泥页岩水化对井壁稳定的影响规律
井壁稳定问题(2)
井内泥浆对泥页岩的化学作用,最终可以归结到对 井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力 状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力 学性能,使岩石强度降低;
另一方面产生水化膨胀,如果这种膨胀受到约束便 会产生膨胀压力,从而改变近井壁的应力状态。
井内泥浆对泥页岩的作用机制不难理解,但如何将 这种化学作用带来的力学效应加以定量化,并将其同 纯力学效应结合起来研究井壁稳定性问题,过去相当 长时间的研究中没有考虑这一问题。到目前为止,国 内外关于化学力学耦合的文献很少。从文献资料来 看,其研究方法主要表现在两个方面,即实验研究和理 论研究两方面。
岩石越来越不稳定。
2) Sv > Sh1 = Sh2 地层坍塌压力与井斜方位角无关。并且, 随着井
斜角增大, 井壁坍塌压力开始变化较小,后随井斜角 的增大, 井壁坍塌压力逐渐增大。
3) Sh1 > Sv > Sh2 根据国家地震局的水压致裂的压力测量结果表明,
在钻井深度范围内, 我国绝大多数地区处于此种应力 状态。此时, 随着井斜角的增大, 井壁坍塌压力逐渐 减小, 井壁趋于稳定。
φ= 28°, C = 18M Pa, η= 1。
3) Sh1 > S v > Sh2 原始资料: Sv = 10519M Pa, Sh1 = 11218M Pa, Sh2 = 7813M Pa,
Pp = 46103M Pa, φ=2616°, C = 23195M Pa, η= 0.4。
4) Sh1 > Sh2 > Sv 处于这种原地应力状态的现场资料极为少见, 这里给定: Sv =
研究思路：
1. 钻井液与泥页岩间的化学位差是导致水进出页岩的主要驱 动力之一。 2. 化学位差导致的水进出泥页岩改变了近井眼处孔隙压力、 页岩强度、近井眼处有效应力状态, 从而导致了井壁失稳的 发生。 3. 综合考虑钻井液与页岩相互作用时的力学与化学方面的相 互影响, 建立斜井中泥页岩井眼稳定的力学、化学耦合模型。
水化作用对南海东部泥页岩地层井壁坍塌的影响分析
吸水对其抗 压强度 、弹性模量等 力学参数的影响规律 ，根 据 Ｍｏ ｒ ｏ ｌ ｌ． ｕｏ ａ Ｃ ｍｂ准则计算 了泥 页岩 水化后 井壁坍 塌压力随 井眼
钻 开 时间 的 变 化规 律 。 这 对 解 决 该 海域 泥 页岩 地 层 井壁 坍 塌 问题 有 较 大的 指 导 意 义 。 关 键 词 ： 南海 东部 ；泥 页 岩 ；井壁 稳 定 ； 水化 ；坍 塌 压 力 中图 分 类 号 ：Ｔ ２ Ｅ１ 文 献标 识 码 ：Ａ ＤＯＩ ０ ９ ９ ．ｓ． ０ —３ ６２ １． ．９ ： ． ６ ￣ｉ ｎ１ ８２ ３ ． ２０ ０ ８ １３ ｓ ０ ０ ２
ｃ ｅ ｃ ｅ ｔｏ ｈ ｌ ｈ ｏ ｇ ａ ｏ ａ ｏ ｙ ｔ ｓｓｈ ｓｂ ｅ ｅｅ ｍｉ ａｅ ． ｎ ａ ｄ ｔ ｎ ｔ ｅ ｉ ｆ ｅ ｃ ｆｓ ａ ｅ ｈ ｄ ａ ｉ ｎ ｏ ｃ ａ ｉ ａ ａ ｏ 衢 ｉ ｎ ｆｓ ａ ｅ ｔ ｕ ｈ ｌｂ ｒ ｔ ｒ ｅ ｔ ａ ｅ ｎ ｄ ｔ ｒ ｎ ｔ ｄ Ｉ ｄ ｉ ｏ ． ｈ ｌ ｎ ｅ ｏ ｈ ｌ ｙ ｒ ｔ ｎ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ． ｒ ｉ ｎ ｕ ｏ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｓ ｃ ｓ ｏ ｒ ｓ ｉ ｎ ｓｒ ｎ ｔ ｎ ｌ ｓｉ ｏ ｕ ｕ ａ ｅ ｎ ａ ａｙ ｅ ． ｉ ａｌ ， ａ ｅ ｎ ｔ ｅＭ ｏ ｒＣｏ ｌ ｍｂ ｆ ｉ ｒ ｒ ｅ ｉ ｎ ａ ｔｒ ， ｕ ｈ ａ ｍｐ ｅ ｓｏ ｔｅ ｇ ｈ ａ ｄ ｅ ａ ｔ ｍ ｄ ｌ ｓ ｓｂ ｅ ｎ ｌ ｚ ｄ Ｆ ｎ ｌ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ － ｕ ｏ ａ ｌ ｅｃ ｉ ｒ ， ｃ ｃ ｈ ｙ ｈ ｕ ｔ ｏ ｔ ｅ ｃ ａ ｇ ｆｃ ｌ ｐ ｅｐ ｅ ｓ ｒ ｔ ｉ ｆｅ ｈ ｈ ｌ ｏ ｍｉ ｎ ｉ ｐ ｎ ｄ ｈ ｓｂ ｅ ｅｅ ｍｉ ａ ｅ ． ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｒ ｓ ｌ ｒ ｅ ｈ ｈ ｎ ｅ ｏ ｏ ｌ ｓ ｒ ｓ ｕ ｅｗｉ ｔ ａ ｈ ｍｅ ａ ｒｔ ｅ ｓ ａｅ ｆ ｒ ｔ ｍ ｏ ｓｏ ｅ ｅ ａ ｅ ｎ ｄ ｔ ｒ ｎ ｔ ｄ Ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｕ ｔ ａ ｅｖ ｒ ｓ ｙ ｓｇ ｉ ｃ ｎ ｏ ｖ ｅ ｓ ａ ｅｃ ｌ ｐ ｅｐ ｏ ｌ ｍ ｉ ｇ ｏ ． ｉ ｎ ｆ ａ ｔ ｏ ｓ ｌ ｅｔ ｈ ｌ ｏ ｌ ｓ ｒ ｂ ｅ ｉ ｔ ｓ ｅ ｉ ｎ ｉ ｔ ｈ ａ ｎ ｈ ｒ Ｋｅ ｒ ｓ ｅ ｓｅ ａｔ ｆ ｏ ｔ ｉ ａＳ ａ ｓ ａｅ ｗｅ ｌ ｏ ｅ ｓａ ｉ ｔ ｈ ｄ ａ ｉ ｎ ｃ ｌ ｐ ｅ ｒ ｓ ｕ ｅ ｙ ｗｏ ｄ ： ａ ｔｒ ｐ ｒ ｏ ｕ ｈ Ｃｈ ｎ ｅ ； ｈ ｌ； ｌ ｒ ｔｂ ｌｙ； ｙ ｎ Ｓ ｂ ｉ ｒ ｔ ； ｏｌ ｓ ｅ ｓｒ ｏ ａ ｐ
水化对泥页岩力学性质影响的实验研究
第5卷 第1期1999年3月地质力学学报JOU RNAL O F GEOM ECHAN I CSV o l .5 N o.1M ar.1999文章编号:100626616(1999)0120065270收稿日期:1998203212作者简介:路保平(19622),男,教授级高级工程师,国家级有突出贡献中青年专家,石油大学博士研究生,多年来一直从事石油钻采科研及生产管理工作。
