地层水矿化度对硬脆性泥页岩蠕变规律影响的试验研究
王萍1, 2, 屈展1, 2, 黄海2    
1. 西北工业大学航空学院, 陕西西安 710072;
2. 西安石油大学机械工程学院, 陕西西安 710065
摘要: 硬脆性泥页岩层理、微裂缝发育,易造成井壁坍塌,特别当受到外来流体侵入时,泥页岩具有明显的流变效应。以硬脆性泥页岩为研究对象,进行了不同矿化度地层水饱和岩样的单轴压缩蠕变试验。在相同的外载条件下,矿化度6.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变变形量最小(0.001~0.014),矿化度8.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变变形量稍大(0.005~0.024),矿化度4.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变变形量最大(0.010~0.030)。借鉴经典元件组合模型的建模思路,建立了反映蠕变三阶段的蠕变模型,模型中瞬时弹性模量、黏滞系数和加速蠕变黏滞系数等3个重要参数都明显趋于下降。试验结果表明:矿化度与泥页岩蠕变变形量之间呈二次非线性函数关系,太高或太低都会对泥页岩的力学性质产生较大的影响。研究认为,在现场钻井中应考虑钻井液矿化度对井壁稳定的影响。
关键词地层水    矿化度    硬脆性    泥页岩    蠕变    实验室试验    
Experimental Study of the Effect of Formation Water Salinity on Creep Laws of the Hard Brittle Shale
Wang Ping1, 2, Qu Zhan1, 2, Huang Hai2    
1. College of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, Shaanxi, 710072, China;
2. School of Mechanical Engineering, Xi'an Shiyou University, Xi'an, Shaanxi, 710065, China
Abstract:Hard brittle clay shale has micro-fractured bedding and tends to cause side-wall collapse. Particularly when being invaded by foreign fluids,the rock has obvious rheological effects. Taking hard brittle shale as the object of study, uniaxial creep experiments on water saturation samples of formations with different degrees of mineralization were conducted. Research results showed that under the same externally applied loads, the creep deformation degree of the formation water saturated rock samples with a salinity of 6.0×104 mg/L was the least (0.001-0.014) and the creep deformation degree of the formation water saturated rock samples with a salinity of 8.0×104 mg/L was a little greater (0.005-0.024), while the creep deformation degree of the formation water saturated rock sample with a salinity of 4.0×104 mg/L was the greatest (0.010-0.030).Learning from the modeling ideas of classic element combination models, the creep model reflecting three creep stages was established.Three important parameters (instantaneous elastic modulus, viscous coefficient, accelerated creep viscous coefficient) in the model tended to decrease obviously. Test results showed that the relation between rock mineralization and creep deformation degree was quadratic non-linear, and that too high or too low salinity would have the greatest influence on the mechanical properties of rocks. The study suggested that the influences of drilling fluid salinity on borehole wall stability should be considered in drilling operations.
Key words: formation water    salinity    hard brittleness    shale    creep    laboratory test    

井壁失稳是石油钻井过程中普遍存在并一直未能彻底解决的一个复杂问题。钻井过程中所遇到的井壁失稳大致可分为破碎体失稳、塑性体失稳和泥页岩失稳等3类,其中泥页岩失稳占90%以上,因此有些研究者认为井壁稳定问题就是泥页岩稳定问题。一方面,泥页岩井壁岩石在钻开后长期处于受力状态,且具有随时间增长而缓慢变形的特征,即蠕变变形[1];另一方面,泥页岩井壁岩石不仅受到地下流体环境的影响,还受入井流体的侵蚀,具有明显的流变效应。水通过影响岩石的结构和力学参数,使岩石的蠕变变形增大。当泥页岩水化膨胀产生蠕变时,裸眼井壁往往产生缩径破坏,常造成井壁失稳、卡钻、固井后挤毁套管等井下故障,给钻井带来重大经济损失[2]

目前,国内外对岩土工程中泥岩、盐岩等软岩的强度和蠕变特性研究比较多[2, 3, 4, 5, 6],但是对以石英、伊/蒙混层为主的硬脆性泥页岩基于基础实验研究方面的文献资料相对较少。硬脆性泥页岩发育时除表面为原始层理、裂缝面外,大多为次生断面。岩心不易取得,易破碎,不易加工成标准试件。尤其是复杂地质环境及应力状态下的硬脆性泥页岩,在不同矿化度地层水及入井流体的影响下岩石力学性质发生变化,从而对岩石的蠕变特性和长期强度产生影响。

