泥页岩井壁水化损伤的蠕变失稳力学研究

摘要

本文针对油气钻井工程中迫切需要解决的泥页岩井壁失稳关键性问题，以长庆油田长7层西峰233井区为依托，运用损伤力学与流变力学相结合的方法，重点考察泥页岩井壁岩石内部存在的微缺陷损伤以及入井流体和地下流体物化作用造成的流变效应的影响，利用核磁共振、力学实验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，构建并引入由核磁共振 T2谱表征的水化损伤变量，建立考虑水化损伤和蠕变损伤的泥页岩蠕变模型，揭示泥页岩井壁围岩水化后初始缺陷蔓延、传播、贯通到坍塌破坏的蠕变特性和演化过程，形成泥页岩井壁蠕变损伤失稳研究的基本理论方法。论文的主要研究内容如下：
　　（1）岩石组分构成及力学特性分析
　　利用X衍射和扫描电镜的实验方法，对泥页岩岩心进行矿物组分结构和地层岩石物性特征的分析。测试结果发现：该地区的泥页岩中主要原生矿物有黄铁矿、长石和石英，其中石英含量为40％左右，岩石表现为明显的脆硬性。其中粘土矿物主要成分为伊蒙混层、伊利石、绿泥石。区域地层的泥页岩压实程度较高，水平层理及微裂隙发育明显。对不同含水状态下泥页岩岩样进行单轴、三轴抗压强度力学变形实验，获得了应力—应变关系曲线。从结果可以看出：水化对岩石的力学性能影响很大，降低岩石的整体力学性能。
　　（2）泥页岩蠕变特性实验研究
　　对岩石进行不同含水率下三轴蠕变实验，试样在整个加载过程中，经历了衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个蠕变阶段。针对相同荷载水平不同含水条件的对比分析表明，随着含水率的提高，同级荷载情况下岩石蠕变进入稳定阶段所需的时间基本越长、蠕变加载瞬间应变越大、总应变量越大，而岩石长期强度呈减小的趋势。
　　（3）基于核磁共振的泥页岩水化损伤特征及演化分析
　　利用核磁共振技术对不同浸泡时间的脆硬性泥页岩试样进行测量，得到不同浸泡时间后试样质量变化、横向弛豫时间 T2谱分布以及核磁成像。结果表明：水化作用会对岩石内部产生损伤，随着浸泡时间的延长，微裂缝在水化的作用下快速扩展、贯通，使岩样表面产生明显裂纹。核磁共振 T2谱图和成像结果表明水化作用使岩样孔隙结构重新分布，T2曲线信号幅度发生明显变化。建立了由核磁共振T2谱图表征的损伤变量，为识别岩石材料的损伤，提供了新的方法。
　　（4）考虑初始水化损伤和蠕变损伤的泥页岩蠕变本构模型研究
　　分析不同含水状态下泥页岩蠕变特性，引入由核磁共振T2谱表征的水化损伤变量，建立考虑水化损伤和蠕变损伤的泥页岩蠕变模型。采用类比法，在提出的一维蠕变损伤演化方程的基础上，建立同时考虑瞬时损伤和蠕变损伤的三维流变本构模型。该模型既能描述岩石水化损伤后的衰减蠕变和稳定蠕变，又能描述岩石在高应力下的加速蠕变。是一个能反映蠕变三个阶段的水化损伤非线性蠕变模型。利用模型对长7泥页岩的蠕变试验数据拟合的结果表明，该模型可以很好地描述泥页岩水化损伤后岩石的蠕变特性。
　　（5）泥页岩的水化损伤蠕变的有限元分析及工程应用
　　利用 FORTRAN开发环境，把建立的三维损伤流变本构模型编译成子程序，在ABAQUS中采用开发程序对泥页岩三轴蠕变实验进行数值模拟，然后通过和泥页岩的蠕变实验结果进行对比，验证非定常流变本构模型及程序编制的正确性。将所建的水化损伤蠕变模型用于长7层西峰233井区泥页岩层钻井井壁稳定分析，给出考虑损伤蠕变后泥页岩层钻进的钻井液密度图版，用以指导现场钻井。

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目录

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要研究内容及章节安排

2 泥页岩组构特征及力学特性分析

2.1引言

2.2泥页岩的成岩

2.3岩石矿物组分分析

2.4岩石的细观结构特征

2.5单轴抗压强度实验

2.6三轴抗压强度实验

2.7本章小结：

3 泥页岩蠕变特性的实验研究

3.1引言

3.2岩性特征及岩样制备

3.3实验设备与方法

3.4实验结果分析

3.5本章小结：

4 基于核磁共振的泥页岩水化损伤机理研究

4.1引言

4.2损伤力学的基本原理

4.3岩石类材料损伤现象和损伤机制

4.4损伤的观察和测量

4.5基于核磁共振的泥页岩水化损伤细观实验

4.6基于核磁共振的损伤变量

4.7本章小结：

5 泥页岩水化损伤蠕变模型

5.1引言

5.2岩石流变原件模型

5.3泥页岩粘弹塑性模型研究

5.4泥页岩粘弹塑性损伤模型

5.5模型参数的确定方法及验证分析

5.6本章小结：

6 泥页岩水化损伤蠕变的有限元分析及工程应用

6.1 ABAQUS基本介绍

6.2 ABAQUS二次开发

6.3模型程序流程

6.4模型程序文件编写概要

6.5子程序的调用

6.6模型程序的模拟验证

6.7工程应用

6.8本章小结：

7 结论与展望

7.1结论

7.2研究特色及创新点

7.3展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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