泥页岩水化对井壁稳定性影响研究

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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：勇园圃日期：研么垆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：弛导师签名：碰日期：动尹．f矿日期：渺弘，石／乒 中文摘要论文题目：泥页岩水化对井壁稳定性影响研究专业：油气田开发工程．硕士生：覃园圆(签名)霪因幽导师：屈展(签名)爱乏√IlUllIIIIIIIIIIIIIIIY2619973摘要泥页岩是一种水敏性粘土矿物，在钻井过程中，钻井液循环时会与其接触，并相互作用，使其产生水化膨胀，导致泥页岩的强度降低，并且改变了井眼附近的应力分布，造成井壁的不稳定，使得井壁坍塌。本文主要是通过对泥页岩水化的试验研究和理论分析及计算来进行泥页岩井壁稳定性研究。本论文的主要研究内容及相应结论如下：(1)分析了泥页岩的矿物组成、物理特征及其水化机理，研究了影响泥页岩水化的内在和外在因素，得出了泥页岩水化对井壁稳定性的影响；(2)通过室内三轴应力试验得出：泥页岩水化后，其强度降低，弹性模量减小，泊松比增大，泥页岩的内聚力和内磨擦角会随着含水量的增加而减小；(3)通过核磁共振实验分析得出：浸泡前后泥页岩试样的质量和自然吸水率总体呈增长的趋势，经过不同时间的浸泡，泥页岩的T2谱分布主要表现为2个峰图，部分为3个峰图，随着浸泡时间的延长，所有峰的幅度均有所增大，T2谱面积逐渐增大。(4)通过对井壁稳定力学模型的研究，分析了泥页岩地层井壁水化前后的应力分布，给出了相应的计算方法；(5)利用岩石破坏的强度准则，给出泥页岩井壁地层坍塌压力、破裂压力计算方法。关键词：泥页岩，水化，水化机理，应力分布，井壁稳定论文类型：基础研究 英文摘要Subject：Speciality：Name：Instructor：ResearchshalehydrationeffectsonwellborestabilityOilandgasfielddevelopmentprojectQinYhanyuan(signature)鱼』翌!鱼竺笠丝QuZhan(signature)国砂Z钿抄ABSTRACTShaleisakindofwatersensitiveclayminerals，inthedrillingprocess，thedrillingfluidcirculatingintheprocesswillbeincontactwithit，andinteracttoproduceahydrationexpansion，leadstothedecreaseoftheintensityofshale，andchangethewellborepressuredistributionnearthewall，causingtheinstabilityofthewall，makingthewallcollapsed．Thisarticleismainlythroughtheshalehydrationoftheexperimentalstudyandtheoreticalanalysisandcalculationtostudyshalewellborestability．Themainresearchcontentsofthisthesisandthecorrespondingconclusionsareasfollows：(1)Analysisoftheshalemineralcomposition，physicalcharacteristicsandhydrationmechanismtostudytheinternalandextemalfactorsaffectingtheshalehydration，obtainedtheshalehydrationofwellsaffectthestabilityofthewall．(2)Throughtheindoortriaxialstresstestresults：aftershalehydration，itsstrengthisreduced，reducingtheelasticmodulus，Poisson’Sratioincreases，theshaleofthecohesionandinternalfrictionangledecreaseswiththeincreaseofwatercontent；(3)AnalysisbyNMRexperimentsdrawn：shalesamplesandaturalwaterqualityoverallthereisagrowingtendencyratebeforeandafterimmersion；atdifferenttimesaftersoaking，shaleT2spectrumdistributionmainlyfortwopeakmap，partofthethreepeaksmap，withtheextensionofimmersiontime，allthepeaksareincreasingamplitude，T2spectralareagraduallyincreased．(4)Throughthestudyofthemechanicalwellborestabilitymodeltoanalyzethestressdistributionbeforeandaftertheshaleformationwellborehydration，giventheappropriatecalculationmethods．(5)Usethestrengthcriterionofrockfailure，，givenshaleformationsboreholecollapsepressure，burstpressurecalculationmethods．Keywords：Shale；hydration；hydrationmechanism；stressdistribution；wellborestabilityThesis：FundamentalresearchIII 目录第一章前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．2．1井壁稳定力学机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．2．2井壁稳定泥浆化学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21．2．3井壁稳定力化耦合研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．3本文的主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51．3．1主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51．3．2技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6第二章泥页岩的组成性质及分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．1泥页岩的矿物组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．72．1．1粘土矿物⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．1．2非粘土矿物⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．1．3孔隙介质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．102．2泥页岩理化性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l02．2．1膨胀性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．102．2．2分散性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．102．3泥页岩的物理特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．3．1比表面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．112．3．2阳离子的交换容量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1l2．3-3孔隙性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．122．3．4孔径分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．122．3．5压缩性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．132．3．6渗透性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．132．4泥页岩分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14第三章泥页岩的水化作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．163．1泥页岩水化的机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯163．