实验分析泥岩水化膨胀应力与力学参数之间的关系

在钻井的过程中,泥页岩地层一旦与水基钻井液接触后,便会发生水化膨胀作用,在地层压力和上覆岩层压力的约束下产生膨胀应力,岩石强度降低,井壁稳定性下降。因此,研究水化膨胀作用与力学参数之间的关系是研究泥岩井壁稳定的关键内容之一。基于泥页岩的水化作用机理,通过室内实验分析了水基钻井液中的离子类型及其浓度对水化膨胀应力的影响,并且测量了岩样水化后的力学参数。实验结果表明泥岩水化膨胀应力与离子类型和浓度有关;水化后泥岩的含水量越大,产生的线膨胀应力越大,力学参数越小;线膨胀应力与泥岩水化后的力学参数之间具有较好的指数递减关系。     

页岩形变及破坏特征研究进展及展望

随着常规油气资源的减少,页岩油气等非常规资源的加速开发,如何获得准确的页岩力学参数为钻井与压裂提供指导是中外学者研究的方向。从页岩岩石力学的室内实验(如单轴、三轴、声波实验等)、理论研究、数值方法(如有限元、离散元等)三方面对页岩的应力-应变特性、岩石破裂模式、本构模型与强度理念等研究进展进行综述,得出如下结论:页岩的形变特征主要脆性为主,且峰值应力表现出明显层理相关性;页岩的破坏特征与层理方向、围压、裂缝特性、埋深、浸泡液体等具有密切联系;页岩内部具有大量微孔隙、微裂缝,其本构模型主要基于损伤理论建立;强度准则主要基于单一弱面准则与横观各向同性建立。展望了如3D打印技术与页岩模型相结合,打印出给定参数的类岩石样品;考虑多耦合因素控制及多弱面结构下的本构模型和岩石破裂准则等岩石力学研究前景。     

龙马溪组硬脆性页岩水化实验研究

硬脆性页岩水化对页岩气开发井壁稳定有重要的影响,为此,对龙马溪组硬脆性页岩进行水化实验研究,包 括矿物组成、微观结构、水化应力、自吸吸水率及岩芯浸泡等方面实验研究,探讨分析了硬脆性页岩水化过程与机理。 研究结果表明,页岩黏土矿物以伊利石为主,黏土矿物呈片状且定向排列,层理和微裂纹发育,为水化提供作用空间 和流动通道;页岩水化应力和自吸吸水率随浸泡时间增加而先上升后趋于稳定,页岩组构对上升速率或幅度有重要影 响;浸泡过程中,岩样表面主要形成平行层里面的裂缝,随着浸泡时间增加,岩样保持完整性或水化剥落成碎块,页岩 组构和胶结程度对页岩水化程度有重要影响;页岩水化是物理化学作用和力学作用相互耦合结果,前者使岩石断裂韧 性下降,后者使I 型裂纹应力强度因子增大,当应力强度因子大于岩石断裂韧性时,裂纹将扩展或增宽,逐渐形成宏观 裂纹,可进一步扩展成裂缝。     

基于离散元和全析因实验设计的BPM力学参数

为研究岩石微观力学参数与宏观力学性能之间关系并提高岩石破碎离散元仿真效率,从破碎原理出发,基于EDEM进行单轴压缩数值分析,研究摩擦系数、材料剪切模量、微观颗粒个数、平行键强度和刚度对岩石抗压强度和宏观刚度的影响.再通过全析因实验设计得到影响岩石力学性能关键的主效应和交互效应,并以此为变量运用回归方法对黏结颗粒模型(bonded particle model,简称BPM)的宏观力学参数进行预测并进行方差、拟合优度和残差分析.仿真及物理实验结果证明该预测模型可行,误差率小于10%.     

冲击凿岩的瞬态动力学及效率分析

在分析冲击凿岩时岩石破碎过程的基础上,应用波动力学钻探理论对由活塞、钎具、岩石组成的凿岩钻机冲击钻探系统进行瞬态动力学分析,基于一元、二元冲击子系统力学模型建立凿岩系统特征方程,引入无量纲钻头质量比、无量纲活塞长度比等抽象变量,推导出系统的能量传递效率表达式,详细分析应力波在钻杆中的传递效率,得到在不同设计参数时的最大凿岩效率.     