水化对泥页岩力学性质影响的实验研究路保平1,林永学2,张传进21中国新星石油公司开发部,北京 100083;2中国新星石油公司石油钻井研究所,山东 德州 2530051摘 要:在井眼失稳机理分析的基础上,经室内实验得出泥页岩水化后岩石力学参数的变化规律。
页岩水化前后坍塌压力对比结果表明,水化使泥页岩的坍塌压力持续升高,证实了泥页岩地层在钻遇初期稳定、裸眼一段时间后出现失稳。
关键词:井眼稳定;坍塌压力;水化试验;钻井液;分类号:TU 456 文献标识码:B泥页岩不仅具有岩石的共同特点,而且具有独特的水化性,因此成为井眼稳定研究的一个焦点。
泥页岩水化引起岩石力学参数发生变化,岩石力学参数的变化反过来引起岩石受力状态发生变化,岩石逐步遭破坏而出现井眼失稳。
因此,在研究影响井眼稳定的力学因素时,必须研究水化对岩石力学参数的影响规律。
1 井壁坍塌压力计算井壁周围的应力状态可以用以下力学模型求解:在无限大平面上,一圆孔受到均匀的内压,而在这个平面的无限远处受到两水平地应力(最大水平地应力ΡH 和最小水平地应力Ρh )的作用,垂直方向受上覆岩层压力。
依据文献[1～3]提供的方法可得到井壁坍塌压力的计算公式,用当量钻井液密度表示为:Θm =Γ(3ΡH -Ρh )-2C K +ΑP p (K 2-1)(K 2+Γ)H ×100(1) 式中:C 为岩石内聚力 M Pa ;K =co t 2(45°-Υ 2);Υ为内摩擦角 (°);H 为井深 m ;Θm 为坍塌压力当量钻井液密度 g ・c m -3;Γ为应力非线性修正系数;Α为毕奥特系数;P p 为地层孔隙压力 M Pa ;ΡH 和Ρh 分别为最大、最小水平地应力 M Pa可见坍塌压力当量钻井液密度除与岩石所受应力及地层孔隙压力有关外,还与岩石的力学参数有关。
钻井工程井壁稳定新技术
钻井工程井壁稳定新技术井壁稳定问题包括钻井过程中的井壁坍塌或缩径（由于岩石的剪切破坏或塑性流动）和地层破裂或压裂（由于岩石的拉伸破裂）两种类型。
一、化学因素井壁稳定机理：1、温度和压力对泥岩水化膨胀性能的影响：膨润土水化膨胀速率和膨胀量随着温度的增高而明显的提高，尤其当温度超过120℃时，膨胀曲线形状有较大的变化，膨润土的膨胀程度随着压力的增高而明显下降。
2、泥页岩水化在10～24h范围内出现Na＋突然释放现象，阳离子释放总量及Na＋释放所占的比例越高，泥页岩越易分散，就越易引起井塌。
3、PH值水溶液中PH值低于9时，影响不大，PH值继续增加，泥岩岩水化膨胀加剧，促使泥页岩坍塌。
4、活度与半透膜对泥页岩水化的影响水基钻井液可通过加入无机盐降低活度来减缓泥岩水化膨胀；半透膜影响存有争议。
二、各种防塌处理剂稳定井壁机理1、K+防塌机理一是离子交换，另一是晶格固定，对不同类型的泥页岩，其作用方式不相同，随着PH值的增高，混入Ga2+、Na +等离子浓度的增加，会阻碍对泥页岩的固定作用。
钾离子主要对于蒙皂石等高活性粘土矿物起抑制作用。
2、硅酸盐类稳定剂（1）硅酸盐稳定粘土机理：1）主要机理：尺寸较宽的硅酸粒子通过吸附、扩散等途径结合到粘土晶层端部，堵塞粘土层片间的缝隙，抑制粘土的水化，从而稳定粘土，在某些极端的应用条件（如高温、长时间接触等）下，硅酸盐能与粘土进行化学反应长身无定形的、胶结力很大的物质，使粘土等矿物颗粒凝结层牢固的整体。
2）次要机理：负电性硅酸粒子结合到已经预水化的粘土颗粒端部，使其电动电位升高，粘度、切力和滤失量下降，有利于形成薄而韧的泥饼。
（2）硅粒子防塌机理有机硅在泥岩表面迅速展开，形成薄膜，在一定温度下，有机硅中的—Si—OH基和粘土表面的—Si—OH基缩合脱水形成—Si—O—Si—键，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团有憎水作用，使粘土表面发生润湿反转，从而使泥岩水化得到控制。
泥岩地层井壁稳定性研究
52U Η + 5r2 × 5 2U r + 5r5Η
( 1- 2Λ) 5E 5 Ur 3- 4Λ + = 0 2 ( 1- Λ) rE 5r 2 ( 1- Λ) r2 5Η
5 Ur 5r 5Η
r
( 3) ( 4) ( 5)
UΗ Ur 1 5 +
z= Ε
5 Uz 5z
3 刘向君, 1969 年生; 1995 年毕业于西南石油学院石油工程系, 获工学博士学位; 现在西南石油学院完井中心工作。 地址:
( 637001) 四川省南充市。 电话: ( 0817) 2224433 转 2910。
( 1) ( 2)
可见, 在柱坐标系下, 从静力学出发建立的平衡 方程与无水化过程时的平衡方程形式完全相同。 但 这里的径向应力 ( Ρr ) 、 周向应力 ( ΡΗ) 、 剪切应力 ( ΣrΗ) 包括钻开地层由于载荷不平衡引起的应力和水化膨 胀应力两部分。 几何方程为: Ε r=
= Ε Η
r
及 P ierre 页岩岩心, 对泥页岩在不同水活度溶液中 的膨胀动力学过程进行了全面深入的研究, 实验证 明: 材料的膨胀百分比与材料所吸收的水分重量百 分比成正比; 实验也证明, 页岩水化可以用扩散吸附 过程加以描述。Yew C H 等首先利用泥页岩地层的 这一实验结果, 提出了一种计算井眼周围水化应力 分布的模型。 本文将以均匀各向同性的线—弹性力 学井壁稳定性模型为基础和出发点, 引用 Yew C H
( 7) w = f ( ∃w ) = k 1 ・∃w + k 2 ∃w Ε 其中, ∃w ( r , t ) 是指径向剖面上随时间而变化的吸 附水增量。 已知任意时刻地层含水量的分布 w ( r ,
泥页岩顺向坡水化后对基坑支护的影响
泥页岩顺向坡水化后对基坑支护的影响摘要：在基坑失稳机理分析的基础上, 经室内实验及室外实际工作得出泥页岩水化后岩石力学参数的变化规律及岩石倾角对基坑稳定性的影响表明,泥页岩基坑土层的计算应进行相应调整。
