示，用总应力表示 的应力应变关系式为： = 三k y + 吒) ) + _ a ( 1 - r 2 v ) p = 丢一y h + 吒”+ 丁a ( 1 - 2 v ) p = 圭k y k + ) ) + 掣p ( 1 9 ) 对于长直井日艮来说，可以认为平面应变= 0 ，径向和切向应力为： = 者：南( + 南) 唧 2 占南岛+ ) 一 m 。 应力和满足平衡方程( 没有体力) ： 望垒+ o r r - - 0 瓣：o d r r f 1 1 1 ) 应变和位移之间的关系为： d u“ 2 _2 一 a rr 这里“是指固体骨架的径向位移。 合并最后三个方程，n a v i e r 方程为： 丝+ 三塑一兰：a o - 2 v ) ( 1 + v ) 一d p d r 2 + 7 石一72 面f 万一石w t - 或者 导b 掣) = 锗害 为方便的表述应力方程，将净压力p f ( r ，) 定义为： 5 ( 1 - 1 2 ) ( 1 1 3 ) p 。妒 j 2p 妒， 一p o ( 1 - 1 4 ) 方程( 1 1 3 ) 可以转化为： 妣扣掣沙枷+ c ，+ 争 m 嘲 ，= r 为井眼直径，其大小可以取到无限远处。应变和位移之间的关系服从： 2 铡( 一吉弘厂，咖+ p ， + q 一争 2 笮铲砉弘协q + 争 m 旧 各应力项可以表达为： 一警吖肌硒e 丽h 如，爿 一等p 咿盹r ， + 矗 q + ( 1 - 2 v ) r c - - - ； m 乃 常数卟乞由下面的边界条件得到：厂2 0 哼2 一己；r = o o - - u = o 井眼周围的应力分布可以表述为： = 制吉弘“r 渺+ 事风 2 前7 1 【，炒+ 尹风 一错 专砂忙p 叫一芳“ 2 耕p m 上面方程的第一项是由于流动引起的应力，前两个方程中的第二项是由于井眼压 力产生的应力。 1 2 2 泥页岩水化应力研究 在2 0 纪中期世界各地采用气体钻井维持了某些泥页岩地层井壁良好的稳定性啕， 人们才开始分析，导致泥页岩井壁失稳的关键问题可能是泥页岩与泥浆的捂触导萄的 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 泥页岩水化。2 0 世纪6 0 年代，g r a y ，c h e n e v e r t 1 3 1 们等明确指出：井壁失稳不仅仅是纯 力学问题，泥页岩水化也是井壁失稳的重要原因。1 9 5 5 年后，很多学者开始对含粘土 岩石水化的研究，6 0 年代中后期，正式展开泥页岩水化对井壁稳定性的影响研究。特 别在化学作用的影响问题上以及在粘土矿物的研究方面己取得一系列的成果：多孔介 质物质如粘土矿物的组成、基本结构、晶体光学性质；粘土矿物的水化作用n 司；粘土 矿物与各种离子间的相互作用们，粘土矿物的物理化学性质的变化n 7 埔j 明，流体在多 孔介质( 包括页岩间) 的流动及影响啪一妇等。这些成果为钻并中泥页岩水化问题的研 究做了很好的开端。 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嘲，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的实验。试验结果证明：泥页岩的性质与水化作用是直接相关的。 国内在泥页岩水化方面也取得了很好的研究成果。石油大学的徐加放，邱正松教授 为进一步深入井壁稳定机理研究( 2 0 0 6 年) ，利用压力传递原理推导了泥页岩极低渗透 率计算公式，给出了半透膜效率的计算公式，并建立了压力传递实验新方法。利用该方法 定量测定了泥页岩极低渗透率和泥页岩与水基钻井液体系半透膜效率。结论验证了具有 极低渗透率的泥页岩与水基钻井液之间存在半透膜效应，半透膜效率与无机盐的种类有 关，且泥页岩渗透率和半透膜效率可通过物理化学的方法得以改善】。 1 2 3 井壁稳定的力学一化学耦合理论研究 在前面实验和理论的基础上，人们更加重视从泥页岩钻井液力学一化学耦合角度 综合分析泥页岩井壁失稳机理。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瞰】。 e 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， 从而影响岩石的强度，既水化对岩石强度产生很大的影响。根据该耦合模型和适当的强 度破坏准则，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 难点是：如何准确测定井壁泥页岩中水的活度。 国内部分研究者进行了类似研究，最有代表意义的是石油大学黄荣樽嘲教授的研 究，其不同处有以下几点：第一，认为泊松比与含水量有关。