泥页岩井壁稳定的力学与化学协同作用研究与应用
【摘要】 井壁失稳问题,从广义上讲不仅包括脆性泥页岩井壁的坍塌剥落、塑性泥页岩井壁的缩径和粘弹塑性变形,还包括地层在钻井液压力作用下的水压破裂以及钻完井过程中,经常出现的井壁坍塌、地层破裂、扩径缩径等工况。井壁失稳问题是世界各大油气田长期勘探开发过程中,最常遇到的井下复杂情况之一,其严重影响油气勘探开发的进程,甚至会对现场施工人员造成人身伤害。根据统计资料显示,全世界的石油钻采公司,每年仅用于保护井壁稳定性的费用就多达10亿美元,并且对井壁稳定性问题的处理,使总体的钻井时间增加了5%-6%之多。由于在所钻遇的地层中,近75%为泥页岩,且由泥页岩引起的井壁失稳现象高达90%以上,因此,目前国内外针对井壁稳定性问题的研究均围绕泥页岩井壁稳定展开,所取得的成果不仅能够加快钻井速度同时实现低成本钻井,还能够提高我国钻井技术在世界上的核心竞争力。本文从根本上分析了发生井壁失稳现象的原因,包括力学作用和钻井液物理-化学作用两个方面,这两方面作用是相互影响、相互制约、密不可分的。通过前人的实践证实,仅从力学作用或钻井液物理化学作用的单一方面井壁失稳问题进行研究是行不通的,必须综合考虑这两方面因素的影响,才能有效的解决井壁失稳问题。因此,这也是今后泥页岩井壁稳定问题研究的发展方向。泥页岩中的主要成分粘土矿物的特性是对泥页岩性质起决定性作用的因素,因此本文对粘土矿物特性进行了深入的研究,总结出与井壁稳定联系紧密的几种特性对井壁稳定的影响规律,包括比表面积、阳离子交换量、水化作用、孔隙水活度等。并且根据国内外研究现状,在大量总结前人的研究进展和充分吸收前人研究成果的基础上,结合对泥页岩本身的组分特征和理化性能的研究,对原地应力状态、地层孔隙压力、地质构造特征等岩石所固有性质和参数进行了测定方法和计算方法的总结、推导；综合研究钻井液的性质与组成,以及其对井壁应力分布状态的影响,主要是对p塌的影响；进行了井壁稳定性的岩石力学和钻井液物理化学协同作用机理的研究。在搞清楚了泥页岩井壁失稳的根本原因以及基本建立起来了泥页岩井壁稳定性研究理论体系的基础上,总结了现有井壁稳定性研究实验方法以及这些方法的优缺点。由于造成井壁失稳的原因的复杂性,导致理论计算结果与工程实际有一定的误差,目前仍然没有一种装置能够实现直观的观测到钻井液对井壁作动态过程的目的,因此迫切需要一种能够帮助研究人员实时、动态的了解井壁失稳过程的装置,这已经成为当前泥页岩井壁稳定性研究取得重大突破的关键节点。结合理论研究成果,为评价钻井液对泥页岩井壁失稳的影响,制定出了高温高压泥页岩井壁稳定评价装置的研制思路,利用获取的泥页岩的组分和理化性能资料压制人工井壁,继而模拟井内压力、温度和钻井液的动态循环状态,以真实地形成钻井液对井壁的冲刷损害。根据这一思路和国内泥页岩井壁稳定室内评价装置的发展现状,利用超声波成像技术、水力压力传递与化学渗透作用机理,研制了高温高压泥页岩井壁稳定评价装置,并制订了相应的评价方法,为评价泥页岩井壁稳定性提供了一种新方法。该评价装置包括人工井壁模拟装置、高温高压三轴压力室、温度、压力和围压控制系统、钻井液动态循环系统以及数据采集与处理系统。通过实验,对仪器设计和实验方法进行了优化,并且提出了改进装置的意见和深入开发装置其他功能的实验思路,包括减小人工井壁厚度、实现超声波测距的自动化、完善软件的可操作性等方面。增加装置的单因素实验,通过实验结果分析井内环境、岩心组成、钻井液滤液组成、钻井液返速等因素对井壁稳定性的影响。通过前期的压力传递实验证明,水力压差和钻井液与地层水之间的化学势差是流体侵入井壁地层的驱动力,要控制泥页岩压力传递和阻止钻井液滤液进入晶层,需增加钻井液的抑制、封堵、成膜等作用,从而达到保持泥页岩井壁稳定性的目的。