关键词: 基坑支护计算；泥页岩水化；平面滑动；边坡稳定；abstract: based on the pit instability mechanism analysis, obtained the variation of shale rock mechanics parameters and rock inclination affect on the stability of pit shale hydration by indoor experiments and outdoor practical work, it show that the calculation of the soil should be adjusted accordingly.key words: pit support; shale hydration; plane sliding; slope stability前言随着科技的进步,现在建筑已越来越多向地下发展。
地下室的面积越来越大，开挖深度也越来越深，在深基坑施工过程中出现的问题越来越多。
但国内现有的理论体系及计算方式，无法根据各种岩层在复杂的地质结构及环境下，准确地计算出基坑的变形结果。
往往计算时是稳定的，但在施工过程中却会出现和基坑设计时计算结果大不一致的情况，导致基坑的安全问题比较突出。
在此，主要探讨一下泥质岩对基坑变形的影响及设计时如何避免。
泥页岩水化对滑动面的影响泥质岩属沉积软质岩，结构面的发展情况为层理、片理、节理裂隙，常见结构有：①泥质结构。
主要由小于4微米的颗粒组成,因而岩石致密均一。
当含粉砂和砂时，则形成各种过渡类型结构，如粉砂泥质结构、砂泥质结构等。
浅谈通过物理化学方法控制水平井井壁稳定
浅谈通过物理化学方法控制水平井井壁稳定摘要：泥页岩井壁不稳定是钻井作业中的一大难题，水平井作业中该问题尤为突出，为了更好的控制水平井钻井施工过程中的井壁坍塌问题，本文抛开力学原因（即钻井液密度）造成的井塌，从物理化学角度出发，研究分析井塌控制方法。
本文先后对泥岩水化效应、钻井液滤失量、滤饼物性等方面进行分析，通过对钻井液组分的调整，优化了以上特性，达到了控制井壁坍塌的目的，同时也避免了单一的利用密度控制井塌后密度过高所产生的副作用。
关键词：水平井泥岩钻井液滤失量滤饼1、泥岩水化效应对井壁稳定的影响水基钻井液与泥页岩之间会产生水化作用并改变泥页岩中的应力状态和岩石强度，泥页岩的水化问题实际上是由于渗透水化作用引起的，渗透有两层含义，一是指流体在压差作用下在孔隙介质中运移，另一个是指泥页岩井壁存在半透膜特性，由于膜两侧流体的化学势不同而导致流体穿过半透膜发生运移，所以只有进行钻井液化学和井壁围岩力学的耦合研究，才能确定出在给定钻井液下保持井壁稳定所需的合理钻井液密度。
然而，泥页岩并不是理想的半透膜，它不仅允许水通过，也允许部分溶质通过，水和溶质的运移改变了体系中各组分的化学势，泥页岩孔隙中流体的浓度不再是一个常数，建立了一个将水和溶质耦合流动结合到井壁稳定计算中的模型，其数值模拟结果表明，化学作用对井壁稳定有重要影响，从该模型中可以计算出给定泥页岩地层的防塌钻井液密度。
2、钻井液滤失量及滤饼物性对井壁稳定的影响2.1钻井液滤失量从比亲水量、能量守恒以及岩石断裂力学等方面分析了钻井液封堵特性和滤失量对防止井壁坍塌的重要作用。
根据现场实例指出：岩石内部微裂纹在应力作用下的扩展促进了微裂纹的连接，随之侵入的钻井液滤液与岩石间的物理化学反应使岩石内能增加进一步加速了岩石裂纹的扩展，是造成井壁坍塌和失稳的主要原因。
因此，加强钻井液封堵性能，降低钻井液滤失量，防止岩石与钻井液滤液间的物理化学作用是防止井壁坍塌的重要途径。
泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论研究的开题报告
泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论研究的开题报告一、选题背景钻井工程在天然气、石油等矿产资源开采中发挥重要作用，但在实际操作中，井壁稳定性问题一直是钻井过程中的重要难点，其中一个主要原因是泥页岩水化作用引起。
泥页岩是一种含水量较高的岩石，在钻井过程中，钻机采用钻头进行钻探，开挖井孔。
钻探的同时，自然地水化产物会导致岩体改变、膨胀和软化，岩体逐渐受到失稳威胁，因此井壁稳定性的问题应引起足够的重视。
二、研究意义目前，常规的钻井作业仅仅用手动判断井壁稳定的程度，做出相应的防护措施。
但是，随着工程规模的逐渐扩大，手动判断的方法显然已经逐渐不能满足需求，需要一种更加科学、准确的方法。
因此，对泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论进行研究，可以帮助我们更加深入地了解岩石物理力学特性，提出更加精确的预测方法，为工程实践提供更有力的支持。
三、研究方法本研究将采用理论分析的方法，通过对泥页岩在水化作用下的物理力学特性进行分析研究，确定泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论及其机制。
具体包括以下步骤：1. 收集国内外关于岩石泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论相关文献、资料，对其进行综合分析、评价。
2. 在分析泥页岩水化作用下物理力学特性基础上，建立泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论模型，精细化传导破裂机制进行分析。
3. 采用实验模拟方法，验证模型的理论推导正确性。
4. 最终通过模型的应用实例，验证其在钻井工程中的可行性和可靠性。
四、预期研究结果1. 成功建立泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论模型，深入了解泥页岩水化作用下井壁失稳的机制和规律。
2. 确定泥页岩水化作用下井壁失稳的关键影响因素，提出相应的防治措施。
3. 提出一种新的预测方法，可应用于泥页岩水化作用下井壁失稳的实际工程。
五、研究计划安排时间节点|主要工作-|-第1-2个月|文献资料收集、整理与调研，确定研究方案和指标。
第3-4个月|实验方案设计和实验数据记录，提出一般性的理论模型。
钻井中井壁不稳定因素浅析
钻井中井壁不稳定因素浅析摘要：钻进生产中井壁失稳最为常见，机理复杂，难于预防。
