（油气井工程专业论文）泥页岩井壁稳定性力学与化学耦合机理研究.pdf

英文摘要 s u b j e c t ：s t u d yo ns h a l es t a b i l i t yo fw e l l b o r eb ym e c h a n i c sc o u p h n gw i t hc h e m i s t r y m e t h o d s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g s h e nj i a n w e n ( s i g n a t u r e ) 必2 l 垒璺 q 。z h 。n ( s i g n 。t u n ) 鱼丝i 至丝 c h e nj u b i ( s i g n a t u r e ) _ c 纽4 衅 a b s t r a c t w e l l b o r es t a b i l i t yi sa ni m p o r t a n ta n dac o m p l e xp r o b l e mi nt h ep e t r o l e u mi n d u s t r y w e l l b o r ei n s t a b i l i t yi n c l u d e sw e l ls l o u g h i n g ，f o r m a t i o nf r a c t u r i n ga n dt i g h t h o l ed u r i n g d r i l l i n ga n dc o m p l e t i o n t h ef a c t o r so fe f f e c t i n gw e l l b o r es t a b i l i t y a r ev a r i o u sa n dm u c h c o m p l i c a t e d t h ep a p e rt h i n kt h em a i nf a c t o r so fe f f e c t i n gw e l l b o r es t a b i l i t y i n v o l v e di n m e c h a n i c sa n dc h e m i s t r y i nt h ep a p e r , t h es h a l ec o m p o n e n t sa n dc h a r a c t e r so fc l a ym i n e r a l sa l ea n a l y z e db yu s i n g o fs o m es u b j e c t s t h e o r y , s u c ha sm i n e r a l o g y , c h e m i c a lk i n e t i c s ，p h y s i c a lc h e m i s t r y , e l a s t o p l a s t i c i t y , m c km e c h a n i c sa n df l u i dm e c h a n i c si np o r o u sm e d i u m p h y s i c a lm o d e lo f s h a l ea r ce s t a b l i s h e d ，s h a l eh y d r a t i o na n di n f l u e n c ef a c t o r so fs h a l es t r e n g t ha r es t u d i e di n d e t a i l s t r e s sv a r i a t i o no fs i d e w a l ls u r r o u n d i n gr o c ki sa n a l y s e di nt h es l a n ta n dd i r e c t i o n a l h o l eb yu s i n go ft h ep o r o u se l a s t i cm e c h a n i c st h e o r y t h em o d e lo fs i d e w a l ls u r r o u n d i n gr o c k e q u i v a l e n tp o r o u sp r e s s u r ei se s t a b l i s h e db yu s i n go fp h y s i c a lc h e m i s t r yt h e o r y ，w h i c h a n a l y s e sv a r i a t i o no fp o r o u sp r e s s u r e am e c h a n i c sa n dc h e m i s t r yc o u p l e dm o d e lo fs h a l e s t a b i l i z a t i o ni si n t r o d u c e d t h em o d e lc a nb eu s e dt