泥页岩水化膨胀的非线性蠕变模型

泥页岩井壁岩石受到地下流体与入井流体的影响,具有明显的流变效应。根据泥页岩水化膨胀的流变力学行为,借鉴经典元件组合模型的建模思路,提出一种新的膨胀模型,将泥页岩水化膨胀蠕变过程的膨胀元件与黏性元件并联,结合非线性黏塑性体,能有效地模拟泥页岩水化膨胀的蠕变过程。该模型既能反映岩石水化膨胀后的衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段,又能反映岩石在高应力下的加速蠕变阶段的水化膨胀非线性蠕变过程。文中取长7泥页岩进行了蠕变试验,通过实验数据拟合发现,该模型可以很好地描述泥页岩水化膨胀后岩石的蠕变特性。     

川东龙马溪组含水页岩吸附特征

采用室内吸附实验测试和吸附理论模型拟合手段,研究了不同含水饱和度下川东龙马溪组页岩的吸附特征,结果表明:当温度一定时,随着页岩含水饱和度的增大,相同压力下的页岩吸附量明显减小,吸附等温线整体下移;相同含水饱和度下,页岩气吸附量随压力升高而增大;不同含水饱和度页岩的吸附等温线较符合Langmuir模型,含水饱和度与其对应吸附等温线的Langmuir模型拟合指数a和b之间存在较好的线性关系,以此建立的计算模型可以计算任意含水饱和度页岩的理论吸附等温线,与相同含水下饱和度的实测页岩气吸附等温线对比,该模型的计算精度较高。     

南堡油田硬脆性泥页岩地层井壁失稳原因实验

冀东南堡油田中深层硬脆性泥页岩地层钻井过程中,井壁垮塌现象频发。为充分认识中深层硬脆性泥页岩井壁失稳机理,减少此类事故的发生,通过开展研究目标微观结构、理化特征以及钻井液对其力学特性影响的实验研究,定量研究了该区块影响井壁失稳的因素。结果表明:东二段至沙河街组泥页岩的矿物以黏土、石英为主,具有一定的脆性特征;阳离子交换容量高,岩石水化能力较强;宏观层理、裂缝、微观裂纹均较发育,应力释放及钻具扰动易使岩石发生劈裂或滑移;液相沿裂缝侵入地层导致岩石水化膨胀,降低泥页岩结构强度;在钻井液正压差作用下,产生水力尖劈作用,导致地层破碎,诱发井壁失稳。因此,预防此类泥页岩地层井壁失稳需严格控制钻井液滤失量,加强钻井液的封堵能力。针对该区块的室内实验研究,为该区块硬脆性泥页岩的安全、高效钻进提供了理论支撑,同时也为同类型地层的井壁失稳机理研究提供了技术参考。     

低渗砂岩克氏渗透率影响因素实验研究

室内实验是认识储层渗流规律的有效手段,低渗岩石气体渗流受到滑脱效应的影响。国内外学者在滑脱效应影响因素及受滑脱效应影响的渗透率参数测量方面进行了大量研究,但结论仍存在分歧。以鄂尔多斯盆地苏里格气田低渗砂岩气藏为研究对象,设计了新的岩心含水饱和度的建立方法,通过实验方法研究了含水饱和度、有效应力及二者耦合作用对低渗岩石气体滑脱效应的影响规律。结果表明,不同含水饱和度条件下(低于束缚水饱和度)岩心的气测渗透率与平均压力倒数仍然呈线性正相关关系,含水饱和度越高,滑脱因子越小,滑脱效应越弱;对于干岩样,围压增大气体滑脱效应变强,且滑脱因子随有效应力的增加呈线性增加的趋势,进行岩石应力敏感性实验过程中,若忽略滑脱效应的影响,未对气测渗透率做校正,实验评价结果偏低;含水饱和度比介质变形对气体滑脱效应的影响更强,对于高含水饱和度的低渗岩心,滑脱效应影响微弱,且受有效应力的影响不大。这为低渗砂岩气藏渗流机理研究提供了新思路。     

