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泥页岩井壁稳定性研究

作　者: 陈秀荣
导　师: 姚爱国
学　校: 中国地质大学
专　业: 地质工程
关键词: 泥页岩井壁稳定泥页岩水化热效应
分类号: TE21
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

泥页岩是以粘土矿物为主的固结程度较高的沉积岩,它不仅具有岩石的共同特点,而且具有水化性。泥页岩因其水化性而成为井眼稳定研究的焦点。泥页岩中一般含有20%～30%的粘土矿物,若粘土的主要成分是蒙脱石,则易吸水膨胀;若粘土的主要成分为高岭石、伊利石,则膨胀性小,但容易脆裂;而伊利石—蒙脱石混层,则离子键强键减少,一部分比另一部分水化能力强,导致非均匀膨胀,进一步减弱了泥页岩的结构强度。所以泥页岩是很难对付的地层。这也是泥页岩井壁失稳成为钻井工程中普遍存在的问题,以及国内外钻井技术界一直不懈努力攻关的内容的原因。针对泥页岩井壁失稳的研究工作从上个世纪中叶就已经开始,先后经历了纯力学研究—泥浆化学研究—力学和化学耦合研究—力学-化学-热力学耦合研究等几个研究阶段。这些理论模型都不同程度的促进了泥页岩井壁稳定研究的发展。但是,由于泥页岩的特殊性,现有的理论模型都不同程度的存在着缺陷。就多场耦合理论模型来说,现有的理论模型大致可以分为两类:一是使用应力叠加法,这种方法是将计算出的原地应力场、钻井液渗流产生的附加应力场、井壁围岩温度变化产生的附加应力场等各种应力场机械的叠加在一起。这种耦合方法显然不具有严格的力学意义,只有在把泥页岩地层视为刚体的情况下才能采用;二是使用能量守恒法,这种耦合方法的缺点是很难确定泥页岩水化的化学能与其变形之间的关系。而且,由于泥页岩多场耦合的复杂性,耦合模型中的很多参数也很难在实验室测定,这也影响了耦合模型的实用性。泥页岩井壁失稳是一个非常复杂的问题,影响井壁失稳的因素也非常之多。进行井壁稳定分析时,如果考虑太多影响因素,不仅复杂,而且还影响模型的实用性。所以,本文从最主要的影响因素出发对井壁稳定进行分析。本论文的基本出发点是研究钻井过程中的泥页岩井壁稳定问题。从影响井壁稳定的主要因素出发,分别对泥页岩井壁稳定的力学原理、泥页岩的水化问题、钻井液与泥页岩的热传递问题进行了研究。本论文的主要研究内容包括以下几个方面:1.分析了泥页岩井壁失稳的形式和失稳的机理;基于线弹性理论和有效应力原理,在不考虑泥页岩与钻井液相互作用的情况下建立了井壁围岩的有效应力分布形式;利用Drucker-Prager准则判断井壁是否失稳;介绍了坍塌压力和破裂压力的当量钻井液密度的计算;分析了井壁稳定的主要影响因素;2.从泥页岩的组成和物理性质出发,分析了泥页岩水化的内在原因,进一步分析了泥页岩的水化机理;采用有限差分法求解了泥页岩的吸附水扩散方程,定量分析了泥页岩井眼周围地层含水量分布随径向距离和时间的变化规律;根据泥页岩力学参数与含水量的关系,定量研究了水化对泥页岩力学参数的影响;3.介绍了热传导问题和热—力耦合问题的有限单元分析方法;采用有限元模拟软件ANSYS计算分析了由于钻井液向地层的热量传递导致的井眼周围地层温度场的分布规律;进而分析了同时考虑温度和地应力情况下井壁围岩应力的分布情况,并与不考虑温度影响的情况进行了对比,通过对比,分析了热效应对井壁稳定性的影响规律;采用ANSYS模拟软件对比分析了考虑泥页岩水化和热效应与不考虑时的区别,定量分析了二者对井壁稳定性的影响规律。泥页岩井壁稳定性研究是一个系统研究,本论文仅是对泥页岩井壁稳定的力-化学-热耦合分析的一个初步探讨,尚有诸多因素没有考虑,需要进一步的摸索研究。

全文目录

作者简介  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-19
  §1.1 选题的目的与意义  12-13
  §1.2 国内外井壁稳定研究现状及发展趋势  13-17
    1.2.1 井壁稳定力学机理研究  13-14
    1.2.2 井壁稳定泥浆化学研究  14-15
    1.2.3 井壁稳定力化耦合研究  15-16
    1.2.4 技术发展趋势  16-17
  §1.3 关键问题的提出  17
  §1.4 研究内容与创新点  17-19
    1.4.1 主要研究内容  17
    1.4.2 主要创新点  17-19
第二章泥页岩地层井壁稳定的力学原理和影响因素分析  19-30
  §2.1 井壁失稳概述  19-20
    2.1.1 井壁力学失稳形式  19
    2.1.2 井壁失稳机理  19-20
  §2.2 泥页岩地层井壁应力分析  20-24
    2.2.1 井壁围岩应力分布  20-22
    2.2.2 井壁有效应力分布  22-24
  §2.3 破坏准则  24-26
  §2.4 井壁坍塌压力和破裂压力计算  26-27
  §2.5 泥页岩井壁稳定影响因素分析  27-30
    2.5.1 影响因素概述  27
    2.5.2 原地应力影响  27-28
    2.5.3 地层强度影响  28
    2.5.4 钻井液影响  28-29
    2.5.5 钻井工艺方面影响  29-30
第三章水化对泥页岩力学性质的影响  30-47
  §3.1 泥页岩的组成和物理性质  30-31
  §3.2 泥页岩水化机理  31-32
  §3.3 泥页岩水化扩散方程的建立  32-34
  §3.4 泥页岩水化实验研究  34-42
    3.4.1 泥页岩水化扩散  34-36
    3.4.2 泥页岩水化膨胀  36-38
    3.4.3 泥页岩水化对其力学性质的影响  38-42
  §3.5 井眼周围泥页岩地层含水量变化规律  42-44
  §3.6 井眼周围泥页岩地层力学参数变化规律  44-47
第四章考虑热力学效应及泥页岩水化的井壁稳定性分析  47-68
  §4.1 热力学效应研究  47-60
    4.1.1 有限元方法分析热传导问题  47-51
    4.1.2 有限元方法分析热-力耦合问题  51-54
    4.1.3 井壁围岩温度场的模拟分析  54-57
    4.1.4 井壁围岩温度场-应力场耦合的模拟分析  57-60
  §4.2 泥页岩水化和热力学效应下的井壁稳定性分析  60-68
    4.2.1 模型的建立  60
    4.2.2 计算参数  60-61
    4.2.3 计算结果分析  61-68
第五章结论和建议  68-70
致谢  70-71
参考文献  71-72

泥页岩井壁稳定性研究

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