第二，认为弹性模量e 7 第一章引言 与含水量w 成指数关系，而非线性关系。第三，给出了中国大庆页岩的内聚强度c 和 摩擦角伊同含水量w 的线性关系。第四，采用有限元法求解方程。 9 0 年代后期，将力学因素与化学因素耦合起来进行泥页岩井壁稳定性研究开始进 入定量化数学描述的阶段，对页岩的吸水规律也有了更深一步的机理性研究。h a l e 和 m o d y 嘲是这一方法的提出者，1 9 9 2 年他们用等效孔隙压力法来研究泥页岩力学化学的 耦合研究，提出泥页岩中水的总渗透量是由于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。从微观的角度进行了孔隙压力的推导计算，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，得到化学势产 生的等效孔隙压力： 等姒蜂：p 一只 ( 1 - 1 9 ) ，“钻井液 其中r 为气体常数，丁为热力学温度，y 为水的偏摩尔体积，a 为溶液活度，只为 地层孔隙压力，p 为有化学势差作用下的等效孔隙压力。该研究对页岩岩芯作了油基 泥浆内相水活度实验，得到页岩吸水与内相水活度有关，而页岩强度又受吸水量的影 响的结论。m o d y 和h a l e 于1 9 9 3 年又将半透膜等效孔隙压力理论应用到页岩与水基泥 浆的作用上嘲。他们认为页岩与水基泥浆表面应该有半透膜，但可能不是理想半透膜。 从而引入反射系数盯来描述非理想半透膜( 理想半透膜盯= 1 ) ，从而等效孔隙压力计 算式修改为： 盯睾l n ( 马：p p o ( 1 - 2 0 ) y “钻井液 针对h a l e 和m o d y 对压差渗透的否认，g m b o l 嘲1 在实验中证明了在压差作用下低 渗透页岩也有渗透和压力传递。文章还研究了毛管力的影响，用临界毛管力和润湿性 概念分析了油基泥浆稳定页岩的机理，并指出在水基泥浆条件下页岩表面没有半透膜 存在。最后他由微渗透实验测定得到的压力穿透数据得到等效孔隙压力，再引入到力 学与化学耦合的稳定性分析之中。在他们的研究基础上，l o m b a 嘲等进行了更深入的研 究。他们认为页岩具有的非理想半透膜特性主要是因为页岩颗粒的负电荷表面及超细 孔隙，在电场的作用下阻止了同性离子的通过，又通过交换吸附减缓了异性离子的通 过。因此他们将页岩渗透膜抽象为两个相隔较近的带负电的平行板，流体和离子在板 间运移。然后经过一系列复杂的推导，得到了唯象系数和反射系数的理论表达式。从 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 结果可以看出，电解质浓度和板间距是估计页岩半透膜特性的关键系数，此外，膜内 的离子种类也有影响。在进一步的计算中表明汹1 ，与水力压力相比，渗透压对水和离 子在页岩中传输的影响要大得多，因此可以通过调节流体中的离子浓度来控制水穿透 页岩。基于这一理论的数学模型，在2 0 0 0 年后的多场耦合研究中被广泛应用m 1 。石油 大学的程远方教授等在2 0 0 7 年间，以多孔介质渗流力学为基础对泥页岩井壁延迟坍塌 机理进行了分析，建立了近井壁地层孔隙压力的计算模型，计算了不同时期的临界坍 塌压力，分析了钻井液参数对井壁稳定性的影响，得出近井壁地层孔隙压力及强度参 数在时空域内的分布，以及一定钻井液密度下泥页岩井壁坍塌破坏的时间沏3 。多场耦 合理论得到进一步发展。 泥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 量概括很粗糙。等效孔隙压力法以半透膜渗透压为出发点，尽管承认不存在“理想 半透膜，但仍引入“非理想半透膜 ，将在真实的多微孔泥岩一定范围内发生的自 由水和化学离子运移现象集中于“膜上，对于分析近井壁地带的泥岩水化显然不合 理。可见，泥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 步深化的机理研究。 1 2 4 各模型的优缺点总结分析 2 0 世纪7 0 年代以后出现了各种井壁稳定模型。在2 0 世纪7 0 年代末，b r a d l e y 建 立了简单实用的线弹性模型，该模型将井眼周围地层看作为各向同性的均质线弹性介 质，将井壁稳定性问题看成为一个简单的平面应变问题。模型在考虑了原地应力和井 眼液柱压力作用的情况下，对井眼周围的应力状态进行计算，应用d r u c k e r - - p r a g e r 进 行剪切破坏的计算。模型的一个明显特征是将抗拉强度取为零。模型既可以用于直井， 也可应用于定向井。