od e t e r m i n et h eo p t i m u md r i l l i n gf l u i d d e n s i t ya n ds a l tc o n t e n t o nt h eb a s i so ff o r m e rt h e o r y , t h r o u g ht h i n k i n gs h a l eh y d r a t i o na n dd r i l l i n gf l u i d c o m p o n e n t sh a v ea ne f f e c to nw e l l b o r es t a b i l i t y , an e wm e c h a n i c sa n dc h e m i s t r yc o u p l e d m o d e lo fs h a l es t a b i l i z a t i o ni se s t a b l i s h e d w e l l b o r ei n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo ns h a l ef o r m a t i o n i ss y s t e m a t i cs t u d i e db ym e c h a n i c sc o u p l i n gw i t hc h e m i s t r ym e t h o d s t u d yo ns h a l es t a b i l i t y o fw e l l b o r ei si m p o r t a n tt od e c r e a s ed r i l l i n ga c c i d e n t s ，s o l v et h eq u e s t i o no fs h a l ew e l l b o r e i n s t a b i l i t y , r e d u c eo i l f i e l de x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o nc o s ta n da c c e l e r a t eo i l 。g a se x p l o r a t i o n a n dp r o d u c t i o n ，w h i c hi se x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：s h a l e ；w e h b o r es t a b i l i t y ；e q u i v a l e n tp o r o u sp r e s s u r e ；m e c h a n i s ma n d c h e m i s t r yc o u p l i n g t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 y 8 2 5 7 7 4 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。 论文作者签名日期：矽移j 矿 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。学校享有以任何方式发 表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。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 逝 丝照 阿期：逍! 抑 日期：丝塑丝竺 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) 。 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 当今的世界石油工业面临着这样一个现实，新油田的开发成本越来越高，大斜度井、 大位移水平井大量增加，钻井深度不断增大，井壁的失稳问题特别是泥页岩井壁失稳问 题越来越严重。而原油的价格从长远来看却波动不定。从经济角度上考虑，在油田规划 阶段就要对井壁稳定问题给予重视。油田勘探开发费用的主要是钻井成本，保持井壁稳 定顺利快速钻井是降低开发成本主要因素。泥页岩占沉积岩总体积的5 5 ，钻井过程中的 井壁失稳、井下复杂情况与事故约7 0 与泥页岩有关“，世界石油工业平均每年处理井 壁失稳的费用高达1 0 亿美元，处理事故的时间大概占钻井时间的5 一6 ，因此泥页岩 井壁稳定研究更为重要。 泥页岩井壁失稳问题，主要包括井壁的坍塌、缩径。造成井壁失稳的原因很多，包 括客观和主观两个方面，客观方面：地质构造和原地应力，地层的岩性和产状，粘土矿 物的类型，层面的胶结情况，岩石强度，裂隙节理的发育情况，孔隙度、渗透性及孔隙 流体压力等。主观方面：钻井液的性能，钻井液的成分与泥页岩的化学作用，井眼浸泡 时间，钻井液的环空返速，对井壁的冲蚀作用，起下钻的波动压力，井眼轨迹参数，钻 柱对井壁的扰动等。