力学化学耦合下泥页岩井壁蠕变损伤失稳研究

本项目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，紧密衔接前一个已完成的国家自然科学基金资助项目，更进一步运用损伤力学、流变力学相结合的领域渗透与学科交叉新方法、新手段，在重点考察泥页岩井壁岩石内部存在的微缺陷损伤、入井流体及地下流体物化作用造成的流变效应等的影响下，建立力学化学耦合下泥页岩井壁围岩物化损伤流变模型、弹性-粘性-塑性损伤本构模型、渗流场-化学场-损伤场耦合模型、蠕变损伤演化模型以及蠕变损伤屈服破坏强度准则，研发井壁失稳演化过程的动态模拟监测预防软件系统，揭示复杂条件下泥页岩井壁围岩由初始微缺陷显现、起裂、蔓延、传播、贯通到坍塌破坏失稳的深层机理和演化规律，形成一套力学化学耦合下泥页岩井壁蠕变损伤失稳研究的基本理论方法新体系。本项目研究不仅为有效解决钻井过程中的泥页岩井壁失稳问题提供可靠的科学依据，同时对实现优质、安全、高效和低成本钻井具有着重要的实际意义。

本项目针对油气钻井工程中迫切需要解决的关键性问题，在以往井壁失稳研究的理论与实验基础上，进一步运用损伤力学、流变力学相结合，通过领域渗透与学科交叉的新方法、新手段，在重点考察泥页岩井壁岩石内部存在的微缺陷损伤、入井流体及地下流体物化作用造成的流变效应等的影响下，深入揭示泥页岩井壁失稳的深层机理和演化规律，形成了力学化学耦合下泥页岩井壁蠕变损伤失稳研究的基本理论方法体系，取得的主要研究成果如下：.1．泥页岩物化反应动态及损伤流变模型.分析了泥页岩的矿物组分、微观结构特征。从矿物组成、岩芯表观、微裂缝分布特征等方面研究了蠕变裂纹的损伤演化过程，建立了泥页岩蠕变损伤裂纹扩展模型和损伤流变模型。.2．泥页岩损伤本构模型.分析了泥页岩不同浸泡时间后弛豫时间T2谱分布和核磁成像特征，建立了由核磁共振T2谱图表征的损伤变量。运用能量观点，分析岩石水化损伤后裂纹萌生扩展到贯通破坏的整个过程，建立了泥页岩损伤本构方程。.3．泥页岩蠕变损伤演化模型.依据相同荷载水平、不同含水率下的三轴压缩蠕变实验，对泥页岩蠕变的非线性特征进行了分析，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。.4．泥页岩多场耦合流变模型.基于混合物理论分析泥页岩井壁的渗流特征，建立泥页岩应力场与渗流场耦合作用下的流变分析模型，推导相应的耦合总体控制方程，建立了泥页岩井壁多场耦合流变模型。.5．泥页岩蠕变损伤屈服破坏强度准则.考虑中间主应力对泥页岩井壁强度的显著影响，采用双剪统一强度理论同时引入损伤变量，确定各微元强度的概率分布函数，结合泥页岩蠕变损伤变量，建立了平面应变条件下泥页岩蠕变损伤屈服破坏强度准则。.6．泥页岩井壁失稳演化过程的动态模拟与预测.利用FORTRAN语言，将三维损伤流变本构模型编译成CREEP子程序并嵌入ABAQUS中，在ABAQUS中采用开发程序对泥页岩裂缝扩展和损伤蠕变进行数值模拟与预测，给出裂缝长度随作业时间的变化规律，对泥页岩相关井壁稳定问题有较好的前瞻性指导。.7．泥页岩储层钻井液优化方法研究.对泥页岩储层钻井液优化方法进行了一些前瞻性的研究，提出了钻井液的优化方案。通过在钻井液中添加与泥页岩的孔喉分布较匹配的超细架桥粒子和可变形粒子，在钻井过程中快速形成封堵层，减少或阻止钻井液滤液在岩石中的漏失，达到稳定井壁的目的。