泥页岩膜效率计算新方法

泥页岩膜效率是泥页岩井壁稳定力学-化学耦合分析中的一个极其重要的参数,膜效率值的测量精度直接影响力学-化学耦合作用下泥页岩井壁稳定性分析的精度。在实验研究的基础上,分析了目前文献中给出的膜效率计算方法存在的问题,给出了新的膜效率计算方法,并将计算结果和文献中方法的计算结果进行了对比与实验验证。结果表明,利用新计算方法得到的膜效率值比文献中方法得到的膜效率值大,相差的幅度随渗透率的增加而增加,说明泥页岩的膜效率与岩石的致密程度密切相关。     

超临界二氧化碳浸泡对页岩力学性能的影响

超临界二氧化碳对岩石力学性能的影响是非常规油气藏钻探开发的基础问题。依据井下工况,研制超临界二氧化碳浸泡实验装置,研究超临界二氧化碳浸泡条件下,页岩的力学性能变化规律。试验结果表明:随着时间的增加,页岩的抗压强度降低至稳定值,弹性模量升高至稳定值,泊松比降低至稳定值。相比于氮气实验,超临界二氧化碳弱化岩石力学性质的能力更强,说明超临界二氧化碳更有利于破岩。相比于清水实验,清水浸泡后页岩抗压强度一直下降,不利于井壁稳定,二氧化碳浸泡后页岩抗压强度下降至稳定值,有利于井壁稳定。浸泡不同岩石发现,岩石抗压强度均降低,但是降低幅度不同,说明超临界二氧化碳可渗入各种不同岩石,改变岩石力学性质,有利于提高破岩效果,加快钻井速度。研究结果为超临界二氧化碳钻完井技术的发展提供了依据。     

渤海油田渤中区域中深部泥页岩地层井壁稳定性

渤中区域资源潜力巨大,是目前渤海油田勘探开发的重点区块.前期探井钻井过程中中深部东营组、沙河街组泥岩地层井壁坍塌失稳现象频发,出现蹩压、阻卡等复杂事故.为揭示渤中区域中深部泥页岩井壁失稳机理,指导开发井钻井设计,对取自渤中区域东营组泥岩岩心开展了电镜扫描、矿物组分测试、泥浆浸泡以及岩石力学等系列实验,定量刻画了该地层的理化特性、岩石力学特性以及钻井液对力学性质的影响规律.实验结果表明,该区块中深部泥页岩处于由水化膨胀性泥页岩向硬脆性泥页岩转化的过程,既具有硬脆性泥页岩层理、裂隙发育的特征,又仍表现出一定的水化膨胀和分散特征.在实验结果的基础上,利用线弹性理论和单一弱面准则,建立了考虑弱面结构和水化作用的井壁稳定模型,对渤中区域定向开发井坍塌压力及其随井斜角和井斜方位角的变化规律进行了分析,揭示了钻井液作用对坍塌压力的影响.研究结果对于渤中区域开发井安全钻井具有一定的指导意义.     

深部泥页岩水化特性研究

石油工程深部泥页岩吸水量很小,但也易产生严重水化井塌。室内用X衍射仪分析深部泥页岩黏土矿物成分构成主体为伊蒙混层。常温压浸泡泥页岩块,蒸馏水浸泡后岩块强度迅速降低甚至破碎,饱和KCl溶液浸泡强度降低30%~40%,K+向岩块内部运移防止黏土矿物水化。扫描电镜观察深部泥页岩分布大量不规则微米级孔缝,自由水分子在毛管力作用下进入岩体内部,黏土胶结物溶解强度下降及高强度缝尖应力导致岩石微裂缝不断扩展发生破坏。现场钻井宜使用K+抑制黏土矿物水化,钻具提放及停开泵应平缓防止损伤井壁泥页岩体。     

锦州25-1油田井壁稳定问题

 锦州25-1油田沙河街组地层井壁失稳严重,为解决该油田的井壁失稳问题,对该油田的泥页岩矿物组分进行了分析,开展了泥页岩的力学及水化特性实验,分析了锦州25-1油田沙河街组泥页岩的岩石力学特性和井壁失稳机制.研究发现,沙河街组地层层理性泥页岩和水敏性泥页岩共同发育;层理性泥页岩具有显著的各向异性,易发生沿层理面的剪切滑移,造成井壁失稳;水敏性泥页岩在钻井液作用下会发生水化膨胀,导致井周地层的力学性质和应力状态发生变化,表现为坍塌压力随井眼钻开时间的改变而改变;两种地层相互影响造成油田复杂事故频发.结合室内实验结果,建立了合理钻井液密度的确定方法,研究了锦州25-1油田层理性泥页岩坍塌压力随井眼轨迹的分布规律和水敏性泥页岩的水化坍塌周期,给出了保证安全钻进的工程对策,该油田的井壁失稳问题必须在优化井眼轨迹和选择合理钻井液密度基础上,并增强钻井液的封堵性和抑制性才能解决.     