对井壁失稳机理重新认识，为井壁稳定技术对策提供依据。
关键词：井壁不稳定；水化膨胀；坍塌压力井壁不稳定是指钻井或完井过程中的井壁坍塌、缩径、地层压裂三种基本类型，是影响井下安全的主要因素之一。
一、井壁不稳定地层的特征钻井过程中所钻遇的地层，如泥页岩、砂质或粉砂质泥岩、流砂、砂岩、泥质砂岩或粉砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、灰岩等均可能发生井壁不稳定。
但井塌大多发生在泥页岩地层中，约占90%以上。
缩径大多发生在蒙皂石含量高含水量大的浅层泥岩、盐膏层、含盐膏软泥岩、高渗透性砂岩或粉砂岩、沥青等类地层中。
二、坍塌地层的特征井塌可能发生在各种岩性、不同粘土矿物种类及含量的地层中；但严重井塌往往发生在具有下述特征的地层中：（1）层理裂隙发育或破碎的各种岩性地层；（2）孔隙压力异常泥页岩；（3）处于强地应力作用地区；（4）厚度大的泥岩层；（5）生油层；（6）成岩第一或第二脱水带；（7）倾角大易发生井斜的地层；（8）含水量高的泥岩或砂岩、粉砂岩等。
三、井壁不稳定实质是力学不稳定问题井壁不稳定根本原因是钻井液作用在地层的压力地层破裂压力，从而造成井壁岩石所受的应力超过岩石本身强度，引起井壁不稳定。
钻井液与地层所发生物理化学作用，最终均因造成地层坍塌压力增高和破裂压力降低，而引起井壁不稳定。
四、井壁失稳原因探讨1.力学因素地层被钻开之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力的作用下，处于应力平衡状态。
当井眼被钻开后，井内钻井液作用于井壁的压力取代了所钻岩层原先对井壁岩石的支撑，破坏了地层和原有应力平衡，引起井壁周围应力的重新分布；如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，对于脆性地层就会发生坍塌，井径扩大；而对于塑性地层，则发生塑性变形，造成缩径。
我们把井壁发生剪切破坏的临界井眼压力称为坍塌压力，此时的钻井液密度称为坍塌压力当量钻井液密度。
泥页岩井壁稳定性理论研究
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 。 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 ｌ ａ 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。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。
中图分类号 ：Ｔ Ｅ ２ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ９ — ９ １ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ）０ ８ — ２ ３ ２ — ０ １
井眼不稳定 给钻井工程造成 的困难是 巨大 的，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 。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 由泥页岩构成 ， 约有 ９ ０ ％ 的井眼垮塌问题都与泥 页岩不稳定性有关 。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 的维护等也是非常重要的工程 因素。 研究表明 ，井眼内钻井 液对泥页岩的化学作用 ，最终可 以归结到 对井壁岩石力学性能参数 、强度参 数以及 近井壁应力状态 的改变 ，人 们逐渐将力学与化学两个方 面结 合起来 研究。 目 前 ，泥 页岩井壁失稳 的力学与化学耦合研究仍是井壁稳 定性研究 中较为关注的研究方向。
井壁稳定问题(1)
壁稳定问题变得非常复杂。
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岩石力学
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4、井壁稳定的研究方法 井壁稳定性的研究方法目前主要有三种：一是泥浆
化学研究，二岩石力学研究，三是化学和力学藕合起 来研究。
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岩石力学
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1、泥浆化学方面研究 从泥浆化学方面研究井壁稳定，主要研究泥岩水化
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2、井壁失稳与岩石破坏类型的关系 井壁失稳时岩石的破坏类型主要有两种：拉伸破坏、
剪切破坏。
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剪切破坏又分为两种类型：
一种是脆性破坏，导致井眼扩大，这会给固井、 测井带来问题，这种破坏通常发生在脆性岩石中，但 对于弱胶结地层由于冲地作用也可能出现井眼扩大。
另一种是缩径，发生在软泥岩、砂岩、盐岩等地 层，在工程上遇到这种现象要不断地划眼，否则会出
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2、力学方面的研究
岩石力学研究主要包括地应力状态的确定、岩石 力学性质的测定、井眼围岩应力分析，最终确定保持 井眼稳定的合理的泥浆密度。
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3、化学的力学的藕合研究 泥浆化学和岩石力学藕合起来研究，尽可能地搜集
井眼情况资料（如井眼何时以何种方式出现复杂情 况），尽可能准确地估计岩石的性能，确定起主要作
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厚壁筒模型的解为：
