弱面结构对页岩地层井壁稳定性影响研究

页岩地层大量发育弱面结构,造成井壁垮塌现象频发,严重制约了页岩气的高效开发。因此,本文在Mohr-Coulomb准则的基础上,建立多弱面条件下的强度破坏准则。应用该准则,对不同弱面产状、弱面数量、钻井时间下的岩石强度进行分析,从而建立页岩地层坍塌压力预测模型,计算分析表明:围压增大后,页岩强度增加,不易沿弱面破坏;弱面产状和数量变化,使得岩石强度产生变化,从而造成坍塌压力分布复杂。尤其弱面数量增多,岩石强度下降明显,逐渐受弱面强度控制,坍塌压力出现明显增加;实例分析表明多弱面条件下的坍塌压力预测方法能更为准确地预测页岩地层坍塌压力,对页岩地层钻井工程有一定指导意义。     

甲烷在页岩黏土矿物孔中的赋存力学机制

利用低压氮气吸附法,研究了不同类型黏土矿物孔隙结构特征,在此基础上,利用分子势能理论研究甲烷分子在黏土矿物孔隙中赋存力学机制,揭示了页岩中黏土矿物吸附甲烷的本质。文中从分子间作用力角度出发,利用势能理论建立了单一甲烷分子在孔中相互作用的势能计算模型,即孔径与甲烷分子在孔内位置的双重函数。研究结果表明:甲烷分子越靠近孔壁,势能越大;远离孔壁,势能迅速减小。受到孔壁面势能作用影响的甲烷分子,呈吸附态;未受到影响的,呈游离态。随着孔径增大,甲烷分子受壁面影响区域比例减小,甲烷吸附能力降低。当孔径大于20 nm时,甲烷分子受壁面势能影响区域较小。从微观角度讲,相同孔径中,甲烷分子与黏土矿物间的相互作用力大小顺序依次为高岭石、蒙脱石(伊利石)、绿泥石;从宏观角度讲,黏土矿物样品对甲烷分子的作用力大小的顺序依次为蒙脱石、高岭石、绿泥石、伊利石。     

利用测井资料预测水平井压裂裂缝形态

水平井压裂裂缝形态复杂,预测难度较大。建立水平井压裂裂缝起裂数学模型;考虑水平井井周裂缝应力和流体的实际状态,根据断裂力学理论给出水平井井周裂缝尖端的应力强度因子的计算方法,按照Irwin延伸扩展准则判断裂缝是否延伸,遍历计算起裂点及其扩展点并不断迭代求解直至满足约束条件,建立裂缝延伸扩展数学模型;提出了用测井资料预测压裂裂缝长、宽、高的方法,建立用测井资料预测水平井压裂裂缝形态的方法。针对四川页岩气水平井,研究了用测井资料计算岩石力学参数和地应力方法,对四川页岩气水平井H1-3井压裂裂缝形态进行了预测,预测结果与微地震监测结果进行对比,表明水平井H1-3井预测结果能够反映近井周围压裂裂缝的延伸情况。     

海陆过渡相不同页岩岩相的岩石力学特性及能量演化特征

针对海陆过渡相不同页岩岩相岩石力学特性及能量演化特征认识不足的问题,以鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组山₂³亚段井下岩样为研究对象,开展了系列实验研究。结果表明:不同页岩岩相的力学特性差异较大,在单轴压缩实验下,硅质页岩相、黏土质页岩相抗压强度平均值分别为58.5、17.9 MPa;在单轴压缩条件下不同页岩岩相均有较强的脆性且为劈裂破坏,随围压增大,塑性增强且转变为剪切破坏,硅质页岩相破坏最严重;不同页岩岩相在峰值强度点处的能量参数有较大差异且受围压的影响程度不同,单轴压缩条件下硅质页岩相、黏土质页岩相、混合质页岩相的平均总能量分别为0.071、0.016、0.044 J/cm³。研究成果对海陆过渡相页岩储层井壁稳定和压裂优化研究具有一定的参考意义。     

砾岩油藏压裂裂缝遇砾扩展行为机理

砾石的随机分布使砾岩储层具有高度非均质性,显著影响局部力学响应,难以控制和预测水力压裂裂缝的扩展。水力压裂裂缝的遇砾扩展机制仍不清楚,使得水力压裂的设计和有效实施充满挑战。基于全局黏聚力单元,在Abaqus 平台建立了渗流-应力-损伤多场耦合的二维裂缝扩展模型;在细观尺度上将砾岩视为砾石、基质和胶结面组成的三相复合材料,进行压裂裂缝遇砾扩展行为机理研究。结果表明,水力裂缝遇砾发生穿砾、绕砾、穿砾且绕砾等现象;砾石的渗透性和弹性模量对裂缝遇砾行为影响的作用机理不同：砾石的低渗透性造成憋压现象,裂缝尖端流体压力提高了13%,水平与竖直方向有效应力分别减小了10.1%和12.8%;砾石的高弹性模量造成应力的屏蔽现象,裂缝尖端与砾石间的区域水平方向有效应力减小了5.8%。砾石的低渗透性与高弹性模量都会造成胶结面上发生剪应力集中,增加了胶结弱面破坏的可能性,造成裂缝遇砾发生偏转。     

