泥页岩水化应力经验公式的推导与计算_徐加放
泥页岩水化对岩石力学强度的影响
１ 实 验 原 理
１ ． １ 泥 页岩 的单轴 抗压 试验 原 理
水平 向的拉应 力 ， 这些 应力 的平 均值 为 ：
２Ｐ ，、
岩石 的抗压强度就是岩石 试件在单轴压力 下达到 破坏的极限值 ， 它在数值上等于破坏时的最大压应力 。 试验 结果 按 下式计 算抗 压 强度 ：
Ｒ 。＝ Ｐ ／ Ａ （ １ ）
Ｏ ＂ ａ
（ ４）
式中： Ｐ一 作用载荷 ， ＭＮ；Ｄ一 圆 柱 形 试 件 的 直 径， Ｉ ＂ １ １ ； Ｌ一 圆柱形试 件 的长度 ， ｍ。
在水 平 向 直 径 平 面 内 ， 产 生 最 大 的 压 应 力 为 （ 在 圆柱形 的 中心处 ） ：
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ３— ２ ３
（ ５）
基金项 目： 国家 自然科学基金重点项 目（ ５ １ １ ３ ４ ０ ０ ４ ） 作者简介 ： 李 海旭（ １ ９ ８ ４一） ， 男， 满族 ， 河北隆化人 ， 西南石油大学在读硕士研究生 ， 研究 方 向为井壁稳定 。
・
离 子抑 制效 果更 明显 。
詈＝ ￡ △ ｔ ， Ｌ △ ＝ ｔ ・ Ａ
８
８ ，
、 （ ２ ）
， 、
ｊ
泊松 比为 ：
△ｄ ・ｆ
０ ‘
１ ． ２ 泥 页岩 的抗拉试 验 原理
本实验利用 巴西劈裂法测定岩石 的抗拉强度。
其 基本 原理 是在 圆柱 体 试 件 的 直径 方 向上 ， 施 加 相 对 的线性 载 荷 ， 使 之 沿 试 件直 径 方 向破 坏 。根 据 弹
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。
硬脆性泥页岩渗流-应力耦合井壁坍塌压力计算方法
２ 裂缝地层破坏准 则
硬脆 性 泥 页 岩 层 理 、 裂缝 弱面发育 ， 由 于 弱 面 的存 在 ， 造 成 地 层 强 度 降低 ， 且 呈 现 显 著 的各 向异
设裂缝为光滑平直表面 ， 被裂 隙所包 围的岩块为可
动的影响， 深部岩体结构复杂， 层理、 裂隙等地质界
面交 错分 布 ， 地层硬脆 ， 钻 井 过 程 中极 易 发 生 井 壁
坍塌 ， 成为制约我 国油气 资源 战略向深部地层成功
转移 的重 要技 术 瓶 颈 。我 国准 噶 尔 盆地 、 川 东北 地 区 和南海 西 部 涠 洲 油 田等 深 部 硬 脆 性 泥 页 岩 钻 探 过程 中均 发生 了非 常 突 出 的井 壁 垮塌 、 井 径 扩 大等
钻进水平 井坍塌压力较低。改善钻井液 的封堵性 、 流变性 和润湿 性， 减 缓钻 井液沿裂 缝面 的渗流 ， 避 免在 坍塌压 力较高 的 区
域钻 井， 是该类地层安全钻 井的关键 。
关键词
硬脆 性泥页岩
渗流
裂缝产状
井眼轨 迹
坍塌压力
中图法分类号
Ｔ Ｅ ２ １ ；
文献标志码
通信作者简介 ： 赵 凯（ １ ９ ８ ６ 一 ）， 博士研究生 。研 究方 向： 岩 石力
学与井壁稳定 。Ｅ — ｍ ａ ｉ ｌ ： ｚ ｋ ａ ｉ ｕ ｐ ＠１ ２ ６ ． ｅ ｏ ｍ。
的主控裂缝 ， 由于泥岩基质渗透率极低 ， 假设其 为
科
学
技
术
与
工
程
ｌ ３卷
不渗 透介 质 ， 钻井 液主要通 过主控裂缝 流动 ， 主 控 裂缝 内孑 Ｌ 隙压 力 升 高 最 快 ， 最 易 引 发井 壁 失稳 。假
硬脆性泥页岩斜井段井壁稳定力化耦合研究_温航
图 2 硬脆性泥页岩微观结构
1.2 钻井液活度与泥页岩吸水量
研究表明，钻井液活度与地层岩石膨胀率有密切
关系，且可依此界定岩石水化程度[8-13]：
( ) Aw = 1+ abxc −d
（1）
其中 x = Swell + e 根据（1）式可以得到钻井液活度-地层岩石标准
膨胀率曲线（见图 3），将地层岩石活度值作为控制地 层井壁稳定的钻井液活度窗口上限 Awshale，对应的岩石 膨胀率为界定表面水化和渗透水化的临界膨胀率
748 2014 年 12 月
石油勘探与开发 PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT
Vol.41 No.6
文章编号：1000-0747(2014)06-0748-07 DOI: 10.11698/PED.2014.06.16
硬脆性泥页岩斜井段井壁稳定力化耦合研究
温航 1，陈勉 1，金衍 1，王凯 2，夏阳 1，董京楠 1，牛成成 3