2影响泥页岩水化的主要因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯173．2．1内在因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．173．2．2外在因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．183．3泥页岩水化对井壁稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．3．1对孔隙压力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．193．3．2对井壁地层的性质的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．19 目录第四章泥页岩实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．204．1泥页岩X．射线衍射矿物分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯204．2泥页岩扫描电子显微镜成像结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯214．3试验方法确定泥页岩岩石弹性力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯234．3．1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．234．3．2试验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．234．3．3试验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．244-3．4实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．264．4泥页岩吸水后的核磁共振试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯294．4．1实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．294．4．2试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．294．4_3．试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．30第五章水化作用对井壁应力状态的影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．345．1井壁围岩的应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯345．1．1斜井井壁围岩的应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．34S．1．2垂直井井壁围岩的应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．385．2水化后井壁围岩应力分布及其力学性能参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38S．2．1水化后井壁围岩应力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．385．2．2泥页岩的水化膨胀应变⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．425．2．3井壁围岩吸水规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．425．2．4泥页岩材料的力学参数随其含水量的变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．445．3实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯455．3．1泥页岩地层井眼周围的含水量分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．45S．3．2泥页岩水化后井眼周围的应力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．46第六章井壁稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．496．1井壁失稳的形式与与原因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯496．1．1井壁失稳的基本形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．496．1．2井壁失稳的原因⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．496．2岩石破坏的强度准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯496．2．1剪切破坏的强度判断准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．506．2．2拉伸破坏的强度判断准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．516．3坍塌压力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯516．3．1井壁坍塌处的应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．516-3．2井壁坍塌压力的数值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52V 目录6．4破裂压力及其数值计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯536．5泥页岩水化后坍塌压力的计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．56致{射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．57参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯58攻读学位期间发表的论文、专利、获奖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60V1 第一章前言1．1研究目的及意义当今世界上，石油与天然气是最为重要的不可再生能源之一。石油与天然气工业的发展直接影响着世界经济和社会的稳定发展。在我国，石油与天然气工业是非常重要的支柱产业之一。而油气钻井工程则是将蕴藏在油气藏中的石油与天然气开采到地面的根本途径。石油天然气工业各项成本所占百分比最高、耗资最大的专业工程则是钻井工程，约占石油天然工业总投入的50％．80％。钻井过程中，井壁失稳会造成井壁垮塌、缩径、漏失、卡钻等井下复杂事故，而泥页岩井壁失稳则是其中普遍存在困扰钻井工程界的重大问题之一，严重制约了油气资源的勘探与开发的进程。据保守估计，每年由于井壁不稳定问题给石油与天然气行业造成约6亿美元的损失。由于西部地区的地下和地面条件都十分复杂，在很大程度上使得我国进行油气资源勘探与开发的成本增加，尤其是在向西部新区的拓展过程中，钻井作业所遇到的自然环境是非常恶劣的，钻遇的地层也越来越复杂，所引起的在钻井中的井壁不稳定问题也日趋严重。在我国各大油田由于井壁失稳问题严重的影响了钻井速度，而由它引起了超过90％的井壁的失稳问题。由于井壁的失稳问题不仅对钻井速度有严重影响，而且对油气井后期作业也有严重影响，例如：测井、测井评价和固井作业。固井的质量好坏会进一步对后期的采油、射孔、防砂以及增产措施等造成一系列的影响，因而井壁的失稳问题所引起的钻井事故不仅会造成巨大的经济损失，同时也将会严重的影响勘探和开发的速度，从而制约油气资源的开发战略发展步伐uJ。钻井过程中，井壁失稳造成井壁垮塌、缩径、漏失、卡钻等井下复杂事故，泥页岩井壁失稳则是其中普遍存在困扰钻井工程界的重大问题之一，它严重制约了油气资源勘探开发的进程。这些事故不仅仅延长了钻井作业的时长，而且大大增加了钻井成本。因此，井壁失稳问题任然是当今世晃上钻井工业中一个十分棘手的问题。石油天然气钻井工程大多是在沉积岩地层中进行的，而沉积岩中泥页岩的含量占70％以上。在钻井过程中，井壁失稳问题90％以上是发生在泥页岩地层中的。在钻井过程中经常遇到的三类井壁失稳形式为：破碎体失稳(如无胶结砂层、高度构造破碎体、松软煤层等)、塑性体失稳(如膏层、盐岩层)、泥页岩失稳12】。这三种类型中，有90％左右为泥页岩失稳。因此，有人将钻井中的“井壁稳定问题"称为“泥页岩稳定问题"。钻井过程中遇到了泥页岩的井壁的不稳定问题，轻则会造成钻井成本的增加和时间的耽搁，重则会造成钻井作业失败和井眼的报废。所以，为了降低钻井作业成本和加速油气田的勘探与开发的过程，就必须深入的去研究地层中泥页岩井壁的稳定性问题。1．2国内外研究现状 西安石油大学硕士学位论文1940年出现的第一篇关于井壁稳定方面的文献，开启了关于井壁的稳定性方面的研究。现今，研究井壁稳定性方面的学者有很多，相关文献也发表了不少，总体来说，他们的研究思路可以分为以下三大类：①从力学角度分析井壁的稳定性。它从岩体力学角度出发，研究了井眼周围应力的分布和岩石强度准则以及本构关系等一系列问题。