这些装置改进意见和扩展实验思路,使得所研制的高温高压泥页岩井壁稳定评价装置能够进行有关井壁稳定的多种实验,实现装置利用的最大化,也为有针对性的改善钻井液性能、提高泥页岩井壁稳定性提供了更多、更有效的依据。本文还利用线性膨胀法进行了新型泥页岩水化作用抑制剂的筛选,筛选出了代号为JHSZ和JHGX的高效抑制剂,通过进一步实验,确定出了这两种抑制剂在钻井液体系中添加的最佳浓度分别为0.5%和3%。应用研制出的高温高压泥页岩井壁稳定评价装置,进行人工井壁模拟实验,对筛选出的抑制剂的抑制效果进行评价,证实其稳定井壁的效果优良。利用对泥页岩井壁稳定的力学与化学协同作用研究结果,对涠洲11-2油田的井壁稳定性问题进行分析计算,计算结果与实测数据的误差在工程允许范围内,确定出了能够维持井壁稳定的钻井液“安全”密度窗口,进一步证实了泥页岩井壁稳定的力学-化学耦合作用机理对稳定井壁所起的积极有效的作用。本文的研究结果不仅能够对涠洲11-2油田相邻油田的开发利用提供理论指导,所筛选出的新型抑制剂加量少、成本低、性能优,所研制的高温高压泥页岩井壁稳定评价装置填补了我国在井壁稳定动态模拟研究实验方法上的空白,并且实现了装置功能的最大化,有望得到大面积的推广和使用,应用于更加广泛的油气开发领域。
第1章绪论
1.1研究的目的及意义
我国煤层气资源极其丰富，是仅次于俄罗斯和加拿大的第三大储量国。根据最新一次的资源评估报告(2006)，我国埋深2000m之内的煤层气储量达到36.81万亿立方米，与陆地常规天然气资源量相当煤层气资源的加速幵采，不仅能够有效缓解我国对能源的不断需求(图1-1,1-2)，同时有助于优化能源结构，因此，加大煤层气开发力度是明智而又现实的选择。
煤岩是古代地表腐烂植物沉积演化的一种有机矿物，显微组分主要由镜质组、丝质组及少量矿物组成，矿物成分主要为粘土。煤岩在煤化过程中产生大量的割理、微孔隙和微裂缝，根据成因可分为内生裂隙和外生裂隙12]，这些裂隙的存在使得煤岩产生较强的不连续性、各向异性及非均质性，从而在力学性质上同常规储层相比差异较大，通常表现出低弹性模量、易碎、高泊松比、低机械强度等力学特点。在钻井过程中极易发生井眼卡钻、井漏、井壁坊塌等严重的井壁失稳问题，给煤层气井造成巨大的经济损失[4-6]，目前我国煤层气行业面临的最重要的问题就是节约成本，而保证煤岩井壁稳定是解决问题的关键。
关于井壁稳定性问题的研究，早在9世纪中期就逐渐幵始。由于泥页岩井段井壁失稳问题占到整个井壁失稳的90%以上[7]，因此专家学者进行了大量的研究，经历了从井壁力学研究、化学研究，到目前力-化-热等多场糊合研究。力学研究主要研究岩石力学性质、井周应力分布及强度准则；化学方面主要研究泥页岩微观组分、水化作用及抑制水化作用的各种方法。经过几十年的研究，在泥页岩井壁稳定性问题上取得了丰硕的成果。然而对于煤岩的井壁稳定性问题，由于煤岩本身结构复杂，存在着近乎于相互垂直的割理面，具有连续性较差，非均质程度高等特点造成了在研究过程中，原有的基于连续性介质的研究思路和方法并不适合，需要从全新的角度去研究煤岩的井周应力分布，修正强度准则。另外，研究煤岩井壁稳定性问题，就无法避免要涉及到煤岩的强度及力学特性，然而由于煤层气井在我国起步较晚，煤岩强度、变形、破坏机理等力学性质研究较少，无法获取准确的煤岩岩石力学参数。同时在研究煤岩的力学性质时，实验方法尽管同其它岩石类似，但区别在于，对于砂岩、泥页岩、碳酸盐岩等相对致密的岩石来讲，岩心的获取相对容易，在力学性质上差异性也较小，然而煤岩由于割理发育，被切割成了若干块体，获取完整岩心极其困难，同时其强度参数离散性较强，可靠度低，造成煤岩力学性质研究成果较少，在进行煤岩井壁稳定性数值计算及理论研究时，缺乏科学性和合理性。
