页岩层理对水平井井壁稳定的影响

中国南方海相页岩气区硬脆性页岩储层层理/裂缝发育,层理性页岩水平井钻井井壁坍塌问题已严重制约页岩气勘探开发进程。为此,以线弹性井壁稳定力学模型和单一弱面强度理论为基础,建立了考虑页岩层理产状、层理弱面强度、岩石强度、水平井方位、强度弱化(含水量)等因素影响的层理性页岩水平井井壁稳定模型。在此基础上定量分析了层理产状和含水量对水平井井壁坍塌压力的影响。结果表明:坍塌压力与层理面产状、井眼方位关系密切,地层倾角0°<θDIP<15°、75°<θDIP<90°时有利于水平井井壁稳定;页岩层理弱化是导致井壁坍塌失稳的重要原因,无论层理产状如何变化,随着层理含水量的增加,井壁坍塌压力迅速增加,坍塌压力增量约为4.30～22.62MPa,含水量20%时坍塌压力增幅可达100%。     

页岩气储层井壁坍塌压力研究

页岩气储层各向异性强,易发生井壁失稳。利用四川盆地所取页岩气储层岩芯测试钻井液对页岩基体及层理面强度的影响规律,结合单一弱面准则,建立页岩气井井壁稳定预测模型,分析层理面倾角、钻井方位、钻井时间及钻井液类型等因素对页岩储层水平井坍塌压力的影响规律。研究结果表明：层理面倾角小于45°时,井壁岩石发生层理面破坏,倾角大于45°时,在某些井眼方位井壁会发生本体破坏;沿最小水平地应力方位附近钻进水平井最容易发生井壁坍塌;随钻井时间的增加,坍塌压力逐渐升高,井壁破坏形式可能会由初始的页岩基体破坏变为层理面破坏;使用油基钻井液比使用水基钻井液更容易保持井壁的长期稳定。研究结果可以为页岩气井钻井设计提供参考依据。     

基于直剪试验的页岩强度各向异性研究

 层理面的存在是页岩地层力学性质、强度特征和破裂模式表现出明显各向异性特征的根本原因,也是引起水平井井壁易失稳的重要原因之一。为分析层理面的力学性质及其影响下页岩的抗剪强度各向异性特征,开展不同角度页岩的直接剪切试验,并根据剪切破坏机制的各向异性和剪应力集中系数,从不同角度分析抗剪强度各向异性的原因,试验和理论分析结果表明：(1) 层理面是页岩地层的薄弱面,其黏聚力和内摩擦角明显小于页岩基质体,抗剪强度也最低,其剪应力–剪切位移曲线并没有表现出岩石剪切强度随滑动而弱化的特点,而是其残余摩擦力甚至还略大于抗剪强度。(2) 0°,30°,60°和90°四个方向中,页岩抗剪强度的最大值在60°时取得,且0°,30°和60°试样的剪应力–剪切位移曲线均表现出剪切强度随滑动而弱化的现象。(3) 页岩剪切破坏机制可分为沿页岩本体的剪切破坏、沿层理面张拉和本体剪切的复合破坏、以及沿层理面的剪切滑移3种模式;页岩抗剪强度的各向异性是由其剪切破坏机制的各向异性控制的。(4) 剪应力集中系数在一定程度上反映了岩石直接剪切时剪切承载力的强弱,可用来分析页岩抗剪强度的各向异性特征;不同方向页岩直接剪切时,剪应力集中系数仅与沿剪切方向的弹性模量和剪切层的厚度有关;相同法向应力下,90°试样的剪应力集中系数最大,抗剪强度最小,而60°试样的剪应力集中系数最小,抗剪强度最大。该试验和理论分析结果可为深入分析岩质边坡中滑动面的运动特征和页岩气水平井井壁稳定性等提供一定参考。     

深层脆性页岩力学性能及破坏规律实验研究

对川南埋深3 762.3～3 849 m页岩进行实验研究,通过岩体矿物组分测试、微观结构CT扫描分析、以及设计0°、30°、60°和90°等4种层理角度深层页岩的三轴压缩试验,总结深层脆性页岩破坏规律,进而深入认识脆性页岩力学性质及其变形特征,为川东南地区后续的页岩层段高效钻进提供理论支撑。研究结果表明:该层段页岩含有大量石英和白云石,脆性矿物含量高,蒙脱石等膨胀性黏土组分含量极低;深层页岩十分致密,力学强度高,层理弱面和基质体分布及层理间的胶结作用使得岩体力学各向异性特征明显;单剪切滑移破坏和共轭剪切拉伸破坏为该地区深层页岩的主要破裂形式。三轴压缩时,0°和90°试样易发生沿着层理的张拉劈裂和穿越基质剪切破坏,30°和60°岩样易沿着层理发生剪切滑移破坏。     

