新型抑制性钻井液的研究毕业论文.docx

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1、泥页岩井壁失稳机理分析新型抑制性钻井液的研究毕业论文1泥页岩井壁失稳机理分析1.1泥页岩井壁失稳机理分析井壁不稳定的实质是力学不稳定。当井壁岩石所受的应力超过其本身的强度就会发生井壁不稳定。其原因十分复杂，就其主要原因可归纳为力学因素、物理化学因素和工程技术措施等三个方面，但后两方面最终均因影响井壁应力分布和井壁岩石的力学性能而造成井壁不稳定。1.1.1力学方面处于地层深处的岩石，受上覆地层压力、水平方向的地应力和地层孔隙流体压力的作用。在钻开井眼前，地下岩石处于应力平衡状态。钻开井眼后，井内钻井液液柱压力取代了所钻岩层提供

2、的对井壁的支撑，失去了地层原有的应力平衡，引起井眼周围应力重新分布。当地应力、岩石强度和孔隙压力等不可控因素与井内液柱压力、钻井液化学成分等之间不能达到适度平衡时，可能引起不同的井眼破坏。当井内液柱压力偏低时，可能使井壁岩石产生剪切破坏，此时，塑性岩石将向井内产生塑性蠕动而导致缩颈，脆性岩石则会产生坍塌掉块,造成井径扩大。当井内液柱压力偏高时，则相应使井壁发生张性破坏而造成井漏。1.1.2化学方面泥页岩是一种由水敏性粘土矿物组成的岩石，其与钻井液的相互作用是必然的。由于泥页岩结构和组分上的特点，采用不同的钻井液体系，这种作用

3、的差别也是很大的。钻井过程中，井眼的形成打破了地层原有的力学和化学平衡，尽管有井壁泥饼的保护，但泥页岩地层与钻井液在井下温度和压力条件下接触将产生如下的相互作用:1）离子交换作用；2）泥页岩和钻井液中水的化学势差异产生的渗透作用；第3页（共24页）泥页岩井壁失稳机理分析1）在井底压差作用下钻井液中水沿泥页岩的微裂隙的侵入；2）毛管力作用产生的渗析。这四方面的作用使泥页岩地层吸水膨胀，产生膨胀应变，从而产生水化应力，使井周围岩的应力分布和材料特性发生显著变化，最终导致井壁失稳，发生钻井复杂事故。1.1.3工程技术方面工程技术方

4、面有钻井液的性能(失水、粘度、密度)、井眼裸露的时间、钻井液的环空反速对井壁的冲刷作用、井眼循环波动压力、起下钻的抽吸压力、井眼轨迹的形状及钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。总之，以上导致井壁失稳的三种因素可以归结为一种因素，即力学因素。因为归根到底，井壁岩石的破坏和失稳都是力(岩石应力，化学应力，工程所引发的各种力)的作用结果，其实质是井壁岩石所受应力超过了其强度而诱发失稳破坏。1.2泥页岩水化膨胀机理分析泥页岩的主要成分是粘土矿物。粘土矿物的成分、含量及其微结构决定了泥页岩的基本物理化学性质和水化机理。对泥页岩的水化机理进行深入

5、了解是研究泥页岩井壁稳定的基础。当泥页岩与钻井液接触时，在水力梯度和化学势梯度的驱动下，引起水和离子的传递，包括钻井液液柱压力与孔隙压力之间的压力差驱动的达西流以及由钻井液与泥页岩之间的化学势差驱动的离子扩散。在这些因素的作用下，泥页岩发生水化，一般存在表面水化、离子水化和渗透水化三种机理。表面水化：表面水化是由粘土矿物表面上的水分子吸附作用而引起的，其主要驱动力为表面水化能。所有粘土矿物都会发生表面水化，在这一阶段，大约吸附4个水分子层厚的水，作用距离为lnm，从而导致结晶膨胀。离子水化：离子水化是指粘土矿物所含硅酸盐晶片

6、上的补偿性阳离子周围形成水化壳。离子水化一方面给粘土带来水化膜，同时水化离子与水分子争夺粘土晶面的连接位置。渗透水化：第3页（共24页）泥页岩井壁失稳机理分析渗透水化是某些粘土在完成了表面水化和离子水化过程之后开始的。水化的离子在液体中离解，远离粘土矿物表面。粘土矿物间形成扩散双电层，双电层斥力和渗透压共同作用而产生的水化作用为渗透水化。因此，只有表面存在可交换阳离子的粘土才会产生离子水化，也只有阳离子交换容量大的粘土矿物才会发生明显的渗透水化。渗透水化作用距离可达10nm以上，体积膨胀较大。所以当泥页岩与钻井液滤液接触时，

7、首先产生表面水化，在表面水化的过程中会产生离子水化，在表面水化和离子水化完成后，才发生渗透水化。由于泥页岩的第3页（共24页）泥页岩井壁失稳机理分析渗透率较低，约为10-6-10-12D，因此，在钻进泥页岩地层时，通常不产生“正常”的钻井液滤液漏失，然而在孔隙压力和钻井液液柱压力不平衡时，将会在两者之间出现压力传递，最终逐渐达到平衡状态。当处于超平衡钻进时，钻井液液柱压力就会侵入泥页岩，引起孔隙压力增加。注意，少量的滤液侵入就会导致孔隙压力较大程度的增加。另外，还由于泥页岩与钻井液之间的不利的粘土阳离子交换，这都减小了有效应

8、力。再加上泥页岩与钻井液相互接触时，会发生一些不利的化学变化，将减弱其胶结力。上述因素的共同作用导致了暴露在钻井液中的泥页岩趋于不稳定。当然也存在相反的情况，当钻井液液柱压力低于孔隙压力时，或钻井液中各种离子的化学势低于泥页岩孔隙流体的化学势，出现反渗透时，都会造成泥页岩脱水，孔隙压力减小