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当井内流体与地层流体相互渗透时，还应考虑流体 渗滤的作用所引起的附加应力场。将以上三方面综合起 来（或叠加起来），即得直井井壁围岩应力分布：
泥页岩水化导致油气井井壁失稳研究进展
泥页岩水化导致油气井井壁失稳研究进展杨明合;石建刚;李维轩;王朝飞;陈伟峰【摘要】寻求泥页岩水化过程中其强度变化的规律是油气井井壁稳定性研究的重要内容之一,目前国内外相关研究根据分析方法,大致可以分为经典动力学法、微观图像分析法和在微观图像分析法基础上发展起来的混沌动力学分析法.而目前的研究几乎都是从经典动力学的决定论观点出发,试图给出泥页岩水化对井壁稳定性影响规律,目前对这一过程仍然有很多机理问题认识并不彻底.由于泥页岩水化影响强度变化的过程表现出明显的混沌动力学系统所具有的特征,所以依据非线性混沌动力学分析理论,建立泥页岩井壁稳定非线性混沌动力学计算模型将是一条分析泥页岩井壁稳定性问题的有效途径.【期刊名称】《化学工程师》【年(卷),期】2018(032)010【总页数】4页(P44-47)【关键词】泥页岩水化;井壁稳定;研究进展【作者】杨明合;石建刚;李维轩;王朝飞;陈伟峰【作者单位】长江大学(武汉)石油工程学院,湖北武汉430100;新疆油田公司工程技术研究院,新疆克拉玛依834000;新疆油田公司工程技术研究院,新疆克拉玛依834000;新疆油田公司工程技术研究院,新疆克拉玛依834000;新疆油田公司工程技术研究院,新疆克拉玛依834000【正文语种】中文【中图分类】TE245水化作用是泥页岩地层井壁失稳的重要原因之一。
由于泥页岩具有水敏性强、容易与水基钻井液发生反应等特殊性质，从而导致井壁岩石的应力状态和力学性能发生改变，进而引发井壁失稳，主要表现为井眼缩（扩）径、井壁坍塌等。
统计表明[1]，油气井钻遇地层大约75%以上是由泥页岩构成,而其中约有90%的井眼垮塌问题都与页岩的不稳定性有关。
虽采用油基钻井液可以较好解决泥页岩水化的问题，但其高成本、高污染的缺点严重制约了其广泛应用,而更多地使用水基钻井液。
特别是近年来，随着全球对页岩气勘探的不断深入，由泥页岩水化原因引起的井壁失稳而导致的井下复杂事故愈加突出。
气体钻井中泥页岩地层遇水时的井壁稳定性研究
泥页 岩地 层 水 化 膨 胀后 ， 塌 应力 比原 地 层 的 坍
比、 弹性模 量 与含 水量 之 问 的关 系 ， 利用 该模 型对 并
大 邑 １井气 体钻 井 中的井 壁 失稳 进行 了分 析 。
一ห้องสมุดไป่ตู้
坍 塌应 力高 。当泥 页 岩 地 层 采 用气 体 钻 井 时 ， 果 如
模 拟水 线推 进距 离 ， 已知 水 化 距 离 的情 况下 就 可 在 以得 出吸水 扩 散 系 数 。在 时 间 一定 时 ， 页 岩 的含 泥
件必 然发 生变 化 ， 就 要 求 研究 气 体 钻 井 井 壁 稳 定 这 问题 时不 能 完 全 套 用 水 基 钻 井 液 条 件 下 的 实 验 结 果， 必须设 计 符合 气 体 钻 井 实 际 情 况 的 实 验设 备 和
泥 页岩 的吸水 规律 主要 包 括 吸水 扩 散 系数 ， 吸
水 膨胀 系数 以及 泥 页 岩 吸 水 后 的力 学 参 数 变 化 情 况 ， 文重 点介 绍 利 用 自行 研 制 的垂 直 自吸 实验 设 本
气体 钻井 时非 常 担心 泥 页岩 遇到 下部 地层 出水后是 否能 够保 持井 壁 稳 定 。 为 了搞 清 楚 这 个 问题 ， 要 需 把注 意力 集 中在 泥页 岩水 化规 律 的实验 研 究 和力学 化学 耦合 模 型 的分析上 面 。由于气 体 钻井 时井 内介
李 荣 孟英峰 ， ，汪绪 刚 ， 袁 波
（ １中国石 油勘 探 开发 研 究 院廊 坊 分 院 ２西南石 油 大学石 油 工程 学 院）
李 摘 荣等．气体钻井 中泥 页岩地 层遇水时的井壁稳定性研 究． 钻采工 艺 ，０ ８ ３ （ ）５—８ １ ２０ ，１ ３ ： ，５ 要 ：常规钻 井液钻井 中， 水在正压差 、 管力和化 学势等作 用下进入 泥 页岩发 生 井壁 失稳 ， 毛 而气体钻 井除
泥页岩水化对井壁稳定的影响规律
泥页岩水化对井壁稳定的影响规律由于泥页岩中含有水敏性粘土矿物,当与钻井液接触时,泥页岩与钻井液相互作用,产生水化膨胀,不仅改变了井眼周围的应力分布,而且由于吸水使得泥页岩的强度降低,这就使得泥页岩地层的井壁失稳问题非常严重。
利用泥页岩地层水化后井眼周围应力分布的计算模型,在Visual Basic 5.0的环境下,编制Windows应用程序。
该程序可以计算井眼周围的含水量分布、井眼周围的应力分布及保持井壁稳定所需的坍塌压力(仅考虑在均匀水平地应力的条件下的直井井眼)。
1. 泥页岩井眼周围的含水量分布利用程序计算出井壁与泥浆接触时间分别为100,200,…,600小时的泥页岩地层中的含水量分布,从计算结果可知:(1) 当泥页岩与井内泥浆接触时,井壁上的泥页岩吸水量很快达到饱和值;(2) 当时间一定时,泥页岩的吸水量随离井眼距离的增加而减小,这样在井眼周围的泥页岩地层中形成一水化带,但到一定的距离后,其含水量接近于原始含水量;(3) 在水化带内,当距离一定时,时间越长,泥页岩的吸水量越多,到一定时间后将趋于饱和。
(4) 泥页岩地层的含水量分布与其吸附扩散常数密切相关,因为含水量的分布是计算井眼周围的应力分布和分析水化影响井壁稳定的基础,所以必须准确测定泥页岩的吸附扩散常数。
2. 泥页岩地层井眼周围的应力分布利用所编程序,计算在只有水化时及在水化膨胀和地应力共同作用下的井眼周围的应力分布。
2.1只有水化作用时井眼周围的应力分布计算钻井液与泥页岩接触的时间为200和500小时的井眼周围的应力分布。
泥页岩水化在井眼周围岩石介质内部产生一个压应力场,但对径向应力和切向应力的影响程度并不相同,所产生的径向应力较小,而切向应力则大得多。
