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井壁稳定的有效分析方法——以泥页岩为例.pdf
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1、Journal of Oil and Gas Technology 石油天然气学报石油天然气学报,2023,45(3),260-271 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jogt https:/doi.org/10.12677/jogt.2023.453032 文章引用文章引用:牟晓倩,李猛.井壁稳定的有效分析方法J.石油天然气学报,2023,45(3):260-271.DOI:10.12677/jogt.2023.453032 井壁稳定的有效分析方法井壁稳定的有效分析方法 以泥页岩为例
2、以泥页岩为例 牟晓倩牟晓倩*,李李 猛猛#重庆科技学院,石油与天然气工程学院,重庆 收稿日期:2023年6月7日;录用日期:2023年8月31日;发布日期:2023年9月13日 摘摘 要要 井壁失稳是钻井工程中的一大难题,地层的岩性不同,其影响井壁稳定的因素也不大相同,但分析方法井壁失稳是钻井工程中的一大难题,地层的岩性不同,其影响井壁稳定的因素也不大相同,但分析方法大体一致。基于此,以较为特殊的泥页岩储层为例,对岩石进行矿物组成试验,阳离子交换容量计算、大体一致。基于此,以较为特殊的泥页岩储层为例,对岩石进行矿物组成试验,阳离子交换容量计算、比表面积计算、微观结构观察等理化性能试验以及三轴压
3、缩和史氏压入等力学特性试验,确定影响井壁比表面积计算、微观结构观察等理化性能试验以及三轴压缩和史氏压入等力学特性试验,确定影响井壁稳定的因素,然后根据影响因素建立耦合数学模型,最后将耦合模型带入数值模拟软件演练井壁破坏过稳定的因素,然后根据影响因素建立耦合数学模型,最后将耦合模型带入数值模拟软件演练井壁破坏过程,证明试验确定的影响因素的真实性,达到井壁稳定性分析的目的。通过以泥页岩为例的井壁稳定分程,证明试验确定的影响因素的真实性,达到井壁稳定性分析的目的。通过以泥页岩为例的井壁稳定分析表明该分析方法是可行有效的。析表明该分析方法是可行有效的。关键词关键词 井壁稳定井壁稳定,泥页岩泥页岩,分析
4、方法分析方法 An Effective Method for Analyzing Well Wall Stability Taking Shale as an Example Xiaoqian Mu*,Meng Li#College of Petroleum and Gas Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing Received:Jun.7th,2023;accepted:Aug.31st,2023;published:Sep.13th,2023 Abstract Borehole instab
5、ility is a big problem in drilling engineering,and the factors affecting borehole *第一作者。#通讯作者。牟晓倩,李猛 DOI:10.12677/jogt.2023.453032 261 石油天然气学报 stability are not the same with different lithology of strata,but the analysis methods are generally the same.Based on this,taking a special mud shale reserv
6、oir as an example,the rock is tested for mineral composition,cation exchange capacity calculation,specific surface area calculation,mi-crostructure observation and other physical and chemical properties,as well as mechanical prop-erties tests such as triaxial compression and Stellar well compression
7、,so as to determine the fac-tors affecting shaft wall stability,and then a coupling mathematical model is established according to the influencing factors.Finally,the coupled model is put into the numerical simulation software to drill borehole failure process,to prove the authenticity of the influe
8、ncing factors determined by the test,to achieve the purpose of borehole stability analysis.The analysis of wellbore stability of shale shows that the method is feasible and effective.Keywords Wall Stability,Mud Shale,Analytical Method Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is l
9、icensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 我国虽国土面积辽阔,但已发现的油气储层较少,且我国复杂的地质构造条件给油气开采带来了不小的难度容易发生井壁失稳等问题,导致油气采收率降低,使得油气开采量无法满足如今国内的需求。目前约九成的井壁失稳问题发生在泥页岩储层中1。因为泥页岩硬度较小,钻井过程中易于破碎,且容易自吸水发生水化膨胀造成井壁坍塌,给钻井工程带来不小的难题,故目前我国开采的