页岩气藏缝网压裂力学分析

采取岩石力学分析法,计算页岩气藏中天然裂缝张开压力和延伸后沟通压力,分析层理对岩石强度的影响,并给出层理薄弱面形成剪切裂缝的力学条件。结果表明:以前的设计所需井底压力较高,当考虑地层中天然裂缝的张开和延伸沟通后,在较低的井底压力下,就能够形成复杂的裂缝网络;页岩层理会降低岩石的整体强度,在一定的井底压力下,岩石发生破碎,有利于形成缝网;页岩层理薄弱面在较低的压力下容易产生剪切裂缝,这是页岩气藏形成复杂缝网系统的重要基础。因此,对于天然裂缝和层理比较发育的页岩气藏,可以不需要达到以往的较高设计和施工压力就能形成缝网。     

渝东南下志留统龙马溪组层理性页岩力学特性试验研究

渝东南下志留统龙马溪组页岩层理发育,采取该地区露头岩样,在页岩基础物性测试的基础上,开展了不同层理角度条件下的页岩力学特性研究。结果表明:在岩样单轴受压直至破坏的过程中,随页岩层理倾角的增大,其单轴抗压强度线性增大,夹角在0°~45°范围内时,破坏面延展方向与层理倾角一致,夹角在60°~90°时,仅部分裂缝的展布与层理倾角吻合,主破坏面延展与层理倾角不一致而产生劈裂破坏;岩样的抗拉强度分布在2.872 0~10.490 0 MPa区间内,压入硬度在556.6~1 842.98 MPa范围内,随着层理倾角的变化,抗张和硬度特性都表现出较强的离散性。页岩层理发育对岩石力学性质影响较大,建议在该地区页岩气钻井、压裂改造的设计中应充分考虑页岩力学特征的各向异性。     

龙马溪组页岩的力学特性及破坏模式研究

井壁稳定性是页岩气勘探开发关键技术的核心问题之一。针对页岩井壁稳定问题,以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象,结合实际钻井情况,开展了不同围压、加卸载模式、取芯角度、流体浸泡等一系列岩石力学实验,为页岩气的勘探和开发提供基础数据。研究表明:四川盆地龙马溪组页岩单轴抗压强度较高,脆性较强;卸载作用造成岩样破坏更加剧烈,破坏模式更加复杂;取芯方向与层理面夹角为15°时,岩样的抗压强度和内聚力最低,夹角为45°时,岩样的破坏最剧烈;流体浸泡使岩样的强度和内聚力大幅下降,岩样以剪切破坏为主,浸泡过油基钻井液的岩样的强度和内聚力损失最小;随浸泡时间的增长,岩样的内聚力和内摩擦角先快速降低后趋于平缓。     

页岩地层中孔隙热弹性井眼稳定力学模型

基于多孔介质弹性理论和各向异性线弹性力学,考虑多孔介质中流体组分和流–固–热耦合作用的影响,建立各向异性多孔介质的孔隙热弹性控制方程;将页岩地层视为横观各向同性介质,采用坐标转换方法得到井眼坐标下的本构方程和孔隙热弹性力学模型,给出采用叠加原理进行求解的基本方法,引入弱面强度理论进行稳定性判别;并以直井井壁应力分布和W201–H1井实例分析检验模型的准确性。结果表明:常规模型和本文模型计算出的直井井壁应力分布完全一致(最大误差0.03%),W201–H1井井眼稳定分析结果与实际情况吻合较好,而传统模型计算结果偏差较大,检验了模型的准确性和可靠性;随着钻开地层时间的增加,井眼周围地层的坍塌区域逐渐变宽和变深;页岩强度各向异性、弹性各向异性、井周渗流作用和传热效应是影响页岩井眼失稳的重要原因,而页岩强度各向异性是井眼失稳的主要力学机制;有必要考虑页岩各向异性、流–固–热耦合效应对井眼稳定的影响。研究结果可为页岩地层井眼稳定分析和钻井施工措施的制定提供参考。     

层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。     

横观各向同性地层水平井井壁拟三维应力场计算模型

 针对横观各向同性地层,基于各向异性材料力学理论,运用应力叠加原理和坐标变换方法,考虑井筒流体压力、最大水平主应力、最小水平主应力和上覆岩层压力作用,推导横观各向同性地层中,水平井沿任意方向钻进时井壁应力场的拟三维解析解。进而分析了页岩和砂岩水平井井壁上任意岩石质点3个主应力的分布规律,分析表明,与地层力学性质各向同性条件相比,力学性质各向异性时,井壁上任意岩石质点的第一主应力 没有改变,而第二主应力 和第三主应力 发生了改变,岩石力学性质各向异性度越大,主应力 和 改变越大,岩石力学性质高各向异性度增加了井壁可能发生张性破裂的点数。研究成果可为横观各向同性地层水平井水力裂缝起裂以及井壁稳定性分析提供参考。     