切向应力在井壁上最大,随着向井壁内层的推进,切向应力急剧减小,特别值得注意的是,切向应力在其缓慢地降为零之前,由压应力变为拉应力(实际井眼中由于存在地应力及井内泥浆液柱压力的作用而不会出现拉应力)。
第6章3：井壁化学稳定性(学位课)
间的排斥力便消失了，并发生胶凝，形成三维凝胶网络。
– 几乎所有页岩孔隙流体中，都有游离的多价阳离子存在（如Ca2＋、Mg2＋等）， 它们可以在瞬间与硅酸盐低聚体反应，形成水不溶的沉淀物。
胶凝或沉淀的硅酸盐提供了阻止钻井液滤液和孔隙压力传递的物理屏障 。 试验结果表明，硅酸盐基钻井液对稳定微裂缝的页岩特别有效。 硅酸盐基钻井液对稳定白垩质易分散坍塌岩层特别有效，这是因为硅酸盐与
– (3)用淀粉处理剂稳定的稀硅酸盐体系；
– (4)腐植酸盐稀硅酸盐体系； – (5)乳化稀硅酸盐钻井液。
美国资料介绍，各种水基钻井液都可转化为硅酸盐基钻井液，硅酸盐基钻井
液可以是淡水或盐水的，它可与常用的阴离子、非离子聚合物配伍，与FCLS 、阳离子聚合物不配伍。硅酸盐基钻井液有良好的屏蔽暂堵作用，可保护储
层，对钻具有良好的缓蚀作用，不污染环境，成本低。
富钙离子的白垩质表面反应生成沉淀而阻止白垩分散 。
稀硅酸盐基钻井液体系
原苏联在八十年代曾推广使用了稀硅酸盐钻井液体系，其配方主要决定于稳 定剂的使用。现场应用的五种稀硅酸盐钻井液配方：
– (1)用CMC－500、CMC－600稳定的稀硅酸盐钻井液；硅酸钠的含量从2％－5％，
最佳pH值为8.5－9.5； – (2)用聚丙烯类化合物（聚丙烯酰胺或聚丙烯腈）稳定的稀硅酸盐钻井液；
硅酸盐稳定井眼的机理
水溶性的硅酸盐会迅速形成带负电荷的聚合体，当pH为11～12时。这些低聚 合度的聚合体由于负电荷的相互排斥作用，聚合作用便停止了。这种聚合体
的直径约为几纳米，这种小颗粒通过扩散或水力压差能够钻进页岩的微小孔
隙中。这种颗粒一旦进入页岩孔隙中便会发生下列现象：
泥页岩井壁稳定性力-化耦合模型研究
254由于钻井工程是地下工程，涉及到复杂的、千变万化的地质结构，而且由井壁失稳引起的其它井下事故对钻井工程危害极大，使得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，从20世纪40年代起就有学者对其开始进行研究。
而由于泥页岩地层的特殊性（水敏性），钻井过程中90%以上的井壁失稳问题发生在泥页岩地层[1]。
岩石力学方面的研究首先将力学-化学耦合理论应用于土壤力学领域，取得了一定成果，钻井方面的研究者则借鉴了土壤力学的处理方法，开始了泥页岩力-化耦合研究。
基本思路均是从实验着手，结合理论方法以建立泥页岩井壁失稳的力-化耦合模型[2]。
1 泥页岩井壁稳定相关实验研究由于泥页岩特殊的水敏性，钻井液中水分必然进入地层引起水化现象的产生。
随着钻井时间的持续，泥页岩水化现象越明显，这就使得地层强度降低，井壁失稳。
1.1 水化对泥页岩力学性能的影响本世纪初，C.HYew和M.E.Chenevert通过实验研究得出随着岩石弹性模量的减小岩石的吸附含水量在增加，二者之间的变化为线性关系，含水量增加同时岩石的泊松比保持不变。
黄荣樽采用类似的方法对泥页岩弹性模量、泊松比、粘聚力及内摩擦角与泥页岩含水量之间的关系进行分析，研究表明，泥页岩含水量与弹性模量与呈指数型关系，与粘聚力、泊松比、内摩擦角等呈线性关系。
到目前为止该方面的实验研究均停留在宏观层面，而有学者提出在微观层面考虑水活度和吸附水不同类型及含量的影响，研究水化对泥页岩力学参数的影响很有意义。
自库里契茨基将粘土结合水划分为强结合水和弱结合水以来，大多学者对此进行深入研究。
认为强结合水实质是属于粘土矿物表面亲水化合物的结晶水，属固相范围，因此在计算总含水量时应除去；而弱结合水实质是属粘土胶粒扩散层的水，属液相范围[3]。
1.2 吸水量测定利用环境扫描等相关实验设备，结合比表面积计算法，通过实验测定吸水量和应变随时间的变化关系，导出水化膨胀压力与含水量随时间的变化关系。
泥页岩渗透水化作用对井壁稳定的影响
泥页岩渗透水化作用对井壁稳定的影响泥页岩渗透水化作用对井壁稳定的影响摘要本文通过对泥页岩渗透水化作用对井壁稳定的影响进行分析，阐述了泥页岩渗透水化作用对井壁稳定存在不利影响的原因。
同时，结合工程实践经验，提出了相应的解决措施和建议，以保证井壁的稳定，保证井下作业的安全和有效进行。
关键词：泥页岩，渗透水化，井壁稳定，安全引言在石油勘探和开发过程中，泥页岩是一种广泛存在的地层。
而泥页岩渗透水化作用也是油田开发过程中的一个重要问题。
由于泥页岩内含有一定的孔隙和裂缝，因此在地下水的作用下，泥页岩内的矿物质会被溶解或膨胀，导致钻井中遇到困难，严重以至于危及井壁的稳定。
泥页岩渗透水化作用对井壁稳定的影响泥页岩内含有较多的水分，且水分呈现孔隙状。
当水分进入泥页岩中，由于其吸附性和含水量高的特点，水分会逐渐占据泥页岩内部的孔隙，从而改变泥页岩内部的力学性质。
泥页岩本身的水化反应和矿物质膨胀，也会对井壁稳定产生影响。
泥页岩渗透水化作用会导致井壁的破坏和失稳。
水在泥页岩中逐渐透过孔隙、裂隙和缝隙，形成了渗透流，使井壁的稳定性受到破坏。
此时，井壁就有可能出现浑浊、沉降等现象，而且随着渗透水化作用的继续进行，井壁侵蚀和塌陷的风险会不断增大。
解决方案与建议为了解决泥页岩渗透水化作用对井壁稳定的影响，我们可以采取以下相应的解决方案和建议。
1. 采用专业技术观测。
只有通过对井壁的专业技术观测，才能发现渗透水化作用及时进行预防和处理。
2. 降低泥页岩含水量。
通过在钻探过程中及时加压钻，及时放置钻石等措施，降低泥页岩的水含量，从而减缓泥页岩渗透水化作用的发生。
3. 采取加强措施。
我们可以采取加强措施来维持井壁的稳定性。
采取钻杆、套管、水泵等设备将井壁强化，增加井壁的承载能力。
4. 对井下作业进行监控和控制。
必须严格控制井下的工作行为，及时排放掉井下的污水和杂物，并将井下作业安排在较短时间内完成，以保证井壁的稳定性。
结论综上所述，泥页岩渗透水化作用对井壁稳定性具有重要而不可忽视的影响。
泥岩稳定机理研究