(1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China; 2. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Co., Beijing 100010, China; 3. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100010, China)
中图分类号：TE243
文献标识码：A
深部泥页岩水化特性研究
由试 验结果 看 出 ， 两 种不 同溶液 浸 泡 的泥 页 岩 块 吸水 量很 小 ， 相 比并 无很 大差 别 ； 浸泡 后岩 块强 度
２ ０ １ ３年 ７月 ２ ４ １ ３收到 ， １ Ｏ月 １ ６日修改 国家 自然科 学基 金 （ ５ １ １ ７ ４ ２ １ ９） 、 国家科技重大专项 （ ２ ０ １ １ ｚ ｘ ｏ ５ ０ ｏ ９ － ０ ０ ５） 资助 第一作者 简介 ： 曹 园（ １ ９ ８ ５ 一） ， 博 士研究生 。研究方 向 ： 岩石力 学 与井 壁 稳 定 技 术 。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ：ｙ ｕ ａ ｎ ｃ ａ ｏ ５ ５ ５ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ。
ｎ ａ ｒ ｎ ｉ ｅ Ｄｅ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｙ ｇ Ｃｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｎｄ ａ Ｓ ｅ ｍｉ ｎ ａ ｒ ． Ｗｉ ｌ ｌ ｉ ｍ ｓ ａ ｂ ｕ ｒ ｇ ， ＶＡ ：ＡＩ ＡＡ ，２ ０ ０ ７
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 Ｋ Ｃ １溶液 浸泡 强度 降低 ３ ０ ％ ～
４ ０ ％， 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
第１ ４卷
第 ６期 ２ ０ １ ４年 ２月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖ ｏ １ ． １ ４ Ｎｏ ． ６ Ｆ ｅ ｂ ．２ ０１ ４
泥岩的峰后软化力学模型
第２ １ 期
张力伟 ， 等： 泥岩 的峰后软化力学模 型
２ ４ ５ ７
参 数 与强 度参 数 之 间 的关 系 ； 建 立 了考 虑 泥 岩 的剪 胀 效 应 的应变 软 化模 型 ， 并 在有 限元 软件 Ａｂ ａ ｑ ｕ ｓ的 平 台之上 ， 采用 子 程 序 接 口 ＵＳ ＤＦ Ｌ Ｄ 对该 模 型 进 行 开发 ， 通过 不 同 围压 下 的 三 轴 压 缩 试 验 的 数值 模 拟 对 模 型进行 验 证 ； 最 后 将 本 模 型 应 用 到 泥 岩 隧 道 的 开 挖模 拟 中， 验 证该 模 型 的工程 适用 性 。
ａ ｎ ｄ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｈ ａ ｓ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｎ ｔ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｓ ｏ ｆ ｇ ｕ ｉ ｄ ａ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｓ ｕ ｒ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｒ ｏ ｃ ｋ ｏ ｆ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｎ ｍｕ ｄ ｓ ｔ ｏ ｎ ｅ ａ ｓ ｗｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｃ ａ ｖ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ，ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇ，ａ ｎ ｄ ｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ
图7基于应变软化模型和mohrcoulomb模型的mises应力云图对比图8基于应变软化模型和mohrcoulomb模型的等效塑性应变云图对比由图7和图8可以看出采用2种本构模型所计算得出的mises应力分布范围数值以及等效塑性应变的分布范围基本一致且与实际规律保持一致塑性区出现在围岩的水平两侧但是在图中所示计算所得出的等效塑性应变的数值却差别较大基于应变软化模型的等效塑性应变最大值408102而基于mohrcoulomb模型的等效塑性应变计算结果最大值为223102两者相差近1倍
泥页岩水化对岩石力学参数的影响
泥页岩水化对岩石力学参数的影响吴超;罗健生;田荣剑;刘刚;李怀科;张兴来【摘要】根据泥页岩吸水扩散系数测试方法,在模拟井下温度和压力条件下,测定了现场泥页岩岩心在不同钻井液体系中的吸水率,计算了泥页岩吸水扩散系数,并通过泥页岩水化前后岩石弹性模量、内摩擦角、粘聚力及岩石强度的变化,揭示了钻井液在泥页岩地层中的渗透运移规律,为保证现场正常钻进及井壁稳定提供了一定的理论依据.【期刊名称】《石油天然气学报》【年(卷),期】2012(034)004【总页数】4页(P147-150)【关键词】泥页岩;水化;吸水扩散系数;岩石力学参数【作者】吴超;罗健生;田荣剑;刘刚;李怀科;张兴来【作者单位】中海油田服务股份有限公司,河北三河065201;中海油田服务股份有限公司,河北三河065201;中海油田服务股份有限公司,河北三河065201;中海油田服务股份有限公司,河北三河065201;中海油田服务股份有限公司,河北三河065201;中海油田服务股份有限公司,河北三河065201【正文语种】中文【中图分类】TE242在钻井过程中，经常钻遇到泥页岩地层。
当地层被钻开之后，钻井液和泥页岩接触并使之发生水化反应，导致岩石强度降低，造成井壁坍塌或缩径。
要评价钻井液抑制性的强弱，仅仅依靠传统方法——泥页岩的滚动回收率及膨胀率还不够全面。
尤其对硬脆性泥页岩，虽然其滚动回收率很高，膨胀率也很小，但是现场钻进时，若封堵效果不好，经常出现岩石剥落掉块现象。
这是由于在地层水化的过程中，岩石强度和粘聚力等一些力学参数发生了很大的变化。
因此，就有必要找出一些合理的参数来表征岩石水化前后的性能变化，从而能较为全面地评价在钻遇易水化地层时发生的井壁失稳及井眼不规则等问题。
泥页岩地层被钻开后，离井壁越近，泥页岩吸水越多，岩石强度降低程度越大，井壁坍塌的可能性也就越大。
但如果钻井液的抑制性较好，封堵泥页岩微裂缝的能力更强，泥页岩吸水量就更少，更有利于井壁稳定。
页岩水化对岩石应力分布的影响_文凯民_陈平_李小强_马天寿
垂向应力随距井眼轴线距离的增加而减小， 这 和含水量的多少有直接关系。且不同的井周角对应 井周角 90° 和 270° 的时候垂向应 不同的垂向应力， 0° 和 180° 的时候垂向应力最小。 图中可以 力最大， 看出水化膨胀作用明显增加了垂向应力 ， 地层的各
46
科
学
技
术
与
工
程
15 卷
向异性对于垂向应力同样有着重要的影响 。在计算 垂向应力时地层的非均质性和水化作用都应重点 考虑。
含水量分布计算
钻井液通过水力压差和渗透势差的作用进入井 壁， 页岩发生水化作用的前提是水进入页岩 。 含水 量的大小对于页岩强度和孔隙压力大小起着重要的 作用， 通过对于含水量分布计算唯象表征页岩产生 的水化应力分布， 参照 Chenevert 的页岩一维吸水试 验方案， 经处理后得到 r W（ r， t） = W0 + （ W S － W0 ） erfc 2 。 Cf t 槡 1. 2 页岩水化膨胀造成的均布应力
1 2
10 11 12 13 14
(
(
(
) ) )
(
)
Fig. 1
图 1 含水量分布规律图 Chart of water content distribution rule
且井壁处的 图 1 可以看出井壁处含水量最高， 含水量一开始就达到饱和状态。从井壁处开始距离 井眼轴线距离越远， 含水量越低。 钻井液入侵深度 6 cm ， 不超过 之后含水量变化逐渐趋于平缓。 在离 井眼轴线距离一定的情况下， 含水量随时间的增加 而增加。 径向应力随着距井眼轴线距离的增加而减小，
