实验分析泥岩水化膨胀应力与力学参数之间的关系.pdf

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1、第14卷第9期2014年3月科学技术与工程Vo1．14No．9Mar．20141671—1815(2014)09—0151．04ScienceTechnologyandEngineering⑥2014Sci．Tech．Engrg．实验分析泥岩水化膨胀应力与力学参数之问的关系徐力群刘厚彬孟英峰(西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，成都610550)摘要在钻井的过程中，泥页岩地层一旦与水基钻井液接触后，便会发生水化膨胀作用，在地层压力和上覆岩层压力的约束下产生膨胀应力，岩石强度降低，井壁稳定性下降。因此，研究水化膨胀作用与力学参数之间的关系是研究泥岩井壁稳定

2、的关键内容之一。基于泥页岩的水化作用机理，通过室内实验分析了水基钻井液中的离子类型及其浓度对水化膨胀应力的影响，并且测量了岩样水化后的力学参数。实验结果表明泥岩水化膨胀应力与离子类型和浓度有关；水化后泥岩的含水量越大，产生的线膨胀应力越大，力学参数越小；线膨胀应力与泥岩水化后的力学参数之间具有较好的指数递减关系。关键词泥岩线膨胀应力含水量力学参数中图法分类号TEl22．221；文献标志码A据统计¨在油气开采的过程中约有90％的地头，利用室内衍射实验对泥岩进行了全岩矿物分析层是泥页岩地层，并且75％的钻井事故都与泥页岩和黏土矿物分析，其分析结果见表1和表2。从表2地层有关

3、。由于泥页岩地层水敏性强，一旦与水基的分析结果中可以看出蒙脱石主要以伊蒙混成的形钻井液接触后容易发生井壁失稳事故。而井壁失稳式出现，并且含量较高，混层比较大，水化膨胀能力是油气田开发过程中最复杂并且花费最高的事较强引。故。因此国内外学者针对泥页岩水化导致井表1矿物组分分布壁失稳做了大量研究。其中Chenevert和Yew等利用实验和热弹性理论模拟研究了水化作用对岩石强度的影响，其研究结果表明岩石的弹性模量和吸水量成较好的线性关系。孟英峰，等¨U'“利用扩散双电层理论和范德华理论定量分析了泥页岩坌堡互互堡堡互堡苤望星望星些水化作用对岩石强度的影响，其研究结果表明泥页含量／

4、％55．700．1644．148O岩水化后岩石强度降低的根本原因是黏土矿物之问1．2水化膨胀应力实验的作用力减弱。黄荣樽，等¨利用大庆油田泥页岩在地层中的泥岩与水基钻井液接触时发生水化天然岩心得出岩石的弹性模量与吸水量成指数关膨胀，但是由于受到周围围岩的约束作用，不能产生系，并且得出了内聚力和内摩擦角与含水量之间的体积变形，从而产生抵抗该约束的作用力，即为水化经验关系。现结合前人的研究成果，通过室内实验膨胀应力。因此在实验的过程中采用了固定体积方系统测量了水基钻井液中不同的浓度Na和K浸法¨测量泥岩水化膨胀应力。实验之前，将岩心在泡泥岩后产生的水化应力以及抗压强度和弹性

5、模量6O℃的恒温箱中烘干直至其质量不发生明显变化。的大小，并且研究了含水量、线膨胀应力、弹性模量实验过程中测量了泥岩在质量浓度为5％、10％、和抗压强度之间的关系。20％和饱和情况下的NaC1、KC1以及清水中的膨胀1室内实验研究应力的变化情况。其结果见图1和图2。从图1和图2中可以看出，泥岩与水基钻井液1．1泥岩组分分析接触后产生的水化膨胀应力随着时间的延长而逐渐实验样品取自川西蓬莱镇组地面泥岩天然露增大，一段时间后达到最大值并保持不变，并且总体2013年10月2213收到国家自然科学基金(51204142)资助上泥岩在清水中产生的膨胀应力较大，NaCI溶液中第一作者

6、简介：徐力群(1988一)，硕士研究生。研究方向：井壁稳定次之，KC1溶液中最小。此外，对于NaC1和KC1溶性及岩石力学。E-mail：xuliqun576814@163．corn。液，随着浓度的增加，产生的水化膨胀应力呈现逐渐152科学技术与工程14卷液中产生的水化应力大于较低浓度溶液中的情况。此外，在井底的泥岩受到液柱压力的影响，因此模拟了在不同液柱压力条件下泥岩膨胀应力变化情况，其实验结果如图3所示。从图3中可以知道，随着压力逐渐增加，泥岩水化后产生的水化膨胀应力逐渐增加，这种现象是因为在实验的条件下，压力对黏土矿物水化的影响包括两个方面：一是压力使泥岩孔隙和微

7、裂缝闭合，从而增大了毛细管的自吸作用，促使水分子更快地进入黏土晶层间产生较大的时间／hfa)NaCI水溶液膨胀应力，另一方面是压力使泥岩表面水化和渗透水化作用加强。此外，从图3也可以看到泥岩在NaC1溶液中产生的膨胀应力大于在KC1中产生的膨胀应力，即说明钾盐对泥岩的水化具有抑制作用。一uL日莹一＼当蛩《时间／}lfb)KCI水溶液图1压力为0MPa条件下泥岩的水化膨胀应力图3压力对膨胀应力的影响1．3单轴抗压实验每块岩心的水化膨胀应力测试实验结束后，测量了岩石质量，然后利用三轴实验仪测量了岩石的单轴抗压强度和弹性模量等力学参数。在实验的