• 两种水化膨胀机理 水化膨胀机理：表面（晶格）水化膨胀；离子浓度差引起 水化膨胀机理 的化学渗透水化膨胀。 评价水化膨胀方法：膨胀率 膨胀压 膨胀率和膨胀压 • 两种评价水化膨胀 评价水化膨胀 膨胀率 膨胀压测试法。 • 膨胀压形成机制和大小与粘土颗粒间距密切相关 膨胀压形成机制和大小与粘土颗粒间距密切相关： 颗粒间距密切相关 • • 短程水化膨胀压 短程水化膨胀压：取决于表面水化斥力，可高达几千 个大气压，往往足以克服粒间吸力。 长程水化膨胀压：主要取决于双电层斥力（即渗透水 长程水化膨胀压 化应力），一般不超过几十个大气压。
当λ＝1时，即为理想半透膜情况。 即为理想半透膜情况。 即不存在选择性膜，溶剂（ 和溶质（ 当λ＝0 时，即不存在选择性膜，溶剂（ 水 ）和溶质（离 子）同步流动传递。 同步流动传递。 非理想半透膜特性， 越小， (当0＜λ＜1时 ，非理想半透膜特性，λ越小，表明溶质 越易通过膜，此时具有“漏膜”特性) 越易通过膜，此时具有“漏膜”特性)
孔隙压力传递规律与控制
• 井壁泥页岩／水基钻井液间传递作用： 井壁泥页岩／水基钻井液间传递作用： • 孔隙压力传递、水传递和溶质（离子）传递的速率不同。
• 孔隙压力传递较溶质（离子）扩散快10至20倍，离子 扩散 又比滤液（水）传递快10－20倍。孔隙压力传递作用最快。
图 2-5
水基钻井液作用下井眼周围泥页岩中三种传递速率示意图
泥页岩井壁失稳的宏观和微观基本理论
图 2－1 井壁泥页岩颗粒间作用力概念模型简化示意图
泥页岩颗粒间两大类作用力：机械力和物理化学力。 泥页岩颗粒间两大类作用力 机械力： 机械力 垂直和水平原地应力 孔隙压力 原地应力、孔隙压力 胶结力等。 原地应力 孔隙压力以及胶结力 胶结力
井眼安全--井壁稳定
（2）缩径现象 当发生缩径时，由于井径小于钻头直径，会 出项扭矩增大、上提遇卡，下放遇阻，严重 时发生卡钻。 缩径根据产生的原因，地层、地区采用适合 有针对性措施。 例如：划眼、增大滤失量、降低滤失量、提 高密度等。 （3）压裂现象 当钻井液液柱压力大于地层破裂压力，就会 压裂地层，产生井漏。井漏引起液柱压力降 低，易引起井涌及井塌等事故复杂。
（2）活度和半透膜对泥页岩水化的影响 石油勘探院、石油大学等单位通过研究也 得出钻井过程中，钻井液的滤液向页岩中扩 散的动力是钻井液与页岩间的水化学势之差。 影响它的主要因素是钻井液液柱压力与孔隙 压力之差及钻井液水活度与页岩水活度之比。 只有存在较高效率的半透膜时，钻井液与页 岩的水活度差才能在较长的时间内控制水的 迁移。
向钻井液中加入有机硅防塌剂，有机 硅在泥页岩表面迅速展开，形成薄膜。 在一定温度下，有机硅中的 -Si-OH 基易 和粘土表面的-Si-OH基缩合失水，形成Si-O-Si键，在粘土表面产生一种很强的 化学吸附作用，使粘土发生润湿反转， 从而使泥页岩的水化得到控制。
（5）沥青类防塌剂
国内外使用天然沥青和各种化学改性沥青产品稳 定井壁已有多年的历史。沥青粉的主要作用机理是 在钻遇页岩之前，往钻井液中加入该种物质，当钻 遇到页岩时，若沥青的软化点与地层温度相匹配， 在钻井液液柱压力与地层孔隙压力之间的压差作用 下，沥青产品会发生塑性流动，挤入页岩孔隙、裂 缝和层面，封堵地层层理与裂隙，提高对裂缝的粘 结力，在井壁处形成良好的内、外泥饼，外泥饼与 地层之间有一层致密的保护膜，使外泥饼难以冲刷 掉，阻止水进入地层，起到稳定井壁的作用。
•作用机理主要是“浊点效应”——温度在浊点以下时，该 产品溶于水，在浊点以上表现为“亲油疏水而又分散于 水”---。 •浊点在30-50℃之间，在钻井液中可始终保持“亲油疏水分 散于水”的状态，可吸附于钻屑及粘土颗粒表面，抑制其水 化分散与膨胀---； •同类产品对比，优势突出---。
井壁稳定的影响因素及预防措施
2061 井壁失稳的因素1.1 物理化学因素对井壁稳定的影响与井壁不稳定有关的物理化学因素主要有泥页岩的水化作用。
泥页岩中一般有伊利石、高岭石、蒙脱石等粘土矿物成分。
当钻井液中的水吸附在泥页岩中粘土的表面时，岩石会吸水膨胀。
当井眼内钻井液密度较低，泥页岩的膨胀压力达到一定值时，井眼就会被破坏，出现缩径现象；当膨胀压力超过泥页岩的屈服强度时，就会发生水化剥落，井眼扩径等现象[1]。
1.2 地层力学因素对井壁稳定的影响钻井过程就是一个以钻井液代替井眼岩石承受本应由岩石承受的应力的过程。
由于三种大小不同的主应力支撑的岩石被三向应力相同的钻井液所代替，并且一般情况下钻井液所能提供的压力低于三种主应力中最小的应力，因此，井眼的局部应力会发生变化。
这种应力的变化会使井壁岩石发生变形甚至破裂。
从井壁失稳的岩石力学分析出发，任何一口油气井开钻前原地应力就已经存在于地层岩石中。
在未开钻之前，地下岩石受上覆岩层压力、水平地应力以及地层空隙压力的作用而处于平衡状态。
开钻后，钻井液柱压力取代了本来由被钻开岩层提供的支撑而打破了这种平衡，会引起岩石应力的重新分布，如果这种重新分布的应力超过岩石抗压强度或者抗拉强度就会导致井壁失稳。
1.3 钻井液对井壁稳定的影响目前国内外的钻井液技术水平基本上可以满足钻井作业的要求，但仍然面临着很大的问题，其中钻井液对井壁稳定的影响就是其中非常重要的一项，包括膨润土含量、钻井液滤液的侵入量、侵入液的性质、钻井液的造壁性与流变性、钻井液密度、钻井液的性能大起大落。
当钻井液密度和粘度维护不佳，水力参数和流变参数不当时，都极易加剧井壁失稳。
1.4 钻井工艺对井壁稳定的影响由于钻井过程中各个环节都是相互关联的，因此工程方面的因素也会对井壁的稳定性产生影响。
包括井身质量、钻机操作不当、钻井液柱压力降低、卡钻事故、钻具的机械碰撞。
1.5 地层温度对井壁稳定的影响随着现在超深井工艺的日渐成熟，越来越多的井的深度达到几千米甚至上万米，在地层深部温度可达几百摄氏度。
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泥页岩水化对井壁稳定的影响规律
由于泥页岩中含有水敏性粘土矿物,当与钻井液接触时,泥页岩与钻井液相互作用,产生水化膨胀,不仅改变了井眼周围的应力分布,而且由于吸水使得泥页岩的强度降低,这就使得泥页岩地层的井壁失稳问题非常严重。