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1.2国内外研究现状
近些年，随着科学技术的不断进步，扫描电镜系统的普及应用，使得研究人员得以从微观角度准确观察煤岩内部结构；岩石力学伺服控制系统的应用可以得到煤岩的应力-应变曲线，并进而研究围压、工作液等对煤岩力学性质的影响；基于非均质力学模型的数值模拟技术的发展则为煤岩破坏的更加系统的理论分析提供了重要技术手段支撑。这些研究成果都为本文的研究奠定了重要基础。
1.2.1煤岩力学性质研究现状
1.2.1.1岩石抗压强度特性
煤岩力学特性对煤层气安全有效幵发具有较大影响，是煤层气钻井及开发过程中多个工程环节设计所需的重要基础参数。近年来，学者们围绕煤岩抗压强度特性及其影响因素开展了一系列的研究工作，取得了不少的研究成果。
王生维等（1996）通过分析煤岩裂隙、节理发育特征，发现煤岩具有极其明显的各向异性，加载方向垂直于层理面同平行于层理面时相比，力学参数明显增大，破坏时产生明显的脆性特征，几乎不存在残余强度。
杨永杰[11]等（2011）通过扫描电镜分析观察了两个不同煤岩的微细观损伤变量，发现原生损伤变量与煤岩宏观力学性质密切相关，原生损伤变量越小，单轴抗压强度越大，并且随着原生损伤变量减小，煤岩破坏方式由塑性向脆性改变。Huk提出损伤参数为岩心截面实际面积Aef与表观面积A的比值：
蒋长宝[12]等（2011）通过三轴伺服实验装置，研究了含瓦斯煤岩卸围压下的破坏形式是以剪切破坏为主的剪张复合破坏。
朱宝存等（2009）通过研究煤岩与顶底板的岩石力学性质，发现不同地区煤岩及顶底板力学性质差别较大，通过取其平均值表明煤岩的抗压强度与顶底板岩石相比大幅降低，弹性模量相比更是相差一个数量级，而泊松比明显偏高。同时发现煤岩顶底板抗压强度和弹性模量与孔隙度成反比关系，而煤岩的力学性质与孔隙度间关系不明显。
孟召平[14]等（1996）通过煤岩力学试验，总结出煤岩的破坏形式主要包括：单轴试验条件下主要出现脆性破坏；三轴试验条件下主要呈现塑性破坏；具有明显节理、夹层、层理等弱面结构的煤岩主要沿着弱面结构发生剪切破坏。
李永明等（2006）研究了加载方式不同对煤岩力学性质的影响，指出煤岩力学性质与煤岩结构和加载方式密切相关，在较高围压进行加卸载试验时，抗压强度基本相同；低围压下加载试验破坏的极限强度高于卸载破坏试验，同时发现加载时多是呈现剪切破坏，卸载时主要呈现张剪复合破坏，表明煤岩卸载时更容易发生破坏。
刘主琛[I6]等（1998）研究了七种岩石抗压强度的尺寸效应（包括煤岩），并结合试验数据给出了计算岩石标准强度的经验公式。
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第2章煤岩强度特性研究
煤岩物性参数及力学性质是开展煤岩井壁稳定性研究的基础。本文共制取24块煤岩岩心幵展了煤岩强度特性测试研究（根据后面煤岩组分分析可分为2组）。既为煤岩力学性质研究提供了直接测试资料，也为下一步数值计算提供了基础参数。
2.1煤岩抗压强度特性研究
2.1.1实验原理及方法
煤岩抗压强度特性测试在西南石油大学国家重点实验室GCTS-1000型高温高压岩石力学测试系统上进行。该系统围压MOMPa，轴压1000KN。