为了研究不同矿化度地层水对泥页岩力学及蠕变性能的影响,以鄂尔多斯盆地长7层硬脆性泥页岩为研究对象,采用MTS电液伺服试验机系统,在分级加载条件下进行了不同矿化度地层水饱和硬脆性泥页岩的轴向压缩蠕变试验。基于试验结果,分析了地层水矿化度对硬脆性泥页岩蠕变过程中蠕变规律的影响。

1 试验方法及过程 1.1 岩性特征及岩样制备

由于硬脆性泥页岩层理清晰,裂缝发育良好,用水钻法钻取岩心时所取岩样容易沿层理面断开,岩样很难达到试验要求的长度,岩样制备难度极大。将岩石冷冻后用煤油钻取,且在钻取过程中控制钻进速度,就可以得到符合试验要求的标准岩样。

试验用岩心取自鄂尔多斯盆地长7地层(埋深1 550 m),岩样尺寸按照国际岩石力学学会推荐标准[7]进行制备,为φ50.0 mm×100 mm。试样处理的具体步骤为:1)对所取岩样洗油、烘干、编号;2)测量试样质量,观察外观并进行记录;3)按照地层水中各离子含量配矿化度8.0×104 mg/L模拟地层水;4)采用抽真空高压饱和装置,压力控制在5 MPa左右,使岩样饱和模拟地层水;5)加压饱和24 h后取出试样,并记录外观形貌;6)然后配制矿化度4.0×104和6.0×104 mg/L的地层水,另取岩样重复步骤4)和5)。

加工好的泥页岩岩样层理清晰,裂缝发育良好,肉眼可见其表面的微小裂缝(见图1)。测得其抗压强度为48 MPa,弹性模量为16.7 GPa,泊松比为0.15。

图1 泥页岩岩样 Fig.1 The samples of the shale
1.2 试验方法与结果

试验采用MTS电液伺服试验机系统,首先分别对3组岩样进行单轴抗压强度测试:矿化度4.0×104 mg/L地层水饱和岩样的抗压强度为38.00 MPa,弹性模量为14.20 GPa,泊松比为0.25;矿化度6.0×104 mg/L地层水饱和岩样的抗压强度为44.00 MPa,弹性模量为15.80 GPa,泊松比为0.20;矿化度8.0×104 mg/L地层水饱和岩样的抗压强度为41.00 MPa,弹性模量为15.10 GPa,泊松比为0.22。

按单轴抗压强度将拟施加的最大载荷分成若干级,然后由小到大在同一岩样上逐级施加载荷,第一级载荷应力为2.00 MPa,台阶为2.00 MPa。首先对岩样施加轴向预载然后缓慢加载至额定载荷后停止,保持压力不变,记录瞬时应变量,并连续观测其位移。在试验初始阶段,蠕变速率变化较大,记录的时间间隔要小一些,经过一段时间后,当蠕应变的速率趋于稳定,可每隔1~2 h记录一次。当变形增量小于0.001 mm/h时,则施加下一级载荷,直至试样发生破坏,停止试验[8]。共施加了12级轴向载荷,各级载荷施加的时间均大于48 h,试验总历时约620 h。图2为不同矿化度地层水饱和岩样的蠕变曲线。

图2 不同矿化度地层水饱和岩样的蠕变试验曲线 Fig.2 Creep testing curve of formation water saturated rock samples with different salinity
2 试验结果分析 2.1 地层水矿化度对岩石蠕变性能的影响

图2可以看出,每级应力施加过程中具有瞬时弹性变形,矿化度4.0×104mg/L地层水饱和岩样的瞬时变形最大。岩样都具有蠕变特征,表现为在一定应力水平下变形随时间增长而增大。不同的加载应力下,泥页岩的蠕变表现为不同的蠕变类型,在中低应力下泥页岩的蠕变速率缓慢变小并逐渐趋于恒定,即为衰减蠕变和稳定蠕变阶段;在高应力下泥页岩的蠕变速率增大,表现为加速蠕变,最后一级荷载下,岩样出现了明显的加速蠕变阶段,蠕变曲线稍有上翘,岩样随即发生破坏。

图2还可以看出,在相同的外载条件下,矿化度6.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变变形量最小,为0.001~0.009;矿化度8.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变变形量稍大,为0.005~0.020;矿化度4.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变变形量最大,为0.010~0.030。

用所得试验结果拟合矿化度(用x表示)与蠕变变形量(用y表示)之间的函数关系,得:

对式(1)求导,可得矿化度6.4×104 mg/L的地层水对岩样蠕变变形量的影响最小。这说明地层水矿化度有一合适值,在这个值时泥页岩的蠕变变形相对较小。矿化度太大或太小,泥页岩的蠕变变形都会增大。

