北大港油田沙河街泥页岩井壁坍塌周期研究

摘要

泥页岩井壁失稳问题一直是钻井工程中一个复杂且带有世界性的难题，针对这一问题的研究工作从20世纪30年代起，至20世纪90年代，出现了很多不同的理论模型。力学研究逐渐由弹性力学分析向力学/化学耦合研究发展。但是，由于泥页岩多场耦合的复杂性，模型中的很多参数很难进行实验室测定，严重影响了模型计算的准确性和模型的实用性。如国内外文献在对力学－化学耦合研究中的关键参数-膜效率的测量过程就存在一定问题，所以这种计算膜效率的方法是不合理的。另外，在以往对泥页岩坍塌周期的研究中，用实验测定的模型参数分析坍塌周期时未考虑其他因素对参数的影响，使效果不太理想。本文用新的实验室测定方法测定了井壁坍塌模型中的两个重要参数，并对部分参数进行了修正，增强了模型的实用性。 实验中改进了泥页岩力学－化学耦合压力传递试验仪及实验方法，提高了实验效率和准确性。以井壁坍塌压力理论为基础，利用室内测定方法确定了北大港油田沙河街井壁坍塌周期模型中的参数，为坍塌压力计算奠定了基础。 利用泥页岩力学－化学耦合坍塌压力数值模拟软件开展了北大港油田沙河街井壁坍塌周期的规律性分析。结果表明，钻井液活度和温度越低越有利于井壁稳定，膜效率越大，井眼稳定性越好。

目录

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第一章 引言

1.1论文的研究目标和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1流固耦合理论

1.2.2泥页岩水化应力研究

1.2.3井壁稳定的力学-化学耦合理论研究

1.2.4各模型的优缺点总结分析

1.2.5目前井壁坍塌周期研究存在的主要问题及拟解决的方案

第二章 泥页岩压力传递模拟实验

2.1实验原理

2.2实验设备基本结构

2.2.1加温系统

2.2.2流体循环系统

2.2.3动力系统

2.2.4岩芯高压釜

2.2.5数据采集及控制系统

2.2.6数据保存

2.3实验设备及方法的改进

2.3.1实验设备的改进

2.3.2改进后的实验步骤

2.4泥页岩压力传递实验

2.4.1岩芯的选择及钻取

2.4.2活度的测定

2.4.3饱和阶段

2.4.4水力压差作用下的压力传递

2.4.5化学势差作用下的压力传递

2.5膜效率计算方法研究

2.5.1常规膜效率计算方法

2.5.2常规膜效率计算方法存在的问题

2.5.3本文采用的新的膜效率计算方法

2.5.4渗透率测量原理

2.6实验结果与分析

2.6.1岩心等温吸附试验

2.6.2泥页岩力-化耦合实验结果及分析

2.7实验分析

2.8微观结构分析

第三章 泥页岩力学参数的测定

3.1泥页岩主要力学参数

3.1.1内聚力和内摩擦角

3.1.2弹性模量、泊松比

3.2不同含水量下的强度参数的求取

3.2.1岩心柱饱和实验

3.2.2岩心三轴实验

3.2.3不同含水量下内聚力、内摩擦角的求取

3.3强度参数修正

第四章 井壁坍塌周期数学模型的建立

4.1井眼力学模型的建立

4.2原地应力下的井周应力分布

4.2.1应力张量的旋转

4.2.2原地应力引起的应力分布

4.3不同因素作用下井周应力分布

4.3.1水力压差引起的近井应力分布

4.3.2地应力和水力压差共同作用引起的近井应力分布

4.3.3化学势差作用引起的应力分布

4.3.4温度变化引起的近井应力分布

4.4岩石破坏准则的选取

第五章 泥页岩地层的坍塌周期研究

5.1软件简介

5.2计算坍塌周期所用基础参数

5.3坍塌周期研究

5.3.1水力压差作用下的坍塌压力变化规律

5.3.2水力压差和温度差作用下的坍塌压力变化规律

5.3.3水力压差和化学势差作用下的坍塌压力变化规律

5.3.4水力压差、化学势差和温度差联合作用下坍塌压力变化规律

5.4坍塌周期分析

5.5北大港油田沙河街地区井壁坍塌问题解决方案

结论和建议

参考文献

致谢