第6讲-岩石力学-特殊地层井壁稳定分析方法

随时间变化的井壁稳定效应
渗透扩散-水从低盐度区（活性较高）流向高盐度区（活性 较低） 改变页岩的孔隙压力 影响程度随着膜效率增大而增大 通过平衡活动而减小至最低。 离子扩散—离子从高浓度区穿过非理想膜，流向低浓度区 通过离子替换，使页岩变弱 改变流体盐度和离子浓度 抵消渗透扩散的影响 通过增加膜效率而减小至最低
破坏比
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 45 90 135 180 井周角（度） 225 270 315 360
裂缝性地层井壁稳定技术
地层走向对层理性泥页岩坍塌压力的影响
2.36 2.34
与地层倾角相比较，
坍塌压力（g/cm ）
走向对坍塌压力的影 响较小
2.32 2.3 2.28 2.26 2.24 2.22 2.2 0 60 120 180 240 地层走向（度） 300 360
随时间变化的井壁稳定效应
根据中国石油大学岩石力学实验室的测定，发现水化膨胀后的泥页
岩的粘聚力和内摩擦角与地层含水含量有关，并有如下关系：
C (r , t ) C0 58.8[ w(r , t ) w ]
(r , t ) 0 187.5[ w(r , t ) w ]
随时间变化的井壁稳定效应
石英-伊利石页岩
粘土由蒙脱石和高岭石变为伊利石和石英。 表面积极低，沉积二氧化硅通常作为胶结物，孔隙度低。 无地球化学活性 矿物变化过程中涉及大量收缩作用，进而导致严重破裂。 裂缝性页岩无化学活性（不含蒙脱石），埋深大，渗透率 更高。 以机械效应为主
井筒抽汲时产生崩落。
随时间变化的井壁稳定效应
定义:盐溶液与纯水的逸度比为水的活度。 方法一：将取自地层的岩屑进行冲洗、烘干，然后置于已控制好
活度环境的干燥器中。通过定时称量样品，测出岩样对水的吸附
和脱附曲线。最后，根据岩样的实际含水量，结合作出的曲线， 确定活度。 方法二：直接使用电湿度计测量。该仪器既可测量页岩试样中水 的活度，也可直接测量钻井液中水的活度。
>绿泥石。
地层中最常见的是混层矿物。钻井过程中，它主要是以膨胀和分散剥
落两种方式影响井壁稳定，有时它对井壁稳定性的影响比单一矿物的
影响还要大所以在泥页岩防塌中十分重视混层矿物的研究。
随时间变化的井壁稳定效应
蒙脱石页岩
膨胀粘土（蒙脱石又名膨润土或蒙脱土 ）的含量高。 极高的表面积，表明此种页岩是迄今为止化学性最活泼的页 岩。 蒙脱石受深部温度影响而破坏=>6000 m以下不存在蒙脱石。 通常完好无损、未破裂。
根据Mody & Hale 模型可知，高盐度泥浆使地层稳定，其原因在于：化学 渗透导致井壁附近的地层压力降低（ srr 增大） 。 相反，低盐度泥浆使地层失稳，其原因在于：化学渗漏“侵入”地层，井 壁的srr 减小。
随时间变化的井壁稳定效应
因泥浆侵入所致
泥浆侵入造成井筒不稳定，其原因在于： 地层“侵入”导致 srr减小。 上述问题在裂缝性页岩和近断裂带尤为严重。 泥饼的形成有助于延缓或阻止上述效应。提高合成泥浆体系的毛细管入口压力同样 有助于避免上述过程。
随时间变化的井壁稳定效应
非粘土矿物： 如长石、方解石、白云石、石英等
泥页岩的 矿物组成 粘土矿物
非晶体粘土矿物：如蛋白石等
蒙脱石 伊利石 晶质的粘土矿物 绿泥石 高岭石 混层矿物
伊—蒙混层 绿—蒙混层
随时间变化的井壁稳定效应
各种粘土矿物遇水时都会引起水化膨胀。
各种粘土矿物膨胀能力的排序为：蒙脱石>混层矿物>伊利石>高岭石
易水敏泥岩井下取芯
振动筛返出岩屑
随时间变化的井壁稳定效应
泥浆 密度
坍塌当 量密度
有效防止井壁坍塌
一个屡见不鲜的工程案例：在钻井泥浆密度大于坍塌当量密度的条 件下，认为再提高一点泥浆密度就能有效防止井壁坍塌，结果钻井5 －7天井内没有返砂，也没有卡阻现象，于是认为万事大吉。但若干 天后，井壁坍塌引起的钻井复杂事故频繁发生。
随时间变化的井壁稳定效应
第1步：取心
第2步：测量泥页岩中水的活度。
