双孔双渗页岩地层井壁稳定机理研究

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1、中图分类号：TE21单位代码：11414学号：2014312005题目双孔双渗页岩地层井壁稳定机理研究学科专业油气井工程研究方向油气井岩石力学与工程博士生高佳佳指导教师邓金根二○一七年十二月Theresearchonthemechanismofwellborestabilityinshaleformationwithdual-porosityanddual-permeabilityDissertationsubmittedtoinpartialfulfillmentoftherequirementsforthed

2、egreeofDoctorofEngineering（OrDoctorofNaturalScience）ByGaoJiajia（OilandGasWellEngineering）DissertationSupervisorProf.DengJingenDecember,2017摘要摘要实际钻井过程，因井眼开挖前后应力差（孔隙压力差）扰动作用，将引起井周围岩应力场重新分布。特别是低渗地层，外部荷载的改变使得孔隙流体不能立即逃散，从而抵抗固相基质变形，基质变形会改变岩石物性参数从而改变渗流特征。因此，有必要将流固耦合

3、作用引入低渗地层的井壁稳定分析当中。对于发育两套渗流系统的裂缝性页岩地层（基质和裂缝体系，并且二者相互耦合），相比单孔隙页岩地层，流固耦合作用则更加复杂。因此，正确预测井眼开挖该类地层，引起的井周围岩应力场重新分布规律，是井壁稳定机理评价的关键。关于含裂缝发育页岩地层的井壁稳定机理研究，文中将裂缝性页岩概念化为独立但重叠的两个连续性介质（分别对应于基质体系和裂缝体系，具有各自的力学变形特征和物性参数（即双孔隙度双渗透率型））。以孔隙弹性理论（考虑流固耦合作用）为基础，（1）基于唯象方法，从实验微观理论层面分析，确

4、定出描述双重孔隙介质弹性变形的本构方程中各多孔力学参数的数学表达式。（2）从系统宏观理论方法入手，应用质量，动量和能量守恒方程及熵增原理，建立不同形式（包括局部热平衡和局部热非平衡理论）的克劳修斯-杜亨不等式（双重及单重模型），用以推导考虑应力-渗流耦合（应力-渗流-热耦合及应力-渗流-化学耦合）和非静水应力场条件（体现流固耦合作用）下，含裂缝发育页岩地层钻任意斜井眼井周围岩场变量的三维非均质解析解（即仅考虑井眼轴线方向与横观各向同性介质均质面内的法线方向重合），通过模型简化，该非均质解可退回至均质解形式。解析推

5、导以平面应变条件假设为基础，形式上区分为渗透边界及非渗透边界条件（井壁处不发生地层和井眼间流量交换）。此外，针对上述各耦合场对应的单孔隙度模型，文中也进行了相应的解析解推导，方便模型对比分析。研究主要发现：①双重（或单重）应力-渗流-热耦合模型：当页岩热渗透系数充分大且冷却地层时，热渗透作用诱导钻井液自由水进入页岩内部孔隙（渗透边界），引起孔隙压力升高；反之，热渗透系数充分大且温度梯度为负（加热地层）时，则诱导孔隙流体流出地层，降低孔隙压力从而提高有效应力，增强井眼稳定性。②双重（或单重）应力-渗流-化学耦合模型

6、：过分强调保证“返流”作用（钻井液溶质浓度大于地层孔隙流体），井眼附近会增加诱导横观缝出现的风险（有效轴向应力为拉应力）。单重化学孔隙弹性模型相比双重模型评价裂缝性页岩地层发生剪切破坏过于保守。-II-摘要关键词：双重孔隙弹性模型；双重热孔隙弹性模型；双重化学孔隙弹性模型；裂缝性页岩；井壁稳定-III-ABSTRACTTheresearchonthemechanismofwellborestabilityinshaleformationwithdual-porosityanddual-permeabilityAB

7、STRACTThestressfield,whichtherockaroundaboreholesubjectsto,willredistributeduringthedrillingprocess,sinceitgeneratesthestressdifference(porepressuredifference)beforeandaftertheexcavation.Especiallyforlowpermeabilityformation,porefluidcannotimmediatelyescapean

8、dthenproduceexcessporepressureduetotheresistancetothedeformationofsolidmatrix,undertheinstantaneouschangeofexternalload.Owingtotheeffectofexcessporepressure,theeffectivestressfieldwillcha