GCTS-1000型电液伺服岩石试验系统主要特点：（1）由系统配套的计算机全程控制，具有自动采集和处理数据的能力；（2）具有三个独立的伺服控制系统分别实现围压、轴向压力和孔隙压力的控制；（3）伺服控制实验精度高，可以在高温（15）高压（MOMPa）环境下正常工作；（4）可以对加载速度和加载方式进行任意选择。根据煤岩特点，实验过程中采用了轴向应变控制方法完成测试。
2.1.2煤岩岩心制备
本次试验中煤岩来自泌水盆地二叠系下统山西组（3"煤层），这个层位是目前煤层气勘探开发的主要区域，该区域断裂构造发育，煤层埋深大概400-900m，厚度为5-6m，煤层显微组分以镜质组为主，含量平均为87. 1%,镜质体发射率基本分布在2. 63%-3. 69%,煤岩密度1.49g/cm3左右，含气饱和度较好。由于煤岩微裂隙、层理、节理极其发育，微孔隙、微孔洞较多，呈现明显的非均质性及各向异性，同时煤岩机械强度低，易破碎。在进行力学试验前，煤岩取样十分困难，且受人为干扰影响较大。在取样制样过程中，为尽可能地减少人为干扰的影响，采取以下措施：
(1)在取样的时候，大块煤样被底座加持固定，避免引起钻取的时候晃动，手动加载时均匀用力，速度适中。
(2)钻取岩心时，利用液氮降温处理，防ih钻头因温度过高，造成煤岩性质发生改变，且不可用水。
(3)钻好的岩心立即包装好，贴好标签，并且尽快进行恐心断面切割。
(4)加工好的岩心及时进行不同频率探头的声波时差测定，并做好共钻取告心24块，其中垂直于层理面钻取8块，平行于层现面8块，均质较好8块。
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2.2煤岩抗张强度特性研究
岩石抗张强度也被称为抗拉强度，是岩石在单轴拉力作用下达到破坏时的极限强度，数值上等于破坏时的最大拉应力。实验室获取抗张强度参数的方法分为直接法和间接法。直接法由于夹持等问题，不便操作，而且容易损伤岩石表面,对试验结果造成一定误差，因此很少采用。单轴抗张试验实验室常采用间接方法一巴西试验法来测定岩石的抗拉强度。其中计算表达式为：
式中：σ1为岩石的抗张强度（MPa);
P——为岩石破裂时的最大载荷（KN);
d、t 为试样的直径和厚度（mm)。
共测试了8块煤岩岩心的抗张强度。测试结果如表2-3所示。
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第3章煤岩微细观结构及对力学性质的影响研究........................................20
3.1煤岩体微细观结构特征........................................20
3.1.1扫描电镜下煤岩体微孔隙类型及特征........................................20
3.1.2煤岩微裂隙发育特征........................................22
3.2煤岩体的原生损伤变量及对强度的影响........................................25
3.2.1损伤变量........................................25
3.3煤岩体各向异性对其强度影响........................................28
3.4煤岩体组分对其力学性质的影响........................................29
3.4.1煤岩有机组分对强度的影响........................................29
3.4.2钻井液对煤岩强度的影响........................................30
