深层脆性页岩水平井井壁崩落失稳研究

随着钻井深度的不断加深,页岩地层的井下复杂情况增加,通常表现为井壁崩落掉块.针对泸州区块龙马溪组深层页岩开展了水平井井壁崩落失稳研究,制定了井下工况下力学加卸载模拟实验方案,分析了围压加卸载速度对岩石力学性能的影响,建立了深层脆性页岩水平井井壁崩落失稳模型.研究表明:龙马溪组深层页岩脆性矿物质量分数高,脆性强,但层理缝...     

深层脆性页岩力学性能及井壁稳定性研究

四川盆地中部龙马溪组页岩地层硬度高、脆性强,钻井过程中井壁坍塌严重,阻卡频发。为解决钻井过程中井壁坍塌问题,测试了以四川盆地自201井为代表的深层页岩微细观组构、水理化性能及力学性能参数各向异性特征,并考虑井眼轨迹、层理缝产状、井筒-地层耦合渗流效应、层理缝力学弱面效应等因素,建立了深层脆性页岩水平井井壁稳定理论模型。实验结果表明:深层页岩脆性矿物含量高达70%,水化膨胀性极低,页岩基质力学强度高,但层理缝间强度低,页岩容易沿层理缝滑移崩落。模型计算结果表明:层理缝力学弱面效应影响明显,当井眼轨迹与层理缝面法向之间夹角满足一定角度,井壁倾向沿层理缝剪切滑移垮塌;井筒-地层间渗流效应不可忽略,压力穿透效应降低钻井液的有效径向支撑力,诱发层理缝起裂、延伸至崩落,合理的钻井液密度及有效封堵性可提高深层页岩水平井井壁稳定性。研究成果揭示了深层脆性页岩井壁坍塌作用机理,可为深层脆性页岩水平井关键工程参数设计提供理论依据。     

深层海相页岩脆性特征分析与表征

针对中国南方深层海相页岩气开发尚未突破的现实,以四川盆地五峰组—龙马溪组页岩为研究对象,聚焦深层海相页岩的脆性表征,建立了基于全应力—应变曲线的脆性定量评价指标,以峰值应变和峰后坡降陡度分别表示页岩发生脆性破坏的难易程度和充分程度。在此基础上,通过对硅质页岩、钙质硅质页岩、钙质页岩和黏土质硅质页岩开展高围压三轴压缩岩石力学实验,明确了围压对页岩脆性的影响,建立了适用于研究区深层海相页岩的脆性评价方法,开展了深浅层页岩脆性对比。结果表明,低围压时,围压主要表现为对页岩抗压强度的强化,脆性随围压增加而增强,高围压时,围压则主要表现为对裂缝产生与扩展的抑制,脆性随围压增加而减弱;以弹性参数为岩性指示因子,以断裂韧性为围压指示因子,建立了力学脆性指数,可作为矿物法和弹性参数法的补充,有效应用于3 500 m以深页岩储集层的脆性评价;硅质页岩和钙质硅质页岩在4 500～5 000 m仍具有优质储集层的潜力,但是深层海相页岩脆性的弱化使得优质储集层厚度减小。     

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。     

温压耦合作用下四川盆地深层龙马溪组页岩孔渗和岩石力学特征

为了研究温压耦合变化对深层页岩孔隙度、渗透率和岩石力学特征的影响,选择四川盆地威荣和永川地区下志留统龙马溪组深层页岩岩心样品,设计开展温压条件的上限为120℃、70 MPa的孔渗实验和三轴压缩岩石力学—声波一体化实验。研究结果表明：(1)微观上的孔渗变化与宏观上的岩石变形相互约束,均呈现先快后缓的变化特征,最大温压实验条件下孔隙度降低34%～71%、渗透率降低85%～97%。随着温压的升高,深层页岩经历了以有机质孔、黏土矿物孔被压缩和微裂缝受压闭合的塑性变形和脆性矿物孔、岩石骨架颗粒本体被压缩的弹性变形;(2)与常温高围压实验对比,高温对孔渗应力敏感的影响显著。高温通过增加岩石塑性,加剧高围压对孔隙的压缩,同时引发岩石骨架颗粒间产生热应力,页岩层理易重新开启或沿层理等软弱面产生新缝,使得页岩渗透率随温度和围压升高而降低的程度减弱;(3)与常温三轴力学实验对比,深层页岩在高温高压耦合作用下,抗压强度和峰值应变量显著增加,抗压强度最高达435 MPa、峰值应变超过2%,说明高温增加了岩石塑性,不利于页岩的破裂和裂缝扩展;(4)岩相和矿物组分对深层页岩孔渗和岩石力学特征具有重要影响。不同岩性...     

