泥页岩井壁稳定的力学与化学耦合（协同）作用研究进展.pdf

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1、石油天然气学报(江汉石油学院学报)2014年1月第36卷第1期JournalofOilandGasTechnology(J．JPI)Jan．2014VoL36No．1泥页岩井壁稳定的力学与化学耦合(协同)作用研究进展徐四龙，余维初，张颖(长江大学化学与环境工程学院，湖北剂州434023)[摘要]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2O世纪4O年代起就开始进行研究，至2O世纪9O年代进入了泥页岩井壁稳定的多场耦合模型的研究阶段，出现了很多不同的理论模型。系统介绍了井壁稳定的力学与化学耦合理论研究，并进行了试验方法的分

2、析，将泥页岩井壁稳定性的化学与力学作用有机地结合起来，为井壁稳定的定量计算提供了大量依据。[关键词]泥页岩；井壁稳定；力学与化学耦合作用；耦合模型[中图分类号]TE256[文献标志码]A[文章编号]1000—9752(2014)O1—0151—03在钻井过程中井壁稳定是一个十分复杂的问题，过去学者针对这一问题进行了力学与化学方面的大量研究卜，取得了较大地进步和成功，但在钻井过程中井壁失稳的问题却始终没有得到彻底的解决，最主要的原因是力学与化学作用没有有机地结合起来。笔者系统地介绍了井壁稳定的力学与化学耦合理论研究，并进行了试验方法的分析

3、，为井壁稳定试验研究带来了方便。1国内外研究现状1．1国外研究概况Yew和Chenevert[于1990年发表了关于井壁稳定力学与化学耦合作用的第一篇文献，提出泥页岩渗透各向同性的假设，得到了相关的吸水量方程。关于在化学势对泥页岩稳定性影响方面，Hale和ModyE。于1993年首次提出了页岩中的渗透作用是由压力势和化学势共同作用的结果。在泥页岩与钻井液的应用方面，Hale和Mody提出了半透膜等效孔隙压力理论，并进行了页岩与钻井液表面有半透膜的相关假设。利用不可逆传递过程中的“流”与“力”耦合，将水力与电化学耦合起来，从此耦合的数学模

4、型开始建立起来。近些年，在已有相关成果的基础上，井壁稳定进行各方面横向扩展，因此力学与化学的耦合开始发展起来。1．2国内研究概况泥页岩井壁稳定性的研究与探讨在国内起步相对较晚。1995年黄荣樽【7采用Chenevert的方法进行分析，并提出：①泊松比与岩石的含水量有一定的关系；②弹性模量与含水量呈指数关系；③泥页岩井壁稳定中内聚力和摩擦角与含水量的关系。2000年蒋海军和鄢捷年l_8将试验数据回归，应力敏感性程度用常数表示，得出了渗透率与有效应力的乘幂关系。2005年兰林和康毅力[g]对不同评价方法的优缺点进行了分析与探讨，从而进一步分

5、析得出在不同初始条件下，应力敏感系数与渗透率损害率的关系。2井壁稳定力学与化学耦合理论研究在试验及理论的基础上，从力学与化学耦合(协同)作用来研究井壁稳定性，采用3种方法进行对比讨论，分别是力学与化学耦合的热弹性比拟法、力学与化学耦合的等效孑L隙压力法、力学与化学耦合[收稿日期]2013—1o一20[基金项目]国家自然科学基金项目(41072109)。[作者简介]徐四龙(1986一)，男，2010年大学毕业，硕士生，主要从事油气井工程应用化学方面的研究和学习。[通信作者]余维初(1965一)，博士(后)，教授；E—mail：yuweie

6、hu@126．corn。石油天然气工程2014年1月的总水势增量弹性理论。2．1力学与化学耦合的热弹性b匕拟法Yew和Chenevert_5在泥页岩水化试验中，第一次定量描述泥页岩吸水过程，定性分析了泥页岩吸水后力学性质各种变化，而且将页岩吸水后内部产生的应力称为水化应力。关于非渗透性各向同性泥岩的水化问题，Martin[1o_选择了总吸附水量相关法进行分析，可以得到吸附扩散的基本方程：c(r)一㈩边界条件为：当r—r时，g．U：叫。；当r—CxD时，一。式中：C为岩石的吸附扩散常数；叫。为井筒处饱和含水量，；ZU。为地层原始含水量，；

7、r为井半径，m；r为井底半径，m；t为吸水时间。试验可知钻井液的性质决定泥页岩井壁表面吸水会迅速达到饱和值。在钻井液与泥页岩相互作用的过程中，对于泥页岩井壁失稳中的坍塌而言，则要求水化应力所达到的饱和值尽可能小。式(1)的解可写为：叫cr,t一硼。+c叫8-。[L+7c-J『。0。e一fJ0十I拿0t(z]Jc2式中：w(r，)为吸附水的质量百分数；J。()、J。(Ca)为第一类零阶贝塞尔函数；Y。(er)、Y。(Ca)为第二类零阶贝塞尔函数。泥页岩吸水后，井周围岩变成复杂岩体介质，此时与含水量、变模量和变强度有关。因此在分析井壁受力状

8、态时需考虑到这一点，即公式变为：1E1一(3)1E[一(+)]+￡式中：E为泥页岩的弹性模量，Pa；为泊松比，l；￡、￡分别为水平、垂直方向上产生的膨胀应变，二者均与泥页岩中的含水量有关，1；e、￡、e分别