泥页岩水化作用对井壁稳定性影响的分析

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1、中国石油大学(华东)硕士学位论文第1章前言1．1研究目的及意义1．1．1研究目的本课题来源于中石油“十二·五力设立的“复杂地层钻井液技术研究"重点项目中的子课题。井壁失稳一直是困扰着石油钻井界的世界性难题，每年造成直接经济损失超过10亿美元。据统计数据显示，约有75％的钻遇地层是泥页岩，90％井壁失稳发生在页岩层地层【11。水化作用是引起泥页岩地层井壁失稳的主要原因之一，经过几十年的研究，在泥页岩水化机理方面已取得了一定的成就，但由于问题的复杂性，研究思路的片面性以及研究手段的局限性，该问题一直未能得到很好的解决。因此，综合多学科(如粘土矿物学、钻井液化学、岩

2、石力学和渗流力学等)相关理论分析，深入细致地研究泥页岩井壁水化失稳机理及其主要影响因素，实验评价水化作用对坍塌压力以及安全密度窗口的影响，指导防塌钻井液密度及体系配方优化，是井壁稳定问题研究中的基础课题，具有重要的理论与实际应用价值。1．1．2研究意义泥页岩水化失稳会导致井下复杂事故多、钻井速度慢、钻井周期长、成本高，给安全、优质、快速、高效钻井带来很大障碍，甚至关系到钻井成败，严重阻碍和影响了油气资源钻探开发的进程和效益，引起了国内外高度关注。当前钻井技术处于以解决井壁稳定问题为前提、攻克该“瓶颈’’为重要标志的新技术发展历史时期。近年来，井壁不稳定问题在国

3、内外钻井工程中广泛存在。例如在国内，辽河油田沈北区块的深部泥页岩剥落垮塌较严重，双楠区块中深部泥页岩水化膨胀分散较严重；在国外区块，长城钻探施工的Guanabo区块出现大段的泥页岩缩径与垮塌，阿塞拜疆钻井项目窄安全密度窗口突出等。目前钻井工程中，P塌指的是地层岩石原始状态下的井壁坍塌压力。而钻井过程中泥页岩地层水化膨胀不仅产生水化应力(膨胀压)，还会降低泥页岩强度。两者均会导致P塌增大，安全密度窗口变窄，防塌钻井液密度升高。若提高钻井液密度，即增大井底水力压差，又会使P塌进一步增大，如此恶性循环，最终使密度丧失其合理性，引起井壁失稳。1第1章前言当前，深入分析

4、泥页岩水化失稳机理及其主控因素，实验研究泥页岩水化作用对坍塌压力和安全密度窗口的影响，指导防塌钻井液密度及体系配方优化，对于有效解决井壁稳定突出问题，具有重要的理论和现实意义。1．2泥页岩井壁稳定问题研究现状及发展趋势1．2．1泥页岩水化作用机理研究现状泥页岩是由粘土矿物、非粘土矿物以及孔隙流体等三类物质组成。实验研究发现，泥页岩水化膨胀过程中起主要作用的是粘土矿物水化膨胀，因此，研究泥页岩水化机理实质上就是研究粘土矿物水化机理。20世纪初期，岩土工程学、矿物学、胶体界面化学等方面的专家学者开始从不同的角度对粘土矿物进行一系列研究，在粘土组成、基本结构、晶体光

5、学性质等方面、取得了大量的研究成果【2】。50年代，国外部分学者利用平衡水蒸气法、接触角法等测量吸附热、润湿热、粘附功等，来计算土壤水的有关热力学函数，作为研究粘土颗粒—水相互作用机理的参考依据。其中，Low认为水在粘土表面上的吸附分为：物理吸附和化学吸附两种。粘土水化前期主要表现为化学吸附，水化后期则以物理吸附为主。其主要研究成果见Lowl961年发表的“粘土颗粒—水分子之间的物理化学作用刀。同一时期，粘土矿物学的专家学者对粘土矿物的结构进行了研究，研究发现粘土矿物以二维形式的Si—o四面体和A卜旬八面体为主要结构单元，粘土基本结构又由这两种片层结构单元按不

6、同的比例结合而成，层与层之间通过范德华力进行连结。不同的结合比例构成不同的粘土矿物，最常见的是1：l层型(一片硅氧四面体与一片铝氧八面体相结合)，2：1层型(--片硅氧四面体中间夹着一片铝氧八面体)，层间存在的物质成为层间物(常常有层间水、层间阳离子等)。其中，晶格中铝氧八面体的铝和硅氧四面体的硅被低其一价的金属原子取代，引起晶格带电，为平衡电价晶体表面结合了一些可交换性的阳离子，称为可交换阳离子(CEC)。由于组成和晶格取代的情形不同，不同的粘土矿物具有的比表面积及阳离子交换容量也不相同。试验研究还发现，粘土颗粒水蒸气吸附量与其表面积存在一定的关系，符合Br

7、unauer、Emmett、Teller等提出的多分子层吸附理论，即BET吸附理论。该理论认为不仅吸附剂与吸附质之间存在范德华引力，吸附质之间也存在范德华引力，可实现多层吸附。利用BET方程可以通过水蒸气吸附法测量单位体积或者单位质量的粘土颗粒的表面积。实验研究表明，粒径相同的粘土矿物比表面越大，总吸水量也越大，例如蒙脱2中国石油大学(华东)硕士学位论文石比表面积大，其吸水量也比较大，非膨胀性粘土矿物，其比表面积小，总吸水量也较小。以总吸水量比表面积作为比亲水性评价标准，发现高岭石等非膨胀类粘土表面比亲水性高于蒙脱石等膨胀类粘土矿物的。随着实验科学技术手段的完

8、善，Nordsh等一些专家学者利用先进