XAN-YZ页岩稳定剂实验研究

为提高页岩气钻井的井壁稳定性和承压强度,开发了页岩气水基钻井液体系,研究了XAN-YZ页岩稳定剂对不同钻井液体系流变性能、抑制性能和封堵性能的影响规律,同时开展了XAN-YZ页岩稳定剂对页岩微裂缝/层理愈合修复性能和作用机理的探索实验。实验结果表明,XAN-YZ页岩稳定剂加入聚磺钻井液体系后,能够改善钻井液的剪切稀释性能,对钻井液的滤失性能影响不大;在聚磺钻井液体系中加入2%XAN-YZ页岩稳定剂后,页岩膨胀率下降40%,滚动回收率提高16%,封堵承压强度由2 MPa提高到5 MPa以上。XAN-YZ页岩稳定剂通过化学反应在页岩微裂缝和层理中生成水化产物,形成致密的防水屏蔽层,迅速愈合修复页岩的微裂缝和孔隙,使滤液在页岩中的穿透压力由2 MPa提高到15 MPa以上。XAN-YZ页岩稳定剂在聚磺钻井液体系中的最佳加量是2%。XAN-YZ页岩稳定剂及其作用机理的研究为页岩气水基钻井液体系的研究提供了一个新的技术思路和手段。     

页岩三轴压缩条件下的纵横波速特征

针对页岩层理发育和各向异性强的特点,利用钻井取心进行了一系列三轴压缩条件下的超声波速度测试,获得了不同层理倾角、轴向载荷条件下的纵横波速度变化特性。实验结果表明:1)层理倾角增大,页岩的抗压强度和残余强度呈U型变化趋势,弹性模量逐步增加,泊松比呈先增后减的趋势;2)层理倾角增大,页岩的初始纵横波速度增大;3)随着轴向载荷对页岩内部结构的影响,三轴压缩条件的纵横波速度呈先增后降的趋势;4)页岩水化能增加纵横波速度,大幅度降低页岩的抗压强度;5)页岩动态弹性模量和泊松比的比值与静态弹性模量和泊松比的比值比较接近,相关性较好;6)在围压条件下,页岩弹性模量与泊松比的各向异性系数差别较小。实验结果对于认识和了解页岩的力学、超声波特性,以及声波测井的校正,具有一定指导意义。     

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。     

钻井液处理剂对长宁地区页岩抗压强度的影响研究

解决井壁失稳问题的核心是降低水基钻井液密度,进而改变坍塌应力大小。通过三轴岩石强度测试仪RTR-1000,研究经不同处理剂及体系浸泡24 h后所表现出的应力—应变规律及浸泡前后岩石力学性能、岩石变形和破坏规律,从而对钻井液处理剂及体系进行筛选和优化研究。实验结果表明,增强钻井液体系的封堵和抑制能力可以有效降低地层页岩的坍塌应力。在钻井液中加入无机盐KCl和有机盐甲酸钾可以增强页岩的强度;通过封堵剂中软化粒子以及聚合醇的浊点效应使岩石的残余强度增大,抗压强度增大。通过实验和理论研究,得到钻井液处理剂影响页岩强度的因素和规律,从而为防塌钻井液体系封堵剂和抑制剂等钻井液处理剂的优选提供理论和数据支持。同时为降低页岩地层坍塌压力,保持井壁稳定、提高机械钻速和为井下安全工作提供新的思路和方法。     

富有机质页岩各向异性力学特性试验研究

为了研究层状页岩各向异性力学特性为工程应用提供依据,开展了页岩巴西劈裂试验和单轴、三轴压缩试验。研究结果表明,随着层理角度增加,层状页岩纵横波速均逐渐降低;页岩抗拉强度随着层理角度增加先降低后升高呈现出U型变化规律;θ=0°和θ=90°时页岩圆盘以直线形裂缝破坏为主,θ=45°时以曲线形裂缝为主;单轴压缩时应力-应变曲线为Ⅱ类曲线;θ=0°时为沿层理的拉伸劈裂破坏,θ=45°时以剪切滑移破坏为主,θ=90°时主要为剪切破坏;同一围压下随着层理角度升高,弹性模量仍逐渐降低,抗压强度仍呈现U型变化规律,泊松比变化较为离散;θ=0°时为共轭剪切破坏,θ=45°时主要为剪切滑移破坏,θ=90°时为贯穿层理的宏观剪切破裂面;弹性模量、泊松比各向异性指数随着围压增加呈升高趋势,抗压强度各向异性指数随着围压升高而降低。通过试验得到页岩5个独立弹性参数可为深入分析页岩地层的井壁稳定性、地应力及水力压裂等提供技术参考。     

