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裂缝性泥页岩的水化稳定性研究及其应用

邓虎  
【摘要】:钻井中的泥页岩稳定问题是影响钻井技术发展的重大问题。至二十世纪八十年代末C.H.Chenevert提出泥页岩稳定的“力学与化学耦合”理论以来,泥页岩稳定性研究由定性实验阶段上升到定量分析阶段。近年来,基于连续介质(未考虑裂缝和微裂缝)的泥页岩稳定的定量分析理论有了重大的发展。 但对于实际中最广泛存在的硬脆性泥页岩,裂缝和微裂缝的存在是普遍性的,而且对泥页岩稳定的影响是不可忽视的。本论文在前人“连续介质定量分析”的基础上,深化了定量分析的相关理论研究,重点考虑了裂缝问题和毛管力的影响,并进行了大量实验研究,讨论了相关技术的应用前景。 本论文主要研究内容与相应的结论如下: 1、深化了基于连续介质的定量分析理论研究。以多孔介质传导(能量与物资)、吸附与扩散(水分子和水化离子)、双电层电场与电斥力为基础,建立起泥浆滤液在泥页岩地层中的渗透运移规律及由此产生的水化应力和造成的地层强度变化的规律,最后落脚到应力、应变张量和破坏强度准则,形成了迄今为止最完整的泥页岩水化分析模型。 2、在连续介质基础上考虑微裂缝的存在,发展了裂缝——孔隙双重介质的泥页岩水化稳定性分析模型系统。重点考虑了正压差下的压力势能、负压差下的吸附势能使滤液沿裂缝微裂缝窜进的过程,以及沿裂缝面造成的深部水化现象。 3、重点考虑了泥页岩的正压差下的压力穿透及其影响、负压差下的毛管吸附及其影响。研究发现: ① 传统意义下的“不渗透”泥页岩实际具有微渗透性,这个微渗透性在正压差作用下具有“压力穿透”和“滤液推进”,这是重泥浆下泥页岩失稳的重要原因。 ② 负压差下的水基溶液毛管吸附是欠平衡钻井条件下泥页岩水化失稳的重要原因,尤其是气饱和的“干岩”。 4、在理论研究基础上,基于条件模拟和相似原理,设计并制造了相应的泥页岩水化实验装置,进行了相应的实验研究(高温高压下的压力穿透、端面吸水、水化应力和水化强度降低等)。实验结果表明理论研究是准确、可靠的。 5、综合理论和实验研究,提出了控制泥页岩稳定性的四项基本措施:提高密度、化学抑制、物理封堵、润湿反转。对这四项基本措施可以通过本文建议的岩芯实验和 数值模拟予以定量化分析或预测。 ①减少井下复杂事故的损失。 以此基础发展的技术将在以下方面起重要作用: 在新区钻井,传统方法是在“摸索试验” 之后得到并非最佳的泥页岩稳定技术;而以本文为基础发展的技术, 很多口井 有可能在两三口 井之后找到稳定泥页岩的最佳技术方案。 ②深探井的合理泥浆密度。以此为基础,有可能在优化钻井液体系性能的基础上实 现大幅度降低泥浆密度,从而实现高效、 ③以此为基础,可能实现尽量少水化, 快速、安全与保护储层的统一。 甚至基本不水化的目标,从而使稳定井壁的 液注压力大大降低、 础。 甚至完全取消,为欠平衡钻井、气体钻井的推广使用提供技术基 泥页岩水化稳定性是一个非常复杂的大系统,本论文仅仅是裂缝泥页岩稳定性研 究的成功开端,尚有诸多方面的问题需要进一步摸索深化。 主题词:泥页岩;裂缝微裂缝;毛管力;水化稳定性;水化应力;化学力学藕合 ..‘.-...,一一一一一.,.,..-‘..一...一.甲.一,目.一一...-..,一..,一、,.一-一一,.,一...一一.目.,..一一一,...,. 本研究是中国石油天然气集团公司九五重点机理研究项目“强化井壁稳定机理研究“的部分内容。


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