该模型开辟了井壁稳定分析模型的新时代，此后的大部分模型都 是此模型的进一步发展，区别无非是考虑的影响因素不同。 b r a d l e y 线弹性模型一个缺陷是将抗拉强度取为零，这使得计算出的泥浆密度窗口 过于保守。b r a d l e y 线弹性模型的另一个明显的缺陷是将模型中的所有弹性参数定为常 数。后续的研究证实，弹性参数与岩石所受的压力相关。1 9 8 6 年s a n i t a r i l i 将线弹性模 9 第一章引言 型进行了改进。s a n i t a r i l i 模型考虑了最小主应力对弹性模量的影响，使得计算出的近井 壁地层岩石切向应力远小于常弹性模量假设下的切向应力，而最大剪切应力不是一定 在井壁上，从而使得剪切破坏点可能发生在近井壁地层的某处。 然而，以b r a d l e y 模型和s a n t a r c l l i 模型为代表的早期线弹性模型共同的缺陷是没 有考虑流体扩散的影响。c h c n c v e r t ( 1 9 6 9 ，1 9 7 0 ) 研究指出嘲，由于钻井液液柱压力与原 始地层孔隙压力水力压力差，将导致近井壁地层的孔隙压力重新分布。同时钻井液中 水活度与泥页岩水活度的差异，会导致钻井液和原始地层之间的化学势差，从而影响 近井壁地层孔隙压力的变化。 2 0 世纪9 0 年代，关于力学一化学耦合的实验大量出现。主要有m o d ya n dh a l e1 9 9 3 年实验；c h e n e v c r ta n dp e m o t l 9 9 8 年实验；o b r i e n1 9 9 6 年实验等。1 9 9 3 年，m o d y 和 h a l e 将半透膜等效孔隙压力理论应用到页岩与水基钻井液的作用上，假设页岩与水基 钻井液表面有半透膜泓1 ( 但不是理想半透膜) ，得到等效孔隙压力修正模型，他们又假 设粘土表面的吸附阳离子不能自由移动、扩散或交换，以此为基础，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，形成了一套将水化与渗透压进行耦合 的力学计算方法，并用专用实验装置进行了水化渗透压的实验。上述实验研究的贡献 是：证明了化学效应的真实存在，并对化学作用的性质进行了定性研究。 1 9 9 5 年，石油大学黄荣樽教授认为，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。利用线弹性力学理论建立直井在均匀地应力下井眼围岩的水化 效应模型，求出井眼围岩的应力状况。 2 0 世纪初期，虽然实验室已经证实了化学作用的存在，但考虑化学作用的井壁稳 定数学模型没有建立。1 9 9 2 年，y e wa n dl i u 将多孔弹性理论引入到井壁稳定的模型上， 推导了由于流体流动引起的正应力的计算模型。他们利用热弹性比拟法，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。应用该理论的关键是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。如果找到了这个关系，就能得到化学力学耦合的并 壁应力分布。在1 9 8 8 年，h s i a o 用相似的方法进行了水平井的井壁稳定性分析。1 9 9 9 年，c u i 在总结实验的基础上，应用拉普拉斯变换的方法，得到了近并壁地层岩石内孔 隙压力和应力的数学解析解。关于多孔弹性理论，本文在后面章节将详细介绍。y e wa n d l i u 模型的缺陷是仍然没有考虑化学作用。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 直到2 1 世纪初期，l o m b a , c h c 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，将水力一电化学耦合起来。得出的结论为：电解质 的浓度和板间距是估计泥页岩半透膜特性的关键系数，膜内的离子也有影响；与水力 压力相比，渗透水和离子在泥页岩中传输的影响要大得多，可以通过调节流体中的离 子浓度来控制水穿透泥页岩。至此，真正多场耦合的数学模型开始建立。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，即由力学一化学耦合向力 学，化学，电势，热力等多场耦合方向发展。 通过对各模型的优缺点总结分析得知，2 0 0 0 的l o m b a 模型嘲更为全面、先进、合 理。但是，此模型仍然存在一些缺陷。如前文分析，井壁稳定的力学一化学耦合实质上 是流一固一化耦合，而流一固耦合部分还包括流体对固体的影响和固体对流体的影响两部 分内容。