这两个方面都可归结为岩石力学因素和钻井液化学因素，是岩石力 学与钻井液化学共同作用的结果。在9 0 年代以前，有关泥页岩井壁稳定性研究基本上分 为力学和化学两个方面。力学研究主要从岩石力学、流固结合的角度研究井壁失稳机理 及其对策；化学研究主要从泥页岩水化机理与控制水化的各种方法的角度研究井壁失稳 及其对策，基本上停留在实验观察和定性分析阶段。从有记载的井壁稳定研究时间开始 的几十年的时间里，虽然对泥页岩井壁稳定性的力学和化学作了大量研究，取得了较大 成功和进步，但是泥页岩井壁失稳问题始终没有彻底解决。其中的原因之一可能是没有 将影响泥页岩井壁稳定性的力学与化学作用有机结合起来。 所谓泥页岩通常是由细粒组成，其粘土含量高、孔隙小、渗透率低，但孔隙度却很 高，一般被地层水饱和，而在钻井过程中当钻井液渗滤到井壁周围地层时，极易引起井 壁地带孔隙压力的剧增，从而减弱了钻井液对井壁的有效支撑，导致井壁稳定性下降。 这一发展变化伴随着十分复杂的物理化学反应，应当说是一个力学与化学作用交叉互动、 难分难解的复杂过程。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，并且对泥页岩井壁稳定性的力学和化学作用问题也做了不少分析，取 得了一些进展。但是，泥页岩井壁失稳问题始终没有能够得以突破性的解决，其中主要 的原因之一是没有将影响泥页岩井壁稳定性的力学与化学作用有机地结合起来进行分 析。从1 9 7 0 年开始，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，但是由于问题的复杂性，到1 9 9 0 年井壁稳定性的力学和化学耦台分析仍主要停留 西安石油人学硕十学位论文 在实验阶段，泥页岩井壁稳定力学和化学耦合的定量化研究大约在1 9 9 0 年前后。 研究的可行性：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，为进一步深入研究泥页岩与 钻井液相互作用关系奠定了基础；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；国内外在井壁稳定性方面的最新研究成果也为本论文开展打下了坚实的基础。 1 2 泥页岩井壁稳定性力学化学研究国内外发展现状 1 9 8 9 年，t a x a s 大学的c h y e w 等人0 1 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，对上述方程进行数值求解，就能得到化学力学耦合的井 壁应力分布。这和通过在实验室制取岩心来模拟井下岩心的实际情况是有差距的。因此， 该理论的难点：在于确定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。 1 9 9 2 年，h a l e 和m o d y ”首次提出化学力学耦台的水分子自由能热动力理论法，并 明确提出页岩中水的总渗透量是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，得出了页岩吸水与内相水活度有关，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( 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。在他们的研究 基础之上，0 s i s a n y a 和c h e n e v e r t ”在1 9 9 4 年做了进一步的研究，首先引入了线性单相 渗流方程，并求得其解析解。可求任意时刻任意位置的总等效压力。虽做了大量实验，但 未给出总体的力学与化学耦合计算方法。 1 9 9 4 年，v a neo o r t 、h a l e 和m o d y 1 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，提出了在泥页岩中传输物 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。g u i z h o n gc h e n ，f r y d m a n 等人。1 也认为，泥页岩的变化是压力势、化学势、电 势和热势作用过程的复杂结合决定的，而且不能认为每种机理是相互独立作用，否则就 第一章绪论 不能深入理解负岩内水的传输机珲。实质上泥页岩水化的实质足水进入泥页岩，使泥页 岩发生了一系列的物理化学变化，进而导致泥贝岩宏观性质及应力分布的变化。r o s a n a 、 l o m b a 等人进行了更深入的研究“o ，认为泥页岩具有非理想半透膜特性主要是因为泥页 岩颗粒的负电荷表面及超细空隙，在电场的作用f 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。因此他们将泥页岩渗透膜抽象为两个相隔较近的带负电的 平行板，流体的离子在板间运移，并根据此理论得出了唯象系数和反射系数的理论表达 式。