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泥页岩井壁稳定的力学与化学协同作用研究与应用

作　者: 宋世超
导　师: 余维初
学　校: 长江大学
专　业: 应用化学
关键词: 泥页岩井壁稳定力学-化学协同作用钻井液抑制剂
分类号: TE21
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

井壁失稳问题,从广义上讲不仅包括脆性泥页岩井壁的坍塌剥落、塑性泥页岩井壁的缩径和粘弹塑性变形,还包括地层在钻井液压力作用下的水压破裂以及钻完井过程中,经常出现的井壁坍塌、地层破裂、扩径缩径等工况。井壁失稳问题是世界各大油气田长期勘探开发过程中,最常遇到的井下复杂情况之一,其严重影响油气勘探开发的进程,甚至会对现场施工人员造成人身伤害。根据统计资料显示,全世界的石油钻采公司,每年仅用于保护井壁稳定性的费用就多达10亿美元,并且对井壁稳定性问题的处理,使总体的钻井时间增加了5%-6%之多。由于在所钻遇的地层中,近75%为泥页岩,且由泥页岩引起的井壁失稳现象高达90%以上,因此,目前国内外针对井壁稳定性问题的研究均围绕泥页岩井壁稳定展开,所取得的成果不仅能够加快钻井速度同时实现低成本钻井,还能够提高我国钻井技术在世界上的核心竞争力。本文从根本上分析了发生井壁失稳现象的原因,包括力学作用和钻井液物理-化学作用两个方面,这两方面作用是相互影响、相互制约、密不可分的。通过前人的实践证实,仅从力学作用或钻井液物理化学作用的单一方面井壁失稳问题进行研究是行不通的,必须综合考虑这两方面因素的影响,才能有效的解决井壁失稳问题。因此,这也是今后泥页岩井壁稳定问题研究的发展方向。泥页岩中的主要成分粘土矿物的特性是对泥页岩性质起决定性作用的因素,因此本文对粘土矿物特性进行了深入的研究,总结出与井壁稳定联系紧密的几种特性对井壁稳定的影响规律,包括比表面积、阳离子交换量、水化作用、孔隙水活度等。并且根据国内外研究现状,在大量总结前人的研究进展和充分吸收前人研究成果的基础上,结合对泥页岩本身的组分特征和理化性能的研究,对原地应力状态、地层孔隙压力、地质构造特征等岩石所固有性质和参数进行了测定方法和计算方法的总结、推导；综合研究钻井液的性质与组成,以及其对井壁应力分布状态的影响,主要是对p塌的影响；进行了井壁稳定性的岩石力学和钻井液物理化学协同作用机理的研究。在搞清楚了泥页岩井壁失稳的根本原因以及基本建立起来了泥页岩井壁稳定性研究理论体系的基础上,总结了现有井壁稳定性研究实验方法以及这些方法的优缺点。由于造成井壁失稳的原因的复杂性,导致理论计算结果与工程实际有一定的误差,目前仍然没有一种装置能够实现直观的观测到钻井液对井壁作动态过程的目的,因此迫切需要一种能够帮助研究人员实时、动态的了解井壁失稳过程的装置,这已经成为当前泥页岩井壁稳定性研究取得重大突破的关键节点。结合理论研究成果,为评价钻井液对泥页岩井壁失稳的影响,制定出了高温高压泥页岩井壁稳定评价装置的研制思路,利用获取的泥页岩的组分和理化性能资料压制人工井壁,继而模拟井内压力、温度和钻井液的动态循环状态,以真实地形成钻井液对井壁的冲刷损害。根据这一思路和国内泥页岩井壁稳定室内评价装置的发展现状,利用超声波成像技术、水力压力传递与化学渗透作用机理,研制了高温高压泥页岩井壁稳定评价装置,并制订了相应的评价方法,为评价泥页岩井壁稳定性提供了一种新方法。该评价装置包括人工井壁模拟装置、高温高压三轴压力室、温度、压力和围压控制系统、钻井液动态循环系统以及数据采集与处理系统。通过实验,对仪器设计和实验方法进行了优化,并且提出了改进装置的意见和深入开发装置其他功能的实验思路,包括减小人工井壁厚度、实现超声波测距的自动化、完善软件的可操作性等方面。增加装置的单因素实验,通过实验结果分析井内环境、岩心组成、钻井液滤液组成、钻井液返速等因素对井壁稳定性的影响。通过前期的压力传递实验证明,水力压差和钻井液与地层水之间的化学势差是流体侵入井壁地层的驱动力,要控制泥页岩压力传递和阻止钻井液滤液进入晶层,需增加钻井液的抑制、封堵、成膜等作用,从而达到保持泥页岩井壁稳定性的目的。这些装置改进意见和扩展实验思路,使得所研制的高温高压泥页岩井壁稳定评价装置能够进行有关井壁稳定的多种实验,实现装置利用的最大化,也为有针对性的改善钻井液性能、提高泥页岩井壁稳定性提供了更多、更有效的依据。本文还利用线性膨胀法进行了新型泥页岩水化作用抑制剂的筛选,筛选出了代号为JHSZ和JHGX的高效抑制剂,通过进一步实验,确定出了这两种抑制剂在钻井液体系中添加的最佳浓度分别为0.5%和3%。应用研制出的高温高压泥页岩井壁稳定评价装置,进行人工井壁模拟实验,对筛选出的抑制剂的抑制效果进行评价,证实其稳定井壁的效果优良。利用对泥页岩井壁稳定的力学与化学协同作用研究结果,对涠洲11-2油田的井壁稳定性问题进行分析计算,计算结果与实测数据的误差在工程允许范围内,确定出了能够维持井壁稳定的钻井液“安全”密度窗口,进一步证实了泥页岩井壁稳定的力学-化学耦合作用机理对稳定井壁所起的积极有效的作用。本文的研究结果不仅能够对涠洲11-2油田相邻油田的开发利用提供理论指导,所筛选出的新型抑制剂加量少、成本低、性能优,所研制的高温高压泥页岩井壁稳定评价装置填补了我国在井壁稳定动态模拟研究实验方法上的空白,并且实现了装置功能的最大化,有望得到大面积的推广和使用,应用于更加广泛的油气开发领域。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章概述  10-18
  1.1 研究的目的和意义  10
  1.2 井壁失稳原因分析  10-13
  1.3 井壁稳定性国内外研究现状  13-16
  1.4 本文的研究重点与创新点  16-18
第2章泥页岩井壁稳定性基础理论研究  18-32
  2.1 粘土矿物概述  18-21
  2.2 粘土矿物特性对井壁稳定性的影响  21-23
  2.3 泥页岩井壁稳定力学-化学协同作用机理  23-32
第3章泥页岩井壁稳定性评价装置的研制  32-45
  3.1 现有的井壁稳定性的室内评价方法概述  32-36
  3.2 高温高压泥页岩井壁稳定评价装置的研制  36-43
  3.3 进一步完善和改进的功能  43-45
第4章泥页岩井壁稳定性的实验研究  45-66
  4.1 应用线性膨胀法进行泥页岩抑制剂的筛选评价  45-50
  4.2 应用高温高压泥页岩井壁稳定评价装置进行评价实验  50-55
  4.3 结合涠洲11-2油田井壁稳定状态实验及分析  55-66
第5章结论  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-72
个人简介  72-73

泥页岩井壁稳定的力学与化学协同作用研究与应用

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