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《泥页岩井壁稳定性的化学与力学耦合研究现状》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第19卷第2期西南石油学院学报Vol.19No.21997年5月JournalofSouthwestPetroleumInstituteMay1997泥页岩井壁稳定性的化学与力学耦合研究现状唐林罗平亚(石油工程系)摘要泥页岩井壁失稳的化学力学耦合作用是近年来井壁稳定性研究中较为关注的问题。本文就这一问题的国内外研究现状作了较为详细的资料调研,从理论和实验两个方面就这一问题的研究思想、方法、技术路线以及技术难点作了归纳和总结。主题词井眼稳定;化学效应;岩石力学;物理化学网络中图分类号TE283X前言泥页岩井壁失稳是井壁稳定性研究的主要内容,它占整个井壁失稳的90%以上,因此,
2、多年来此问题一直是井壁稳定性研究的主要内容。然而,在过去的几十年中,虽然对泥页岩井壁稳定性的化学和力学作用已作了大量研究,取得了较大成功和进步,但泥页岩井壁失稳问题始终没有彻底解决。其中的原因之一可能是没有将影响泥页岩井壁稳定性的化学与力学作用有机地结合起来。在过去相当长的研究中,关于泥页岩井壁稳定性的化学和力学研究都是彼此独立进行的。纯力学研究主要以线弹性连续介质理论研究井壁周围的应力状态,然后根据某种强度准则确定出防止井壁坍塌的理论破裂压力和坍塌压力。化学方面的研究主要体现在防塌泥浆处理剂和使用油基泥浆体系上,其主要机理表现在两个方面,其一是阻止泥浆中的水进入井壁,防止
3、泥页岩水化膨胀;其二是阻止井内流体压力与地层孔隙压力勾通,防止近井壁孔隙压力局部升高。井内泥浆对泥页岩的化学作用,最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力学性能,使岩石强度降低;另一方面产生水化膨胀,如果这种膨胀受到约束便会产生膨胀压力,从而改变近井壁的应力状态。井内泥浆对泥页岩的作用机制不难理解,但如何将这种化学作用带来的力学效应加以定量化,并将其同纯力学效应结合起来研究井壁稳定性问题,过去相当长时间的研究中没有考虑这一问题。到目前为止,国内外关于化学力学耦合的文献很少。从文献资料来看,其研究方法主要表现在两
4、个方面,即实验研究和理论研究两方面。X1996—09—16收稿唐林男,1959年生,博士,主要从事岩石力学及流体力学在井眼稳定及储层保护中的应用研究86西南石油学院学报1997年1理论研究在理论方面,真正能用于定量计算的方法只有两种,一种是Taxas大学C.H.Yew的热弹性比拟法,另一种是Shell公司F.K.Mody等人的水分子自由能热动力理论法。[1,2]1.1化学力学耦合的热弹性比拟法[1]直到1989年,Taxas大学的C.H.Yew等人才首次将泥页岩水化膨胀应力比拟为热膨胀变温应力。于是根据热弹性力学理论,对泥页岩水化产生的力学效应建立了定量化模型。其研究的技术
5、思路如下:泥页岩吸水膨胀类似于受热膨胀,因此,水化膨胀应变受两种因素控制,即:水化膨胀总应变=水化变形约束应力引起的应变+自由膨胀应变对于平面应变问题,根据以上条件,其应力2应变关系为:1εr=[σr-μ(σθ+σz)]+εhE1εθ=[σθ-μ(σr+σz)]+εh(1)E1εz=[σz-μ(σθ+σr力)]。+εv=0E式中ε,rε,θε,z分别为井眼径向、切向、轴向水化总应变;σr,σq,σz分别为井眼径向、切向、轴向水化应力;εh,εv分别为水平面内和轴向平面内吸水自由膨胀应变;μ,E分别为岩石的波松比和弹性模量。由于泥页岩膨胀的各向异性,εh,εv之间与含水量w(
6、r,t)间的关系为:2εh=mεv,εv=k1w+k2w(2)式中,m为膨胀各向异性系数,k1,k2分别为膨胀系数。根据弹性力学理论,dσrσr-σθ平衡方程:+=0(3)drrduu物理方程:εr=,εθ=(4)drr由以上方程便可导出径向位移u与含水量间的关系:2μdusdw1dusdu12+++yB-es2udrEdrrdr1-μErdrrcrμ+msdws2dwec=k1w+1eu+k22w+w1-μEdrEdrdEs=(5)dw将泥页岩吸水比拟为热扩散,于是其吸水方程为:155w5wcrl.=(6)r5r5r5t边界条件为:井壁处(r=a),w(r,t)=ws,σ
7、r=0无穷远处(r=∞),w(r,t)=0,u=0(7)根据以上理论公式,只要确定出任意时刻近井壁的含水量分布,便可求得井壁周围的水化膨胀应力分布。应用该理论的关键是如何准确获得井壁含水量分布和岩石弹性模量随含第2期唐林等:泥页岩井壁稳定性的化学与力学藕合研究现状87水量的关系。如果找到了这个关系,对上述方程进行数值求解,就能得到化学力学藕合的井壁应力分布。该理论的难点:井壁含水量分布和吸水膨胀系数以及弹性模量随含水量变化关系的确定。[2,3]1.2化学力学耦合的水分子自由能热动力理论法[2]1993年,F.K.M