②从化学的角度分析泥页岩井壁的稳定性。研究了泥页岩水化的机理和控制水化的各种方法。③从化学和力学耦合角度研究了泥页岩的井壁的稳定性。从力学与化学耦合方面开始进行研究泥页岩是近十多年才开始发展起来的，他们综合考虑了力学和化学两方面的作用，研究了泥页岩水化对力学因素的影响。1．2．1井壁稳定力学机理研究从力学角度来说，当岩石的原始强度不足以抵抗它所受到的破坏应力时，井壁将会失稳。基于这个观点，国内外学者进行了大量的研究工作，发表了大量的文献。国外的H．M．westergar、M．KHubbea、D．G．willis、Faithurst、Bradley、J—CRoegiers、F．J．santarelli、V．Maury、Yarlongwang、M．B．Dusseanlt、santarillill、M．B．Dusseault和R．K．Brmli等人从这方面的不同角度出发，研究了直井周围弹一塑性井眼的应力分布情况、井周应力的计算方法、斜井和水平并的井周应力分布规律、高温高压井的井壁稳定性、非线弹性对井周应力的影响等问题。MohrmCoulomb、Drucker--Prager、Hoke--Brown和Griffith等人对井壁稳定的破坏强度准则进行了大量的研究，并提出了自己的岩石强度准则。国内的学者对井壁稳定力学方面的理论研究开始于80年代初。黄荣蹲教授和陈勉教授的团队在这方面做出了很大贡献。他们是依据岩石力学、地质力学和声学理论再加上力学理论(多孔弹性介质)，对井壁周围岩石的受力的状态，岩石的强度测定方法，地应力测量技术，及泥页岩的水化应力和其分布确定和相应的计算方法等进行了一系列的研究和分析【jJ。1．2．2井壁稳定泥浆化学研究在井壁稳定性研究的前二十多年，研究者一直认为井壁失稳的主要原因是岩石的原始强度不足以抵抗破坏应力所致，因此把井壁失稳问题看成是纯力学问题。50年代中后期，在某些泥页岩地层得到了出人意料的结果。钻井前由于井内没有液柱压力来平衡地层压力，人们担心可能在泥页岩井壁段会发生严重的井塌现象，但事实践结果表明，采用气体钻井比同区采用泥浆钻井井眼的稳定性要好得多。六十年代，世晃各地空气钻井、泡沫钻井的资料表明：空气钻井(尤其是干空气钻井)、泡沫钻井对某些泥页岩井壁稳定 第一章前言有很好的效果时，人们才开始认识到，钻井过程中，绝大多数井眼失稳的真正原因是由于泥页岩与泥浆的接触所导致的泥页岩水化而发生的。井壁稳定性不单单只是一个力学平衡的问题，泥页岩的物理化学变化则是一个更为重要的影响因素。从这时候，才正式开始了泥页岩水化对井壁稳定性影响的研究。泥页岩的物质成分可大致分为三大类：粘土矿物、非粘土矿物以及孔隙介质。实验发现，在泥页岩的水化膨胀这一过程中，粘土矿物的水化膨胀起到了主要的作用。所以，从实质上来说，研究泥页岩的水化机理就是研究泥页岩中的粘土矿物的水化机理。在20世纪初，矿物学、胶体界面化学、岩土工程等学科方面的学者专家们开始了对粘土矿物从不同的角度进行的一系列的研究，在其基本结构、矿物组成和晶体光学的性质等方面，取得了非常多的研究成果。在50年代，国外的部分学者通过利用接触角法及平衡水蒸气法等来测量粘附功、润湿热和吸附热等，计算了土壤中有关水的热力学函数，以此作为研究粘土颗粒与水相互之间作用的机理的依据。其中，学者Low认为粘土表面上水的吸附形式有化学和物理吸附两种。化学吸附主要表现在水化前期，物理吸附主要在水化后期。随着科学实验技术的不断完善，Norrish等学者利用x射线衍射技术研究了粘土的组构和其水化的结合形态。这些实验表明，粘土发生水化膨胀的根本原因是粘土水化，其膨胀的程度和水化的程度有很大的关系。粘土的水化可以分为渗透水化、表面水化两个阶段，但是，表面水化与渗透水化是不相同的【4J。在表面水化阶段，粘土颗粒会发生晶格膨胀，吸附水的厚度一般不会超过4个水分子层，膨胀程度比较小，膨胀的初期的主要动力为表面水化能；当其发生表面水化以后，若外来流体的阳离子浓度小于晶层之间的阳离子浓度，则水分子将进入层间，晶层之间的间距将增大，粘土就会发生渗透水化。渗透水化的主要驱动力是双电子层的排斥力和渗透压力，渗透水化会形成扩散双电层，其产生的膨胀体积会远远超过晶格膨胀【5J。可见，影响粘土水化膨胀的主要因素有：粘土的种类、阳离子的种类及交换容量、水化的部位和比表面等。1．2．3井壁稳定力化耦合研究由前面的分析可以知道，泥页岩的井壁稳定性问题不仅仅是力学平衡这一方面的问题，其粘土矿物的水化也是影响井壁稳定的一个重要因素。所以，在对井壁进行稳定性分析时，要把力学因素和化学因素结合起来考虑【6J。19世纪70—90年代，力学与化学耦合研究仅仅只有试验方面的研究。60年代末Gray、Dariye、Chenveert才明确指出，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最重要原因。随后就出现了大量有关泥页岩水化方面的文献。上个世纪70—90年代之间，力学和化学的耦合仅体现在试验研究上。进入90年代后，力学和化学的耦合开始进入定量化的理论研究阶段。 西安石油大学硕士学位论文1989年，C．H．Yew和M．E．chenevert第一次对力学与化学耦合进行定量的分析【『71。1995年，中国学者黄荣蹲发表了一篇采用M．E．Chenevert方法进行类似分析的文章。Hale和Mody在1993年将半渗透膜等效孔隙压力理论应用到页岩与水基泥浆的作用上【8】。1997年，Chee．P．Tan利用增量弹性理论(inerementalelastictheoty)结合试验分析了膨胀和水化应力【9】。1998年，HongHuang发表了一篇介绍利用数值模拟和试验方法对泥页岩水化进行分析的文章【1⋯。在1970年，M．E．Chenevert对泥页岩吸水膨胀后其力学性质是否发生变化进行了研究，试验结果表明：泥页岩吸水以后，其强度会有所下降⋯J。泥页岩力学与化学结合的定量化的理论研究在90年代才开始进行，尽管离真正揭示泥页岩的水化的真实物理和化学过程还有一定的差距，但这毕竟在井壁稳定力学的分析当中定量的加入了物理和化学因素方面的影响【121。井内钻井液对泥页岩井壁化学作用可以归结为：影响了其岩石力学性能及强度参数，改变了井壁围岩应力的分布。所以，将它们结合起来研究时，关键是要把由化学作用引起的力学效应进行定量化，并且同纯力学效应相结合。截止目前，这方面的研究主要有以下两个方面：(1)试验研究主要包括：①含水量和水活度对泥页岩的力学性能影响用专用的方法制备岩心，测出它天然的含水量及天然的水活度，然后将贴好应变片的试验岩样放入已知水活度的专用密闭容器中，定时测定岩样的重量。当试验岩样的重量不变时，岩样湿度就达到平衡了。这时，就可以在强度试验机上进行应力一应变及强度试验了。试验表明：含水量的增大，泥页岩强度和弹性模量会降低，但是泊松比会增加。②测定泥页岩的吸水量在岩样上紧贴应变片三个，把其中的一端裸露在潮湿环境中，与其直接接触，用塑料薄膜把其它面包裹起来，进而测定应变和吸水量随着时间变化的关系，从而推导出水化压力随含水量及时间的变化关系。③测量化学和力学作用共同引起孔隙压力的变化在测试室里放入试验的岩芯，让泥浆由岩芯的一端进入，一端流出，测出岩芯两端的压力变化，就可测出孔隙压力跟随时间在不同泥浆的作用下的变化。④直接测量泥页岩水化的膨胀压力将要进行测试的岩芯的中间钻一个轴向小孔，并在上面贴上一个应变片，用塑料薄膜将其密封，然后放到装有油的实验仪器内。实验时，将待测液注入到岩芯的小孔中，随着岩样的吸水，它的体积发生膨胀。为了使吸水后的泥页岩的体积不变，则要增大围压，当增大围压到两个应变片的数值都没有什么变化时，此时的围压值就是其水化膨胀压力【l引。通过试验方面的研究，一方面了解了泥页岩与钻井液之间的相互作用机理，另一方面 第一章前言也提供了模型建立的依据，并且提供了理论计算所需要的参数【14】。然而，现今所做的实验几乎都没有在井下的温度和压力的条件下进行的。岩心从地层中取出以后，即使有防预措施也不能保证有效的保持泥页岩中的水分，而且由于其内部压力的释放导致其岩石结构发生了改变。(2)理论研究主要包括：①热弹性比拟法C．H．Yew等人于1989年第一次提出把泥页岩的水化膨胀应力比拟为膨胀变温应力。根据弹性热力学的理论，他们建立了泥页岩发生水化膨胀后发生力学效应的定量化的模型。他们的研究思路是泥页岩的吸水膨胀与受热膨胀相似，因此，水化膨胀所产生的应变就受到水化变形约束力引起的应变和自己膨胀应变的控制。准确获得井壁处含水量的分布和岩石的弹性模量麟水量变化的关系是这个理论的关键之处。②水分子自由能的热动力理论法A．H．Hale和F．K．Mody于1993年在泥页岩与钻井液之间的水分子的自由能差热动力理论的基础上，把力学和化学作用所引起的应力的变化相结合【151。他们认为，泥页岩孔隙压力和井内钻井液柱压力之间压差及泥页岩和钻井液之间水活度(化学势)差的共同作用下，水可以进出于泥页岩，改变了井壁岩石的孔隙压力，影响了井壁有效应力。准确测定钻井液与泥页岩之间的水活度是这个理论的关键指出。根据该耦合模型和适当的强度准则，便可确定出维持井壁稳定所需的钻井液的含盐度和密度。③多因素耦合理论下的泥页岩的稳定性法国的DidierGazaniol等研究了岩体塑性、孔隙压力的扩散、各向异性、毛管压力、化学渗析、岩石的性质改变等对泥页岩的稳定性的影响。除了上述的理论和方法以外，还有其他学者所做的理论研究与方法，在此将不再详细介绍。1．3本文的主要研究内容与技术路线1．3．1主要研究内容本论文以研究水化作用下泥页岩井壁稳定性为目的，围绕该研究目的，论文主要包括以下四个方面：①认识泥页岩的成因、组成和构造，分析它的物理化学性质；为预测水化作用条件下井壁稳定性变化打下基础。②研究泥页岩的孔隙结构特征，分析其随岩石初始含水率变化的规律，从微观上探讨 西安石油大学硕士学位论文水化对泥页岩本身性质的影响。③了解岩石的力学性能参数，分析在渗流压力下泥页岩的变化，从宏观上研究水化对泥页岩力学参数的影响。④分析泥页岩水化对井壁稳定性的影响。1．3．2技术路线①运用定量的分析方法，详细分析泥页岩的成因、组成和构造等特性。