力学—化学—热耦合作用对各向异性页岩井壁稳定性影响规律研究

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1、中图分类号：TE22单位代码：11414学号：2014312004题目力学-化学-热耦合作用对各向异性页岩井壁稳定性影响规律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曹文科指导教师邓金根教授二○一七年七月StudyofMechanical-chemical-thermalCouplingEffectonWellboreStabilityinAnisotropicShaleFormationDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum

2、,BeijinginpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEngineeringByCaoWenke（OilandGasWellEngineering）DissertationSupervisorProf.DengJingenJuly,2017、博士学位论文独创性声明郑重声明：本博士学位论文是作者个人在导师的指导下，独立进行研宄工作。所取得的成果除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体已经

3、发表或撰写的研宄成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研宄做出贡献的个人和集体，均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。作者签名：日期：导师签名：日期：博士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定：，使用方式包括但不限于学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校

4、可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书一面同意，且须以中国石油大学（北京）为第署名单位。ｆ作者签名：日期：导师签名：日期：摘要摘要页岩油气作为非常规油气资源的一种，近些年在国内外获得了极大的重视，然而发生在钻井过程中的井壁失稳问题给工程进度和钻井成本带来了巨大挑战，因此有必要对页岩地层的井壁失稳问题进行

5、深入的研究，从实验研究和理论分析两方面探究井壁失稳的机理与规律。对重庆地区渝东南龙马溪组井底的页岩岩芯进行了室内实验，包括组构分析、物性测试和岩石力学实验。岩石薄片分析与电镜扫描实验表明页岩具有较明显的层理结构，可将页岩视为横观各向同性介质；页岩脆性矿物含量高，具有低孔低渗特征，水化膨胀实验表明其水化能力较弱；对层理性页岩钻取不同角度的岩芯进行岩石力学试验，获得了沿层理方向和垂直层理方向的弹性参数和强度。考虑钻井液与页岩地层间的力学与化学作用，建立了各向异性页岩的力化耦合模型并对控制方程进行有限元离

6、散，通过设计的力化耦合实验装置对模型进行验证，利用有限元方法对实验结果曲线进行拟合和相关参数的反演计算，获得了沿层理方向和垂直层理方向的页岩渗透率与溶质扩散系数。考虑热因素对井壁稳定的影响，将钻井液与页岩间的力化耦合模型扩展为力学-化学-热耦合模型，将离散后的耦合控制方程写成有限单元子程序，根据广义平面应变原理，结合坐标变换方法运用一层单元建立三维有限元模型来分析页岩井眼的井周孔隙压力和有效应力分布，运算结果与解析解完全吻合，该方法可大大减少相对于常规三维模型的计算量。依次分析了化学与热边界条件、热

7、参数、化学参数、弹性与物性参数的各向异性对井周孔隙压力和有效应力的影响，表明通过降低钻井液温度和提高钻井液离子浓度能够有效抑制井筒流体向地层内部的运移，流体运动方程中的热扩散耦合系数、化学因素中的反射系数、弹性模量与渗透率的各向异性能够较为显著的影响孔隙压力与有效应力，泊松比各向异性则无明显的影响。针对各向异性页岩强度随层理倾角连续变化的特点，指出弱面模型并不能够很好的描述页岩强度的各向异性规律，本文建立了粘聚力、内摩擦角在三维空间中随层理角度变化的椭球面分布模型，使改进后的Mohr-Coulomb

8、强度准则能够作为各向异性页岩剪切破坏的判据。研究表明井周破坏包括剪切、径向拉伸和周向拉伸三种形式，其中剪切与径向拉伸破坏导致井壁的坍塌，周向拉伸导致井壁的破裂。分析了钻井液密度、温度和浓度对井周破坏区的影响，较低的钻井液密度和浓度、-II-摘要较高的钻井液温度会加剧剪切和径向拉伸破坏，较高的钻井液密度和较低的温度能够促使井壁发生周向拉伸破坏。通过对现场一口高温井的井壁稳定分析，运用多孔介质耦合理论验证了钻井液的循环冷却作用对井壁诱导缝的形成具有重要作用。本文建立的适用