微观地质特征对硬脆性泥页岩井壁稳定性影响与对策研究

硬脆性泥页岩引起的井壁失稳是钻井过程中经常遇到的一个十分复杂的难题。利用扫描电镜、压汞、X-衍射、比表面分析仪等岩矿测试手段研究硬脆性泥页岩的微观地质特征,根据研究结果分析其对硬脆性泥页岩井壁失稳的影响,并提出保持硬脆性泥页岩井壁稳定的措施,为硬脆性泥页岩井壁稳定性研究提供一种新思路。研究结果表明,硬脆性泥页岩中发育的一部分微裂缝是导致井壁失稳的重要原因。在钻井过程中,钻井液滤液沿着泥页岩中的微裂缝进入到地层内部,导致粘土矿物的水化膨胀,使孔隙压力增加,泥页岩强度降低,最终发生井壁失稳。最后根据研究结果提出在钻井液中加入一部分和泥页岩孔喉相匹配的封堵粒子,期望它能降低或阻止钻井液滤液在泥页岩中的漏失,达到稳定井壁的目的。     

硬脆性泥页岩水化裂缝发展的CT成像与机理

硬脆性泥页岩地层井壁失稳问题是一个十分复杂的难题。外来流体侵入后,岩石内部将会产生一系列的微观物理化学变化而影响地层的稳定性。采用CT成像技术,微观揭示硬脆性泥页岩水化过程中裂缝的发展规律及其对岩石的破坏,并结合扫描电镜等测试手段,分析其机理和对井壁失稳的影响,进而制定出井壁稳定技术对策,为硬脆性泥页岩井壁稳定性研究提供一种新的思路。结果表明,硬脆性泥页岩具有较显著的毛细管效应,岩石矿物颗粒间微孔缝自吸水后产生较强的水化作用,促使次生微裂纹的产生、扩展与连通,微裂纹不断发展成裂缝直至贯通,岩石发生宏观破坏。自吸水化产生次生裂缝破坏是硬脆性泥页岩地层井壁失稳的主要原因之一。强化封堵、控制滤失量和降低滤液表面张力是防止硬脆性泥页岩地层自吸水化破坏的有效措施。     

深层硬脆性泥页岩井壁稳定力学化学耦合研究进展与思考

深层及超深层油气资源正逐步成为我国重点勘探开发的关键领域，但钻井过程中深层硬脆性泥页岩地层井壁失稳问题频发，严重制约着深层及超深层油气资源高效开发。力学化学耦合作用下的深层硬脆性泥页岩井壁稳定问题，是一个涉及微观、细观及宏观跨尺度演化的复杂问题。阐述了力学化学耦合作用下硬脆性泥页岩井壁失稳的基本原理，并分别从微观、细观和宏观尺度，总结了硬脆性泥页岩与入井流体间的作用机理、细观结构损伤演化的定量表征、泥页岩水化宏观力学劣化效应及井壁稳定性定量分析方面的研究进展，从考虑化学效应的断裂力学角度，提出了探索硬脆性泥页岩井壁稳定性问题的新思路。     

硬脆性泥页岩井壁稳定研究进展

硬脆性泥页岩的井壁失稳是制约深层油气资源和页岩气等非常规油气资源有效开发的关键问题。基于此，从硬脆性泥页岩的基本特征出发，根据其组成成分和结构特征的差异，总结了纯力学、渗流– 应力耦合和渗流– 应力– 化学耦合3 种井壁稳定基本分析方法及各自适用条件。研究了硬脆性泥页岩4 种力学失稳机制、钻井液侵入裂缝的驱动作用、存在和不存在活性黏土矿物情况下强度弱化机制以及不同裂缝形式下的井壁稳定计算模型。指出硬脆性泥页岩基质和裂缝充填物中是否含活性黏土矿物及裂缝的分布规律是影响井壁稳定分析的关键因素，从微观角度描述多场耦合作用下硬脆性泥页岩裂缝扩展连通导致井壁失稳的渐进过程将成为未来研究的热点和难点。     

辽河油田沙河街组硬脆性泥页岩防塌评价方法的研究

介绍了硬脆性泥页岩稳定性评价的几种新方法——改进的热滚分散法、泥饼强度测试法及动滤失试验法。并用来评价JHS化学稳定剂的性能。结果表明,改进的热滚分散法能有效地评价硬脆性泥页岩的稳定性,泥饼强度冲刷仪能定量测定不同钻井液体系的泥饼质量。     