②运用计算机和光学物理方法，分析泥页岩井壁围岩损伤劣化扩展特性，研究孔隙结构特征随岩石初始含水率变化的规律。③通过力学及变形试验方法，进行泥页岩岩石的强度破坏实验，不同含水状态下泥页岩抗压强度试验，分析含水率对泥页岩力学性能的影响；④运用渗流力学和物理化学的方法，研究水化对泥页岩井壁稳定性的影响。 第二章泥页岩的组成性质及分类泥页岩是分布最广的一类岩石，约占岩石总体积的60％。泥页岩是泥岩和页岩的总称，指以粘土矿物为主(其含量大于50％)的固结程度较高的沉积岩，由非粘土矿物(主要有石英、长石、方解石、白云石等)、粘土矿物(主要有蒙脱石、伊利石、绿泥石、高岭石、伊．蒙混层、绿．蒙混层等)和孔隙介质组成‘161。2．1泥页岩的矿物组成泥页岩的物质成分可大致分为三大类：粘土矿物、非粘土矿物以及孔隙介质。矿物的成分以粘土矿物含量最多，其次为陆源与自生矿物，非粘土矿物次之。图2-1泥页岩组成结构示意图①非粘土矿物颗粒②宏观孔隙③粘土颗粒④亚微观孔隙⑤微观孔隙⑥准晶体2．1．1粘土矿物泥页岩含有各种类型的粘土矿物，其中对泥页岩井壁稳定性影响较大的粘土矿物主要是蒙脱石、高岭石、伊利石和混层粘土矿物，泥页岩中的粘土矿物含量、种类及其微观结构等因素决定着泥页岩的物性，粘土矿物的物性又是影响泥页岩井壁稳定性的关键因素。因此，有必要对泥页岩粘土矿物进行深入研究。粘土矿物基本结构层有两种：一是硅氧四面体层；二是铝氧八面体层。两种结构按不同的比例可结合成各类粘土矿物。在水环境中，粘土矿物常常会表现出分散性、水化性、带电性、离子交换性等【l71。下面分别介绍各种粘土矿物：(1)高岭石它是一种含水硅酸盐，其晶体构造是由一层铝氧八面体晶片和一层硅氧四面体晶片组成的两层型粘土矿物，晶层间通过范德华力和氢键连结，由于强大氢键的作用使得晶层间结合紧密，水分子不易进入晶层，很少发生晶格取代现象，层间没有其它阳离子和水分①@③@⑤@ 西安石油大学硕士学位论文子的存在。整个体系呈近电中性，阳离子交换容量低，层间间距小，颗粒直径大，比表面积也较小。高岭石是性质比较稳定的非膨胀粘土矿物，一般不易水化分散，属非膨胀类粘土矿物。(2)蒙脱石蒙脱石是2：1型粘土矿物，也是一种硅酸盐矿物，其晶体构造为三层，是由两个硅氧四面体中间夹一个铝氧八面体组成的。在这样的结构单元中，粘土矿物晶层间的联结力仅为范德华力，层间联结非常弱，且易于拆开。蒙脱石带大量负电荷，层间吸附有等电量的可交换阳离子，正是因为如此，它能使可交换性的阳离子带有着大量的水分子以及其它的极性分子可以进入晶层(结构层)之间，所以蒙脱石遇到水后能表现出非常明显的膨胀性，因而影响到蒙脱石物理和化学的性质。研究表明，蒙脱石的比表面积可以达到800m2／g，它的膨胀程度会受到可交换阳离子的影响，属膨胀类粘土矿物。(3)伊利石伊利石是一种类云母状且有含水层状结构的一种粘土矿物，它的结构单元层和蒙脱石是非常相似的，也是由两个硅氧四面体和一个铝氧八面体构成的三层构造粘土矿物，不同之处在于其晶格取代主要多发生在外面的四面体中，其吸附阳离子主要为钾离子。伊利石结构中的一些Si4+时常被Al”置换，由此引起的电荷不平衡，其通过吸附K+达到电荷的平衡，钾离子与晶层负电荷之间的静电引力大于氢键，致使水分子不易进入层间，使水的活跃性仅存于表面外部，使得结构层间的距离扩大能力减弱，即缺乏膨胀性。其水化作用一般仅发生在外表面，水化膨胀程度也远小于蒙脱石，由于其比表面积小于蒙脱石，故比亲水量大于蒙脱石。这些就是伊利石与蒙脱石之间的明显的不同特征，伊利石的压实性和膨胀性等是介于蒙脱石与高岭石之间的。(4)绿泥石绿泥石是具有层状类结构硅酸盐，属于非膨胀性的粘土矿物。它是由被八面体的氢氧化镁分隔的硅氧四面体和铝氧八面体组成的。绿泥石的阳离子交换容量比蒙脱石少，近似伊利石的阳离子交换量。硅氧的四面体中的A13+取代了Si针，因此产生负电荷，由Al”取代氢氧化镁中的M92+而达到平衡。绿泥石的晶层间力为范德华引力、水镁石八面体上根形成的氢键和阳离子交换后形成的静电力，绿泥石颗粒较粗，比表面积小，因此一般绿泥石没有是膨胀性的。(5)混层粘土矿物混层矿物是对储层物性和地层损害有极大影响的一类矿物，在地层中是最常见的。混层粘土矿物，亦称为间层粘土矿物，是指各个晶体均由两种或两种以上的基本构造单元晶层沿C轴重叠所构成的粘土矿物，大部分的粘土矿物是具有层状结构铝硅酸盐矿物，晶体结构十分相似。混层矿物一般为膨胀性和非膨胀性粘土矿物组成，即由非稳定的粘土矿物和稳定性粘土矿物组成，其中较为常见的有伊／蒙混层、绿／蒙混层。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之间，其大小取决于间层中蒙脱石所占 第二章泥页岩的组成性质及分类的比例。这些混层矿物对储层物性的影响或地层的损害是由于混层中膨胀或收缩的结果。在钻井工程中，通常以膨胀粘土的比例来评价工程问题，根据混层矿物中蒙脱石含量不同产生的不同性质的井壁失稳问题。混层粘土矿物可分为规则混层和不规则混层两种基本类型，它是根据混层矿物交替相间的规则程度所划分的。由于混层粘土矿物中相间的膨胀层会受到盐度波动的影响而出现收缩和膨胀不定的现象，因此，它对井壁稳定性的影响有时比单一矿物的影响还要大。它影响井壁稳定的方式主要是以分散剥落和膨胀两种，所以在泥页岩井壁防塌中，对混层矿物的研究是十分重视的。各种粘土矿物遇水时都会引起水化膨胀。水化可分为以下三种：表面水化，是粘土矿物吸收表面附近的水分子所引起的，它主要的驱动力是表面的水化能，表面水化可以在所有的粘土矿物上发生。离子水化，是粘土所含有的硅酸盐晶片上补偿性的阳离子在周围形成的水化壳，与此同时，水化离子和水分子之间争夺黏土晶面上的连接位置，离子水化可以形成水化膜，并且只是具有明显晶格取代现象的粘土才表现出离子水化。渗透水化是某些粘土在完成了表面水化及离子水化过程之后才开始的(这种情况仅发生在100％的相对湿度条件下)。由于层间阳离子浓度高于外界水溶液的浓度，水分子在浓度差的作用下进入层间成为渗透结合水，为弱结合水(强结合水转为自由水的过渡层)，加上钻井液滤液与泥页岩地层接触时，地层和钻井液之间活度差异而产生的渗透压，此时，在这两种作用下所形成的水化作用为渗透水化。一般的情况下，只有蒙脱石才能发生渗透水化。所有的粘土矿物遇水都会发生膨胀，其中粘土的种类、比表面积和阳离子交换容量决定了它的膨胀程度，而与表面电荷密度无关。各种粘土矿物的膨胀能力的排序如下：蒙脱石>混层矿物>伊利石>高岭石>绿泥石表2-1四种典型的粘土矿物的特性粘土矿物比表面积D50(mCEC表面电荷密度(m2儋)(meq／1009)(c／m2)蒙脱石6336．780O．179伊利石1056．620O．184高岭石48．62．79O．122绿泥石6．621．650．73l2．1．2非粘土矿物泥页岩中非粘土矿物主要有陆源碎屑矿物，包括石英、云母、长石和各种副矿物，其中最主要的是石英，呈单晶出现，圆度差，边缘比较模糊；以及各种化学作用沉淀形 西安石油大学硕士学位论文成的氧化物和碳酸盐、硫酸盐、氢氧化物、磷酸盐等自生矿物，它们都是在泥页岩形成过程中生成，其含量一般都很少，一般不超过5％，是泥页岩形成环境及成岩后生变化的重要标志。2．1．3孔隙介质孔隙介质包括油、气和水等流体，泥页岩的成岩过程会始终伴有着水溶液的流动，在压实的过程中，孔隙中的水会逐渐的被排出，在温度和压力的双重作用下，有机质会逐渐变化而生成油气等。孔隙介质中最主要的是水分，它的存在形态主要分为以下三种：1)自由水，是指存在于孔道和孔隙中，不会受到粘土颗粒等的束缚，能自由运动；2)吸附水，吸附水(束缚水)指的是吸附到粘土表面的水化膜，会受到分子间的引力和静电引力的双重影响，可以随着粘土颗粒一起的运移；3)结晶水，是不同于自由水及吸附水的，它可以看作成为晶体内部的一部分构造。2．2泥页岩理化性能由于泥页岩中有大量的黏土矿物，所以泥页岩遇水后极易分散和发生水化膨胀。理化性能是指：泥页岩本身具有或者在外界环境变化后的物理化学性质，这种性质决定着井壁失稳事故发生的形态。至今为止，通过实验可以确定的泥页岩理化性能指标有以下几种：密度、膨胀率、回收率、等温吸附线、CST值、可溶性盐、比表面积、吸水率等。由泥页岩的水化而引起的井壁坍塌的主要形式表现为水化膨胀及水化分散，因此，可以将上述的理化性能指标分为以下的两种类型【l引。2．2．1膨胀性膨胀性指的是岩心遇水后其体积会发生膨胀的特性，可以通过实验来测量其膨胀率用来表征地层岩石的膨胀性。岩心吸水后体积与其原始体积的比值就是岩心的膨胀率。研究发现，影响泥页岩的膨胀性的因素有：泥页岩的组构、粘土矿物的含量和类型。当泥页岩中粘土矿物的含量越高，特别是膨胀性的粘土矿物的含量越高时，其膨胀率就会越高；当泥页岩中的粘土颗粒的排列方式为定向时(定向度低时)，其膨胀率就越高，呈水化膨胀的分散趋势；当泥页岩中的粘土颗粒的排列方式为非定向时，其膨胀率就越低，呈剥裂趋势。这是因为泥页岩中粘土矿物定向度越小，其间颗粒面呈交叉方式排列，使得水分子与泥页岩的有更大的接触面造成的。2．2．2分散性分散性：泥页岩中粘土矿物遇水后会发生水化膨胀，当膨胀度超过了泥页岩的胶结lO 第二章泥页岩的组成性质及分类强度时，岩屑颗粒进入钻井液(水)当中。分散性是水化性能的重要指标，通常用回收率法(页岩滚动试验)，CST等来判断泥页岩的分散性。目前，评价泥页岩水化稳定性的方法有泥页岩滚动回收实验、CST实验(测试页岩的水化分散)、水化实验、SSI(泥页岩稳定指数)实验等。要对泥页岩的水化性能作出一个准确而全面的判断，用诸多指标评价某一岩样，会受客观条件的限制，以致难以得出正确结论。然而采用单一指标又不能全面客观地评价泥页岩的稳定性，因此，一般选用膨胀率、CEC(阳离子交换容量)、回收率、CST值进行评价ll圳。2．3泥页岩的物理特征泥页岩是一种多孔性的介质，这种介质比较特殊，使得泥页岩不仅有着其它的普通多孔介质具有的一些的物理性质，并且还有许多其它多孔介质不具有的一些性质。比如：泥页岩的阳离子交换容量很大等。其水化作用会受到这些性质的干扰。下面介绍一下有关泥页岩的物理性质。2．3．