泥页岩渗透水化井壁稳定分析
威远地区页岩气水平钻井井壁稳定影响因素分析
威远地区页岩气水平钻井井壁稳定影响因素分析威远地区是四川盆地页岩气资源非常丰富的地区之一，页岩气水平钻井井壁稳定性是页岩气开发中一个重要的问题。
本文将对威远地区页岩气水平钻井井壁稳定的影响因素进行分析，以期为页岩气开发提供参考。
一、地质条件威远地区处于四川盆地西北缘，地处成都、绵阳、广元三市的交汇处，其地质构造以隆起为主。
该地区的页岩气储层主要分布在下侏罗统和中侏罗统地层，页岩气储层岩性为泥页岩和页岩，孔隙度较小，渗透率较低。
受地质构造和构造运动的影响，地下应力复杂，存在较大的地应力梯度，这是影响井壁稳定性的主要地质因素之一。
三、钻井液性能钻井液在水平钻井中起着非常重要的作用，其性能直接影响到井壁的稳定性。
在威远地区页岩气水平钻井中，由于地层的特殊性，通常会选择高密度、高黏度的钻井液，以增加井壁支撑力和稳定性。
还需要加入一定的井壁保护剂和抑制剂，以减小井壁的侵蚀和破坏，提高井壁的稳定性。
四、施工工艺水平钻井的施工工艺对井壁稳定性也有很大的影响。
在威远地区进行页岩气水平钻井时，需要选择合适的钻具和施工工艺，以减小地下应力的影响和地质构造的影响，提高井壁的稳定性。
还需要对井眼进行定向和轨迹控制，以保证钻井的顺利进行和井壁的稳定性。
五、温度和压力在页岩气水平钻井中，地层的温度和压力也是影响井壁稳定性的重要因素。
在威远地区，由于地层深度较大，地温和地压较高，这就对钻井液的性能和钻具的选择提出了更高的要求。
还需要加强对井眼周围地层的分析和评价，以确定井壁稳定的技术措施和支撑材料。
威远地区页岩气水平钻井井壁稳定的影响因素包括地质条件、井筒结构、钻井液性能、施工工艺和温度压力等多个方面。
针对这些影响因素，需要选择合适的技术措施和支撑材料，以保证页岩气水平钻井的顺利进行和井壁的稳定性。
希望本文的分析能为威远地区页岩气开发提供一定的参考和指导。
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。
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 ,
泥页岩井壁稳定耦合研究
Ｙ ｗ等 对 Ｍａ ｃｓ页岩 和清 水在 常 温 、 ｅ ｎｏ 常压 下 进行 接
触 实验 ， 出膨 胀应 变与含 水量 存在 一定 的关 系 。 得 Ｐ Ｔ ｎＣ ｅ ． ａ ｈ ｅ等 ｌ 研 发 了膨胀 水 化测 试仪 ， １ ＇ 确定 了 页 岩与钻 井液 接触 时 的体 积变 化系数 或水 化应 力 。对 岩样 施加 轴 压和 围压 ， 用模 拟孔 隙流体 饱 和岩样 ， 当两 端 压力稳 定后 提高 上流压 力 ；上流端 用钻 井液 滤 液代 替， 钻井 液滤 液注入 到岩 样达 到足够 量后 ， 流压 力增 下 高 至上 流压 力 。当钻井 液注入 到岩 样时 ． 便发 生反 应 ， 孔 隙压 力和 围压 随后开 始变化 ：此 时监测 轴 向和 径 向 变 形 ， 至达 到平衡 。为 了确 定水 化应力 ， 实验 中保 直 在
据 表 明￣１９ 泥 页 岩在 地 应 力 条 件 下 ， 电 斥 力 和孑 ５７ ］ ，１， － 受 Ｌ
上泥 页岩 吸水 规律 ， 确定 泥页岩 的吸水能力 ， 即吸 附扩 散系 数 。 在施 加轴 压 的条件下 ， 用蜡包 裹 的岩样 留 出 将
一
端 暴露 在恒 定流 动 的蒸 馏水 中 。达到 预定 的实 验时
５８ １
断
块
油
气
田
２１ ０ ２年 ７月
力 的形式表 现 出来 Ｍ． ． ｈ ｎｖ ｒ ］ 究 了 页 岩膨 胀 和 含 水 量 的 关 Ｅ Ｃ ｅ ｅｅｔ 研 系， 结果 表 明 ， 岩 的膨 胀 量 与含 水 量 成正 比 ． 直 于 页 垂 层 理 方 向的应 变 大 于平 行 于 层 理 方 向 的应 变 Ｃ Ｈ． ．
持 岩样 长度 和直径 不变 ， 轴压 和 围压分 别升高 。 据轴 根
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。
井壁稳定性解析课件
max
P 3 H
h
[ (1 2 ) 1
](P Pp )
min
P 3 h
H
[ (1 2 ) 1
](P Pp )
70 60 50 40 30 20 10
0
90
180
270
