泥页岩井壁坍塌的力学化学耦合研究

泥页岩的井壁失稳是目前严重制约我国油气田勘探开发速度的主要因素之一，是钻井液化学与地层岩石力学综合作用的结果，以往的井壁稳定性研究中大多将两者分别进行研究，不能全面反映泥页岩井壁坍塌失稳的内在机理，并且在分析中可能存在一定偏差。本项目旨在通过泥页岩岩心的室内实验，根据相关的岩石力学、渗流力学、钻井液化学理论，分析钻井液侵入过程中泥页岩地层含水量随时间和空间的变化规律，研究钻井液滤液在泥页岩井壁中的渗透运移以及由此产生的水化应力和造成的地层强度变化，建立钻井液渗流引起的附加应力和强度参数随泥页岩中含水量的变化，将钻井液化学作用产生的力学效应定量化，形成一套新的泥页岩井壁失稳力学-化学耦合计算分析技术和井壁坍塌周期的定量预测技术，并从力学和化学两方面共同解释泥页岩井壁失稳机理，实现泥页岩井壁稳定理论研究的突破。

本项目在分析泥页岩结构特性的基础上，阐述了水敏性泥页岩地层井眼失稳相关的问题，并给出了一些解决方案。从理论分析到实验室试验，涵盖了对力学效应、化学效应和热效应以及水力对泥页岩地层井眼稳定性影响的综合研究。对泥页岩水化膨胀特性进行了大量的室内实验研究，在考虑力－化学－热等因素的基础上，建立了完全耦合井眼稳定预测模型，并编制程序进行数值求解。通过对泥页岩水化膨胀特性及其对井眼稳定的影响进行了深入系统的研究，得到大量规律性的认识，形成了一套切实可行的实验方法及理论分析计算技术，尤其是在考虑力学－化学－热耦合影响的井眼稳定预测模型研究方面进行了大量的工作，为泥页岩地层井眼稳定及其坍塌周期的定量预测奠定了理论基础。研究结果对制订合理的工艺措施以克服泥页岩的工程技术难题具有重要的指导意义。.同时，从实验研究和理论分析两方面入手，研究了硬脆性泥页岩地层的变形破坏规律和应力损伤特征，分析了钻井液对损伤泥页岩力学特性的影响机制，阐明了硬脆性泥页岩地层的井壁失稳机理。对 CWFS 模型进行了修正，将塑性损伤和流体渗流的耦合作用引入修正的CWFS 模型，建立了应力-损伤-渗流耦合的硬脆性泥页岩弹塑性损伤井壁稳定模型，利用数值计算的方法得到了硬脆性泥页岩井周地层的损伤演化规律及渗透率和孔隙压力随时间和空间的变化规律。揭示了硬脆性泥页岩地层应力-损伤-渗流耦合的井壁失稳机理，建立了硬脆性泥页岩井壁稳定周期预测方法。.本研究成果分别应用于伊拉克米桑油田、乌干达Kingfisher油田、赤几S区块的井壁稳定研究分析中，有效解决了现场钻井出现的问题，保证了钻井安全，提高了钻井效率，取得了显著的成果。