川南龙马溪组深层页岩井壁失稳原因分析及对策

川南龙马溪组深层页岩储层在钻井过程中井壁失稳严重,井下遇阻现象频发,增加了施工成本与后期作业难度.为此,开展井下岩心水理化及力学性能实验研究,结合实验结果综合分析龙马溪组地层动、静态井壁失稳原因,并制订井壁稳定技术对策.结果表明:川南地区龙马溪组地层页岩脆性矿物含量高,岩性整体致密,力学强度高;垮塌井段内小层交替变化频...     

渤海湾盆地沾化凹陷陆相页岩储层岩石力学特征及可压裂性研究

页岩储层的岩石力学性质与可压裂性对页岩油气的开发具有重要影响。目前对于陆相页岩的岩石力学特征和可压裂性方面的研究较少。利用X射线衍射和岩石力学实验等方法，测试沾化凹陷沙河街组陆相页岩全岩矿物组分、在不同成熟度、不同围压条件下的抗压强度、杨氏模量和泊松比等力学参数，并且对页岩储层的可压裂性进行了分析。页岩矿物成分主要为碳酸盐矿物，平均为44.93%，脆性矿物含量稍高于黏土矿物，分别为30.98%和24.09%；单轴压缩时页岩多为劈裂式破裂，易形成缝网；加围压后破坏形式变为剪切式，抗压强度、杨氏模量和泊松比均增大，可压裂性降低；页岩可压裂性与加热温度，即热成熟度呈正相关。综合考虑页岩矿物成分、力学性质、成岩作用和围压等因素，建立可压裂系数数学模型，可对页岩储层的可压裂性进行定量评价，为压裂选层提供依据。      

中伊朗盆地地层条件下裂缝性储层岩石力学性质实验分析

对中伊朗盆地Arn-2井和Fkh-1井2 300~3 300 m的库姆组灰岩在模拟地层条件下(包括围压、温度、孔隙饱和流体和取样方向)的岩石力学性质进行了测定.所测岩石的压缩变形特征按应力—应变曲线形态可分为2种类型:弹性变形和弹—塑性变形.绝大多数样品表现为脆性,破坏前的总轴向应变一般不超过3%,大多为1%左右.所有岩心样品由于其埋藏深度差异较大,力学参数的变化范围也较宽.所有样品的抗压强度介于46.52~288.31 MPa;杨氏模量介于11.00~286.53 GPa.Fkh-1井库姆组E段抗压强度、杨氏模量和泊松比均大于Arn-2井库姆组E段.同时Fkh-1井库姆组内抗压强度A段大于C段大于E段,反映了岩石抗压强度随深度增大而变大.地层条件下流体对Fkh-1井岩石力学性质的影响主要是岩石饱油抗压强度大于饱水抗压强度,岩石饱油杨氏模量大于饱水杨氏模量.当样品中存在薄弱面时,会显著地降低岩石的抗压强度和杨氏模量;多数样品平行层理方向的抗压强度和杨氏模量与垂直层理方向的抗压强度和杨氏模量不等.      

潜江凹陷潜四下段页岩油储层力学性质特征研究

采用矿物成分测定,孔隙结构分析,单-三轴力学参数测定,抗拉强度、界面抗剪切强度测定,以及地应力测定等方法对潜江凹陷潜江组潜四下段典型页岩油储层进行研究.研究结果表明:①矿物成分特征主要是"低黏土矿物、低石英、高碳酸盐、局部高蒸发岩".孔隙主要以次生孔隙为主,包括晶间孔、粒内孔;②潜四下段24韵律储层抗压强度较大,6韵律...     

一种油基钻井液用凝胶堵漏体系及其应用

通过对页岩气钻井的研究和分析,综合比较国内外油基钻井液堵漏技术的不足,研究了一种油基钻井液用凝胶堵漏体系。通过红外测试、X射线衍射和扫描电镜分析研究了凝胶体系的相关组分,证明了结合剂合成成功。通过高温高压养护釜进行养护,使用压力实验机测定凝胶堵漏体系的抗压强度可以达到3.2 MPa,室内实验显示化学凝胶流变性好,密度可调（0.77～1.3 g/cm3）,成胶强度可调（1.7～3.2 MPa）;同时凝胶体系和油基钻井液之间具有良好的兼容性,向凝胶堵漏体系中加入20%油基钻井液后抗压强度也可以达到1.8 MPa。现场应用显示油基钻井液用凝胶堵漏体系的抗压强度可以达到6.8 MPa,表明该凝胶堵漏体系具有优异堵漏效果,具有广阔的应用前景。      