渤海中深层井壁稳定流固耦合研究

渤海湾深部地层中存在大量的硬脆性泥页岩,易发生井壁失稳问题。鉴于此,将硬脆性泥页岩视作多孔弹性介质,探讨了流固耦合作用对井周岩石的应力和变形场的影响规律,建立了渗流-应力耦合作用下井壁稳定计算模型,在此基础上,分析了钻开时间对硬脆性泥页岩井周破坏的影响规律。研究结果表明:钻开瞬间,在最小地应力方位井壁内部附近孔压急剧升高,井周破坏首先出现在井壁内部;随着时间的延长,破坏程度呈现先降低后增长的趋势;在工程上可通过加强钻井液的封堵性或调整优化钻井液密度与流变性能,控制液柱压力向井周的扩散。所得结论一定程度上揭示了硬脆性泥页岩地层井壁失稳机理,对提高深层油气资源的勘探开发效率具有重要意义。     

应力对泥页岩储层脆性影响的试验分析及应用

随着地层埋深增加,岩石脆性降低,逐渐由硬脆性转变为韧性,而常规矿物组分法评价泥页岩脆性时没有考虑地层应力（埋深）的影响,因此评价结果存在一定误差。为此,从岩石脆性的最初定义出发,在不同围压条件下对陆相泥页岩岩样进行了力学测试,并利用应变法分析了泥页岩的脆性特征。结果表明:随着围压升高,泥页岩的弹性应变与塑性应变均增大,而脆性指数降低;泥页岩的弹性应变与塑性应变具有非常好的正相关性。对于文中所研究区块,埋深1 250.00,2 500.00和3 500.00 m处及埋深3 500.00~5 000.00 m和5 000.00~6 000.00 m范围内的泥页岩脆性指数分别约降低5.97%,8.55%,10.74%,14.00%和18.00%;当泥页岩储层中脆性矿物含量分别大于65%,60%,55%和小于50%时,其开发埋深下限分别为6 000.00,5 000.00和3 000.00 m以及基本不具备商业开发价值。研究结果表明,将应力（埋深）对泥页岩脆性的影响定量化,可以对采用矿物组分法计算的泥页岩脆性指数进行校正,为优选可压裂层段提供依据。      

本期导读

正硬脆性泥页岩的井壁失稳是制约深层油气资源和页岩气等非常规油气资源有效开发的关键问题。赵凯等从硬脆性泥页岩的基本特征出发,根据其组成成分和结构特征的差异,总结了纯力学、渗流–应力耦合和渗流–应力–化学耦合3种井壁稳定基本分析方法及各自适用条件。指出硬脆性泥页岩基质和裂缝充填物中是否含活性黏土矿物及裂缝的分布     

用动态试验方法研究井壁化学稳定性

结合大庆油田的实际情况,利用高温高压径向动态模拟装置进行了4个方面的研究:(1)高温高压下钻井液的径向动滤失;(2)高温高压下钻井液的防塌性能评价;(3)硬脆性泥页岩防塌剂的防塌机理;(4)防塌钻井液的体系。并对钻井液及降滤失剂、防塌剂在不同温度、压力下的滤失特性进行了试验,分析了径向动滤失形成的泥饼结构。认为在动态条件下钻井液的滤失速率随时间变化趋向一个常数;滤失速率随温度升高而增加,随固相增加而减少,随压差的增加而略有增加;降滤失剂对降低动滤失是有效的。经泥饼分析发现,降滤失剂在花饼形成过程中起重要作用。通过动态防塌装置可以模拟地下条件对泥页岩稳定性进行研究,也可以评价各种防塌剂的效果,认为降滤失剂和封堵剂的共同作用对非膨胀硬脆性泥页岩坍塌的预防有显著效果。     

涠洲12—1N油田硬脆性泥页岩研究及钻井液技术对策

在涠洲12 1N油田涠二段钻井过程中,硬脆性泥页岩的剥落掉块经常造成钻具阻卡等井下复杂情况。分析了涠二段硬脆性泥页岩的理化特性,研究探讨了硬脆性泥页岩的评价方法和坍塌机理,在此基础上,提出了选用快速强封堵型成膜钻井液是有效抑制硬脆性泥页岩剥落掉块的根本措施。这一研究成果对于在涠洲12 1N油田开发工程中提高钻速、减少井下复杂情况发生具有重要意义。     