钻井液密度对裂缝性泥页岩地层坍塌压力影响的力化耦合研究

 缝性地层井壁失稳是钻井工程中经常遇到工程难题之一,裂缝发育地层常伴随严重的井壁坍塌,具有水化性质的裂缝性地层在钻井液侵入后更易发生坍塌。扫描电镜观察某油田泥页岩发育的层理实际为尺寸极小的微裂缝,使用XRD 衍射仪测定了该泥页岩黏土矿物质量分数为30%~40%,泥页岩水化性质较强。通过剪切实验测定了泥页岩吸水后的抗剪强度,求解了不同含水量裂缝面的黏聚力及内摩擦角。建立了钻井液滤液向地层内的渗流方程及裂缝性地层坍塌压力方程,计算了不同钻井液密度和浸泡时间的坍塌压力。计算结果表明,高钻井液密度导致钻井液滤液向裂缝内加速渗流,裂缝面强度降低导致地层更加容易坍塌。裂缝性地层井壁失稳不宜提高钻井液密度稳定井壁,应采用措施提高钻井液封堵性及抑制性,降低钻井液滤液侵入量。     

水化对泥页岩地层“安全”钻井的影响

泥页岩地层与其它“惰性”岩石不同,当其与水基钻井液接触时,岩体强度、内部应力都将随钻井液类型及地层与钻井液的接触时间变化而变化,因此,一个有效的力学本构方程应该能够体现出发生在泥页岩地层中的力学和物理化学动态过程,Yew C H等在这一领域作了开创性工作;并引用Yew C H等提出的水化应力模型,计算分析了水化对水敏性泥页岩地层井周应力分布状态,地层坍塌应力和破裂应力的影响。     

准噶尔盆地玛湖凹陷泥页岩水化特性及分类研究

准噶尔盆地玛湖凹陷在使用水基钻井液钻进时,因所用钻井液体系与地层配伍性差,导致地层崩落掉块严重,井壁失稳频发;且储层损害较大。为解决所存在的问题,对取自玛湖凹陷的岩样进行了全岩矿物成分与黏土矿物分析。在相关分析的基础上对该区块泥页岩的水化特性进行了预测;并通过水化膨胀与水化分散实验对所预测的泥页岩水化特性进行了验证。在室内实验的基础上,建立了泥页岩水化特性分类图版概念;并利用此图版对玛湖凹陷泥页岩的水化特性进行了准确和直观的分类界定,为今后开展的适用于该区块的多元协同钻井液体系中各个单元的权重设计,以及整个钻井液体系的技术研究提供了重要的理论指导依据,最终实现钻井液体系与地层的配伍,服务钻井作业。     

气体钻井中钻柱力学性能及冲蚀实验研究

由于在破岩过程中受到冲击,气体钻井中的钻柱产生了交变应力,而钻柱旋转加剧了交变应力的变化,同时气体携带岩屑对钻柱产生冲蚀,加速了钻柱的失效。钻柱主要失效形式为疲劳断裂,这跟钻柱所受应力大小及变化密不可分,因此,开展气体钻井过程中钻柱力学性能和冲蚀研究,掌握钻柱应力变化规律及岩屑对钻柱的冲蚀规律,是减小和防止钻柱失效的基础工作,对增加气体钻井过程中的安全性和降低钻井成本有十分重要的意义。通过使用一种已开发出的可同时模拟气体钻井钻具振动和冲蚀的装置,进行了不同钻具组合情况下,气体钻井钻柱同时受振动和冲蚀实验。实验结果表明,气体钻井过程中,配置扶正器将使钻柱所受交变应力值变化范围降低40% 以上,扶正器和减振器的配合使用将使交变应力值变化范围下降50%,因此,扶正器和减振器的配合使用,将大幅降低钻柱所受交变应力,并延长交变应力作用周期,从而降低钻柱失效的概率。