1比表面比表面指的是岩石的单位体积内的全部颗粒的总表面积‘201，其表达如下：口=万AA(2．1)其中，a为比表面，其量纲为m～；馘是岩石体积(AV)内的全部颗粒所占的总表面积，其量纲为m2。石油工程中，泥页岩比表面是指把100克的干燥泥页岩所占有的总表面积，其表达式如下：s=半泣2，其中，S为比泥页岩表面，其量纲是m2／1009；酞为质量为w的干燥泥页岩所占有的总表面积，其量纲为m2。泥页岩的成分、颗粒排序形式和直径及其孔隙度、形态，这些都能制约泥页岩的比表面大小。213．2阳离子的交换容量泥页岩中各种粘土矿物颗粒替换阳离子的总量就是其阳离子的交换容量(CEC)，可代数相加，其表达式如下： 西安石油大学硕士学位论文CEC曲=∑RjCECJ(2-3)』其中，cE巳为泥页岩正离子的替换量；∞q为粘土矿物／的正离子替换量；R，为粘土矿物，的质量分数。根据式(2．3)可知，泥页岩中的粘土矿物含量不同，其阳离子的交换容量会不同。因此，构成泥页岩中粘土矿物的类别及其含量的多少都可以通过泥页岩的阳离子交换量来确定。2．3．3孔隙性孔隙性是泥页岩的宏观性质，其中，有效孔隙是互相接通的，流体在其中是可以自由流动的，死端孔隙指的是一端封闭的孔隙，流体在其中受到很多束缚，不可自由流动。泥页岩中的孔隙量可以用孔隙率表示，其表达式如下：∞：limAVv(2．4)△P_△％AV其中，妒为体积孔隙率，即总孔隙率，无量纲；△％为孔隙体积，单位是m3；△y为泥页岩体积，单位是m3；△％为特征孔隙体积，单位是m3。如果式(2．4)中定义的孔隙体积是有效孔隙体积时，则孔隙率即有效孔隙率，可用纯表示。通常情况下，我们研究的都是有效孔隙率，因为死端孔隙是没有任何研究意义的，但是，在研究弥散及扩散时，就不得不考虑死端孔隙了。此外，也可用孔隙比来衡量泥页岩中的孔隙量，表达式如下：P：limAVv(2．5)△”+△vo△旷其中，P为体积孔隙比，无量纲；Art为骨架体积，单位是m3。又因为AV=A％+△¨(2-6)有P：旦(2．7)1—92．3．4孔径分布 第二章泥页岩的组成性质及分类由于泥页岩的构造比较特别，则其孔隙大小的直径分布是非常的不平均的。其特点为：孔隙大小的分布有很大的跨度，大到几十微米，d,N几纳米，非常的不均匀，这当中，总孔隙体积中80％左右都是微孔隙，且大小都在10nm以下。2．3．5压缩性压缩性是指岩石的体积随压强变小而增大的性质。地层中的泥页岩会受到两方面力的作用：上覆岩层的应力和内部流体的作用力。一般情况下，外力是不会变化的。因此，可用压缩系数来表征其压缩性，其表达式如下：Cr-=-一古警像8，其中，e是体积的压缩系数，单位是MPa-1。改变泥页岩的体积主要有：改变固体颗粒的体积和改变孔隙的体积。可用骨架压缩系数和孔隙压缩系数表示，其表达式如下：Crp=-一古警c，，一古警协”其中，C甲为孔隙的压缩系数，单位是MPa～；G为骨架的压缩系数，单位是MPal。Y．N为，V=形+¨，求导有：—d—V：—dV—v+—dV—r(2-10)一一一1_‘o’o’一J中咖而且形=rpV，¨=(1-々o)V(2-11)有c：=(1一缈)c-+妒c≥(2·12)泥页岩的颗粒本身压缩性一般不是很大，(1一缈)C，=0，因此有C，≈蚌(2-13)2．3．6渗透性渗透性是衡量流体在岩石中的流动能力的指标。泥页岩的渗透性大小主要由：流体性质(例如：流体的密度和粘滞性等)和骨架性质(例如：颗粒的分布、成分、大小、 西安石油大学硕士学位论文充填及比表面和孔隙率等)所决定的。一般情况下，泥页岩的渗透性可用渗透系数来衡量，其表达式如下：K：兰(2．14)∥其中，K是泥页岩的渗透系数；k是泥页岩的渗透率，仅由其骨架性质决定，单位是“m2。确定渗透率的办法有很多，最常用的是达西定律。一般情况下，渗透率是不会随时间变化而改变的。但是，某些情况下(例如：粘土颗粒的膨胀作用)，渗透率也会随时间变化而改变的。2．4泥页岩分类从岩石物理化学性能来看，泥页岩可大致分为两类：硬泥岩和软泥岩。脆硬性泥页岩地层可能造成卡钻、井壁脆性坍塌等井壁失稳问题，而软泥岩地层容易造成缩径，甚至可能会造成井壁水化膨胀坍塌。因此，对泥页岩地层的正确分类，可以对钻井工程和钻井液技术的研究和实施有重要的指导意义，并且能够提供相应的措施保持井壁的稳定性12l】。目前一般基于泥页岩组分和组构及理化性能对泥页岩进行分类，其常规分类标准见表2．2。表2-2泥页岩的分类常规标准＼×高中低项目＼膨胀率(％)>20％15％．20％0％．14％定向度(％)61％．100％31％．60％0％．30％CST分散性(S)>10000500．10000<500回收率(％)<30％31％．60％>60％CEC(meq／1009)>1812．180．12国内的张有瑜，张国钊等人提出了用泥页岩的理化性能(主要是定向度、分散性、膨胀性以及坍塌性)、组构为主要依据的分类方案。这个分类方法是建立对黄骅坳陷的第三系的泥页岩的理化性能及组构特征的大量研究基础上提出的，它比较全面的反映出了各种类型的泥页岩地层的主要特征。其分类标准如下表2．3所示。 第二章泥页岩的组成性质及分类表2-3黄骅坳陷第三系泥页岩分类类别名称定向度膨胀率回收率CST(S)CEC(％)(meq／1009)随机～弱定向高膨1强分散水化坍塌<30>20<30<5>18泥页岩中等定向中膨中分2散剥落坍塌30～6014"--2030～605～1012～18泥页岩中等～良好定向低3膨弱分散垮塌坍塌>40<14>60>10<12泥页岩对于不稳定的井壁地层，国外的学者比较有针对性地对其进行了井壁的稳定技术措施研究，提出不同的泥页岩的分类方案。美国常用的方法为：是以泥页岩中的黏土矿物的种类和含量、分散性、强度、含水量和剥落坍塌的趋势等各种因素，将易坍塌井壁的泥页岩分成以下5类(如表2．4所示)。表2-4坍塌泥页岩分类分结CEC含水情况粘土矿物P特类构mmol／类型质量SIS／ICg／cm3点1009％l软20～40自由水及25～2720～3040．45．51．2～1．5高度分散束缚水2稳固10～20束缚水15～2520～3025．442．0O．71．5～2．2相当高度分散3硬3～10束缚水5～1520～3038．318．113．02．2～2．5中等分散度，有剥落趋势4稳固10～20束缚水2～1020～308．32．3～2．7有明显分散—硬及坍塌趋势5脆O～3束缚水2～55～3035．O15．O2．5～2．7低度分散，有剥落趋势 西安石油大学硕士学位论文第三章泥页岩的水化作用泥页岩的主要成分是粘土矿物，而粘土矿物的成分、含量及其微观结构决定了泥页岩的基本物理化学性质。泥页岩水化膨胀实质上就是泥页岩中粘土矿物的水化膨胀，研究泥页岩水化作用机理，必须研究粘土矿物的水化作用机理。因此，深入的了解泥页岩水化机理是研究泥页岩井壁稳定的基础。3．1泥页岩水化的机理当钻井液与泥页岩接触时，在水力压差与化学势差，以及包括泥浆液柱压力与孔隙压力之间的压力差作用下，引起水和离子的传递，水分子会侵入微裂缝及颗粒之间的宏观孔隙，接着进一步进入岩石亚微观与微观孔隙，发生水化作用【22|。在这些因素的作用下，泥页岩发生水化，一般有表面水化和离子水化以及渗透水化这三种机理。表面水化：表面水化指的是粘土矿物吸收表面附近的水分子所引起的，它主要的驱动力是表面的水化能。所有的粘土矿物都可以发生表面水化。它能够导致粘土晶体膨胀，由此产生很大的水化膨胀应力，随着吸附结合水层增厚，水化应力随之降低，这一阶段中，大致吸附了四个水分子的层厚的水，其作用距离是lnm。表面水化会导致粘土结晶膨胀，但由于表面水化阶段晶层间吸附水不多于四个的水分子层，因此不会引起明显的粘土矿物膨胀。离子水化：是粘土所含有的硅酸盐晶片上补偿性的阳离子在周围形成的水化壳，与此同时，水化离子和水分子之间争夺晶面上的连接位置，离子水化可以形成水化膜，并且只有具有明显晶格取代现象的粘土才表现出离子水化。渗透水化：是某些粘土在完成了表面水化和离子水化过程之后才开始的(这种情况仅发生在100％的相对湿度条件下)。由于层间阳离子浓度高于外界水溶液的浓度，水分子在浓度差的作用下进入层间成为渗透结合水，为弱结合水(强结合水转为自由水的过渡层)，与此同时，钻井液滤液与泥页岩地层接触时，钻井液和地层的活度差而产生渗透压，这两种所作用共同形成就是渗透水化。只有阳离子交换容量大的粘土矿物才会发生明显的渗透水化。通常情况下，只有蒙脱石才发生渗透水化。当渗透水化引起的粘土矿物晶体的膨胀或收缩受到周围岩石的约束时，便可转变成水化应力，从而造成井眼周围应力变化，针对泥页岩所研究的水化作用主要是指渗透水化。根据这三种水化机理可以分析出，当钻井液渗过滤饼与泥页岩接触时，首先会发生表面水化；其次，在发生表面水化的过程中会发生离子水化；最后，当表面水化及离子水化完成以后，泥页岩才会产生渗透水化。 第三章泥页岩的水化作用3．2影响泥页岩水化的主要因素泥页岩的水化膨胀的影响因素主要可以分成内因和外因这两大类。它的外在影响因素有很多，包括：岩石压实的程度、浓度、pH值、孔隙流体种类、温度、作用的时间、岩石的孔道结构和尺寸、水力压差及化学势差等。内因和外因的共同作用形成了水化应力的复杂性。3．2．1内在因素影响泥页岩水化的内因主要包括：粘土矿物含量、类型和比面以及泥页岩的胶结物和组构等等，由其自身特性所决定的。(1)不同类型的粘土矿物其水化程度不相同不同的粘土矿物有着不同的微观组构，如比表面积、阳离子交换容量等，其中蒙脱石阳离子交换容量最高，所以吸附结合水能力强，其水化作用及分散性也最强，容易出现井壁事故。从危险性来看，蒙脱土>伊蒙混层>高岭土>伊利石，所以当地层中的膨胀型粘土矿物(蒙脱石)含量越高，地层就越易发生水化作用，即软泥岩发生强水化，硬泥岩发生弱水化pj。(2)作用部位不同，即使是同种类型的粘土矿物其水化程度也不一样例如，粘土表面水化膜厚度取决于交换阳离子数量的多少，如若粘土层间吸附阳离子数量多，端面吸附阳离子数量少，则粘土层间水化膜厚度大于粘土端面水化膜厚度。(3)粘土颗粒吸附不同种类的阳离子，也会导致水化程度的不一样在粘土层间存在与吸附的阳离子有关的两种力，一种是使单位晶层分开的排斥力，包括表面水化能、双电层排斥力及水化离子和晶格电荷排斥力；另一种是阻止单位晶层分开的吸引力，包括范德华力。