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。
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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。