【摘要】：孔壁失穩(wěn)問題是地質(zhì)鉆探中長(zhǎng)期存在的世界難題,其中最突出的就是關(guān)于泥頁(yè)巖的孔壁穩(wěn)定性問題。泥頁(yè)巖物理特性復(fù)雜,鉆探過程中約有86%的孔壁失穩(wěn)問題發(fā)生于泥頁(yè)巖地層中。鉆開地層之后,泥漿和泥頁(yè)巖接觸后發(fā)生力-化耦合作用,導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低,造成孔壁坍塌或縮徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者長(zhǎng)期圍繞大口徑石油鉆井井壁穩(wěn)定性研究,從力學(xué)、化學(xué)、力-化耦合等方面建立了諸多孔壁穩(wěn)定性模型,取得了豐富的研究成果。但是,針對(duì)于地質(zhì)勘探中小口徑鉆孔的泥頁(yè)巖孔壁問題相關(guān)研究卻很少。因此,本文在總結(jié)前人的研究成果基礎(chǔ)上,針對(duì)小口徑鉆孔的泥頁(yè)巖孔壁穩(wěn)定問題,通過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究,構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬等方法,綜合研究了影響小口徑鉆孔泥頁(yè)巖孔壁穩(wěn)定的力-化耦合因素。該論文的研究工作及主要結(jié)論如下:(1)以羅平煤系泥頁(yè)巖作為基本研究對(duì)象,通過X-衍射、SEM電鏡掃描方法,分析了煤系泥頁(yè)巖微觀組構(gòu)特征,研究了泥頁(yè)巖水化作用特點(diǎn)。X-衍射實(shí)驗(yàn)表明:羅平煤系泥頁(yè)巖中粘土礦物總量超過50%,其中伊蒙混層又占較大比例,粘土礦物中的蒙脫石是造成泥頁(yè)巖吸水膨脹的微觀原因,而含量較高的伊蒙混層因?yàn)殡x子鍵強(qiáng)鍵較少,非均質(zhì)水化,巖石膨脹程度不均勻,降低了泥頁(yè)巖整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。通過SEM電鏡掃描觀察到巖樣表面有較多微裂縫和微孔,裂縫間有膠質(zhì)破壞膠結(jié)不完整現(xiàn)象。充填片狀伊利石和褶皺片狀蒙脫石間層,局部孔隙較發(fā)育,孔隙中存在易溶殘余物。巖樣中細(xì)粒粘土與片狀粘土混雜,成鱗片狀或帶狀分布特征。這種結(jié)構(gòu)特征增大了粘土顆粒與水之間真正接觸相互作用的有效面,擴(kuò)大巖石水化面積,水化作用削弱了泥頁(yè)巖分子之間的氫鍵和范德華力,并潤(rùn)滑了裂縫,進(jìn)一步降低了巖體強(qiáng)度。(2)根據(jù)泥頁(yè)巖浸泡和泥頁(yè)巖力學(xué)實(shí)驗(yàn),探索了泥頁(yè)巖強(qiáng)度受水化影響的時(shí)效規(guī)律。浸泡后可見巖心表觀出現(xiàn)裂縫,液體沿裂縫侵入泥頁(yè)巖,在毛細(xì)管力的作用下深入裂縫,削弱了巖體分子力,同時(shí)對(duì)裂縫產(chǎn)生潤(rùn)滑作用,引起巖體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力的降低。浸泡液對(duì)泥頁(yè)巖裂縫弱面的膠質(zhì)溶蝕和沖刷,貫通了內(nèi)部微裂縫和主裂縫,液體的侵入使得孔壁結(jié)構(gòu)弱面的圍巖強(qiáng)度降低,造成鉆孔中的孔壁垮塌。單軸抗壓實(shí)驗(yàn)中含裂縫的泥頁(yè)巖容易沿著其中一組最不利的裂縫發(fā)生破壞,較少發(fā)生整體式劈裂或剪切破壞。巖心存在多組裂縫時(shí),由貫通程度大的一組裂縫控制巖心的破壞模式。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),巖石抗壓強(qiáng)度、彈性模量都相繼降低,巖石抗壓強(qiáng)度受浸泡時(shí)間影響尤為明顯。(3)研究了力-化耦合孔壁穩(wěn)定計(jì)算模型,給出了模型參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法,并基于此設(shè)計(jì)出了適用于泥頁(yè)巖孔壁穩(wěn)定的泥漿體系:1.針對(duì)該區(qū)較完整地層設(shè)計(jì)的一種具有廣譜特點(diǎn)和一定防塌效果的聚丙烯胺體系;2.提高泥漿對(duì)地層的物理封堵性,通過物理填充,封堵孔壁縫隙,最大限度阻止泥漿滲入的聚磺體系;3.基于力-化耦合理論為指導(dǎo)思想的復(fù)雜地層鉀石灰防塌泥漿體系。(4)根據(jù)力-化耦合理論設(shè)計(jì)了一套關(guān)于泥頁(yè)巖孔壁穩(wěn)定性泥漿的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法。包括力-化耦合強(qiáng)度試驗(yàn),巖樣回收率試驗(yàn),抑制膨脹性試驗(yàn)等防塌評(píng)價(jià)以及測(cè)試其實(shí)驗(yàn)密度(ρ)、漏斗粘度(FV)、塑性粘度(PV)、初切力(G1)、終切力(G10)、動(dòng)切力(YP)、失水量(FL)、濾餅(K)、酸堿度(pH)等泥漿常規(guī)性能。實(shí)驗(yàn)證明了在力-化耦合防塌思想的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的泥漿體系能夠有效達(dá)到防塌所需要的性能參數(shù)。(5)通過FLAC3D軟件對(duì)力-化耦合作用下的泥頁(yè)巖孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:模型中運(yùn)用在力-化耦合防塌思想的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的泥漿體系參數(shù)能夠起到有效的穩(wěn)定孔壁的作用。(6)基于力-化耦合理論的泥頁(yè)巖孔壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法所配制的泥漿體系應(yīng)用到羅平某礦區(qū)地質(zhì)鉆探中,取得了良好的生產(chǎn)效果。年總進(jìn)尺達(dá)到9000m,最大孔深1200m。1#聚丙烯胺泥漿體系具有成本低、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn),更適用于在穩(wěn)定地層鉆進(jìn)時(shí)使用;2#聚磺泥漿體系主要具有物理封堵孔壁微裂縫或節(jié)理作用,適用于因微裂隙發(fā)育但水敏性不強(qiáng)的坍塌地層;3#鉀石灰泥漿體系降低了泥漿和泥頁(yè)巖地層孔隙流體之間水力勢(shì)差、化學(xué)勢(shì)和電勢(shì)差,改善了泥頁(yè)巖與地層流體相互作用,保護(hù)了孔壁的穩(wěn)定。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TE21

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 張永良,周祖輝,黃榮樽;大慶泥巖的蠕變模式及其曲線擬合[J];華東石油學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1985年03期

2 李榮;孟英峰;羅勇;韓林;;泥頁(yè)巖三軸蠕變實(shí)驗(yàn)及結(jié)果應(yīng)用[J];西南石油大學(xué)學(xué)報(bào);2007年03期

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本文編號(hào)：2276957