深层硬脆性泥页岩井壁稳定力学化学耦合研究进展与思考.pdf
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1、doi:10.11911/syztjs.2023024引用格式:金衍,薄克浩,张亚洲,等.深层硬脆性泥页岩井壁稳定力学化学耦合研究进展与思考 J.石油钻探技术,2023,51(4):159-169.JINYan,BOKehao,ZHANGYazhou,etal.Advancementsandconsiderationsofchemo-mechanicalcouplingforwellborestabilityindeephardbrittleshaleJ.PetroleumDrillingTechniques,2023,51(4):159-169.深层硬脆性泥页岩井壁稳定力学化学耦合研究进展与
2、思考金衍1,2,薄克浩1,2,张亚洲1,2,卢运虎1,2(1.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;2.油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京),北京102249)摘要:深层及超深层油气资源正逐步成为我国重点勘探开发的关键领域,但钻井过程中深层硬脆性泥页岩地层井壁失稳问题频发,严重制约着深层及超深层油气资源高效开发。力学化学耦合作用下的深层硬脆性泥页岩井壁稳定问题,是一个涉及微观、细观及宏观跨尺度演化的复杂问题。阐述了力学化学耦合作用下硬脆性泥页岩井壁失稳的基本原理,并分别从微观、细观和宏观尺度,总结了硬脆性泥页岩与入井流体间的作用机理、细观结构损伤演化的定量表征、泥页
3、岩水化宏观力学劣化效应及井壁稳定性定量分析方面的研究进展,从考虑化学效应的断裂力学角度,提出了探索硬脆性泥页岩井壁稳定性问题的新思路。关键词:深层;硬脆性泥页岩;井壁失稳;多尺度演化;化学断裂;力学化学耦合中图分类号:TE28文献标志码:A文章编号:10010890(2023)04015911Advancements and Considerations of Chemo-Mechanical Coupling forWellbore Stability in Deep Hard Brittle ShaleJIN Yan1,2,BO Kehao1,2,ZHANG Yazhou1,2,LU Yu
4、nhu1,2(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing,102249,China;2.State Key Laboratory ofPetroleum Resources and Prospecting(China University of Petroleum(Beijing),Beijing,102249,China)Abstract:Theoilandgasresourcesfromdeepandultra-deepreservoirsinChinaarethemos
5、timportanttargetofexploration and development.However,pervasive and ubiquitous wellbore instability in hard brittle deep shaleseriouslycompromisestheefficientdevelopmentofdeepandultra-deepoilandgasresources.Wellboreinstabilityindeephardbrittleshaleunderthechemo-mechanicalcouplingisacomplicatedproble
6、minvolvingmulti-scaleevolutionamongmicro-scale,meso-scaleandmacro-scale.Thebasicprincipleofwellboreinstabilityinhardbrittleshaleunderchemo-mechanicalcouplingwasbrieflyintroduced.Inaddition,thepreviousstudiesonthemechanismbetweenhardbrittleshaleanddrillingfluid,quantitativedescriptionoftheevolutionof
