富有机质页岩碱液侵蚀井壁失稳机理

发布时间：2017-03-25 22:09

  本文关键词：富有机质页岩碱液侵蚀井壁失稳机理，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：井壁失稳是富有机质页岩钻井完井过程中常见问题,严重制约着页岩气勘探开发进程。目前多采用油基钻井液控制页岩井壁失稳,然而统计资料显示,井壁失稳问题依然严重。为了保持钻井液的流变性以及各种处理剂的活性,同时为了吸收钻进过程中逸出的硫化氢,油基钻井液通常呈碱性。之前还有学者证实碱液会侵蚀黏土矿物以及石英、长石等矿物,因此有必要深入研究页岩气钻井完井过程中碱液侵蚀作用与井壁失稳之间的关系,为优化现用油基钻井液体系,研究新的强抑制性防塌水基钻井液提供新的思路。以四川盆地龙马溪组富有机质页岩为研究对象,对龙马溪组富有机质页岩潜在井壁失稳因素进行了分析。开展了碱液侵蚀页岩力学强度变化、碱液侵蚀裂缝扩展、碱液侵蚀黏土矿物、碱液侵蚀水化膨胀等实验。以动力学理论为基础,探究了影响碱液与页岩作用速率的变化因素；通过开展页岩高温浸泡钻井液实验,归纳总结了高pH值钻井液作用下富有机质页岩井壁失稳模式并提出了控制方法。深化了对四川盆地龙马溪组富有机质页岩潜在井壁失稳因素的认识。龙马溪组富有机质页岩黏土矿物含量为35%左右,石英、长石等矿物含量为50%左右。在碎屑颗粒边缘以及云母片之间发育大量微裂缝。页岩发育大量纳-微孔隙,平均孔喉直径为5.87nm,主要以纳米级孔隙为主。大量的纳-微孔隙和微裂缝为碱液进入储层提供了渗流通道,黏土矿物以及石英、长石等矿物能与碱液发生反应,即具备潜在的碱液侵蚀井壁失稳因素。实验揭示了碱液侵蚀弱化页岩强度机制。碱液进入页岩储层,一方面侵蚀页岩裂缝壁面、裂缝尖端黏土矿物,导致裂缝扩展,另一方面碱液增强了页岩水化膨胀能力,产生的水化膨胀力使页岩矿物组分易于分散,同样促进了裂缝的扩展、沟通。碱液侵蚀作用与水化膨胀作用共同导致了页岩裂缝扩展,形成缝网,切割页岩,宏观上表现为页岩岩石力学强度的降低。建立了碱液侵蚀作用的动力学方程与活化能方程。动力学方程表明碱液pH值越高,反应速率越大,活化能方程表明随着温度的升高反应速率逐渐增大。根据反应速率与温度关系曲线将反应分为慢速反应阶段与快速反应阶段,温度大于70℃时为快速反应阶段。龙马溪组地层温度为82℃,所用钻井液pH值为11,因此该钻井液与页岩之间的反应处于快速反应阶段,反应速率较大。归纳总结并阐述了高pH值钻井液作用下井壁失稳机理。碱液侵蚀作用大幅度降低了页岩岩石力学强度,导致井周应力场失衡,坍塌压力升高,增加井壁失稳风险。提出了KCl弱化碱液侵蚀作用的可能性并进行实验验证。实验结果表明,钾离子具有弱化碱液侵蚀作用的能力。在明确碱液侵蚀作用机理的基础上,从地质参数获取、钻井液体系设计、现场工程工艺设计三个方面总结了控制碱液侵蚀井壁失稳技术对策。
【关键词】：页岩 页岩气 碱液 碱液侵蚀 井壁失稳
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE254
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-18
• 1.1 研究目的与意义8-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 碱液与页岩作用10-13
• 1.2.2 泥页岩井壁失稳机理13-14
• 1.3 存在的科学问题14-15
• 1.4 研究内容与技术路线15-17
• 1.4.1 研究内容15-16
• 1.4.2 技术路线16-17
• 1.5 论文亮点17-18
• 第2章 富有机质页岩井壁失稳潜在因素分析18-26
• 2.1 四川盆地典型页岩气藏区域地质概况18-19
• 2.2 富有机质页岩矿物组成与有机质19-22
• 2.2.1 富有机质页岩矿物组成19-21
• 2.2.2 富有机质页岩有机质成熟度21-22
• 2.3 富有机质页岩裂缝特征22-23
• 2.4 富有机质页岩孔隙结构23-24
• 2.5 本章小结24-26
• 第3章 碱液侵蚀页岩作用过程分析26-39
• 3.1 碱液侵蚀对页岩力学性质的影响26-28
• 3.1.1 实验材料与仪器26-27
• 3.1.2 实验结果与分析27-28
• 3.2 碱液侵蚀对页岩裂缝扩展的影响28-31
• 3.2.1 碱液浸泡页岩28-30
• 3.2.2 高pH值钻井液浸泡页岩30-31
• 3.3 碱液对页岩黏土矿物的侵蚀作用31-34
• 3.4 碱液对页岩水化膨胀的影响34-38
• 3.4.1 实验材料及仪器34-35
• 3.4.2 实验方法35
• 3.4.3 实验结果及分析35-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 页岩碱液侵蚀动力学行为及工程响应特征39-50
• 4.1 实验样品与方法39-41
• 4.1.1 实验样品39
• 4.1.2 实验方法39-41
• 4.2 单矿物碱液侵蚀率41
• 4.3 页岩碱液侵蚀动力学行为41-47
• 4.3.1 pH值对碱液-页岩反应速率的影响42-43
• 4.3.2 温度对碱液-页岩反应速率的影响43-45
• 4.3.3 碱液-页岩作用机理45-47
• 4.4 页岩碱液侵蚀工程响应特征47-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第5章 高pH值钻井液作用下页岩井壁失稳模式及控制方法50-65
• 5.1 高pH值钻井液作用下页岩井壁失稳模式50-52
• 5.1.1 页岩碱液侵蚀井壁失稳关键因素50-51
• 5.1.2 碱液侵蚀页岩井壁失稳过程分析51-52
• 5.2 钾离子弱化碱液侵蚀页岩作用能力评价52-60
• 5.2.1 钾离子抑制页岩水化膨胀作用机理52-53
• 5.2.2 实验样品与方法53
• 5.2.3 实验结果与分析53-60
• 5.3 页岩碱液侵蚀井壁失稳控制方法60-62
• 5.4 现场实例分析62-64
• 5.4.1 高pH值油基钻井液诱发页岩井壁失稳62
• 5.4.2 合理控制钻井液pH值区间维护页岩井壁稳定62-63
• 5.4.3 使用有利于维护页岩井壁稳定钻井液体系63-64
• 5.5 本章小结64-65
• 第6章 结论与建议65-67
• 6.1 结论65-66
• 6.2 建议66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况73

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