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，此外， 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束控制水穿透泥页岩。他们虽然给出了唯象系数和反射 系数的理论表达式，但由于泥页岩空隙的高度复杂性及片间的非单一分布，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。 h o n gh u a n g 等人用类似的方法对泥页岩稳定性进行了研究“1 ，不同的是他们由压 力值算出了泥页岩中溶质浓度分布，并根据扩散双电层理论得到页岩的水化应力( 即膨胀 压力) 。泥页岩水化膨胀压是其中粘土颗粒问的排斥力。而直接测定泥页岩水化膨胀压相 当困难。根据双电层理论，用矿物学参数计算水化膨胀压的方法。这些参数包括比表面积， 表面电荷密度、膨胀后孔隙水中离子浓度，双电层中反离子价数及粘土颗粒间距。并给出 了计算膨胀压力的理论公式。 泥页岩通常是由细粒组成，其粘土含量高，孔隙小，渗透率低。但是泥页岩的孔隙 度很高，而且一般被地层水饱和。在过平衡压力条件下钻泥页岩地层时，由于地层的渗 透率低，井壁上除了形成一层隔离膜( 非渗透性膜) 不会形成任何有效的屏障。由于泥 页岩处于饱和状态，而且渗透率很低，只有几毫达西到几十毫达西。刚钻开地层，靠近 井壁的孔隙压力低于原始孔隙压力，井壁周围孔隙压力会随时间变化变化。即使只有少 量的钻井液滤液渗透到地层中，也会导致近井壁地带的孔隙压力剧增。孔隙压力的升商 会减弱钻井液对井壁的有效支撑，从而导致井壁稳定性下降。泥页岩表现出渗透膜的特 性，但是对于水基溶液来说，泥页岩不是理想的半渗透膜，因为泥页岩中有许多大小各 异的孔隙。其中包括可致使泥页岩对溶质具有很高渗透率的孔隙喉道。因此存在溶质的 流动。c p t a n 等人提出总水势法”3 。“”。”“1 。他们认为。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，并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。同时在钻井液与泥页岩之间的流动中需要考虑水及溶质的分布和移动，溶 质的流动过程包括对流、分散和扩散，得出水流量及孔隙液中的溶质浓度方程。 1 9 9 9 年e k b o t e ，l c u i 和m o d y 等人在半透膜的原理基础上研究了泥页岩和钻井液作 用下井壁和井壁周围压力随时间变化而变化的规律并编写出现场应用软件，利用多孔 弹性理论得出”1 42 。”1 确定钻井液安全密度窗口。 石油大学黄荣撙等人”“”，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， 阳安f i 油大学硕十学位论文 求出井h 艮围岩的应力状况。 西南石油学院研究了钻井液和泥页岩问的传递作用对井壁稳定的影响。8 。1 ，钻井液 和泥页岩接触后必然会发牛一系列复杂的传递和相互作用，认为钻井液和泥页岩间通过 扩散、对流和渗透三种机理而发生水分子和溶质的传递，水力压差和化学势差是主要的驱 动力由化学势差产生的渗透压力的驱动具有瞬变特征。钻井液和泥页岩问的传递作用通 过改变页岩与流体间相互作用、改变地层孔隙压力，改变近井壁页岩含水量和胶结完整性 等途径而影响井壁稳定。由于泥页岩与钻井液的相互作用导致井壁围岩变成了变含水、 变模量和变强度的复杂介质。因此为了评价泥页岩与钻井液作用后的稳定性，必须研究 滤液对泥页岩的模量和强度的影响。 在实验研究方面。“”1 ，由于泥页岩与钻井液的相互作用导致井壁围岩变成了含水、 模量和强度均随时间而变化的复杂介质。因此为了评价泥页岩与钻井液作用后的稳定性， 有人用实验方法研究滤液对泥页岩的模量和强度的影响，其实验的基本思路为：确定 井壁周围泥页岩岩体中的含水量随距离和时间的变化规律；确定在垂直层面和平行层 面方向上，泥页岩的吸水膨胀应变和其吸水量间的关系：确定泥页岩在给定的条件下 对钻井液的吸水能力。 为了研究水化作用，利用常规的三轴试验机改装成一套有钻井液循环的模拟井眼水 化的试验装置，可对空心圆柱形泥页岩样品施加轴压( 模拟岩石上覆压力) 、围压( 模拟水 平向地应力) 、井眼压力( 井内液柱压力) ，在高压三轴室外用电热丝加热使岩样升温( 模 拟地层温度) 。 轴向载荷由液压式压力提供，最大轴向负荷为9 8 0 k n ，一台w y 3 0 3 a 型液压稳压器 通过电磁阀和气控液压阀控制压力的输出，自动稳压周期长，可输出不同压力而互不干 扰，最大输出压力为3 0 m p ，精度在0 2 m p 左右，本实验使用了两个液压输出通道，一个 用于恒压围压，个用于稳定轴压。钻井液循环系统由一台z j 一6 3 6 2 型耐腐蚀的往复式 柱计量泵来实现，该泵采用n 型摆轮进行排量调节液力端用高强度不锈钢制成，最大排 量为6 3 l h ，最大工作压力为3 2 m p 。用手摇泵通过油一钻井转换器给循环系统加压以保 持循环压力。岩样的加温由釜外电热加温，经液压油把均匀传给岩样，设定的温度由釜 内热电偶及一台d w t7 2 0 型温控仪对系统进行自动恒温，控制精度可达0 5o c 。 