7、damageinmesocosmstructures,macroscopicmechanicaldeteriorationofshaleafterhydration,andquantitativeanalysisofwellborestability,werereviewedintermsofmicro-scale,meso-scaleandmacro-scale.Moreover,anewideawasproposedforwellborestabilityinhardbrittleshalefromtheperspectiveoffracturemechanicsconsideringch
8、emicaleffects.Key words:deepformation;hardbrittleshale;wellboreinstability;multi-scaleevolution;chemicalinducedfracture;chemo-mechanicalcouplingeffect深层钻井钻遇硬脆性泥页岩地质体时,井壁易发生坍塌、掉块,引起阻卡等井下复杂,严重时甚至导致井眼报废,而 90%的井壁失稳问题都与硬脆性泥页岩地层有关,研究硬脆性泥页岩地层井壁稳定收稿日期:2022-12-19;改回日期:2023-02-13。作者简介:金衍(1972),男,浙江临海人,1994 年毕
9、业于石油大学(华东)石油工程专业,1998 年获石油大学(华东)油气井工程专业硕士学位,2001 年获石油大学(北京)油气井工程专业博士学位,教授,博士生导师,主要从事油气井岩石力学与工程方面的研究工作。系本刊编委。E-mail:。基金项目:国家自然科学基金项目“深层脆性页岩井壁失稳的化学断裂机理与控制研究”(编号:52074314)资助。第51卷第4期石油钻探技术Vol.51No.42023年7月PETROLEUMDRILLINGTECHNIQUESJul.,2023显得尤为重要15。硬脆性泥页岩地层井壁失稳不能彻底解决的根本原因在于 2 个方面:钻遇未知的地层和井壁围岩不同尺度不同阶段变形
10、破坏失稳的发展过程难以定量描述。与传统砂泥岩相比,硬脆性泥页岩具有独特的矿物组成和微观结构,并耦合深层高温、高应力、高孔隙压力、钻井流体等复杂环境,导致深层硬脆性泥页岩地层井壁稳定性问题是一个涉及力学、化学多学科交叉和微观、细观及宏观跨尺度演化的复杂问题。针对力学化学耦合作用下泥页岩井壁稳定问题,国内外学者分别从微观、细观和宏观多尺度角度开展了大量研究工作,通过揭示钻井液与硬脆性泥页岩耦合微观机理、描述细观损伤及评价宏观强度劣化规律,构建钻井流体化学性能与岩石力学参数间的本质关系桥梁,建立井壁稳定预测理论和控制模型,以期有效控制泥页岩地层井壁失稳。笔者对深层硬脆性泥页岩力学化学耦合作用下井壁稳
11、定问题的多尺度研究进行了梳理与总结,并从考虑化学效应的脆性断裂力学角度,提出了探索硬脆性泥页岩井壁稳定性问题的新思路。1深层硬脆性泥页岩井壁失稳基本原理随着深层及超深层油气资源的勘探开发,钻井过程中所遇到泥页岩地层的埋深更深。对于深层硬脆性泥页岩,由于其复杂的地质环境条件(高温、高压及高地应力等),与浅层水敏性泥页岩相比,其组构特征存在本质区别。深层硬脆性泥页岩脆性矿物含量高,黏土矿物以伊利石、伊/蒙混层和高岭石为主,内部层理和微裂纹十分发育,各向异性及非均质性特征明显。当深层硬脆性泥页岩地层被钻开后,钻井流体侵入硬脆性泥页岩内部的微裂纹或弱结构面后,首先与微观尺度上流体内的水分子、活性成分、
12、岩石矿物发生复杂的物理化学反应,影响矿物表面间的微观相互作用;同时,在耦合力学作用的影响下,细观尺度上微裂纹发生起裂、扩展乃至贯通,逐步导致宏观尺度上硬脆性泥页岩强度参数劣化及应力状态发生改变,最终影响硬脆性泥页岩井壁稳定状态,如图 1 所示。2硬脆性泥页岩井壁稳定力学化学耦合研究进展硬脆性泥页岩井壁力学化学耦合失稳呈现累进性和周期性特征,其本质是钻井液滤液进入地层,井壁围岩内部微裂缝在微观细观宏观尺度动态演化,是导致深层硬脆性泥页岩井壁失稳的关键诱因。控制深层硬脆性泥页岩井壁失稳,需要探究流体与硬脆性泥页岩矿物之间的微观作用机理,明确流体岩石间的相互作用与硬脆性泥页岩内部缺陷的细观损伤演化乃