Laboratory study on the mechanical behaviors of an anisotropic shale rock

Shale gas is becoming an important energy source worldwide.The geomechanical properties of shale rocks can have a major impact on the ef fi ciency of shale gas exploration.This paper studied the mineralogical and mechanical characteristics of a typical gas shale in Ohio,USA.Scanning electron microscope(SEM)with energy dispersive X-ray(EDX)analyses was employed to measure the microstructure and material composition of the shale rock.The anisotropic behaviors of shale rock,including compressive and tensile strengths,were experimentally measured.The characteristics of shale rock were also studied by nondestructive wave speed measurements.The shale demonstrated strong anisotropic behaviors with the tensile strengths perpendicular to the bedding plane around 300e360 times of that parallel to bedding plane.Results of ultrasonic tests indicated that both compression and shear wave velocities show strong anisotropic patterns.The compression wave speed was the smallest in the direction perpendicular to the bedding plane;while the shear wave speed was the smallest in the direction parallel to the bedding plane.The ratio of wave speed anisotropy is around 1.3e1.4 for compression wave;the ratio of shear wave speed anisotropy is larger and more diverse compared with the compression wave anisotropy.This might be related to the larger variability in the frictional adhesive strength along bedding plane than the compressive adhesive strength.     

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。     

基于围岩本体Mogi-Coulomb强度准则的层理性岩层斜井井壁稳定模型

 层理性地层中进行大斜度井施工的井壁失稳问题较为突出,在传统井壁稳定模型基础上,以弱面对岩石强度的弱化作用实验为依据,引入欧拉变换充分考虑三维地应力方向的任意性,利用Mogi-Coulomb准则强化中主应力对围岩本体强度的影响,结合单弱面强度准则建立分析层理性地层斜井井壁稳定问题的模型,并进一步给出计算斜井坍塌压力与破裂压力的方法与公式。实验与计算结果表明：当加载方向与弱面夹角为30°时岩石强度最低;Mogi-Coulomb准则因考虑了中主应力的影响而对围岩本体强度的估计更为有效;考虑层理弱面影响的井壁坍塌破坏区域明显增大,破坏位置也发生改变;取得最小坍塌压力值的钻井方向在空间中与层理面并非简单的垂直关系;空间中关于地应力主平面对称的井孔破裂压力相同。利用所建模型进行安全泥浆压力窗口的计算可为安全钻井以及斜井轨迹设计提供理论依据。     

钻井液浸泡对库车组泥岩强度的影响及应用研究

 通过岩石三轴抗压实验研究包含在用钻井液体系在内的多套钻井液体系对库车组泥岩强度特性的影响。在已有钻井液性能评价方法的基础上,结合泥岩受不同钻井液体系浸泡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,对现用钻井液体系进行筛选和优化研究,获得对该泥岩地层具有更好稳定作用的钻井液体系;通过对不同钻井液体系浸泡前后岩石的强度测试结果,计算分析不同体系下的地层坍塌压力变化,成果应用到现场钻井,稳定井壁及提速效果显著。研究表明：通过优化钻井液体系可以调整和改变泥岩地层的强度特性,最佳状态下的钻井液应该使泥岩浸泡前后表现出基本相同的应力–应变规律;在现有钻井液评价技术中引入岩石强度特性研究成果,不仅将泥岩与钻井液的化学力学耦合作用主动地引到钻井液体系的优化设计当中,而且为从源头上遏制钻井液与目标泥岩地层之间可能出现的化学力学耦合作用对泥岩地层井壁稳定带来的不确定影响奠定了理论基础和方法基础;把钻井液体系设计与优化和井壁力学稳定性相结合,为获得钻井目标泥岩地层坍塌压力,实现低密度钻井液安全、高效钻井奠定了基础;泥岩与不同钻井液体系接触后表现出的变形破坏规律是泥岩地层钻井液稳定井壁性能优化的重要依据,根据泥岩浸泡前后应力–应变特征的研究可以实现对钻井液性能的评价和优选。     