数据采集系统为t t p 一3 0 5 4 a 型，各种传感器配合可测量、控制多种电压、电流和电阻 形式的信号。本试验中测量了岩样的轴向应变( 高在釜外的差动变压器式位移计) 、轴向 载荷( 釜外载荷传感器) 、围压和钻井液循环系统的进出口压力( 用表盘式压力功电阻应变 式的液压传感器测量) 。 该试验的空心岩样多数为人工压制而成，材料取于井场捞取的井下掉块或岩屑，冲 洗干净，烘干，碾碎过1 0 0 目筛，然后放入模具中在6 9 0 k n 载荷下制成外径1 0 2 m m 内径 为i o m m ，高度l o o m m ，含水量为6 o 的试件( 压制压力达8 8 m p a ) 岩样的密度达到 第一章绪论 2 12 2 9 c m5 左右。 岩样用隔离套封后装入高压室，将配制好的钻井液装罐中，检查试验系统各部分， 使之处了_ ，f 常工作状态。试验丌始前，首先启动压力机对岩样略加少许轴向载荷，再用 稳压器给高压室加围压至5 m p a ，然后打开温控仪给高压室加热使岩样温度升至7 0 。c ， 再将围压升到试验值，开动压力机载荷于所需的值( 轴向应力值) 。用手摇泵给钻井液罐 加压至试验值，调节钻井液排量，开动钻井液泵进行钻井液循环，试验开始计时。 在试验过程中靠数采控制系统使上述各项试验值保持恒定，并记录监测这些数据随 时问的变化。记录下的量为岩样的轴向应变随时间的变化。预定的试验时间结束时，进 行降温卸载，迅速取出岩样，将其沿直径方向劈开，并沿轴线方向劈开以观察岩样的浸 水情况和破坏情况，并沿半径方向以不同距离取样，用烘干称量法测量不同半径的含水 量。 对试验结果及分析试验采用大港油田下第三系沙河街组埋深为1 8 0 0 米左右的泥页岩岩 屑制成。使用的钻井液有基浆，复钾基钻井液和聚合物钻井液三种。实验可得到以下的 具有规律性的结果： ( 1 ) 孔壁周围不同半径处的吸水量变化 在岩样孔壁的含水量最大：吸水量随距孔轴半径的增大而减少，在给定时间内， 吸水量变化是非线性关系。吸水量曲线形状与钻井液及其配方有关。钻井液循环压 力对泥页岩吸水有影响，在同一作用时间里，随着钻井液循环压力的增大，在相同半径 处的泥页岩含水量有所增加。提高钻井液的密度一方面可以降低进井眼围压的应力水平， 有利于井壁的稳定；另一方面钻井液压力的增大，涨页岩吸附水的渗透压差要增大，使 泥页岩的含水量升高，从理论上讲水分入侵的深度亦会有所增大，从而了井壁岩石的强 度这是不利于井壁稳定的。 ( 2 ) 孔壁周围泥页岩吸水随时间的变化规律 在靠近孔壁处，因为直接与钻井接触，吸水速度很快，含水量迅速接近饱和值。在 岩样截面的中部分，水分在岩样中的渗透迁移需要长时间，经过1 0 h 后，含水量约达到 l1 ，而在岩样的外表面上，因离开钻井液循环孔眼更远，水分的吸附速度和吸附量大大 减弱，经过1 0 h 后，只有7 ( 即水分的增量只有1 左右) 。 综上所述，尽管国内外在泥页岩力学与化学耦合井壁稳定研究作出了大量的理论和 实验工作，但是每一种研究方法都有其明显的缺陷。第一，其研究分析方法基本上都是 采用了多孔弹性介质力学理论和水化应力的叠加求出井壁的有效应力，应用某一岩石屈 服准则判断应力达到极限时泥页岩的屈服和破坏，然而有些泥页岩水化后变成了软泥岩， 具有明显的塑性性质，判断屈服变形需要考虑其强度超过峰值后的应变软化特性，这需 要更为复杂的屈服面模型对井壁失稳变形进行弹性和塑性计算；第二，通过实验的方法 确定岩石的固有性质，但是实验的条件和井下的不一致，所得出的实验结果也不相同， 并且只是币纯针对水化反应。c h e n e v e l 等人所做的一系列实验采用不同活度的水相蒸汽 西安正i 油大学硕士学何论文 压平衡的办法，使得泥页岩中有气体存在，气液界面上有毛细管力而泥页岩吸水膨胀刚 实际上是随着吸水增加而毛细管力减少的过程，这些是在土力学的饱和强度理论的基础 上建立起来的；尽管国内外泥页岩井壁稳定性研究取得了较大的发展，但是井壁失稳仍 然是当前钻井工程普遍存在井下复杂情况之一，离根本解决还有相当距离。用力学与化 学的耦合研究泥页岩井壁稳定性的技术具有广泛的应用前景。 1 3 本文研究的内容和研究的意义 1 3 1 研究内容 1 ) 钻井液与泥页岩相互作用机理的理论研究。 研究泥页岩的基本化学| 生质，钻井液和泥页岩接触后必然会发生一系列复杂的传递和相互 作用，分析研究它们之间的传递和相互作用及其对井眼稳定性的影响有助于认识泥页岩井壁失 稳的机理，从而更好地解决泥页岩井段井壁失稳问题。钻井液和泥页岩接触后，由于它们之间存 在水力压差、化学势差、电势差及温度差，水分子和溶质均可在钻井液和泥页岩间传递。传递 的方向、数量和速度是上述驱动力综合作用的结果。钻井液和泥页岩间相互作用，改变地层孔 隙压力，改变近井壁页岩含水量和胶结完整胜等途径而影响井壁稳定。 2 ) 泥页岩岩体力学性质变化的理论研究。 物理化学过程最终都将导致地层内部应力和岩石力学性质改变，因而井壁稳定性问 题最终都要归结为一个力学问题。力学与化学研究井壁稳定尽管遵循着纯力学研究的力 学分析过程： 3 ) 建立数学模型。 