在水化的过程中，当晶层间的斥力大于引力时，则粘土会发生渗透膨胀，从而产生了扩散双电层，双电层的斥力会导致单元晶层的分离；当引力大于层间斥力时，则粘土颗粒会发生晶格膨胀。例如，水化后钙蒙脱石晶层的最大间距为1．7nm，而水化后钠蒙脱石晶层的间距可达1．7nm"--'4nm。(4)粘土矿物的比面粘土矿物比面即比表面积，是指岩石的总表面积与岩石体积的比值。粘土矿物的比面大小为：蒙脱石>伊蒙混层>伊利石>高岭石>绿泥石。粘土矿物的比表面积远远大于灰岩和石英，所以其活性也会大于灰岩和石英。当外界流体与粘土矿物接触时易发生化学、物理反应。粘土矿物当中比面最大的是蒙脱石，则其活性最强，水敏性高，遇水易产生膨胀，很容易造成地层井壁的失稳问题。因此，粘土矿物的比面和矿物活性越大，其水化效应就会越突出，则其对地层井壁的稳定性的影响就越大。(5)层理裂隙的发育程度 西安石油大学硕士学位论文由于大量的层理裂缝存在于地层中，为了维持井壁的稳定性，需要对这些裂缝地层进行封堵。当封堵性不好时，就会有水进入地层，使得地层中粘土矿物发生水化，从而破坏井壁的稳定性，因此地层层理裂缝越发育，越不利于井壁稳定性。(6)有效孔隙压力的影响泥页岩的水化膨胀压力导致井壁压缩破坏，其孔隙压力将变大。这种变化将会影响其的应变和应力以及破坏条件。当泥页岩的孔隙压力大于井内的流体压力时，就会阻碍流体的自由出入，使得井壁发生坍塌剥掉块。3．2．2外在因素影响水化的外在因素主要包括：温度、压力、吸附水的时间、压力传递作用、钻井液的组成与性能和泥浆中电解质的种类和浓度。(1)温度温度的升高有利于粘土矿物中吸附的结合水量减少，可以粘土矿物发生去水化，也可能会改变岩石的力学性质，从而可能会导致井壁失稳问题。(2)压力在不同的压力下，泥页岩的膨胀变化会有所不同，因此对井壁应力造成不同的影响，压也可能会造成井壁应力平衡的破坏，从而会导致井壁失稳问题。(3)吸附水时间井壁在钻井液中浸泡的时间越长，近井壁的底层的含水量会逐渐的增加，地层的水化程度也会逐渐增大，从而导致井眼应力平衡的破坏。由于近井壁地层含水量的不断变化，地层性质也会不断发生变化，从而不利于井壁的稳定。(4)压力传递作用钻井液在井筒内循环时必然会与井壁地层接触，当钻井液和地层之间存在化学势差、钻井液压力和孔隙压力之差等压力差时，会使得钻井液渗入或流出地层，地层会发生水化反应或是去水化作用，从而会影响井壁的稳定性。(5)钻井液的组成与性能粘土的水化膨胀会受到钻井液的配方的影响。①处理剂的影响：选择合理的处理剂能够使得井壁保持良好的稳定性，选择不合理的处理剂就会不利于井壁的稳定；②钻井液pH值的影响：当PH>9时，泥页岩容易发生水化作用，PH值越高，泥页岩的水化程度越深，因此在钻井的过程中，应使用PH值不宜太高的钻井液；③可溶性盐的类别与含量的影响：不同的可溶性盐有着抑制水化的作用，如Kcl，Nacl等，泥浆的矿化度越高，抑制水化作用的效果就会越好。(6)泥浆中电解质的种类和浓度 第三章泥页岩的水化作用已有实验证明，介质中的电解质可以通过离子交换和吸附作用，压缩双电层，发生渗透作用，从而影响泥页岩水化。综上所述，泥页岩水化的影响因素有很多，要保持泥页岩井壁地层的稳定性，则应该综合考虑多种因素，首先要对地层的性质有足够的了解，然后再通过其他外界方法达到安全钻井。3．3泥页岩水化对井壁稳定性的影响从泥页岩的水化机理可以看出，当钻井液与泥页岩地层井壁接触时，会发生复杂的物理、化学作用，而泥页岩地层的物理、化学变化又会影响井壁的稳定性，主其主要影响为有以下两个方面。3．3．1对孔隙压力的影响钻井液在井筒内循环时必然会与井壁地层接触，当钻井液和地层之间存在化学势差、钻井液压力和孔隙压力之差等压力差时，这个压力差决定着流体的流动方向，从而会对地层孔隙压力的造成影响。当压力差促使流体进入地层时，泥页岩会发生水化作用进而产生水化应力，则会造成地层孔隙压力的升高；当压力差促使流体流出地层时，泥页岩会发生去水化作用，则地层的孔隙压力会下斛23J。孔隙压力的变化会对井壁应力的分布造成影响，当只考虑了在原始地层的孔隙压力所确定的井壁稳定的钻井液的泥浆密度时，可能会造成井壁的失稳问题，因此，要得到更加准确的井壁稳定的安全钻井液密度窗口，则应该考虑水化作用引起的地层孔隙压力的变化。3．3．2对井壁地层的性质的影响当泥页岩发生水化作用后，其含水量会升高，会导致泥页岩的力学性能和强度发生一系列的变化，例如：泊松比的增大、杨氏模量的降低、地层强度的降低等，会不利于井壁的稳定；当泥页岩发生去水化作用后，其含水量会降低，造成泥页岩泊松比的减小、杨氏模量的增大及地层强度的增加，从而会有利于井壁稳定【241。由于泥页岩的水化作用会很大程度上影响泥页岩井壁的稳定性，因此要重视对泥页岩的水化作用的研究，将影响泥页岩井壁稳定性的物理、化学因素和力学因素结合起来研究，则更加有利于分析井壁的稳定性。19 西安石油大学硕士学位论文第四章泥页岩实验研究在钻井过程中，经常钻遇到泥页岩地层。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。当地层被钻开之后，钻井液和泥页岩接触并使之发生水化反应，导致岩石强度降低，造成井壁坍塌或缩径。在井下一定压力和温度条件下，泥页岩与钻井液的相互作用在井眼周围地层产生一水化带。水化带范围的大小取决于地层和钻井液的特性、钻井液液柱压力、钻井液与地层的作用时间、地层和钻井液的温度等。由于井眼周围地层水化带的形成，使井周围岩变成一个随半径和时间而变化的变含水量、变模量、变强度的复杂岩体介质。这是由于在地层水化的过程中，岩石强度、粘聚力、内摩擦角和弹性模量等参数发生很大的变化。泥页岩的水化会导致岩石的力学参数发生改变，反过来，岩石的力学参数的改变又会引起岩石的受力状态发生改变，岩石会逐步遭破坏而发生井壁失稳。所以，在对井壁稳定性进行力学因素影响分析时，必须研究水化对岩石力学参数的影响规律，找出一些合理的参数来表征岩石水化前后的性能变化，从而能较为全面地评价在钻遇易水化地层时发生的井壁失稳及井眼不规则等问题【2”。4．1泥页岩x．射线衍射矿物分析X．射线衍射法在结晶学和矿物学研究领域的应用十分广泛。在对粘土矿物进行研究时，x．射线衍射法能够定量的、半定量的和定性的研究各种类型的粘土矿物，并且分析简便且迅速，能够给出反映粘土矿物特征的各方面的大量信息，因此，它是最有效的分析粘土矿物的方法之一。X．射线衍射法的原理是：晶体细小的层状类构造硅酸盐是粘土矿物的主要组成部分，粘土矿物内部的质点即原子，是在三维空间中成周期性规律重复排列的，这样就构成了粘土矿物晶体结构的复杂性。当入射的X．射线与这些细小晶体发生碰撞时，会发生散射和相互干涉、抵消，在某些特定方向上，散射的X．射线(光波)相位相同(即它们光程差为波长的整数倍)，就会相互叠加，这种叠加干涉的现象就是衍射。晶体中单位晶胞的大小、形状决定着衍射的方向，晶体的构造特征则会影响衍射强度[2翻。X．射线衍射可以看作是晶体内部相互平行、彼此相邻的原子面对入射光的反射，根据Bragg方程，见式(4—1)：n2=2dsin0(4．1)式中：n一反射级数，1、2、3等整数，无量纲；n_X．射线波长，单位为埃；20 第四章泥页岩实验研究d～晶体面网的间距，单位为纳米；o一_X．射线的入射角，单位为度。当入射光线之间的行程差为2dsin0时，就满足]"Bragg的反射条件，面网对X射线所产生“反射”，即衍射。对某油田长7地层的某井区的4块泥页岩岩芯进行X射线全矿物分析，其结果如表4．1所示：表4-1泥页岩岩芯x射线全矿物分析结果(％)井名矿物种类和含量(％)石英斜钾白菱黄伊蒙伊绿高长云铁混层利泥岭石矿石X27l23．35．71．12．31．30．843．09．013．5X28615。74．61．11．50．912．740．710．312．5X28728．19．94．46．01．80．630．58．210．5X17619．37．22．16．22．7O．933．513．111．04．0从表4．1中可看出，泥页岩岩样的全岩粘土矿物的绝对含量比较高，大致范围为49％．66％，并且伊／蒙混层的含量占粘土矿物的总量较大，大致范围为54％--66％，由此可见，地层中的粘土矿物以膨胀类的粘土矿物居多。4．2泥页岩扫描电子显微镜成像结构分析扫描电子显微镜成像(ScanningElectronicMicroscope)可用于研究泥页岩及粘土颗粒的表面，原理是应用电子探测器照射实验样品的表面，产生反射电子、二次电子、x射线衍射等电磁波，随着实验样品表面的凹凸及形状变化而变化。扫描电子显微镜成像具有许多优点，例如：图像的立体感强、样品制备简单、耗样少、放大倍数大且可以连续调节，可直接观察岩心，看到粘土矿物的分布和形态及各矿物之间的转换关系，及粘土矿物的共生组合、变化，可从本质上来分析地层中的粘土矿物成分。因此，利用扫描电镜技术，选取某油田长7地层某井区X267井的泥页岩岩心样品，进行扫描电镜照相，并对其结果进行了分析。 西安石油大学硕士学位论文图4-1115倍岩石全貌图4-34000倍图4-22000倍定向片状伊利石粘土、球粒状黄铁矿及微孔缝图4-45025倍细碎屑颗粒及粒间微孔隙球粒状黄铁矿、片状伊利石粘土及微孔缝 第四章泥页岩实验研究图4-510000倍片状伊利石粘土及微孔缝从图4．1一图4．5可以看出，总体上讲，X267井泥页岩岩心岩石致密，粘土矿物以伊利石为主，地层层理比较发育，孔隙以微孔缝为主。在钻井压差作用下，钻井液滤液可以沿层理裂隙进入地层内部，为泥页岩水化提供了水分空间。4．3试验方法确定泥页岩岩石弹性力学参数试验方法主要是在模拟井下温压条件下，利用三轴应力试验确定岩石的力学参数，这种方法是确定地层强度直观而又最为可靠的方法。三轴应力试验模拟的是岩样在井下地层中所处的温度、压力以及受到围压和轴压的环境下，分析其破坏方式及程度。当岩样受到三向压力不大时，岩样不会发生破坏，当施加的载荷超过其自身的强度极限以后，岩样才会发生破坏。由于对岩样进行持续加载，使得岩样在三向压力下会慢慢的失去其本身稳定的状态，发生形变与破坏【2¨。