泥页岩稳定性评价中人工模拟岩样的制备

改进了泥页岩稳定指数(SSI)评价实验方法中人工模拟实验岩样的制备方法。使用B28井岩粉制备岩样,优选SSI实验模拟岩样制备条件为:10.5 MPa下压制浆液,得到含水量14.03%的岩样模拟上部高含水量地层;10.5 MPa下压制风干岩粉,得到含水量1.91%的岩样模拟深部低含水量地层。优选SSI实验条件为:在65℃试液中浸泡8 h后,测定岩样的SSI值。扫描电镜(SEM)微结构分析表明,两种方法制备的岩样与实际泥页岩的微观孔隙尺度相近,高含水量模拟岩样的含水量与浅部实际地层泥页岩含水量(12%14%)相近,低含水量模拟岩样的含水量与深部实际地层泥页岩含水量(2%3%)相近。改进的SSI评价方法相对误差为2.91%,平行性较好,可有效评价防塌剂和防塌体系对泥岩地层的防塌效果及作用机理。     

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章在考虑钻井液滤液与页岩之间可能进行的各种物理化学反应的基础上，综合各种运移驱动力对滤液各组分运移的影响，对页岩中的传递(如水力流动、离子和压力扩散)与控制页岩稳定性的化学变化(如离子交换、含水量的变化)两之间的复杂关系进行了定量描述，建立了模拟钻井液进入页岩地层及与之发生各种物理化学反应的动态模型。此模型主要回答了页岩孔隙压力、离子含量、含水量随时间的变化问题。     

泥页岩井壁稳定耦合研究

从实验和理论研究2个方面,对近年来国内外泥页岩井壁稳定耦合研究的现状进行了分析。目前,泥页岩井壁稳定耦合研究主要有3种方法:一是通过泥页岩水化实验和吸水实验,用热弹性比拟法研究由于含水量变化引起的水化应力;二是通过压力传递实验,用非平衡热动力法研究化学渗透作用引起岩石内部孔隙压力变化而导致的附加应力;三是通过压力传递与水化实验,用总水势法研究基于膨胀机理和耦合渗透流动而导致的膨胀应力。通过分析认为,泥页岩井壁稳定的研究虽然取得了一定成效,但仍然存在着复杂的问题和不足,还需要进一步深化机理和应用方面的研究。     

The influence of moisture on the permeability of crushed shale samples

Shale cuttings and cores recovered from the subsurface and stored for hours to decades tend to dry out and lose moisture and hydrocarbons, leading to an increase in the effective matrix permeability. Moisture loss in shale samples is a fundamental sample preservation problem which can be solved by applying a standard moisture equilibration procedure to restore lost moisture. Our aim was to investigate the relationship between permeability and variable moisture as-received, as-received moisture-equilibrated and saturated moisture-equilibrated samples. Samples were crushed to a series of particle sizes (0.6- 2.0) mm and moisture equilibrated at 97% relative humidity. Results show that moisture equilibration in the samples was achieved after 72 h. The permeability of the saturated moisture-equilibrated and as-received moisture-equilibrated samples decreased exponentially with increase in moisture content. The high correlation coefficient between permeability and particle size (r = 0.96 and 0.97) for moisture-equilibrated samples compared to 0.76 for as-received samples indicates that moisture equilibration improves permeability measurements in crushed shale samples. Furthermore, permeability measurements are repeatable for moisture-equilibrated samples compared to samples that were not equilibrated (as-received). We conclude that moisture content affects permeability and moisture equilibration normalizes and improves the repeatability of permeability measurements in crushed shale.     