2.2 应力-应变等时关系

分析整理蠕变试验数据,得到不同矿化度地层水饱和岩样的轴向应力-应变等时曲线,见图3

图3 不同矿化度地层水饱和岩样的应力-应变等时曲线 Fig.3 The isochronous stress-strain curve of formation water saturated rock samples with different salinities

图3可知,岩样的应力-应变等时曲线一般不是直线,说明泥页岩的蠕变是非线性的。随着时间延长,黏性变形增大导致等时曲线偏向应变轴方向,即x轴方向;而且应力-应变等时曲线随着应力水平提高偏离直线的程度也越大,说明随应力水平提高,应力-应变的非线性程度也增大。

图3(a)可以看出,矿化度4.0×104 mg/L地层水饱和岩样的应力-应变等时曲线为一簇曲线,随时间增长,应力-应变等时曲线向应变轴偏靠,即随时间增长应力-应变曲线呈软化性[9]。分析认为,这是因为水进入泥页岩与其中的黏土矿物发生了物理化学反应,使岩石内部结构整体呈弱化趋势。而图3(b)中,矿化度6.0×104 mg/L地层水饱和岩样的应力-应变等时曲线几乎是重合的,并没有出现太多分叉,即随时间增长应力-应变曲线软化性不明显,认为是特定的矿化度抑制了水对泥页岩的软化作用。矿化度8.0×104 mg/L地层水饱和岩样(见图3(c))的应力-应变等时曲线与矿化度4.0×104 mg/L地层水饱和岩样相似,随时间增长应力-应变等时曲线逐渐靠近应变轴,即应力-应变曲线呈软化性,分析认为这是由于高矿化度下泥页岩中的水析出,泥页岩的原有孔隙压力下降,从而导致泥页岩整体强度下降。表明同一应力水平下,地层水的矿化度对泥页岩的强度有影响,矿化度太低水会侵入泥页岩而发生水化反应,从而使泥页岩强度降低;矿化度太高,泥页岩中的水会析出,使泥页岩孔隙压力下降,造成井壁岩石承压能力下降,引起井壁坍塌。

2.3 泥页岩蠕变力学模型

泥页岩蠕变是瞬时弹性、黏弹性和黏塑性等多种变形共存的复杂过程[10]。岩石的蠕变一般分为3个阶段,即初始蠕变(减速蠕变)阶段、稳定蠕变(等速蠕变)阶段和加速蠕变阶段。借鉴经典元件组合模型的建模思路,泥页岩的瞬时弹性用弹簧元件(H)描述,黏弹性用黏滞元件(N)描述,加速蠕变的黏塑性用非线性黏塑性体描述。模型元件如图4所示(εe为瞬时弹性应变;εs为黏弹性应变;εp为黏塑性应变)。在长期恒定载荷作用下,岩样的蠕变方程为:

式中:σ为模型总的应力,MPa;ε为模型总的应变;E为弹性模量,GPa;η1为黏滞系数,GPa·h;η2为加速蠕变黏滞系数,GPa·h;σs为岩石的屈服强度,MPa;t为时间,h。

图4 蠕变模型元件示意 Fig.4 The schematic diagram of creep model elements

将式(2)对时间求导,得到蠕变速率的表达式为:

式中: 为蠕变速率,10-6/h。

当泥页岩处于衰减和稳态蠕变阶段时,首先确定瞬时弹性模量E=σ/ε,其中ε(t→∞)为变形稳定后的应变,直接由岩石流变试验曲线得到;根据泥页岩岩样的蠕变试验数据,利用式(3)可以得到黏滞系数η1。当泥页岩进入加速蠕变阶段时,利用最小二乘法进行非线性回归分析可以确定加速蠕变黏滞系数η2(见表1)。

表1 辨识得到的模型参数 Table 1 Identified model parameters
地层水矿化度/(mg·L-1) 瞬时弹性模量/GPa η1/(GPa·h) η2/(GPa·h)
4.0×104 9.7 67.4 41.8
6.0×104 13.6 78.6 53.7
8.0×104 11.2 73.5 47.8

根据Boltzmann 叠加原理,将分级加载下的泥页岩蠕变曲线转化为分别加载下的泥页岩蠕变曲线[11],由于加载级数较多且规律相似,因此从中选取应力载荷为6和10 MPa时不同矿化度地层水饱和岩样的蠕变试验曲线。然后将模型参数代入式(2)和式(3),分别得到不同地层水矿化度下的泥页岩蠕变拟合曲线(见图5)。将模型拟合曲线和试验曲线进行对比,可以看出二者吻合较好。