发育有切割井眼结构面的井壁稳定性评价研究

切割井眼结构面的存在弱化了井壁的稳定性，常规完整井眼的井壁稳定分析理论已不能完全适用于受结构面切割的井眼。基于摩尔-库仑理论，在分析结构面应力状态的基础上，给出了井眼受结构面切割的井壁稳定性评价方法，并研究分析了结构面产状对井壁失稳的影响。结果表明，井壁的稳定性与原地应力状态、结构面产状以及结构面的力学性质有关，在其它因素一定的情况下，结构面的走向与倾角对井壁的稳定与失稳方位有着较大的影响。因此，准确评价结构面产出状态是提高井壁稳定性评价精度的前提。     

基于极限平衡理论定量评价井壁稳定性

井壁稳定性的准确评价对优化井身结构、优选完井方式、提高固井质量、提高测井解释精度等具有极其重要的指导意义。井壁稳定归根结底是井周应力状态与地层岩石强度的平衡关系问题。基于极限平衡理论从受力与材料强度两方面出发,应用统一处理平衡方程与破坏准则,分析了井周的应力分布,得出在与原水平最大主应力方向夹角为90°和270°处,井壁最易坍塌;夹角为0°和180°处,井壁最易破裂。进而提出了井壁的坍塌评价系数Sc和破裂评价系数Sf,当Sc=1或Sf=1时,井壁处于极限平衡状态;当Sc>1、Sf>1时,井壁稳定,且值越大,井壁越稳定。井壁坍塌评价系数和破裂评价系数为评价井壁稳定性提供了定量指标。     

页岩力学特性的层理效应及脆性预测

为系统研究层理面对页岩力学性质的影响机理,以四川盆地焦石坝地区龙马溪组页岩为例,首先使用偏光显微镜及扫描电镜等对页岩岩样进行微观分析,可见页岩的层理、层间微裂缝及微孔隙等较发育,黏土矿物呈定向排列,层间胶结作用较弱;再通过岩石单轴压缩物理实验和RFPA （真实破裂过程分析）数值模拟,系统研究不同的层理角度、层理密度及层理面力学性能等对页岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比及脆性等参数的影响;最后,采用统计学方法提出一种基于层理密度、层理角度、单轴抗压强度及层理面力学性能等参数的页岩脆性预测新方法。结果表明：页岩的弹性模量随着层理角度的增加呈现先减小再增加之后再次减小再次增加的趋势。页岩的单轴抗压强度和脆性指数的特征曲线均近似为U型,随着层理角度的增加而先减小后增大,且在层理角度为45°左右时,两者均达到最小值,在层理角度为0°和90°附近时,两者的值均相对较大。随着层理角度的增加,页岩的泊松比整体上呈现先降低再增加而后再降低的趋势,并在30°左右出现最小值,在70°左右出现极大值。页岩的弹性模量、单轴抗压强度和脆性指数等参数总体随层理密度的增大而降低;泊松比随着层理密度的增大在不同的层理角度表现出不同的状态。不同层理角度岩石的破裂类型不同。强度参数、弹性参数、脆性及破裂模式等均表现出很强的各向异性特征。整体而言,针对页岩力学特性的层理效应研究及脆性预测,可为页岩气的合理开发及页岩气井的井壁稳定提供一定的理论参考。     

两性离子聚合物黏土水化抑制剂的合成与性能

以丙烯酰胺(AM),2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)和氯化N-甲基-N-烯丙基咪唑(MAC),烯丙醇聚氧乙烯醚(APEG)制备了一种耐温耐盐四元共聚物AM/AMPS/MAC/APEG,并对该聚合物进行了红外、核磁表征,考察了聚合反应条件对聚合产物防膨率的影响,探讨了不同条件下合成聚合物溶液及其与KCl复配体系对膨润土的防膨能力以及对伊利石和泥页岩水化作用的影响。结果表明:最佳合成条件为:单体总量为20%,单体配比AM/AMPS/MAC/APEG为90∶5∶3∶2,引发剂(亚硫酸钠/过硫酸铵,摩尔比1∶1)加量0.2%,p H值4,反应温度40℃。合成聚合物具有较强的抑制能力。浓度为20 g/L合成聚合物溶液对膨润土的防膨率为79%,且能明显降低伊利石的水化膨胀应力,同时30 g/L合成聚合物与5 g/L的KCl复配后能够将泥页岩在水溶液浸泡后的压入硬度保留率由在水中的21.7%提高至69%。