第3步：配置不同水活度的钻井液（以现场钻井液配方为基浆）。 第4步：水化实验模拟地层温度，给定压差和活度差，浸泡多块岩心试样， 在1小时、6小时、12小时、24小时、48小时、96小时分别取出一块试样，准备 岩石力学参数测试。 第五步：岩石力学实验
Borehole Stability in Fissile Shale in Northeastern British Columbia Mountain Range
裂缝性地层井壁稳定技术
• 层理性泥页岩力学特点之三：层理面非线性
–数值模拟研究表明：沿层理面的非线性剪切位移是造成
井壁失稳的主要原因之一，层理性地层井眼轨迹的优化
特殊地层井壁稳定分析方法
卢运虎
学习目标 1.井壁稳定的时间效应的影响因素。 2.裂缝性地层井壁失稳研究流程及方法。 3.盐膏层钻井液密度设计方法。
提纲 随时间变化的井壁稳定效应 裂缝性地层井壁稳定技术 盐膏层井壁稳定技术
随时间变化的井壁稳定效应
地层特点：埋深浅成岩性差，蒙脱石含量高，极易水化，造 成地层强度降低 钻井特点：钻井液起泥球，泥包钻头，井壁周期坍塌，井径 扩大率大。
3
1.35 100 1.3
硅酸盐泥浆
坍塌压力（g/cm ）
3
1.25
1.2
1.15
1.1 0 10 20 30 40 50 60 70 时间，天 80 90 100
随时间变化的井壁稳定效应
选用合适的泥浆组成（膜效率、泥浆活性）即可避免。 因泥浆压力侵入（砂层、裂缝性页岩、近盐丘压裂碎石带）所致的近井 筒孔隙压力提高 选用合适的泥浆配方即可避免泥浆侵入，进而避免出现过度失衡状态。 因动态压力变化所致的地层损害 避免过高的抽汲压力-PWD 测量有助于更好地控制井底压力变化。 化学蚀变和胶结联结变弱 泥浆化学组成-岩石强度随泥浆暴露时间而变化的实验室测试，以便于校 准泥浆性能。
–依据统计，只有10％的地层为各向同性，30％地层弹性模量
各向异性比大于1.5。因此井壁稳定性分析中考虑地层各向异 性的影响更接近实际情况的（Ong，1994）
裂缝性地层井壁稳定技术
• 层理性泥页力学特点之二：渗透性
–钻井液及其滤液沿层理面的渗流使泥页岩地层强度逐步降低
是引起井下复杂的主要原因之一（ Mclellan，1996）
裂缝性地层井壁稳定技术
层理性地层井壁破坏点分析
2 2 C J J s n 破坏比大于1，失稳 nt 定义层理面破坏比 f ns
1
最大水平地应力南 北方向，破坏点最 大值不在最小地应 力方位，在应用井 壁崩落椭圆法确定 水平地应力方位时 应当引起注意
0.9 0.8 0.7 0.6
随时间变化的井壁稳定效应
理论假设：油基泥浆中水分进
出泥页岩过程中具有半透膜性
半透膜渗透压理 论
质。
水在泥页岩中的
传输机理 “总压力”理论
水化和脱水驱动力:泥浆与泥页
岩中的水分子自由能之差。
理论假设：泥页岩中水的传输
实质为物质传输与能量传输的 有机统一。
耦合流动的驱动因素:压力梯度、
化学势、电势和温度差
14
3%KCL加量的吸附扩散系数Cf=0.0264
12 10
5%KCL加量的吸附扩散系数Cf=0.0214 7%KCL加量的吸附扩散系数Cf=0.0197 指数 (3%KCL加量的吸附扩散系数 Cf=0.0264) 指数 (5%KCL加量的吸附扩散系数 Cf=0.0214) 指数 (7%KCL加量的吸附扩散系数 Cf=0.0197)
与均质地层井眼轨迹的优化方案不同，必须考虑层理面 因素的影响（K. Yamamoto，2002）
裂缝性地层井壁稳定技术
裂缝性地层井壁稳定技术
裂缝面或破裂面
岩石剪 切破坏
岩石剪 切破坏
沿裂缝 破坏
完整岩石沿剪切破裂面破坏
岩石沿裂缝面破坏（主应力方向与裂缝面 法向夹角）
裂缝性地层井壁稳定技术
实验室空心圆柱测试（样品为北 海北部侏罗系的易剥裂页岩） 的扫描电镜图像拼接图片表现出 严重的井眼崩裂现象（以层理面 破坏为主）。 大型交叉裂缝（从样品的一侧延 伸至另一侧）被视为先存裂缝， 近似平行于层理面。 原始孔径为10 mm。
随时间变化的井壁稳定效应