图5 相同应力下不同矿化度地层水饱和岩样的蠕变曲线 Fig.5 The creep curves of the rock samples with the same stress and different salinities
2.4 不同矿化度时泥页岩的蠕变性态分析 2.4.1 瞬时弹性模量

矿化度对蠕变性质的影响表现为对弹性模量的影响,泥页岩的弹性模量受地层水的影响整体呈下降的趋势,矿化度8.0×104 mg/L地层水饱和岩样的弹性模量变化率为25.8%;而矿化度6.0×104 mg/L地层水饱和岩样的弹性模量变化率为13.9%,变化很小;矿化度4.0×104 mg/L地层水饱和岩样的弹性模量变化率是31.6%,变化较大。可见,地层水矿化度对泥页岩弹性模量的影响是非线性的,太高或太低都会对泥页岩的力学性质产生较大影响。泥页岩是一种水敏性极强的的岩石,引起泥页岩水化的黏土矿物主要是蒙脱石,其次为伊/蒙混层及伊利石。提高含盐量能减少蒙脱石的水化;另外,伊/蒙混层黏土矿物中相间的膨胀层受到盐度波动影响,会出现收缩和膨胀不定的现象[12, 13, 14]

2.4.2 岩石的蠕变应变速率及岩石的黏滞系数

由式(3)得稳态蠕变时的蠕变速率,根据试验数据可绘出饱和不同矿化度地层水岩样在相同应力水平下的蠕变速率曲线(见图6)。

图6 相同应力下不同矿化度地层水饱和岩样的蠕变速率 Fig.6 Creep rates of the rock samples with different salinities under identical stress

图6可以看出,矿化度4.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变速率最大,其次是矿化度8.0×104 mg/L地层水饱和岩样,矿化度6.0×104 mg/L地层水饱和岩样的蠕变速率最小。反映在模型参数上,就是泥页岩的黏滞系数随着蠕变速率增大而减小(见表1)。分析认为,可能是由于低矿化度条件下水侵入岩石发生了水化反应,使泥页岩的黏聚力和内摩擦角等力学参数减小;而高矿化度条件下,泥页岩中的水析出,原有的孔隙压力下降,岩石的整体强度下降;相同矿化度地层水饱和岩样的蠕变速率随应力增大而增大。

2.4.3 加速蠕变黏滞系数

当恒定应力水平大于σs时,泥页岩进入加速蠕变阶段,将很快发生破坏,在高应力作用下黏滞系数η2随施加应力增大而减小。从图6(c)可以看出,在高应力下岩样蠕变速率在经过一段稳定期后,变得越来越大,说明该岩样在蠕变性上表现出黏性流动度越来越大的规律[14]

地层水矿化度明显改变了泥页岩的蠕变行为,从根本上改变了泥页岩的时效性。这是由于泥页岩的力学性质在不同矿化度地层水作用下发生了很大的变化,其承载能力下降,黏滞流动性增大。而且随着时间增长,泥页岩在水的扩散作用影响下产生新的裂隙损伤,破坏了泥页岩力学性质,且新的裂隙损伤与水的接触会继续改变泥页岩的力学性能。最终表现为泥页岩的蠕变变形量大大增加,黏滞系数变小[15]

3 结论及建议

1) 地层水矿化度对泥页岩蠕变性能的影响明显,矿化度与蠕变变形量之间呈二次非线性函数关系,矿化度太高或太低都会使泥页岩的蠕变变形增大。

2) 建立了反映蠕变3阶段的蠕变模型,分析蠕变模型参数发现,模型中的3个重要参数(瞬时弹性模量、黏滞系数和加速蠕变黏滞系数)都明显趋于下降,说明地层水矿化度改变了泥页岩的力学性能,从根本上改变了泥页岩的蠕变性状。

3) 解释了地层水矿化度对泥页岩强度的影响。地层水矿化度太低,水侵入泥页岩后发生水化反应,从而使泥页岩强度降低;地层水矿化度太高,泥页岩中的水则会析出,使泥页岩孔隙压力下降,造成井壁承压能力下降,进而引起井壁坍塌。建议在现场钻井中,考虑钻井液矿化度对井壁稳定的影响。

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文章信息

王萍, 屈展, 黄海
Wang Ping, Qu Zhan, Huang Hai
地层水矿化度对硬脆性泥页岩蠕变规律影响的试验研究
Experimental Study of the Effect of Formation Water Salinity on Creep Laws of the Hard Brittle Shale
石油钻探技术, 2015, 43(05): 63-68
Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(05): 63-68.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201505011

文章历史

收稿日期:2014-10-24
改回日期:2015-06-18

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