从上分析可知，将钻井液与泥页岩化学作用产生的水化应力和泥页岩力学性质结合 起来，根据多孔介质弹性力学理论和分予自由能理论，建立数学模型。 4 ) 判断井壁失稳准则的分析研究。 研究现场实际情况下适用的井壁失稳判断准则，如常用的有线性m o h r c o n l o m b 准则 d r u c k e r p r a g e r 准则和l a d y 准则选出适当的判断准眦计算出保持井壁稳定所需的钻 井液密度安全窗口和i 临界钻井液含盐浓度。 1 3 。2 创新点 本论文综合考虑水化反应以及钻井液各组分对泥页岩井壁稳定性的影响，建立泥页 岩井壁稳定力学与化学耦合新模型。对泥页岩地层的力学与化学井壁稳定耦合机理进行 系统的分析研究，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， 对现场实际应用具有重要的指导意义，进而对石油与天然气能源的开发利用以及我国石油 工业的可持续发展具有重要的社会意义和巨大的经济价值。 6 第二章泥页岩的基本性质与物理模型 第二章泥页岩的基本性质与物理模型 要研究泥页岩井壁稳定性问题，首先应了解泥页岩的来源、组成、化学特性等基本 性质。因为这些基本性质是影响泥页岩井壁稳定的内因。 2 1 泥页岩形成原因 泥页岩本质上应属于一种外生沉积岩，主要由母岩碎屑化作用生成的风化物，经过 搬运、聚沉、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。在不同的沉积环境与沉积过程中，便形成了不同类型、结构的泥页岩。在外生成因 为主的前提下，也存在一定程度内的内生作用，即通过物理、化学、生物等作用，由溶 液中沉淀某类物质，形成诸如钙质、碳质页岩等。随着上复沉积物厚度的不断增加，母 岩碎屑化聚沉产物所受到的压力、深度不断上升，这即为沉积压实作用，这种作用导致 了页岩化学成份、显微结构、宏观性质的多方面变化。沉积压实作用产生的各种岩性变 化，并不会随压实应力的撤消而发生逆转还原。因此，压实的泥页岩，随上升作用或侵 蚀作用而造成应力释放，其压实作用是不可逆的，故而有时会出现超压实的页岩。有时 也会遇到欠压实的页岩，这种泥页岩的出现一般都伴随超压现象。由于快速沉积和良好 封闭的共同作用，使沉积物含水较多，且压实过程中水不易排除，从而造成流体的异常 高压。随着压实的进行，页岩内流体的化学性质和水斌存的方式也发生变化。一般随埋 深的增加，水的矿化度也随之增高，这是因为压实过程中，较多的自由水逐渐排出，残 余水中水化结合水的百分比增加，并且渗透水化水由于页岩的结构连接强度增大而逐渐 增高盐度，最初压实时颗粒问无连接强度，则粘土水化膨胀力抵抗了沉积压力，故斥力 较大，对应盐度较低；待连接强度形成之后，沉积压力转移到结构强度上，双电层斥力减 弱，故而盐度对应较高。可见，脱水过程不但与压实有关，还与成岩作用有关。 2 2 泥页岩的组成 泥页岩是由非粘土矿物如石英、长石、方解石、白云石等、晶体粘土矿物如蒙脱石、 伊利石、绿泥石、高岭石、伊蒙混层、绿蒙混层等和非晶体矿物如蛋白石等组成，影响 泥页岩稳定性的主要成分是晶体和非晶体的粘土矿物。泥页岩主要由四种粘土矿物组成 ”。，其结构特点为： ( a ) 蒙脱石 其结构是由两个四面体中间夹一个八面体组成。其晶格中的s i 4 + 被a r 或f e ”取代， 八面体中的a l ”或f e ”被m 9 2 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 ”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。 ( b ) 伊利石 两安石油大学硕士学位论文 其晶体构造与蒙脱石相似，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。 ( c ) 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 ”取代了s 一因此产生负电荷，由a 13 + 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。 ( d ) 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。 ( e ) 混层矿物 混层矿物或问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；有序间 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。 ( f ) 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 3 泥页岩粘土矿物的基本化学性质 2 3 1 泥页岩粘土矿物的晶体构造及其化学特征 粘土矿物根据其单元晶层构造的特征进行分类，粘土矿物按两种晶片的配合比例可 分为l ：1 型( 一层硅氧四面体晶片与一层铝氧八面体晶片相结合构成单元晶层) 、2 ：l 型( 两层硅氧四面体晶片中问央一层铝氧八面体晶片构成晶层) 、2 ：2 型( 硅氧四面体 晶片与铝( 镁) 氧八面体交替排列的四层晶片构成晶层) 以及层链状结构( 硅氧四面体 组成的六角环上下依相反方向对列) 等几类。 ( a ) 高岭石 高岭石的单元晶体构造是由一片硅氧四面体晶片和一片铝氧八面体组成的，所有的 硅氧八面体的顶尖都朝同样的方向，指向铝氧八面体。硅氧四面体晶片和铝氧八面体晶 片由共用的氧原子联结在一起。高岭石构造单元中原子电荷是平衡的，化学式为 第二章泥页岩的基本性质与物理模犁 a l l s i o 。 ( o h ) 。，亦可写为2 a 11 0 。4 s i o ，4 h ? 0 因为其单元晶层构造是由一片硅氧片和一 片铝氧片组成，故也称l ：l 型粘土矿物。其晶层在c 轴方各上一层一层地重叠，而在a 轴和b 轴方向上连续延伸。高岭石单元晶层，一面为o h 层，另一面为o 层，而0 h 键具 有强的极性，晶层与晶层之间易形成氢键，晶层之间架接紧密。由于高岭石具有上述晶 体构造的特点，故阳离子交换容量小，水分子不易进入晶层中间，为非膨胀性的粘土矿 物。 ( b ) 蒙脱石 蒙脱石的单元晶层由两片硅氧四面体晶片和夹在它们中问的一片铝氧八面体晶片 组成，每个四面体顶点的氧指向晶层的中央，而与八面体晶片共用。构造单元晶层沿a 轴和b 轴方向无限辅开同时沿c 轴方向以一定间距重叠起来，构成晶体。由于晶格取代 作用而带电荷。化学式为( a l 。m g 。) ( s i 。a 1 。) ( o h ) 。晶层上下面皆为氧原子，各晶 层之间以分子间力联结，联结力弱，水分子易进入晶层之间，引起晶格膨胀。更为重要 的是由于晶格取代作用，蒙脱石带有较多的负电荷，于是能吸收等电量的阳离子。水化 的阳离子进入晶层之间，致使c 轴方向上的间距增加。所以蒙脱石是膨胀型粘土矿物， 其晶层的所有表面，包括内表面和外表面都可以进行水化及阳离子交换，蒙脱石有很大 的比表面，可在大至8 0 0 m 2 g 。 ( c ) 伊利石 其化学式为( k ，n a ，c a ) 。( a l ，f e ，m g ) ( s i ，a 1 ) o ：。( 0 h ) 。n h 。o ，式中m 小于l 。伊利石是三 层型粘土矿物，其晶体构造和蒙脱石类似，主要区别在于晶格取代作用多发生在四面体 中，铝原子取代四面体的硅，在许多情况下，最多时四个硅中可以有一个硅被铝取代。 晶格取代作用也可以发生在八面体中，典型有是m g ”和f e ”取代a l 3 ，其晶胞平均负电荷 比蒙脱石高。晶格不易膨胀，水不易进入晶层之间，这是因为伊利石的负电荷主要产生 在四面体晶片，离晶层表面近，水也不易进入晶层问，另外，钾离子的大d , gj 好嵌入相 邻晶层间的氧原子网络形成的空穴中，起到联结作用，周围有十二个氧与它配位，因此， 钾离子通过常是联结非常牢固的，是不能交换的。但是，在其每个颗粒的外表面却能发 生离子交换。其水化作用仅限于外表面，水化膨胀时，它的体积增加的程度比蒙脱石小 得多。伊利石是最丰富的粘土矿物，存在于所有的沉积年代，在古生代沉积物中占有优 势。钻井遇到含伊利石为主的泥页岩地层时，常常发生剥落掉块。 ( d ) 绿泥石 绿泥石晶层是由三层型晶片与一层水镁石晶片交替组成的，硅氧四面体中的部分硅 被铝取代产生负电荷，但是其净电荷是很低的。水镁石层有些m g ”被a l 。+ 了取代，因而带 正电荷，这些正电荷与上述负电荷平衡，其化学式为： 2 ( s i ，a 1 ) 。( m g ，f e ) 。0 。( o h ) ( ，a 1 ) 。( o h ) ，。 通常绿泥石无层间水，而某种降解的绿泥石中一部分水镁石晶片被除去了，因此， 有某种程度的层间水和晶格膨胀。可见绿泥石的晶层问联系力，除了范德华引力和水镁 曲安彳i 油人学硕士学位论文 石八面体上o h 一根形成的氢键外，就是阳离予交换后形成的静电力。所以绿泥石晶层一 股不具有膨胀性。品层| j 距约1 4 2x1 0n m 。绿泥石在古生代沉积物中含量丰富。 ( e ) 海泡石族 海泡石族矿物俗称抗盐粘土，属于链状构造的含水铝镁硅酸盐。其中包括海泡石、 凹凸棒石、坡缕缟石。其晶体构造常为纤维状，其化学特点为硅氧四面体所组成的六角 环都依上下相反的方向对列，并且相互间被其它的八面体氧和氢氧群所连接，铝或镁居 八面体的中央。同时，构造中保留了一系列的晶道，具有极大的内部表面，水分子可以 进入内部孔道。通常用化学分子式：4 m g o 6 s i o ，2 h ，0 来表示海泡石族具有的独特晶 体构造，其外形为纤维状。 2 3 2 泥页岩粘土矿物的电化学性质与阳离子交换 从电泳现象得到证明。“，粘土颗粒在水中通常带有负电荷，粘土的电荷是使粘土具 有一系列电化学性质的基本原因，同时对粘土的各种性质发生影响。粘土吸附阳离子的 多少决定于其所带负电荷的数量。此外，钻井液中的无机、有机处理剂的作用、钻井胶 体的分散、絮凝等性质也都受粘土电荷的影响。粘土晶体因环境的不同或环境的变化， 可能带有不同的电性，或者说带有不同的电荷。粘土晶体的电荷可分为永久负电荷、可 变负电荷、正电荷三种，它们产生的原因如下： ( a ) 永久负电荷 永久负电荷是由于粘土在自然界形成时发生晶格取代作用所产生的。