10、大部分储层为砂岩储层。为解决井壁稳定性问题,国内外不少学者开展了大量研究。其中王磊2提出了基于瞬态热流固耦合的钻井井壁稳定性分析方法。Allawi Raed H 3等通过构建力学地球模型(MEM),并利用 MEM 定义安全的泥重窗口及提高开发井的钻井性能,从而实现井壁稳定性分析。Eladj Said 等4在阿尔及利亚东南部油田利用地震反演建立的三维地质力学模型对油气井进行井壁稳定性评价。王庆5在建立了地层坍塌及破裂压力不确定性定量表征方法及 ECD 不确定性定量表征方法的基础上,建立了定量评估井壁稳定性的分析模型,解决了井壁失稳的识别难题,实现了井壁稳定性的定量评价。上述研究缺乏岩石自身特性对
11、井壁稳定性影响的分析,大多考虑外部因素对井壁稳定的影响。且上述研究大多较为复杂,缺少系统性,无法普遍使用。本文首先通过试验,对岩石自身特性参数给井壁稳定带来的影响进行系统性、综合性分析,然后利用数值模拟软件将各因素对井壁带来的不同影响更清晰直观地呈现出来,从而实现井壁稳定的有效分析。2.特性分析特性分析 岩石的特性包括其矿物组成、理化性质和力学特性等,下面将对其实试验分析方法进行介绍。2.1.矿物组成和理化性质分析矿物组成和理化性质分析 本节包括矿物组成试验和阳离子交换容量、比表面积、微观结构等理化性质试验。2.1.1.矿物组成分析矿物组成分析 对于岩石的矿物组成测定我们可以用 X 线衍射仪6
12、(如图 1 所示)、透射电子显微镜7(如图 2 所示)、Open AccessOpen Access牟晓倩,李猛 DOI:10.12677/jogt.2023.453032 262 石油天然气学报 扫描电子显微镜等仪器(如图 3 所示)。通过以上仪器的测定可以得到岩石矿物的组成和含量,从而分析岩石的软硬程度、脆性程度、水化作用等。大部分泥页岩都是不同程度的发育着石英、长石和方解石等脆性矿物,且具有较高含量的黏土矿物8。由此可以得出泥页岩一般呈现脆性,硬度较低。而黏土矿物在遇水的情况下会发生水化分散、水化膨胀等8,故而推出泥页岩拥有一定的水化膨胀能力。Figure 1.X-ray Diffrac
13、tometer 图图 1.X 线衍射仪 Figure 2.Transmission electron microscope 图图 2.透射电子显微镜 Figure 3.Scanning electron microscope 图图 3.扫描电子显微镜 牟晓倩,李猛 DOI:10.12677/jogt.2023.453032 263 石油天然气学报 2.1.2.阳离子交换容量阳离子交换容量 阳离子交换容量是指黏土矿物的表面可用于交换阳离子的数量,一般用单位质量干粘土在分散介质条件下交换下来的阳离子数量表示。测定阳离子交换容量的方法有离心机进行氯化铵乙醇法测定9、原子吸收分光光度法10、分光光度计
14、法11等。当粘土中携带的负电荷越多,则吸收周围用来中和负电荷的阳离子就越多,阳离子的交换容量也就越大,阳离子交换容量越大越有利于泥页岩表面水化12。可以利用阳离子的交换容量,来预测地层潜在的水敏性13。有学者14 15表明泥页岩都具有一定的阳离子交换容量,所以其也具有一定的水化能力,在水基钻井液作用下易发生失稳问题。2.1.3.比表面积比表面积 比表面积是指单位质量物料所具有的总面积。常用的比表面积测定方法有:一吸附量法,其基本原理是测定矿物在一定条件下吸附物质的重量,再根据吸附分子的截面积计算岩石的比表面积。二计算法,根据实验得到的数据及结果间接计算岩石的比表面积16。对于含有膨胀粘土矿物的
15、泥页岩,氮气吸附法更为适用17。梁大川16提给出的计算法计算比表面积的公式是:()()()234CST10m/g1awcaSC=式中:a 为 1.66 1015;CST 为 CST 值,s;wc为湿泥饼的密度,g/mL;为孔隙度;a为干泥饼的密度,g/mL;C 为浓度。比表面积的大小会影响粘土矿物的水化,一般比表面积越大,水化程度越强。而泥页岩的比表面积素来相对较大,故而它的水化程度也较强。2.1.4.微观结构微观结构 观察岩石微观结构的仪器有岩相显微镜、扫描电镜(如图 4 所示)、原子力显微镜18(如图 5 所示)等。通过仪器观察岩石内部矿物晶体的定向排列、胶结结构以及微裂隙的发育和分布状况
16、,分析岩石裂缝、孔隙发育情况。以泥页岩为例,如果泥页岩内部微裂缝、孔洞发育较好,那么就会为钻井液的侵入提供通道,可能造成钻井液与地层中的黏土矿物和有机物质发生反应,加大井壁坍塌的风险。而对于不易发生水化作用的砂岩来说,较好的微裂缝和空洞反而是良好的储层条件。故而同样的微观结构对于不同的岩石可能会导致不同的结果,需要多方面结合考量。Figure 4.Scanning electron microscope 图图 4.扫描电镜 牟晓倩,李猛 DOI:10.12677/jogt.2023.453032 264 石油天然气学报 Figure 5.Atomic force microscope 图图 5
17、.原子力显微镜 2.2.力学特性分析力学特性分析 2.2.1.力学特性试验力学特性试验 Figure 6.Triaxial fracturing test instrument 图图 6.三轴压裂试验仪器 Figure 7.Brazilian splitting test instrument 图图 7.巴西劈裂试验仪器 力学特性主要包括弹性模量、泊松比、抗张强度、黏聚力和内摩擦角等内容。岩石的力学特性可以牟晓倩,李猛 DOI:10.12677/jogt.2023.453032 265 石油天然气学报 通过单轴压裂或三轴压裂和巴西劈裂试验得到(三轴压裂与巴西劈裂试验仪器如图 6、图 7 所示)
18、。通过单轴压裂或三轴压裂可以得到岩石的弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角等力学特性,但因为单轴压裂缺少对围压的考虑,同样的岩石进行单轴压裂得到的结果远不如三轴压裂得到的结果更准确。通过巴西劈裂试验可以得到岩石的抗张强度。对北美地区泥页岩的弹性模量、泊松比进行研究分析后,在考虑弹性模量越大,泊松比越小,则脆性越大的基础上,Rickman 19提出了利用弹性模量和泊松比 2 个参数表征岩石的脆性强弱。一般来说,考虑矿物组成的原因,泥页岩一般呈现一定的脆性。可以在进行力学特性试验后,验证此结果。2.2.2.钻井液对力学特性的影响钻井液对力学特性的影响 在石油钻井过程中都要使用到钻井液,根据地层条件的
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