由于泥页岩中含有水敏性粘土矿物,当与钻井液接触时,泥页岩与钻井液相互作用,产生水化膨胀,不仅改变了井眼周围的应力分布,而且由于吸水使得泥页岩的强度降低,这就使得泥页岩地层的井壁失稳问题非常严重。利用泥页岩地层水化后井眼周围应力分布的计算模型,在Visual Basic 5.0的环境下,编制Windows应用程序。该程序可以计算井眼周围的含水量分布、井眼周围的应力分布及保持井壁稳定所需的坍塌压力(仅考虑在均匀水平地应力的条件下的直井井眼)。 1. 泥页岩井眼周围的含水量分布
利用程序计算出井壁与泥浆接触时间分别为100,200,…,600小时的泥页岩地层中的含水量分布,从计算结果可知:
(1) 当泥页岩与井内泥浆接触时,井壁上的泥页岩吸水量很快达到饱和值;
(2) 当时间一定时,泥页岩的吸水量随离井眼距离的增加而减小,这样在井眼周围的泥页岩地层中形成一水化带,但到一定的距离后信号发生器设计,其含水量接近于原始含水量;
(3) 在水化带内,当距离一定时,时间越长,泥页岩的吸水量越多,到一定时间后将趋于饱和。
(4) 泥页岩地层的含水量分布与其吸附扩散常数密切相关,民革党员什么意思因为含水量的分布是计算井眼周围的应力分布和分析水化影响井壁稳定的基础,所以必须准确测定泥页岩的吸附扩散常数。
2. 泥页岩地层井眼周围的应力分布
利用所编程序,计算在只有水化时及在水化膨胀和地应力共同作用下的井眼周围的应力分布。
2.1只有水化作用时井眼周围的应力分布
计算钻井液与泥页岩接触的时间为200和500小时的井眼周围的应力分布。泥页岩水化在井眼周围岩石介质内部产生一个压应力场,但对径向应力和切向应力的影响程度并不相同,所产生的径向应力较小,而切向应力则大得多。切向应力在井壁上最大,随着向井壁内层的推进,切向应力急剧减小,特别值得注意的是,切向应力在其缓慢地降为零之前,由压应力变为拉应力(实际井眼中由于存在地应力及井内泥浆液柱压力的作用而不会出现拉应力)。并且,钻井液与泥页岩接触的时间为200小时,其最大切向应力为8.16MPa;当接触时间为500小时时,最
大切向应力为9.14MPa。可见,水化对泥页岩井眼周围的应力分布有相当大的影响,并且钻井液与泥页岩作用的时间越长,水化影响的程度越大。
采取不同的吸水膨胀系数,计算得出的水化应力的数值相差较大。钻井液与泥页岩接触的时间为500小时,利用室内围压下测得的吸水膨胀系数K1=0.0333和K2=0.832计算的最大水化应力为9.14MPa,而用Chenevert在大气条件下测得的吸水膨胀系数K1=0.0708和K2=11.08计算所得的最大水化应力达73.13MPaswot分析矩阵。因此准确测量泥页岩的吸水膨胀系数对于分析水化对井壁稳定的影响规律十分重要。
2.2考虑地应力与水化膨胀共同作用时井眼周围的应力分布
只有水化作用的情况在井下实际是不存在的,为模拟井下的真实情况,必须考虑地应力及井内泥浆液柱压力的影响。
取泥页岩与钻井液接触的时间为500小时,在地应力和水化共同作用下,计算出的井眼周围的应力分布。可以看出,与无水化的情况相比,水化作用使井眼周围的应力分布产生了很大变化,尤其是切向应力,特别是在近井壁附近。水化导致井壁周围的切向应力降低,分析原因主
要可能是由于泥页岩吸水后,抗变形刚度急剧减小,虽然吸水产生膨胀应变有使井壁周围的应力增大的趋势,但此时可以认为抗变形刚度降低造成泥页岩软化对应力的影响更大。该观点被假设弹性模量为常量条件下的计算结果所证实,此时,水化后在井壁上产生的切向应力增大3倍。因此,由于水化改变井眼周围的应力分布,且造成泥页岩的强度大幅度降低,在这二者的共同作用下,保持井壁稳定所需的泥浆密度将大大提高。
水化后的切向应力最大值也有别于无水化时,不是出现在井壁上,而是出现在距井壁13厘米处,且该距离随水化时间增大而向前移动。因此井壁失稳不是在井壁上,而是在距井壁13厘米处,取决于水化的时间。泥页岩水化造成的井壁失稳表现为周期性坍塌,且塌块尺寸较大,塌块较多,对钻井的危害也较大。搜索评价
当距井眼的距离一定时,切向应力随水化时间的增加而降低,但降低的速度与泥页岩的吸附扩散常数密切相关,一般吸附扩散常数较大时,应力在一周左右达到稳定,而吸附扩散常数较小时,应力变化极为缓慢,3个月时间仅下降4MPa。因此,泥浆的性能及泥页岩的理化性质是影响水化应力大小的关键因素。
知道了泥页岩地层中井眼周围的应力分布,利用强度准则,即可确定保持井眼稳定所需的泥浆
的安全密度范围。
3. 泥页岩地层水化后的坍塌压力计算
通过上述介绍,汽车助燃剂已计算出泥页岩水化后井眼周围的应力分布,并且知道了泥页岩的弹性模量和强度参数随含水量的变化规律,即可根据强度准则确定保持井壁稳定所需的坍塌压力。一般认为,中间主应力在井壁稳定性分析中影响不大,并且试验也表明,不考虑中间主应力影响的摩尔—库仑准则能较好地反映泥页岩地层的强度破坏特性。
计算不同水化时间下的保持泥页岩井壁稳定所需的坍塌压力,计算结果表明,水化作用改变了保持泥页岩井壁稳定所需的坍塌压力。在水化初期,坍塌压力反而降低,在100小时左右最小,而后,随着水化时间的增加,坍塌压力急剧增大,经过大约四、五十天的时间,坍塌压力渐趋稳定。不同的泥页岩粘聚力,即使粘聚力相差并不太大,其所需的坍塌压力也相差较大。因此,确定泥页岩的坍塌压力时,必须准确测定泥页岩的粘聚力随含水量的变化规律。
泥页岩水化后,井壁失稳出现在距井壁13厘米处。不同的钻井液密度对坍塌距离的影响规律不同,密度较小时,如密度为0.5g/cm3,坍塌距离随水化时间的增加而增大,经过约20天左右,
坍塌距离趋于稳定;而在密度较大时,随水化时间的增加,坍塌距离开始增大,然后减小,直至到一最小值,最后又随水化时间的增加而增大,至一定时间后趋于稳定。当水化时间一定时,随着钻井液密度的增加,坍塌距离减小。
4结论与建议
(1)泥页岩水化产生膨胀应变,造成泥页岩软化,改变了井眼周围的应力分布,使得井壁失稳表现为周期性坍塌破坏,并且不是出现在井壁上,而是出现在距井壁13厘米处,且其距离随所用的泥浆的密度增加而减小;
(2)泥页岩水化后,强度降低,井眼周围的应力分布改变,二者的共同作用使得保持井壁稳定所p(6)为简化,将泥页岩看成线弹性,且只考虑了均匀地应力的情况,但泥页岩水化后,其塑性增强,用弹塑性本构方程来描述其应力应变关系才更符合实际情况,且要考虑非均匀地应力的影响。
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