3.5本章小结........................................32
第4章煤岩井壁稳定性数值模拟研究
煤岩井壁稳定性的数值模拟研究是利用数值模拟软件通过建立模型、输入参数、经过计算分析井壁是否稳定。目前数值模拟计算主要是通过RFPA、ANSYS、FLAC3D、UDEC及3DEC等软件完成。每个模拟软件都有自己的优势，但煤岩结构复杂、割理发育（如图4-1所示），造成在以往的数值模拟研究中没有充分考虑影响煤岩井壁稳定性的因素，而有的软件则是本身就不适合研究非均质性强的材料[6]。屈平等通过对比不同岩石井壁失稳机理发现：煤岩井壁失稳过程与其它岩石存在明显区别，常规砂岩的失稳过程一般分为（1）应力下局部产生微裂纹；（2）裂纹持续扩展；（3）微裂纹相互沟通，产生大裂纹；（4）井壁坊塌。节理性地层由于己含有微裂纹，第一个阶段并不明显，失稳过程主要是后三个环节。相对于前两种岩石，煤岩由于割理发育，尤其是面割理平行发育，连续性较好，裂纹之间己经相互沟通。因此尽管煤岩井壁失稳过程同样经历四个阶段，但前两个阶段会迅速产生，快速过渡到大裂纹形成和井壁坊塌的阶段，井壁失稳现象更快也更明显。在以往的研究中尽管也采用了诸如虚拟节理技术、内外建模技术等方法，但始终未能全面准确建立煤岩井壁稳定性模型，主要面临以下几个问题：
(1)没有充分考虑煤岩非均质性、各向异性，以及割理面等弱面结构对井壁稳定性的影响。
(2)建模过程中对煤岩割理结构建模方式不完全符合实际情况。
(3)没有从孔隙压力、渗流边界等流固稱合角度研究煤岩并壁稳定性。
(4)模型中的力学参数及煤岩基础参数，大都來自国内外参考文献，数值准确性有待考量。
鉴于以往研究中出现的问题，本文利用RFPA-Flow渗流版数值模拟软件及实验室实测煤岩力学参数、物性参数研究了煤岩的井壁稳定性，主要包括以下研究内容：
(1)建立煤岩井眼的非均质模型，从实际情况出发，充分考虑了微裂隙、割理面等弱面结构的影响；
(2)井眼轨迹对坊塌、诱导缝形成扩展影响；
(3)割理面密度、产状对井壁稳定性的影响；
(4)半径大小、地层孔隙压力对井壁稳定性影响；
(5)煤岩井壁坊塌及诱导缝形成影响因素分析。
4.1 RFPA软件分析原理
论文中所使用的RFPA-Flow软件是基于岩石破坏过程渗流与应力稱合分析而开发的，基于连续介质力学和损伤介质力学原理，具有应力分析、渗流分析、稱合分析、破坏分析4个方面的功能。应力分析釆用有限单元法，而破坏分析则根据修正后的摩尔库仓准则，来检查材料中是否有破坏单元，对破坏单元则采用刚度特性退化（处理分离）和刚度重建（处理接触）的办法进行处理。RFPA分析系统的一个显著特点，就是将岩石类材料的不均勻性参数引入到计算单元，假定参数服从韦伯分布，以概率统计方法描述其离散性，充分考虑了岩石介质的非均质特性[62]。
除了岩石材料的非均质性特征，如何研究岩石破裂过程中的应力-损伤-渗流等稱合特征也是在数模及数值方法计算中所面临的重要问题。岩石的渗流率是岩石中孔隙与裂纹所组成结构体的渗透率。天然状态下，可以看做常数，但在工程进行的过程中，应力状态将发生改变，渗透率也会发生改变，尤其在岩石破坏的时候，渗透率的改变势必会影响到应力场变化，从而直接影响岩石破坏方式，由此可以看出考虑岩体流固稱合作用的应力分析及破坏分析具有更普遍的理论意义及应用价值。RFPA-Flow是在之前RFPA基础上，为研究岩石破坏过程中应力-渗流耦合分析而开发的，这个系统能够对裂纹萌生、扩展过程中渗透率演化规律进行模拟分析。在煤岩井壁稳定性研究工程中，充分考虑了煤岩的非均质性，同时考虑流固锅合作用，可以真实再现井眼周围裂纹萌生、扩展及应力迁移、释放、最终造成煤岩坊塌的全过程。