比如，粘土的 硅氧四面体中四价的硅被三价的铝取代或者铝氧八面体中三价铝被二价的镁、铁等取代， 粘土就产生了过剩的负电荷。这种负电荷的取决于晶格取代作用多少，而不受p h 值的影 响，因此这种电荷被称为永久负电荷。不同的粘土矿物晶格取代情况是不相同的。蒙脱 石的永久负电荷主要来源于铝氧八面体中的一部分铝离子被镁、铁等二价离子所取代， 仅有少部分永久负电荷是由于硅氧四面体中硅被铝所取代。一般不超过1 5 。蒙脱石每 个晶胞有0 2 5 0 6 个永久负电荷。伊利石和蒙脱石不同，它的永久负电荷主要来自于 硅氧四面体晶片中的硅被铝取代。大约有六分之一的硅被铝取代，每个晶胞中约有o 6 1 个永久负电荷。高岭石的晶格取代很微弱，由此而产生的永久负电荷少到难以用化 学分析方法来证明。由此可以看出，伊利石的永久负电荷最多，高岭石的永久负电荷最 少，蒙脱石居中。并且粘土的永久负电荷大部分分布在粘土晶层的层面上。 ( b ) 可变负电荷 粘土所带电荷的数量随介质的p h 值改变而改变，这种电荷叫做可变负电荷的原因比 较复杂，可能有以下几种原因：在粘土晶体端面上与铝连接的0 h 基中的h 在碱性功中性 条件下解离；粘土晶体的表面上吸附了0 h 一、s i0 3 2 等无机阴离子或吸附了有机阴离子聚 电解质等等。粘土永久负电荷与可变负电荷的比例与粘土矿物的种类有关，蒙脱石的永 久负电荷最高，约占负电荷总和的9 5 ，伊利石约占6 0 ，高岭石只占2 5 。 第二章泥页岩的基本性质与物理模型 ( c ) 正电荷 不少研究学者指出，当粘土介质的p h 值低于9 时，粘土晶体端面上带正电荷。 p a t h i e s s e n 用电子显微镜照相观察到高岭石边角上吸附了负电性的金溶胶，由此证明 了粘土端面上带正电荷的原因多数人认为是由于裸露在边缘上铝氧八面体在酸性条件下 从介质中解离出0 h 。粘土的正电荷与负电荷的代数和即为粘土晶体的净电荷数。由于粘 土的负电荷一般多于正电荷，因此，粘土一般带负电荷。 ( d ) 粘土的阳离子交换容量 粘土一般都带有负电荷，为了保持电中性，粘土必然从分散介质中吸附等电量的阳 离子。这些被粘土吸附的阳离子，可以被分散的其他阳离子所交换，因此称为粘土交换 性阳离子。粘土的离子交换容量是指在分散介质的p h 值等于7 时的条件下，粘土所能交 换下来的阳离子总量，包括交换性盐基和交换性氢。阳离子交换容量以1 0 0 克粘土所能 交换下来的阳离子毫克当量来表示，符号为c e c ( c a t i o ne x c h a n g ec a p a c i t y ) 。粘土矿物 因种类不同，其交换容量有很大差别，例如，蒙脱石的阳离子交换容量一般为7 0 - 1 3 0 毫克当量1 0 0 克粘土，伊利石约为2 0 一4 0 毫克当量1 0 0 克粘土。上述的两种矿物的阳 离子交换现象8 0 以上发生在层面上。高岭石的阳离子交换容量仅为3 一1 5 毫克当量t 0 0 克粘土，而且大部分发生在晶体端面上。粘土的阳离子交换容量与粘土的其他各种物理 化学性质有密切关系。影响粘土阳离子交换容量大小的因素有三：粘土矿物的本性、粘 土的分散度、分散介质的酸碱度。第一，粘土矿物的本性，若粘土矿物的化学组成和晶 体构造不同，阳离子交换容量会有很大差异。因为引起粘土阳离子交换因素是晶格取代 和氢氧根中的氢的解离所产生的负电荷，其中晶格取代愈多的粘土，其阳离子交换容量 也愈大。高岭石粘土矿物晶格取代现象甚弱，其阳离子交换容量低，约为3 1 5 毫克当 量1 0 0 克粘土。蒙脱石交换容量大，约为7 0 1 3 0 毫克当量1 0 0 克，伊利石阳离子交换 约为2 0 一4 0 毫克当量l o o 克粘土。第二，粘土的分散度，当粘土矿物化学组成相同时， 其阳离子交换容量随分散度( 或比表面) 的增加而变大。特别是高岭石，其阳离子交换 主要是由于裸露的氢氧根中氢的解离产生电荷所引起有因而颗粒愈小，露在外面的氢氧 根愈多，交换容量显著增加，蒙脱石的阳离子交换主要是由于晶格取代所产生的电荷， 由于裸露的氢氧根中氢的解离产生的负电荷所占比例很小，因而受分散度的影响较小。 第三，溶液的酸碱度，在粘土矿物化学和其分散度相同的情况下，在碱性环境中，阳离 子交换容量变化大，介质p h 值增加，阳离子交换容量增加的原因是：铝氧八面体中a l o h 键是两性的，在强酸性环境中o h 一易电离，土表面可带正电荷；在碱性环境中h + 易电离，使土表面负电荷增加：此外，溶液中o h 一根增多，它以氢键吸附在粘土表面，使 土表面的负电荷增加，从而增加粘土的阳离子交换容量。粘土的阳离子交换容量及吸附 的阳离子种类对粘土的胶体活性影响很大，例如，蒙脱石的阳离子交换容量大，膨胀性 也大，在低浓度就形成稠的悬浮体，特别是钠蒙脱石，水化膨胀性更厉害；而高岭石， 阳离子交换容量低，则惰性较强。 硒安石油人学硕士学位论文 ( e ) 粘土阳离子交换容量的测定 粘土的阳离子交换容量与粘土的其他各种物理化学性质都有密切关系，因此常常需 要首先测定粘土的阳离子交换常量。测定粘土的阳离子交换容量的方法很多，经典方法 方法是醋酸铵淋洗法。 2 4 泥页岩中的水 泥页岩中的水按其存在的状态可以分