微纳米封堵技术研究及应用

KL3-2油田开发井中东营组下段和沙河街组泥页岩易剥落掉块,导致严重的井下复杂情况。通过X射线衍射、扫描电镜、孔径分布测试、理化性能分析、岩样浸泡实验、岩样自吸水实验等,分析了该地层井壁失稳机理。结果表明:该地层脆性矿物含量高达60%以上,膨胀性黏土矿物含量低,基质微孔隙、微裂缝、层理发育,属于典型的硬脆性泥页岩。钻井液滤液在毛细管力和压差作用下沿微裂缝侵入地层内部,微裂缝、微裂隙的延伸、扩展是泥页岩地层井壁失稳的主要原因。钻井液技术对策为加强微孔、微裂缝的封堵,加强抑制,研选了微纳米封堵剂HSM和页岩抑制剂胺基硅醇HAS,构建了防塌钻井液体系。评价表明,该体系能够有效地封堵泥页岩微孔、微裂缝,阻缓压力传递。现场应用表明,微纳米封堵钻井液能显著改善滤饼质量,降低滤失量,大大减少了钻井液滤液由于压差作用侵入地层,防止由其引起微裂缝、微裂隙延伸、扩展而导致井壁不稳定和各种井下复杂情况的发生。      

模拟地层条件下泥岩三轴应力实验及其油气意义

泥岩的岩石力学性质既关系到了它能否成为良好的盖层,也关系到它能否成为优质的页岩气储层。为了明确地层条件下泥岩岩石力学性质的变化特征及其影响因素,选取四川盆地南部典型的志留系龙马溪组泥岩,进行了20（常温）,50,100,130℃四个温度点,每个温度点在0,10,20,40,60MPa五种围压条件下的20个三轴压缩实验,获得了泥岩岩石力学参数与温度和围压的关系。实验表明：在60MPa围压范围内,泥岩的弹性模量、泊松比、抗压强度和残余强度随着围压的增加而增加,基本呈线性关系;在130℃温度范围内,泥岩的弹性模量、泊松比、抗压强度的变化与温度变化没有明显的相关性,不同温度下,同一围压条件下,泥岩的岩石力学参数保持相对一致。这说明泥岩的岩石力学性质主要受埋藏深度（围压）的影响,温度变化对其影响不大。从岩石的应力-应变曲线上还可以看出,随着埋深的增加,即使是晚成岩阶段的泥岩也有从脆性向塑性转变的趋势。根据岩石峰值抗压强度和残余抗压强度的数学关系,计算出川南志留系龙马溪组泥岩脆延转变的临界深度约为4200～4400m。作为盖层时,超过该临界深度,泥岩不容易破裂,具有优越的封闭性;作为页岩气储层,超过该临界深度,泥岩的可压性变差。     

深层页岩气储层岩石力学特性及对压裂改造的影响

赋存深度对页岩储层岩石力学特性具有显著影响.研究深层页岩的形变破坏机理,获得赋存深度对岩石力学参数的影响规律,能够为页岩油气开发提供至关重要的基础参数.采用不同深度页岩岩样系统开展了岩石力学实验,分析了深层页岩的关键力学性质,得到了其强度参数及形变模量的变化规律.结果表明:深层页岩在力学强度、抗形变破坏能力、破裂方式等...     

页岩气储层岩石力学特性及脆性评价

页岩气储层的岩石力学特性对开发影响极大,进行页岩破坏机理、力学特性和脆性评价方面的研究,可以为页岩气钻井和压裂设计工作提供技术支撑。采用室内试验和测井分析相结合的方法,在黑色页岩力学特性研究的基础上,分析了其脆性破坏特征及影响因素,提出了一种利用岩石弹性参数和矿物组成综合评价页岩脆性的方法,并介绍了利用测井资料计算单井脆性剖面的流程。研究表明,页岩普遍具有脆性破坏的特征,破坏类型与页岩种类、取心深度、取心方位和加载条件相关,低围压下标准试样以劈裂式破坏为主,全应力应变曲线经历极短的塑性屈服阶段即发生破坏,高围压时多出现双剪式和单剪式破坏,页岩的脆性与试样的弹性参数和矿物组成关系密切。实例分析表明,脆性特征影响压裂效果,与压裂造缝能力和产气情况吻合良好。综合脆性评价既是储层岩石力学特性分析的重要内容,也是压裂选层的重要依据。