4.2煤岩流固锅合模型
4.2.1煤岩非均质性描述
煤岩作为一种天然材料，由于组分、结构及胶结方式的不同，强度上体现出极强的非均质性，从图4-3可以看出煤岩介质构成极其复杂，呈现明显的非均质性分布，因此煤岩的力学参数不可能用同一特征值所描述，但是可以从微细观角度对其力学性质进行离散，用数学上统计学方法进行不均质微观破坏进行描述。weibull在1939年首次提出了用统计性方法描述非均质性的方法，经过大量的试验，weibull建议利用具有门滥值的释函数来描述这种极值分布，weibull分布对于研究岩石强度理论及尺寸效应起到了重要作用。weibull分布基本思想是：把一个岩石划分为若干个基元体，其力学性质可以用统计性方法描述。基元体相对于宏观介质相比足够小，可以忽略不计。但与微观尺度相比，要大很多，内部包含足够多的矿物晶体、胶结晶体及微缺陷，基元力学性质是其内部材料的平均值，因此基元体内部可以看做是均质的。但由于基元体内部包含材料的差别，其力学性质（强度、弹性模量、内摩擦角、泊松比）并不一致，有强有弱，这就保证了基元体力学性质的不均质性,从而实现了岩石材料的非均质性描述。
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第5章结论及建议
5.1结论
本文通过大量的文献调研和室内试验，研究了煤岩力学性质和破坏特点，并且从微细观组分和原生损伤机理方面分析了煤岩力学性质的各向异性和非均质性，确定了准确合理的煤岩力学参数。在此基础上，利用RFPA-Flow渗流与应力耦合作用分析系统建立了煤岩井壁稳定的数值模型，该模型不仅研究了煤岩中割理面等弱面结构对井壁稳定性的影响，而且充分考虑了流体流动及地层压力变化。基于该模型分析了井眼轨迹、割理面、井眼半径、地层孔隙压力变化对煤岩井壁稳定性的影响。得到主要研究结果如下：
一、室内试验部分
(1)煤岩密度较低，主要分布在1.5g/cm3左右；力学性质表现为弹性模量较小，泊松比离散性强，抗张强度低，破坏方式主要以脆性劈裂破坏为主。
(2)通过扫描电镜、CT图像法观察到煤岩含有大量的微孔隙、微孔洞等原生损伤结构，微裂纹极其发育，使得煤岩具有极强的非均质性、各向异性等特征。结合煤岩力学试验分析发现，煤岩原生损伤变量、裂纹发育方向的不同对强度和变形影响很大。
(3)常温常湿条件下，煤岩强度主要同有机组分类型有关，无机组分与煤岩强度之间并不存在明显的关系，但煤岩浸泡在不同钻井液后将会发生膨胀作用，同时造成强度的降低，而且膨胀程度直接受煤岩中粘土矿物含量的影响。
二、数值模拟部分
(1)相同的地应力环境下，相对于直井和沿最小水平主应力方向钻的水平井，沿着最大水平主应力方向钻的井眼最容易发生失稳，直井最不容易发生剪切破坏，坍塌压力最低。沿着最小水平主应力方向钻的井眼破裂压力最高，最不容易发生拉伸破坏。
(2)裂纹扩展、延伸与井眼周围割理发育情况密切相关，裂纹主要沿着连通性较好的面割理方向扩展，延伸的过程中会逐渐贯通端割理。割理密度越大，井眼周围坍塌程度越高，井眼变形越明显。割理面与水平向角度越大，井眼失稳越严重。
(3)井径越大，穿过井眼面割理条数越多，渗流效应越明显，所需维持钻井液最小液柱压力也越高。
(4)地层孔隙压力越高，岩石所受的有效应力越小，井眼岩石越容易发生破裂，井壁稳定性变差。
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本文编号：9145
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