化学效应对井筒稳定性的影响
Mody & Hale (1993) 提出的化学渗透模型（不随时间变化）：
P = Pp + RT/V ln(Am/Ap)
由于钻井液和孔隙流体的水摩尔自由能存在差异，因此，近 井筒区的孔隙压力受流体流动的影响（化学渗透）。
随时间变化的井壁稳定效应
45 40
弹性模量,10 MPa
25
35
内摩擦角,度
20
30 25 20 15 10 5 0 0
含水量对弹性模量的影响
3
15
10
5
含水量对内摩擦角的影响
0 1 2 3 4 吸水量,% 5 6 7 0 1 2 3 4 吸水量,% 5 6 7
1.6 1.5
改进的聚璜泥浆
坍塌压力（g/cm ）
1.4 1.3 1.2 1.1 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 时间，天 3%KCl 5%KCl 7%KCl
昂贵
水基泥浆（WBM） 流体不容易侵入裂缝 便宜 化学反应性
随时间变化的井壁稳定效应
因动态压力变化（抽汲）所致
起出作业过程中的抽汲 压力可瞬间降低srr。 上述现象可能导致众多 “随时间变化”的井筒 稳定性问题。
随时间变化的井壁稳定效应
因抽汲所致
起出作业过程中的抽汲压力可瞬间降低 srr。
2 3 距离泥浆端面的距离,cm
4
5
膨胀应变,%
不同泥浆体系 下泥岩吸水特 性
0.35 0.3 0.25
泊松比 粘聚力,MPa
25
含水量对泊松比的影响
20
0.2 0.15 0.1
15
10
5 0.05 0 0 1 2 3 4 吸水量,% 5 6 7 0 0 1 2 3 4 5 吸水量,% 6 7
含水量对粘聚力的影响
裂缝性地层井壁稳定技术
70 60 50
井径（in.）
40
30
20
10
0 1700
1900
2100
2300 垂深（m）
2500
2700
2900
3100
涠二段地层坍塌掉块
涠二段泥页岩
裂缝性地层井壁稳定技术
• 层理性泥页岩力学特点之一：各向异性
–试验表明，层理性泥页岩力学性质及强度具有显著各向异性 ，若轴线与层理面的夹角在20～30之间，岩心强度与垂直层 理面强度相比降低了40%，平行层理面的抗拉强度低于垂直层 理面的抗拉强度（Chenevert，1965）
裂缝性地层井壁稳定技术
• 具有显著“结构性（层理、裂缝）”的泥页岩地层井壁
失稳问题难以像均质地层一样通过提高钻井液密度有效 解决，是目前研究的难点（Crook，2002）
层理
• 霍003井安集海河组 泥页岩地层坍塌掉 块
裂缝性地层井壁稳定技术
岩心泡水后沿层理面分散
掉块一般为片状
地层特点：伊蒙混层含量高，地层硬脆、裂缝发育； 钻井特点：阻卡严重，蹩泵易引起地层漏失，提高泥浆密 度不能减少井下复杂
吸水量,%
不同泥浆体系 下泥岩膨胀特 性
8 6 4 2 0 0 1
七克台组裂隙岩芯在几种改进聚璜泥浆中的吸附扩散实验结果
1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 100 200 300 400 500 600 700 时间,min
清水中 3％KCL改进聚璜泥浆中 5％KCL改进聚璜泥浆中 7％KCL改进聚璜泥浆中 硅酸盐泥浆中
ห้องสมุดไป่ตู้
随时间变化的井壁稳定效应
井筒附近的电阻率值 增大表明A地层之上 可能发生泥浆侵入。 泥浆侵入可以解释为 何在2000至3000MD之 间观察到过多的崩塌 落屑（破坏预测无法 解释此现象）。
随时间变化的井壁稳定效应
油基泥浆（OBM） 高毛细管入口压力 低化学反应性 更容易侵入裂隙和裂缝
裂缝性地层井壁稳定技术
层理性泥页岩中钻井，如果井眼
轴线与层理面成一定角度，井壁
岩石很容易沿弱面破坏，造成剥 落掉块。
垂直于层理面钻井井壁稳定性较好。 因此钻井设计中优化井眼轨迹，使井 井眼轴线与层理面法线的夹角在最佳 钻入角以内，能够有效降低复杂。
裂缝性地层井壁稳定技术
裂缝性地层井壁稳定技术
地应力大小、方位 节理面产状 井眼轨迹