On the physical and chemical stability of shales

The stability of clay-rich shales is profoundly affected by their complex physical and chemical interactions with drilling fluids. In this paper, an attempt is made to clarify the intricate links between transport processes (e.g. hydraulic flow, osmosis, diffusion of ions and pressure), physical change (e.g. loss of hydraulic overbalance due to mud pressure penetration) and chemical change (e.g. ion exchange, alteration of shale water content, changes in swelling pressure) that govern shale stability. It is shown that shale–fluid interactions can be manipulated to enhance cuttings and wellbore stabilization as well as improving hole-making ability in shale formations. The mode of shale-stabilizing action of a wide variety of water-based fluid additives is discussed and the merits of various mud systems are ranked. It is shown that shale stabilization normally achieved using oil-based/synthetic-based muds is now becoming achievable with economical and environmentally friendly water-based drilling fluids.     

泥页岩水化机理研究现状

介绍了泥页岩(粘土矿物)水化的研究现状,包括泥页岩的水化过程、强弱结合水的区分,泥页岩中文换性阳离子种类及含量、介质中电解质种类及浓度对泥页岩水化的影响,温度、压力对粘土膨胀的影响,泥页岩强度与其含水量的关系。建议以后应重点研究泥页岩申各种组分和微观结构、温度、压力及钻井液添加剂对泥页岩水化的影响及泥页岩水化对其力学特性的影响,注重泥页岩水化同力学的耦合研究及泥页岩分类的研究。     

页岩气的形成与开发

以自给系统为特征的页岩气藏的勘探开发在北美获得了巨大成功,拓宽了天然气勘探的空间。页岩气形成的成熟度较宽,在页岩演化的各个阶段均发现了页岩气藏,处于高演化阶段的页岩成藏的规模更大。页岩中有机碳含量、有机质类型、矿物组成、孔隙含水量、可诱导的裂缝发育程度等均与页岩气的产能密切相关。Barnett页岩气的生产历史表明,页岩气地质储量评价方法的进步、针对页岩储层的有效压裂方式和水平井钻井技术的应用在页岩气的有效开发中起着关键作用。     

荆门地区页岩储层吸附特征及吸附势理论应用

通过有机碳含量测试、干酪根同位素测定、镜质体反射率测定、X射线衍射和低温CO₂+N₂吸附等手段,对荆门地区页岩样品常规地化性质和孔隙特征进行了考察,结果表明,所取页岩样品有机质含量和成熟度均较高,孔隙结构发育完善。采用重量法对页岩样品进行了等温吸附实验,建立了等温吸附模型并考察了水分和温度对吸附过程的影响,结果表明,页岩样品吸附性能较好,平均吸附量为2.52 mL/g。Langmuir方程可对吸附过程进行较好拟合计算,水分含量越高,温度越高,越不利于吸附行为的发生。采用吸附势理论解释影响页岩吸附性能因子的作用,结果表明吸附势越大越有利于吸附行为的发生。      

川南地区龙马溪组页岩储层水接触角及其稳定性影响因素

针对页岩储层水接触角随时间变化特征不清且影响因素不明的问题,通过开展水接触角实验,探讨页岩储层水接触角及其稳定性的影响因素。研究结果表明:页岩水接触角与时间呈指数变化关系;页岩干样穿层水接触角主要受TOC含量影响,石英影响次之,且页岩干样穿层稳定性指数(CASI)主要受黏土矿物含量影响,TOC影响次之;流体与页岩相互作用会影响页岩表面性质,饱和流体后页岩垂直层理面的表面性质更加均质,平行层理面的非均质性增强。最后提出不同层理方向下与不同的流体饱和实验环境中页岩接触角稳定性指数预测公式。该研究对明确页岩储层中油气运移规律具有一定的指导作用。     

S310系列钻井液振动筛性能现场测试分析

目前,钻井液振动筛的振动轨迹主要分为直线轨迹和平动椭圆轨迹,2种轨迹在处理不同井段钻井液时各有优势。在具体应用中采用1种轨迹振动筛全程处理。笔者对可转换轨迹的S310-2型双轨迹振动筛和S310-1型单轨迹振动筛在相同工况下进行现场测试。根据得到的钻井液处理量、钻屑含水率及振动轨迹平稳性等性能参数,针对不同成份钻井液和岩屑,选择合适的振动轨迹,使钻井液达到最佳的处理效果,并延长振动筛的使用寿命。测试结果证明,S310-2型双轨迹振动筛可以根据现场情况调整合适的振动轨迹,处理效果与相应单轨迹振动筛相同或更好,完全可以取代单轨迹振动筛,为后期双轨迹乃至多轨迹复杂筛型的设计奠定了试验基础。