13、至宏观强度劣化间的本质关系,量化描述流体岩石间的相互作用对深层硬脆性泥页岩井壁稳定性的影响。目前,国内外学者对于力学化学耦合作用下硬脆性泥页岩井壁失稳的研究主要分为 3 部分,即硬脆性泥页岩水化微观作用机理揭示、细观结构损伤表征、宏观强度劣化效应描述及井筒稳定性预测分析。2.1 微观尺度(作用机理)当钻井流体侵入泥页岩地层后,流体内的水分子和活性粒子与泥页岩黏土矿物间的微观相互作用,是诱使泥页岩细观结构损伤、宏观强度劣化乃至井壁失稳复杂情况发生的主要影响因素。从微观层面探究不同流体与泥页岩不同黏土矿物间的作用机制,对于明确流体岩石相互作用下井壁失稳机理,进而合理调控流体性能(优选作用效果更好的
14、抑制剂及合理的加量)维持井壁稳定具有十分重要的意义。分子模拟技术可以从分子尺度直观描述流体内水分子和活性粒子在黏土矿物晶层内的微观形态及分布特征(如图 2 所示),表征流体作用下泥页岩黏土矿物晶体结构及微观力学性质的变化,是揭示流体作用下泥页岩强度劣化微观动力学机制的有效手段。目前,国内外相关学者已利用分子模拟技术,研究了不同因素影响下黏土矿物的水化特征(黏土井壁围岩分布有原生及诱导微裂纹图 1 硬脆性泥页岩微裂纹等缺陷多尺度演化诱导的井壁垮塌示意Fig.1 Wellbore collapse induced by multi-scale evolutionof microcracks and
15、 other defects in hard brittle shale160石油钻探技术2023年7月矿物晶体结构及微观力学性质的变化),包括作用流体组分及浓度、外部环境条件(温度和压力)和黏土矿物晶层结构特征(晶层表面电荷密度及电荷分布特征)。(a)吸收了 32 个水分子的镁取代蒙脱石模型(b)吸收了 64 个水分子的镁取代蒙脱石模型图 2 蒙脱石层间域内吸附不同数量水分子后的微观构象6Fig.2 Microscopic conformation of montmorillonite absorbing different amounts of water molecules in the
16、 interlaminar do-main62.1.1流体组分及浓度对黏土矿物微观水化特征的影响N.T.Skipper 等人7利用蒙特卡洛分子模拟方法研究了 21 型黏土矿物层间域内水分子对于 Na-蒙脱石和 Mg-蒙脱石层间膨胀性能的影响。E.S.Boek 等人8在 Skipper 等人研究的基础上,利用蒙特卡洛模拟方法研究了蒙脱石层间域内 Li+、Na+和K+等 3 种离子的水化特性,从微观层面解释了 Na-蒙脱石和 Li-蒙脱石比 K-蒙脱石宏观水化膨胀更明显的原因。F.R.C.Chang 等人911利用蒙特卡洛和分子动力学模拟相结合的方法,研究了不同水化程度条件下蒙脱石层间域内水分子、
17、K+、Li+和 Na+的分布特征及扩散性能。徐加放等人12利用分子力学和分子动力学模拟,研究了不同水化程度条件下Na-蒙脱石的层间距和体积的变化。D.A.Young 等人13利用分子动力学模拟方法,通过研究蒙脱石层间域内 Cs+、Na+和 Sr2+等 3 种离子的水化特性,认为黏土矿物层间域内离子尺寸和离子所带电荷会影响黏土矿物的水化膨胀行为。王进等人14利用分子力学和分子动力学模拟方法,通过分析不同含水量条件下蒙脱石层间 K+和水分子的动力学特征(层间扩散能力),揭示了 K+对蒙脱石水化膨胀的抑制作用机理。K.Yotsuji 等人15研究了单价阳离子(Cs+、Na+和 K+)和双价阳离子(C
18、a2+和 Sr2+)对蒙脱石晶体膨胀特性的影响及其作用机理。B.Akinwunmi 等人16研究了不同浓度 NaCl 和 CaCl2混合溶液对于 Na-蒙脱石微观水化膨胀行为的影响。除了关注层间金属阳离子对蒙脱石水化膨胀行为的影响机理,也有不少学者利用分子模拟方法,去探究层间非金属阳离子(如 NH4+)乃至有机类抑制剂抑制蒙脱石水化膨胀的机理1721。蒙脱石的水化作用不仅会导致其微观晶体结构发生变化,也会导致矿物微观力学参数发生变化。徐加放等人22利用分子动力学模拟方法,研究了蒙脱石的水化特性和无机盐(NaCl、KCl、NH4Cl、MgCl2和 CaCl2)种类及其质量分数对矿物晶体弹性力学参
19、数(弹性模量、泊松比、体积弹性模量和切变模量)的影响,尝试从微观角度实现井壁稳定化学和力学的耦合研究。黄小娟等人17研究了甲酰胺和尿素等小分子有机胺类抑制剂对蒙脱石水化的抑制作用机理,分析了有机胺类抑制剂种类及其质量分数对Na-蒙脱石弹性力学性能的影响。HanZongfang 等人23在进行分子动力学模拟时,选用 CLAYFF 力场模型,研究了 Na-蒙脱石晶体在无机盐溶液作用下其弹性力学性能的变化。蒙脱石是水敏性泥页岩中的主要黏土矿物,但是对硬脆性泥页岩而言,蒙脱石的含量往往比较少甚至没有,其黏土矿物主要以伊利石、高岭石和伊/蒙混层为主。因此,很多学者也逐渐开始从微观角度关注流体作用下伊利石