利用泥页岩地层水化后井眼周围应力分布的计算模型,在Visual Basic 5.0的环境下,编制Windows应用程序。
该程序可以计算井眼周围的含水量分布、井眼周围的应力分布及保持井壁稳定所需的坍塌压力(仅考虑在均匀水平地应力的条件下的直井井眼)。
1. 泥页岩井眼周围的含水量分布
利用程序计算出井壁与泥浆接触时间分别为100,200,…,600小时的泥页岩地层中的含水量分布,从计算结果可知:
(1) 当泥页岩与井内泥浆接触时,井壁上的泥页岩吸水量很快达到饱和值;
(2) 当时间一定时,泥页岩的吸水量随离井眼距离的增加而减小,这样在井眼周围的泥页岩地层中形成一水化带,但到一定的距离后,其含水量接近于原始含水量;
(3) 在水化带内,当距离一定时,时间越长,泥页岩的吸水量越多,到一定时间后将趋于饱和。
(4) 泥页岩地层的含水量分布与其吸附扩散常数密切相关,因为含水量的分布是计算井眼周围的应力分布和分析水化影响井壁稳定的基础,所以必须准确测定泥页岩的吸附扩散常数。
2. 泥页岩地层井眼周围的应力分布
利用所编程序,计算在只有水化时及在水化膨胀和地应力共同作用下的井眼周围的应力分布。
2.1只有水化作用时井眼周围的应力分布
计算钻井液与泥页岩接触的时间为200和500小时的井眼周围的应力分布。
泥页岩水化在井眼周围岩石介质内部产生一个压应力场,但对径向应力和切向应力的影响程度并不相同,所产生的径向应力较小,而切向应力则大得多。
切向应力在井壁上最大,随着向井壁内层的推进,切向应力急剧减小,特别值得注意的是,切向应力在其缓慢地降为零之前,由压应力变为拉应力(实际井眼中由于存在地应力及井内泥浆液柱压力的作用而不会出现拉应力)。
并且,钻井液与泥页岩接触的时间为200小时,其最大切向应力为8.16MPa;当接触时间为500小时时,最大切向应力为9.14MPa。
可见,水化对泥页岩井眼周围的应力分布有相当大的影响,并且钻井液与泥页岩作用的时间越长,水化影响的程度越大。
采取不同的吸水膨胀系数,计算得出的水化应力的数值相差较大。
钻井液与泥页岩接触的时间为500小时,利用室内围压下测得的吸水膨胀系数K1=0.0333和K2=0.832计算的最大水化应力为9.14MPa,而用Chenevert在大气条件下测得的吸水膨胀系数K1=0.0708和K2=11.08计算所得的最大水化应力达73.13MPa。
因此准确测量泥页岩的吸水膨胀系数对于分析水化对井壁稳定的影响规律十分重要。
2.2考虑地应力与水化膨胀共同作用时井眼周围的应力分布
只有水化作用的情况在井下实际是不存在的,为模拟井下的真实情况,必须考虑地应力及井内泥浆液柱压力的影响。
取泥页岩与钻井液接触的时间为500小时,在地应力和水化共同作用下,计算出的井眼周围的应力分布。
可以看出,与无水化的情况相比,水化作用使井眼周围的应力分布产生了很大变化,尤其是切向应力,特别是在近井壁附近。
水化导致井壁周围的切向应力降低,分析原因主要可能是由于泥页岩吸水后,抗变形刚度急剧减小,虽然吸水产生膨胀应变有使井壁周围的应力增大的趋势,但此时可以认为抗变形刚度降低造成泥页岩软化对应力的影响更大。
该观点被假设弹性模量为常量条件下的计算结果所证实,此时,水化后在井壁上产生的切向应力增大3倍。
因此,由于水化改变井眼周围的应力分布,且造成泥页岩的强度大幅度降低,在这二者的共同作用下,保持井壁稳定所需的泥浆密度将大大提高。
水化后的切向应力最大值也有别于无水化时,不是出现在井壁上,而是出现在距井壁13厘米处,且该距离随水化时间增大而向前移动。
因此井壁失稳不是在井壁上,而是在距井壁13厘米处,取决于水化的时间。
泥页岩水化造成的井壁失稳表现为周期性坍塌,且塌块尺寸较大,塌块较多,对钻井的危害也较大。
当距井眼的距离一定时,切向应力随水化时间的增加而降低,但降低的速度与泥页岩的吸附扩散常数密切相关,一般吸附扩散常数较大时,应力在一周左右达到稳定,而吸附扩散常数较小时,应力变化极为缓慢,3个月时间仅下降4MPa。
因此,泥浆的性能及泥页岩的理化性质是影响水化应力大小的关键因素。
知道了泥页岩地层中井眼周围的应力分布,利用强度准则,即可确定保持井眼稳定所需的泥浆的安全密度范围。
3. 泥页岩地层水化后的坍塌压力计算
通过上述介绍,已计算出泥页岩水化后井眼周围的应力分布,并且知道了泥页岩的弹性模量和强度参数随含水量的变化规律,即可根据强度准则确定保持井壁稳定所需的坍塌压力。
一般认为,中间主应力在井壁稳定性分析中影响不大,并且试验也表明,不考虑中间主应力影响的摩尔—库仑准则能较好地反映泥页岩地层的强度破坏特性。
计算不同水化时间下的保持泥页岩井壁稳定所需的坍塌压力,计算结果表明,水化作用改变了保持泥页岩井壁稳定所需的坍塌压力。
在水化初期,坍塌压力反而降低,在100小时左右最小,而后,随着水化时间的增加,坍塌压力急剧增大,经过大约四、五十天的时间,坍塌压力渐趋稳定。
不同的泥页岩粘聚力,即使粘聚力相差并不太大,其所需的坍塌压力也相差较大。
因此,确定泥页岩的坍塌压力时,必须准确测定泥页岩的粘聚力随含水量的变化规律。
泥页岩水化后,井壁失稳出现在距井壁13厘米处。
不同的钻井液密度对坍塌距离的影响规律不同,密度较小时,如密度为0.5g/cm3,坍塌距离随水化时间的增加而增大,经过约20天左右,坍塌距离趋于稳定;而在密度较大时,随水化时间的增加,坍塌距离开始增大,然后减小,直至到一最小值,最后又随水化时间的增加而增大,至一定时间后趋于稳定。
当水化时间一定时,随着钻井液密度的增加,坍塌距离减小。
4结论与建议
(1)泥页岩水化产生膨胀应变,造成泥页岩软化,改变了井眼周围的应力分布,使得井壁失稳表现为周期性坍塌破坏,并且不是出现在井壁上,而是出现在距井壁13厘米处,且其距离随所用的泥浆的密度增加而减小;
(2)泥页岩水化后,强度降低,井眼周围的应力分布改变,二者的共同作用使得保持井壁稳定所p(6)为简化,将泥页岩看成线弹性,且只考虑了均匀地应力的情况,但泥页岩水化后,其塑性增强,用弹塑性本构方程来描述其应力应变关系才更符合实际情况,且要考虑非均匀地应力的影响。