360
50 45 40 35 30 25 20 15 10
5 0
0
90
180
270
360
井周地层应力状态
Pt
3 H
h
2C K K2 1
K2
1 P
Pf 3 h H P St
K ctg(45 )
2
注意各符号表示的物理意义。
定向井井周地层应力状态
3 z1
β
z
y
o
r
γ
θ
x
α
1
β
y1 α
2
x1
东营组地层斜井井壁稳定性分析
最大水平地应力方位： 井壁坍塌风险最高
坍塌压力随井 斜方位的变化
监测裂缝扩展和关井后的压 力，准确确定最小主应力
volume
(after Gaarenstroom et al., 1993)
典型的水力压裂试验曲线
破裂漏失 出现剪切 裂缝
停泵
裂缝重张
井口压力
裂缝闭合
时间
利用水力压裂试验数据计算地应力：
地层破裂压力（Pf）：地层破裂产生流体漏失时的井底压力 裂缝延伸压力（Pr）：使一个已存在的裂缝延伸扩展时的井底 压力
地应力
给定的泥浆密度
井周应力应变
本构模型
提高泥浆密度
失稳
破坏准则 稳定
结束
以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理 论和计算方法基本成熟
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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勘探开发
泥页岩渗透水化井壁稳定分析
刘凯都 刘书杰 文敏
中海油研究总院有限责任公司 北京 100028 摘要：钻井过程中，由于水基钻井液化学渗透作用的影响，泥页岩井壁更加不稳定。钻井液与地层水不仅存在压力 差，而且还存在渗透水化，这些因素都成为控制泥页岩井壁稳定的重要考虑因素。本文建立力学-化学耦合作用下井壁周 围应力分布模型，采用有限差分法求解该模型，得出井壁周围应力分布，利用破坏准则计算井壁坍塌压力，得出合理的防 塌钻井液密度，研究井周应力分布和坍塌压力的时间效应，对实际钻井有一定的理论指导意义。 关键词：泥页岩 孔隙压力 岩石应力 坍塌压力
Analyze of Borehole Wall Stability by the Action of Physical Chemistry
Liu Kaidu，Liu Shstitute Ltd，Beijing 100028 China
been
There (h1a)ve
in wellbore
oTsctanahvbeisintlritgeteysxps.trTdeuishsssteuerdirsbetut，rhetiseaosnnfdidnihsiftatoreviubednubidtfiefoeaenrpnepnmrrecoosepedraaeirpalctphaerreooddaur，cinlhldiwntbhgooicmrcheouhmmdopladeukewetnesaailttlrhyeueftneomrdeeponrrdceteevhle，feonmrtfodbeurcoinhlrwldewaiwwwwnPhnwwtPCCtsgtoittcsrsloaee݊lpskkccwsD1ae1ЁDn(rda(ª«¬awdwliª«¬twlwˈsw2xiwtcwPoc222xrwxChaiP2Dn22xbCves.u2miwЎsnwti2yigowcwPww2.⒊an22ywy)CMlwP222䋼caysCoro)º»¼n2orsuᠽReuº»¼pcoTn0nlᬷvkidnR2e0grc㋏(tT，hwawke2c᭄x2Cet2bif(sof˄oewnwrc2etmxwwCswh222yoCoas/2slsfse˅b)mˈuwwwoi2al0dyTtCll(e(2i，21snlЎ)))pcta⛁ho(rema10mp)p(aeu2ᄺptte)eerr⏽ds. ᑺˈR Ў⇨ԧᐌ
Keywords：shale；pore pressure；rock stress；caving pressure
ߚᏗ݊ˈЁVˈЎD∈Ўⱘ⒊أ䋼ᠽᨽᬷᇨ㋏ԧ᭄鳥˄ˈm2/ks1˅ˈˈTk2ЎЎ⛁∈ᄺᠽ⏽ᑺᬷˈ㋏R᭄Ў⇨㝰ԧᐌᬜ᭄⥛ˈ㋏P ᭄Ўഄ˄
钻井作业过程中，泥页岩井壁的不稳定是一大难
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