4．3．1试验方法由于井壁围岩处于三向应力状态，所以不能用单轴压缩试验测定岩石的力学性能，必须要在一定的温度和围压条件下(即井下的温度和压力条件)，才能使三轴压缩试验得出较为准备的结果。在给定的围压和温度条件下，对实验的岩样(一般为圆柱形)施加围压氓(一般围压由液体提供)，然后缓慢的增加轴向压力，使得岩样发生破坏，记下此时的轴向压力矾，最后绘出应变随应力变化的关系曲线【281。4．3．2试验设备 西安石油大学硕士学位论文泥页岩的三轴应力试验可以在MTS电液伺服试验仪上进行，试验装置的压力系统可以最大可为120MPa的围压。此设备可以测量泥页岩的岩石强度参数(如：弹性模量、内聚力、内摩擦角、泊松比)和体积应变以及径向与轴向应变等参数。全套装置由高温高压三轴室、围压加压系统、轴向加压系统、加温恒温系统、数据自动采集控制系统以及声波测试系统等六大部分组成(如图4．6所示)。图4-6MTS电液伺服试验机4-3．3试验过程(1)试样的制备及描述1)试验的岩芯都来自长6层位，井深为1550m的同一口井。由于取自现场的岩芯一般形状不规则，不能直接用于试验，故试验前需对岩芯进行加工，尺寸按照国际岩石力学学会(ISRM)推荐标准进行制备，(p25mmx50mlTl(直径×长度)，然后将圆柱形试样两端车平、磨光，使之达到国际岩石力学学会规定的试验标准；2)此次试验共选取了10块泥页岩岩芯(部分岩心图片见4—7)。将所有岩芯分为5组，每组两块，其岩屑全矿物组成分析结果如表4．2所示；24 第四章泥页岩实验研究图4-7泥页岩岩样表4-2泥页岩岩屑全矿物组成分析结果岩心石斜钾铁白白菱黄伊绿编号英长云石一铁蒙利泥石矿混石层1．132．331．63．91．212．019．01．234．129．78．41．40．49．017．O2．127．223．35．30．34．50．423．016．02．229．728．03．75．614．019．03．130．627．36．22．20．213．220．33．232-328．67．90．43．70．310．616．24．126．728．45．50．24．118．216．94．227．125．48．63．31．616．517．55．129．825．75．61．06．22．20．3lO．518．75．233．630．54．33．113．315．23)将以上加工好的的十组岩样进行洗油、洗盐、烘干等预处理，然后在电子天平上称重；4)将第二组至第十组岩样放置在蒸馏水中进行自由吸水处理，其浸泡的时间依次增加。取出不同时间蒸馏水浸泡处理过的岩样，擦去其表面水分，称重。最后用一层塑料薄膜将岩样包裹住，防止在实验前岩样中的水分蒸发；5)根据公式∞：ma-mo×100％计算各个岩样的含水量，第一组岩样的含水量默认为m0E#苓。式中：缈为岩样的含水量，‰为岩样烘干后的质量，％为岩样吸水处理后的质量。(2)试验步骤2S 西安石油大学硕士学位论文1)在试样表面上涂上薄层胶夜(如聚乙烯醇缩醛胶等)，待胶夜凝固后，将泥页岩试件两端放好上、下封油塞，再将泥页岩试样上套上耐油的薄橡皮保护套或塑料套，两端用封油圈扎紧，确保试件不与油接触及试样破坏后碎屑落入压力室；2)将泥页岩试件放入三轴压力室内，并保证试件轴心线与三轴压力室轴心线对准；3)开动维压油泵，向三轴室内注油，至液面充满压力室后关闭油泵，放好活塞，将油泵控制阀置于最大泄油位置，施加小的轴向载荷，使活塞与试件端面严密接触；4)开动油泵和压力试验机，施加侧向压力同时施加轴向载荷，当侧向压力达到预定围压时，以0．5．1MPa／s的应力速率施加载荷，直至试件完全破坏，记录破坏载荷值。(3)试验数据处理根据Mohr．Coulomb(摩尔一库仑)准则，可得到岩样的内摩擦角缈和岩样的内聚力C的关系：力。q：2C婴+％辈11一sin够31一sin矽(4．2)式中：q为最大主应力，q为最小主应力，妒为岩样的内摩擦角，C为岩样的内聚在计算岩样的内摩擦和够内聚力C时，至少需要在不同的围压下对每组岩样进行三轴试验，从而可根据式(4．2)解出岩样的内摩擦和缈内聚力C；同时也可以作出应力摩尔圆，也可得出岩样的内摩擦角和内聚力。根据应力．应变曲线，可以确定岩样的泊松比∥以及弹性模量E：泊松比∥：一等㈤3，弹性模量E：E：—A—o-(4．4)△占l其中：△s。为岩样的轴向应变增量，△s：为岩样的径向应变增量，Act为岩样的轴向应力增量。4．3．4实验结果分析 第四章泥页岩实验研究(1)含水量对泥页岩弹性模量和泊松比的影响由图4．8可以看出，泥页岩弹性模量会随着其含水量的变化而发生改变。当泥页岩的含水量增加时，它的弹性模量会快速下降，并且有很大的下降辐度。图中，泥页岩含水量与其弹性模量的关系可由式(4．5)所描述：E=68．26682．12．33655w+1．09702w2(4．5)其中：E是泥页岩的弹性模量，W是泥页岩的含水量。012345含水量W／*／,图4-8泥页岩的含水量对其弹性模量的影响图4．9为泥页岩的泊松比随其含水量变化的关系曲线，从图中可以看出，当泥页岩的含水量增加时，其泊松比也相应的增大，其塑性增强。图中含水量与泊松比的关系可由式(4．6)所描述：u=0．395+0．0174w(4-6)式中：∥是泥页岩的泊松比，W是泥页岩的含水量。加∞如∞加∞o眄乱oJ『：：-～蛾七_丢IJI， 西安石油大学硕士学位论文O．7O6O5O4警o。舞O．2O1O．0234含水量W／％图4-9泥页岩的含水量其对泊松比的影响(2)含水量对泥页岩强度参数的影响泥页岩的内聚力随其含水量变化的关系如图4—10所示，从图中可看出，当其含水量增加时，泥页岩的内聚力会迅速降低，这种变化程度受到泥页岩埋藏的深度的影响，与它的密度有关。含水量朋％图4-10泥页岩含水量对其内聚力的影响图中含水量与内聚力的关系曲线可描述为：C三一3．0445w+32．377(4-7)其中：c是泥页岩的内聚力，W是泥页岩的含水量。泥页岩的含水量对其内摩擦角的影响如图4．11所示，图中含水量与内摩擦角的关系曲线可描述为：∞=一1．0735w+27．311(4-8)2R弛忿“∞侣他8o罚山至、rr繁刁一 第四章泥页岩实验研究其中：妒是泥页岩的内聚力，W是泥页岩的含水量。含水量啪％图4-11泥页岩含水量对其内摩擦角的影响4．4泥页岩吸水后的核磁共振试验分析4．4．1实验设备核磁共振测试采用上海纽迈电子科技有限公司生产的MiniMR-60核磁共振成像分析系统，如图4．12。该设备的主磁场为0．51T，H质子共振频率为21．7MHz，射频脉冲频率为1．0"-'49．9MHz，磁体控-温．25。C'-一35℃，磁体均匀度为12．0ppm，射频功率300W。4．4．2试验方法图4—12MiniMR一60核磁共振分析试验仪弛船“∞博侄84o杀鼙叁星 西安石油大学硕士学位论文通过核磁共振试验，可以直观地看出泥页岩在不同浸泡水时间时，其细观微孔隙结构及微裂缝的动态变化过程。实验流程如图4．13所示，本文细观试验方案为：1)用甲苯和四氯化碳的混合液清洗岩样，直至将岩样中的油洗净，洗完油的岩样自然风干。再用蒸馏水清洗所有岩石样品，放入烘箱中恒温20度，48h以后取出放入干燥器内冷却。对所取岩样进行编号N1-N7；2)测量试样质量，观察外观并进行记录；3)将试样浸泡在蒸馏水中；4)浸泡10min后取出试样称重，并记录外观行貌；5)对试样进行核磁共振实验检测；6)对完整试样继续浸泡；7)分别在10min、30min、lh、2h、4h、6h、8h、ld、3d、5d时取出称重，进行核磁试验，并记录外观行貌。4．4．3．试验结果分析完整试样(延长浸泡时间)试样制备、编号和分组测量记录试样外观、尺寸和质量放入水中进行浸泡观察外观、称质量核磁共振试验试样破坏图4-13试验方案流程30 第四章泥页岩实验研究(1)岩石质量变化表4-3不同浸泡时间下岩样的质量试样烘干后泡水后的质量／g编号质量lOmirl30minlh2h4h6h8hld3d5dN129．2229．2629．2729．329．429．4129．429．3729．4N233．633．6233．6333．633．733．7233．733．7533．78N325．Ol25．0325．0425．125．1425．225．1525．18N428．1928．2l28．2228．228．328．428．3728．428．3928．41N522．3722．3922．4l22．422．4522．522．4722．48N634．634．6434．6734．734．834．843534．9935．02N724．7924．824．8224．824．924．9224．924．9424．9l7'1q一"，通过吸水率的计算公式(W=3L二)计算岩心的吸水率，w为吸水率，聊。为泡水后质量，m为烘干后的质量。表4-4泥页岩样的自然吸水率试样吸水率／％编号lOmin30minlh2h4h6h8hld3d5dN10．140．170．270．620．650．620．510．62N20．060．090．00O．300．30O．30O．36O．300．45O．54N3O．080．120．36O．360．52O．760．56O．68N40．070．1l0．04O．390．390．740．640．740．710．78N50．090．18O．130．13O．13O．36O．58O．45O．49N6O．120．20O．29O．580．580．691．161．131．21N70．040．120．040．44O．44O．52O．440．6l0．48从表4．3和表4．4中我们得出：此次试样岩心的自然吸水率大致在0．5％～1．2％之间，试样在浸泡后的质量总体呈增长的趋势。在最初的1d内，试样的吸水率变化较大，水通过微裂缝进入岩石，在毛管力和物理化学的作用下沿着微裂缝迅速推进，使裂缝逐渐扩展加大并连通成次生微裂纹，导致试样的吸水率提高，质量增加。2～5d后，试样的吸水率将逐渐趋于稳定。这是由于随着时间的延长，部分裂缝贯通，试样局部破坏，试样表面出现了明显的裂缝，有的甚至出现落片、剥蚀等现象，导致试样的质量和吸水率后期变化不大。