根据油田现场大量实验得出 E = E1 exp［－ E2 （ W － W1 ） ］ ； v = 0. 2 + 1. 3 W。 E2 = 11. 0 ， W1 = 0. 02 。 E1 = 4. 0 × 10 4 ， 式中， 泥岩吸水造成的泥页岩体积膨胀与吸附水量呈 二次多项式相关 2 ε v = k1 W + k2 W ， k2 = 0. 832 ， m = 0. 71 。 k1 = 0. 033 3 ， 1. 3 地应力分布不均匀造成的应力分布 由水化造成的地应力的非均匀性引起的井壁围 按照直井 岩应力分布参照井壁稳定力学经典公式， ［12 ］ 井周应力模型进行计算 2 2 σ = a p + σH + σh 1 － a + r， 0 2 i 2 2 r r 4 － σH σh 4 a4 3a 1 + 4 － 4 cos2 θ 2 r r 2 σH + σh a a2 = p + － 1 + σ θ， i 0 2 r2 r2 σH － σh 3 a4 1 + 4 cos2 θ 2 r a2 σ z， = － 2 v （ － ） cos2 θ。 σ σ σ v H h 0 r2 水化作用的应力计算假设了地层的各向同性， 井眼周 但是实际地层条件下地应力时非均匀性的， 。 围围岩的应力分布并不满足轴对称条件 因此， 必 须对地应力进行补充和修正， 从而在模型中考虑到 地应力非均匀性这个因素， 使模型更加切合地层实 际情况， 于是引入参数 S。 σH + σh ， 上式中的 σ H 和 σ h 分别以 S H 令S = 2
地基中的附加应力计算
地基中的附加应力计算
1.经验公式法：
经验公式法是根据实际工程经验得出的结论，通过对已有工程案例的分析总结，得出了一系列与地基附加应力相关的经验公式。
这些经验公式可以根据地区、地质条件、地基材料等不同的情况进行选择和调整。
常用的经验公式有：
- 弗里斯(Prandtl)公式：适用于单轴受力的情况，可以计算地基中的垂直和水平附加应力。
-托伯公式：适用于地下水位以上的地表载荷作用的情况，可以计算地基中的垂直附加应力。
-迈尔公式：适用于地下水位以下的地表载荷作用的情况，可以计算地基中的垂直附加应力。
2.有限元法：
有限元法是通过将地基划分为有限的单元，利用有限元软件进行数值计算，得出地基中附加应力的分布情况。
这种方法需要进行大量的地质和地基参数调查，并进行合理的边界条件设定，才能得到准确的结果。
有限元法可以考虑地基中的非线性和不均匀性，因此可以提供更精确的附加应力计算结果。
在进行地基中附加应力计算时，需要考虑以下因素：
-建筑物或地表载荷的性质和大小；
-地下水位的位置和变化；
-地质条件和地基参数的分布情况；
-土壤的应力-应变关系。
通过合理选择计算方法和准确输入参数，可以得到准确的地基中附加应力计算结果。
这些结果可以用于地基设计和土木工程的安全评估，为工程提供合理的地基设计方案和施工措施。
混凝土受徐变作用的标准化计算方法
混凝土受徐变作用的标准化计算方法混凝土受徐变作用的标准化计算方法引言混凝土是一种常见的建筑材料，具有广泛的应用领域。
然而，随着时间的推移，混凝土中的一些成分会发生变化，导致其性能随之改变，其中之一即为徐变。
徐变是指材料在长时间持续荷载下，由于材料粘滞性的存在，导致材料的应变逐渐增加的现象。
混凝土的徐变性能对其使用寿命和耐久性有着重要影响。
因此，混凝土受徐变作用的标准化计算方法是建筑工程中不可或缺的一部分。
一、混凝土徐变的概念和影响因素1.1 混凝土徐变的概念混凝土徐变是指在长时间持续荷载下，由于混凝土中的水泥胶体分子间的相互作用力和内部混凝土骨架的摩擦力等因素的存在，导致混凝土的应变逐渐增加的现象。
1.2 影响混凝土徐变的因素混凝土的徐变性能受到多种因素的影响，包括：（1）荷载大小和持续时间：较大的荷载和较长的持续时间会导致混凝土徐变更加明显。
（2）温度变化：温度变化会引起混凝土的收缩和膨胀，从而影响其徐变性能。
（3）水泥品种和用量：不同种类和用量的水泥会对混凝土的徐变性能产生不同的影响。
（4）骨料种类和粒径：不同种类和粒径的骨料会影响混凝土的内部结构和孔隙度，从而影响混凝土的徐变性能。
（5）混凝土配合比和浇筑工艺：不同的混凝土配合比和浇筑工艺会影响混凝土的密实度和内部结构，进而影响混凝土的徐变性能。
二、混凝土徐变的计算方法2.1 徐变试验混凝土徐变试验是评价混凝土徐变性能的基本方法。
常见的徐变试验方法包括：恒定荷载试验、恒定应变试验和蠕变试验。
（1）恒定荷载试验：在混凝土试件上施加恒定荷载，测定试件在荷载下的应变随时间的变化曲线，从而评价混凝土的徐变性能。
（2）恒定应变试验：在混凝土试件的顶端施加恒定应变，测定试件在应变下的应力随时间的变化曲线，从而评价混凝土的徐变性能。
（3）蠕变试验：在混凝土试件上施加恒定荷载，同时施加恒定应变，测定试件在荷载和应变作用下的应变随时间的变化曲线，从而评价混凝土的徐变性能。