板岩渐进剪切破坏各向异性及其数值模型研究

层理面是导致岩石试样在变形和力学特性上表现出各向异性的根本原因。为研究层理弱面影响下板岩的渐进破坏模式,揭示其各向异性的力学机制,选取贵州东部的层状板岩开展不同加载空间位置关系下的直剪试验。结果显示:剪切强度各向异性是由其破坏机制控制的,层理面与剪切面平行时,属于沿层理面的剪切滑移破坏;层理面与剪切面垂直且其交线与剪应力方向也垂直时,属于剪切作用下层理面的张拉和基质体的剪切破坏;层理面与剪切面垂直而其交线与剪应力方向平行时,垂直于层理面方向试样在泊松效应作用下产生拉伸破坏,剪应力方向试样发生基质体的剪切破坏,此时强度最大。基于层理结构的本构关系,构建层理体系的材料模型,并采用数值模拟研究层理结构对板岩破坏模式的影响,模拟结果与试验结果吻合较好,进一步解释了层状板岩破坏模式各向异性的产生机制。     

Research on unloading nonlinear mechanical characteristics of jointed rock masses

Geological environments of rock mass projects are always very complicated, and further investigations on rock mechanical characteristics are needed. There are considerable distinctions in rock mechanical characteristics under unloading and loading conditions. A series of tests are conducted to study the stress-strain relationship of rock masses under loading and unloading conditions. Also, the anisotropy, the size effect, and the rheological property of unloading rock mass are investigated. The tests presented in the paper include model test and granite rheological test, which are conducted considering geological condition, rock mass structure, in-situ stress field of the permanent shiplock of the Three Gorges Project. The main differences between loading and unloading rock masses are stress paths, yield criteria, deformation and strength parameters, etc.. Different structural plane directions affect unloading rock mass evidently. With increasing size, the tensile strength, the compressive strength, the deformation modulus, the Poisson’s ratio and the anisotropy of rock mass all decrease. For sandstone samples with parallel bedding planes, the cohesion c increases but the internal friction angle ? decreases under unloading condition when compared with the values under loading condition. While for samples with vertical bedding planes, the trend is adverse. The rheological property of rocks has close relationship with the tensile stresses of rock masses. When the sandstone samples are tested under high stress condition, their rheological properties are very obvious with the unloading of confining pressure, and three typical rheological stages are shown. Rheological rate changes with the variations in axial stress and confining pressure.     

山前高陡构造节理围岩的井壁失稳机制研究

 我国西部山前的高陡构造油气蕴藏丰富,但剧烈构造运动形成的节理岩体在钻井过程中容易出现井壁失稳问题,严重制约了勘探开发效益的提高。深入研究节理岩体井壁失稳机制对解决这一难题具有重要意义。结合中国天山山脉南缘霍尔果斯构造的地质情况,利用RFPA2D-flow软件建立山前构造节理岩体的井眼模型,探讨了井眼周围应力场和渗流场的特点,模拟了井壁围岩失稳坍塌的过程,讨论了稳定井壁的对策。井壁周围的应力集中出现在水平最小主应力方位上,而渗流则主要发生在水平最大主应力方位的节理面上,随着渗流作用节理面上流体压力逐渐升高,并导致围岩在节理面上发生拉张破坏而坍塌,井壁坍塌主要出现在水平最大主应力方位上。这一结果合理解释双井径测井曲线上井眼长轴发生翻转的现象。研究结果表明,降低节理面的渗流速度能够明显地减轻节理围岩的失稳,说明加强钻井液封堵性能对稳定井壁具有针对性;过低的井眼液柱压力会导致水平最小主应力方位上井壁围岩剪切破坏,然而过高的井眼液柱压力却对水平最大主应力方位上节理围岩的稳定产生不利影响,说明控制泥浆密度上限是必要的。研究成果对山前高陡构造钻井的井壁稳定问题具有参考价值。     

大连地下石油储备库洞室群围岩稳定性及渗流场分析

为分析水封式大连地下石油储备库洞室群围岩稳定性及渗流场特征,首先基于现场地应力实测结果的回归分析,利用Fish语言编写函数,反演初始地应力场。其次,采用三维离散元程序3DEC生成三维节理网络模型,反演库区初始渗流场的各向异性特征。最后,利用应力与渗流耦合模块实施开挖仿真计算,获取围岩应力场、位移场变化特征。考虑平行、垂直层理面不同材料特性,基于带有抗拉的Mohr-Coulomb强度储备型点安全系数,定量评价洞室群的稳定性。借鉴国外水封效果评价标准,分别从地下水位线和垂直水力坡降2个方面,分析渗流场变化特征。研究表明:在洞室周边平行层理面点安全系数为1.02～1.25,垂直层理面点安全系数为1.95～2.00。在补水隧道及注水孔组成的人工水幕系统作用下,建设期内地下水位下降3～5 m,地下水位距洞室顶55 m。开挖洞室附近平均垂直水力坡降大于1.0,满足设计规范及密封性要求。