20、、高岭石和伊/蒙混层的水化特性。V.S.Drits 等人24在分析伊/蒙混层时,发现了伊利石的顺式(1M-tv)和反式(1M-cv)结构,给出第51卷第4期金衍等.深层硬脆性泥页岩井壁稳定力学化学耦合研究进展与思考161了化学式及分子晶胞数据。王冠等人25利用蒙特卡洛和分子力学模拟方法,模拟了 1M-cv 和 1M-tv2 种结构伊利石的水分子吸附,分析了伊利石的水化机理及膨胀特性,发现伊利石水化膨胀并不明显。刘勇等人26利用分子动力学模拟方法,研究了常温条件下伊利石的水化性能,发现水化初期伊利石层间距增大,随着吸附水分子数量增多,伊利石吸水饱和,不再进行膨胀。刘梅全等人27针对伊/蒙混层水化
21、导致的井壁失稳问题,利用分子动力学模拟方法,着重研究了伊利石的水化机理和无机盐(NaCl、KCl、NH4Cl、CaCl2、MgCl2、AlCl3及 FeCl3)对伊利石水化膨胀特性及晶体力学性能的影响,指出 KCl 和 CaCl2溶液对伊利石的水化膨胀具有良好的抑制性。M.Ghasemi 等人28利用分子动力学模拟方法,探究了不同含水量条件下伊/蒙混层的水化膨胀行为。ChenJun 等人29利用密度泛理论和分子动力学模拟相结合的方法,分析了高岭石表面的水化机理,指出水分子在高岭石层间的吸附主要依靠氢键的作用。ChenZhongcun 等人30利用经典分子动力学模拟方法,研究了流体浓度对于 Cs
22、+离子在高岭石层间域内的吸附和扩散行为。ChangMing 等人31对不同浓度金属阳离子(Na+、Mg2+及 Al3+)在高岭石表面的吸附行为进行了分子动力模拟,指出高岭石的水化强度与层间阳离子的化合价和浓度相关。2.1.2外部环境条件对黏土矿物微观水化特征的影响深层硬脆性泥页岩的埋藏深度更深,对应环境温度和压力也会增高。复杂温度压力环境下黏土矿物的水化作用,也是影响硬脆性泥页岩井壁稳定性的重要因素之一。Y.Zheng 等人32利用分子动力学模拟方法,研究了不同温度(260400K)条件下水分子和单价阳离子(Li+、Na+、K+、Rb+和 Cs+)在蒙脱石层间域内的扩散行,认为环境温度升高会使
23、水分子 和 阳 离 子 在 层 间 域 内 的 扩 散 能 力 增 强。M.Camara 等人33利用分子动力学模拟法分析了高温(200600K)、高压(6GPa)条件下 Na-蒙脱石经无机盐溶液作用后的水化行为,认为温度升高会使蒙脱石层间水分子和阳离子的流动能力增强,从而加剧蒙脱石的水化膨胀。刘勇等人26利用分子动力学模拟方法,研究了常温(298K)与低温(243K)下伊利石的水化性能。张亚云等人6,34开展了不同温度压力条件下蒙脱石水化过程的分子动力学模拟(温度 25250,压力 0.190.0MPa),分析了温度、压力对蒙脱石水化后晶体力学参数的影响规律,认为温度升高会使岩石强度参数的劣
24、化加剧,压力升高会降低黏土水化导致强度参数劣化的效应。2.1.3晶层结构特征对黏土矿物微观水化特征的影响黏土矿物的水化作用不仅与流体的组分及浓度和外部环境有关,也与黏土矿物同晶置换作用所导致的不同晶层电荷密度及晶层电荷分布相关。况联飞等人35在进行钠蒙脱石晶层间水分子结构分子动力学模拟时发现,层间补偿阳离子的吸附受蒙脱矿物同晶置换位置的影响,即蒙脱土的水化作用与晶层电荷分布相关。PengChenliang 等人20,36利用分子动力学模拟方法,研究了矿物晶层电荷密度和分布位置对 NH4+-蒙脱石水化膨胀行为的影响,认为晶层电荷密度越大,蒙脱石水化膨胀程度越小。M.Ghasemi 等人28研究了
25、伊利石或蒙脱石矿物晶层电荷密度和分布位置对伊/蒙混层水化膨胀行为的影响。综上可知,对于不同影响因素下泥页岩黏土矿物的水化特性及作用机理,虽然国内外学者基于分子模拟手段,从微观层面开展了较为全面的研究,但并没有建立流体岩石间的微观相互作用与硬脆性泥页岩微缺陷的细观损伤及宏观强度劣化间的内在关系桥梁,无法量化描述流体与泥页岩间物理化学作用对于宏观尺度泥页岩井壁稳定性的影响。2.2 细观尺度(损伤描述)由于深层硬脆性泥页岩自身微裂纹发育,钻井流体极易侵入泥页岩内部并与其发生相互作用,诱发硬脆性泥页岩内部微裂纹起裂扩展,进而导致硬脆性泥页岩宏观强度劣化及井壁失稳。国内外学者利用各种先进的无损探伤实验技
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