l o m b a 模型中只考虑了流体对固体的影响，而没有考虑固体对流体的影响。此 外，l o m b a 模型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。在应用唯象定律 建立的多场耦合模型中，引入了阳离子浓度、溶质有效扩散系数墨、如、l ( - - 阶对 ， 称张量6 个参数) 等新参数，增加了计算难度，因此数学求解十分困难，这些参数的实 验室确定也相当困难。在国内外研究中，膜效率( 有的文献称为反射系数) 作为基础参 数，是力学一化学耦合方法进行泥页岩井壁稳定性分析的前提条件，均是通过实验室直 接测定的。但是，在实验室测量过程中，流体在岩芯中的流动实际上是力学化学耦合流 动，然而，在膜效率值的计算过程中，由于方法的限制，只能将耦合的流动看成是单纯 化学作用下的流动，来获得膜效率值，以便进行下一步的耦合计算，这种方法存在缺陷。 另一方面，该方法中需要考虑阳离子的影响，而带不同电荷阳离子之间的影响无法考虑， 这一点也是模型的一个缺陷。目前，国内外对模型应用时，由于涉及到的附加参数多， 均竭力将模型进行简化，以至于很大程度上已经失去了耦合的真正含义。 1 2 5 目前井壁坍塌周期研究存在的主要问题及拟解决的方案 泥页岩井壁坍塌周期研究经历了多年的研究和发展，取得了骄人的成果，但仍存在 许多问题和不足。 在水化应力方面，虽然很多学者也做了大量的研究，但目前仍停留在实验观察和定 性分析阶段。 泥页岩井壁稳定热学研究，主要从地层和钻井液之间进行热交换引起附加温变应力 第一章引言 场的热效应角度研究。目前仍停留在定性分析阶段。 泥页岩井壁坍塌周期研究主要涉及到力学，化学因素的影响汹1 ，对温度等因素的 影响还考虑较少，由于泥页岩地层弹性模量大，温度的变化对地层坍塌压力的影响不容 忽视渤】。当井壁温度升高时，坍塌压力升高，不利于井壁稳定；当并壁温度降低时， 坍塌压力降低，有利于井壁稳定。此时，内摩擦角变大，粘聚力变大。因此，所建的数 学模型考虑的影响因素较少，没有形成共识，且模型所用参数的实验室测量仍存在一定 的缺陷。 本文主要在改进实验条件、参数修正及岩体力、化、热耦合多因素角度进行研究。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章泥页岩压力传递模拟实验 2 0 世纪9 0 年代，出现了大量关于力学一化学耦合实验研究的文献，1 9 9 3 年，m o d y 和h a l e 将半透膜等效孔隙压力理论应用到泥页岩与水基钻井液相互作用机理分析上 汹1 ，假设水基钻井液与泥页岩接触表面存在半透膜( 但不是理想半透膜) ，得到等效孔 隙压力修正模型，利用多孔介质弹性力学和d n 】l 【e r - p r a g c r 破坏准则，形成了一套将应 力与渗透压进行耦合的力学计算方法，并用专用实验装置进行了水化渗透压的实验。 o z i s a n y a , 嘲1 做了线性膨胀实验，实验研究证明：泥页岩与钻井液接触时，产生膨 胀或者压缩取决于钻井液流体、孔隙流体成份和泥页岩矿物成份等因素。钻井工程领 域定义，保持岩石体积为常量所需的应力称为“膨胀压 。如果泥页岩与流体接触会产 生膨胀，在保持体积不变的情况下，如果膨胀被阻止了，则会导致井周应力的变化。 如前文所述，钻井液与泥页岩地层接触时，以下几个方面的因素对井壁稳定都产生重 要影响：( 1 ) 、化学势分布对流体的影响；( 2 ) 、流体对固体的影响；( 3 ) 、固体对流体 的影响。其中，利用化学作用控制泥页岩中的流体流动是提高井壁稳定性的关键。因 此，对流体和离子流入或者流出泥页岩的分析十分重要，泥页岩压力传递实验就是专 门针对这一问题进行的实验研究。该实验结果可以用来计算泥页岩的渗透率和膜效率 等参数。本章详细介绍力学一化学耦合作用下泥页岩压力传递实验的实验方法和步骤， 应用新的膜效率计算方法对8 块不同岩芯的实验结果进行了分析。 2 1 实验原理 国内外很多学者曾对泥页岩中的渗透流动进行研究，c h e n e v c r t 于1 9 6 9 年、1 9 7 0 年进行的实验研究结果认为：油基泥浆能够产生理想的半透膜，而水基泥浆产生非理 想半透膜。理想半透膜作用下，流体中的离子不能通过，只有水能够通过半透膜，因 此在化学势能的作用下，半透膜两边产生压力差；而非理想半透膜允许一部分离子和 全部的水分子通过，因此产生离子在岩石中不均匀分布，导致化学势能的差异，进而 影响压力的分布。m o d y 和h a l e 于1 9 9 3 年又将半透膜等效孔隙压力理论应用到页岩与 水基泥浆的作用上。他们认为页岩与水基泥浆表面应该有半透膜，但可能不是理想 半透膜，从而引入反射系数来描述非理想半透膜( 理