由于脆硬性泥质粉砂岩是一种低渗透储层孔隙结构的岩石，其孔隙度和渗透率都很小，对于它而言，质量和含水率的变化主要受岩石内层理和微裂缝的分布密度的影响。(2)横向弛豫时间T2分布采用核磁共振技术，对不同浸泡时间的试样进行了测试，得到了横向弛豫时间T：分 西安石油大学硕士学位论文布。T2分布反映了孔隙大小及分布，峰的位置与孔径大小有关，峰面积的大小与对应孔径的孔隙数量有关。大孔隙组分别对应较大的T2值，小孔隙组分别对应较小的T2值，因此核磁共振T：分布反映了岩石的孔隙结构。本文中孔隙的概念可理解为所有大小裂隙的集合，宏观上是描述岩石致密程度，微观上则表征岩石的组织结构形式与微裂隙发育情况。选取编号为N6的岩心的不同时间浸泡下的核磁共振T2谱分布曲线进行分析，如图4．14所示，从图中可以看出，经过不同时间的浸泡，泥页岩的T2谱分布主要表现为2个峰图，部分为3个峰图，波峰个数越多，表明岩石内大尺寸孔隙数目增多，岩石损伤程度越大。随着浸泡时间的延长，所有峰的幅度均有所增大，表明在泥页岩中产生了新的微孔隙、裂隙，并且水分进入了微孔隙中，因此核磁共振信号强度增大。同时T2右侧的第2、3个峰所对应的稍大尺寸微孔隙，变化明显。T2谱形态上发生了右移，即向大孔隙的T2谱方向偏移，大孔隙T：谱的核磁共振信号强度增加。这是因为随着岩芯损伤的增大，其内部孑L隙不断扩展，孔隙尺寸变大，填充其中的流体横向弛豫时间延长。表明水的侵入裂缝，使其扩张，致使岩石内部损伤加大。裂纹扩展、孔隙尺寸大幅度增大致使核磁共振信号强度增大。4h后T2谱形变化较大，特别是这时候出现了第3个波峰，信号强度大幅提高，而第l、2波峰呈现略微下降的趋势，表明该阶段岩石内大尺寸孔隙增长迅速，而中、小尺寸孔隙发育的趋势变缓，岩石内部的微孔隙处于不断扩展阶段；到了第1天以后，所有的波峰变化幅度较小，说明该阶段孔隙扩展趋势变缓。(3)T2谱面积分析001t]00100∞图4-14不同浸泡时间下核磁共振Tz谱分布曲线 第四章泥页岩实验研究核磁共振的全部T2谱面积可以视为核磁共振孔隙度，是反映孔隙结构变化的一个重要参数，它等于或略小于岩石的有效孔隙度【291。弛豫时间谱积分面积的大小，与岩石中所含流体的多少成正比，因此岩样在经历不同浸泡时间后，T2谱分布积分面积的变化，反映了岩石孔隙体积的变化‘301。不同浸泡时间后，N6号岩样T2谱面积的变化特性及每个峰所占比例如表4．5所示。表4-5不同浸泡时间下泥页岩核磁共振谱面积浸泡第一峰第二峰第三峰峰总面积时间所占百分比％lOmin1424．10891．87397．907630min1454．79891．87697．74341h1487．29891．04028．75652h1627．61290．62738．82464h1749。0990．95028。92320．11576h1773．77891．55987．87190．56838h1814．48487．860711．47180．66751d2513．66991．55988．44023d2748．7595．83784．16215d3069．46495．67484．3252从表4．5可以看出，随着浸泡时间的增加，T2谱面积逐渐增大，说明岩石的孔隙体积随着浸泡时间的延长而增大。对应小尺寸微孔隙的第一个峰占峰总面积的90％左右，表明小尺寸的微孔隙占绝大多数。在经历1h浸泡后，岩石的孔隙有一个小幅的增大，孔隙总体积增大了4．4％，其中第一峰变化不大，而第二峰相对变化较大，表明岩样内部大尺寸孔隙增长较快，即岩样内部出现明显的微裂纹损伤扩展。浸泡时间超过4h以后，T2谱面积又发生明显的变化，孔隙体积变化率增大了22．8％，并且出现了第3个峰，说明同时并伴随微裂纹的扩展，又诱发和产生了一些新的分叉性微裂纹，此时泥页岩中的裂纹数量较多且长，致使岩石内部损伤加大。之后随着浸泡时间的延长，T2谱面积的变化趋势又变得缓慢，说明孔隙体积变化不大，损伤裂纹扩展缓慢。说明泥页岩的水化损伤具有实效性，前期变化较大，后期变化缓慢。 西安石油大学硕士学位论文第五章水化作用对井壁应力状态的影响研究井眼形成后，钻井液与泥页岩井壁地层在井下压力及温度条件下的接触产生的相互作用如下【3lJ：a、离子交换作用；b、钻井液和泥页岩中水的化学势差而产生的渗透作用；c、在井内的压差作用下，水从泥页岩井壁的微裂缝进入地层中；d、由毛管力作用而产生的渗析。这四方面的作用使水敏性地层(如泥页岩层)吸水膨胀，产生膨胀应变，从而产生水化应力，使井周围岩的应力分布和材料特性发生显著的变化，易导致井壁失稳，发生钻井复杂事故。本章通过分析水化前后斜井井眼应力分布，确定水化对泥页岩力学性能参数的影响，研究水化作用对泥页岩地层井壁应力分布的影响。5．1井壁围岩的应力分布5．1．1斜井井壁围岩的应力分布对于直井，其井眼轴线与水平面成90。角，在对其进行井壁稳定性分析时，可直接利用钻井液住的压力、地层的孔隙压力、最大和最小水平地应力以及岩石的特性和破坏准则相结合来进行判断。通过坐标轴进行变换，我们就可以确定出斜眼井壁围岩的应力分布情况。首先建立直井坐标系1．2．3和沿井眼轴线的(其井斜方位角为Q和井斜角为甲)坐标系x—Y—z(如图5．1所示)，然后将直角坐标系1．2．3绕Z轴逆时针转动角度Q，得到直角坐标系X1一Y。一Z，；再将直角坐标系x—Y-Z绕y轴转动角度甲，最后可得到直角坐标系X—Y—z。经过坐标变换后，井眼所受到力％、crh、吒的作用可等效为力O'xx、0"3，、O'zz、％、O'xz、盯。的作用。转换后的应力分量：％=cos2YkCOS2f2+crhsin2Q)+吼sin2Y(5．1)O'yy=％sin2Q+O'heOS2Q(5．2)14 第五章水化作用对井壁应力状态的影响研究O'zz=sin2甲kCOS2ff2+o-．sin2f2)+avcos2甲(5．3)％=cosTcosQsinf2(瓯一o-M)(5-4)O'xz：cosq-'sinqV(anCOS2+a^sin2Q—O"v1(5．5)％=sinq-'cosf2sir匹≥(oh一％)(5—6)其中，甲为井斜角，即井眼轴线与垂直方向的夹角；Q为井斜方位角，即井斜方位在水平面上的投影与最大水平地应力之间的最小夹角；crv为上覆岩层压力；O"H为最大水平地应力；吒为最小水平地应力。取斜井眼中一个与井眼轴线相垂直的截面，对这个斜平面进行受力分析，可以把井眼的应力分析等效为有圆孔的无限大平面问题来进行受力分析，等效的受力情况如图5-2所示，图中，我们取拉应力为负，压应力为正。7图5—1斜井井壁的坐标变换图5—2斜井眼的截面!!曼力图(1)钻井液静液柱压力只引起的应力分布为盯，：娶Pr。旷一等只吒=0式中：R为井眼半径；，．为极坐标半径。(2)应力仃。引起的井壁围岩应力分布为％(5．7)(5．8)(5．9) 西安石油大学硕士学位论文q=孚c，一等，+孚c·+等一等№渤％=孚c·+等，专c，+等细渤％=专”等+等埘删式中，0为最大地应力方向与作用点矢径的夹角。(3)应力O'yy引起的井壁围岩应力分布为q旦2(1-等)玉2(1+等一等)co渤’，z、r斗，．z旷孚(1+譬)+孚(1+等)cos29Z，|Z，．‰=孚ct一等+等埘删(4)应力仃。引起的井壁围岩应力分布为吒=％一2∥(吒一％)7REc。s2秒(5)应力仃。引起的井壁围岩应力分布为铲Cr，y(·+等一等灿2p旷^(1+等)Sin2秒％=喇一等+等灿渤(6)应力盯。引起的井壁围岩应力分布为％=啪一等)co妇(5．10)(5．11)(5．12)(5．13)(5．14)(5．15)(5．16)(5．17)(5．18)(5．19)(5．20) 第五章水化作用对井壁应力状态的影响研究盯出：一盯。(1+TR2)sin口r(7)应力仃。引起的井壁围岩应力分布为％嗨(1一等袖口(5．21)(5·22)％=仃惯(1+·等)cos0(5．23)(8)钻井液滤液侵入效应当井内的流体压力增大或着井壁的造壁性能不好时，将会有部分的井内液体滤液向井壁地层中渗入。视井壁地层为孔隙介质，流体在介质中的流动满足达西定律，因此，井内的钻井液滤液的径向渗流在地层围岩附近产生的应力场为仃刮等等学一矽卜蹦㈤24，旷l等等学一如-pp)④25，％2{前7叫p@乏5’旷I等笋一oJ(p,-pp，㈣26，‘l1一∥7⋯～其中，口～为有效应力系数；r代表泊松比：矽一代表岩石的孔隙度；P。一是地层原始孔隙压力。(9)井壁地层应力分布在钻井液柱压力与地应力的共同作用下，井周地层上任意一点的应力分布由上面各部分应力叠加得：q=等B+掣”争掣c·+等一等灿跚吲·+r3R44，．R。2)sin20+懈旷争杠砟，％：一譬B+堕掣(1+要)一堕掣(1+了3R4．)cos20r。Z，-。2r。吲，+-等-44)sin20+储”争小训(5．27)(5·28) 西安石油大学硕士学位论文嚷叫2c■扣+‰纠㈣29，+储一小⋯，⋯～S．1．2垂直井井壁围岩的应力分布对于且开，O'xx2％，巳y2吒，％。仃v，％2仃弦2o口20，利用瓦L5-2／)一L’。29)，直井井壁围岩应力分布可表达为：q=知+掣c·一争掣c，+等一等徊渤彤l篱”争矽卜砟，旷一知+掣叶争掣叶等灿渤彤I端叶争叫(p,-pp-I，531广，(．)吒=吼_2∥(％训7R2cos2¨刮芈笋一el(p,-pp)(5-32)当井壁有渗透的情况下，艿=1；当井壁不存在渗透时，万=O。当r=R时，井壁表面上的径向、切向和垂向的应力分别为：q=B一谳只一Pp)(5·33)仃目=一P，+(1一cos20)rrH+(1+2cos20)crh+刮等斗，也，@。34’吒=吼_2盹训cos20+fil掣一巾珥)(5_35)5．2水化后井壁围岩应力分布及其力学性能参数5．2．1水化后井壁围岩应力计算对泥页岩地层中的一口直井进行分析，为了方便分析计算，采取以下的假定，使问 第五章水化作用对井壁应力状态的影响研究题简化‘321。a、假定此泥页岩地层在垂直方向上的性质不相同，只在水平方向上其性质相同，即横向各向同性；b、假定此井在垂直方向的应变占，等于零，即此井处于平面应变状态；C、假定地层中的泥页岩由于吸水而产生的垂直方向上的应变为占。，水平方向上的应变为毛，占，与毛不相等，其关系可用毛=m占，表示，其中，m来表示各向异性比，]t0