[发明专利]一种水化页岩地层井壁坍塌失稳预测方法

说明书

本发明公开了一种水化页岩地层井壁坍塌失稳预测方法，其特征在于：基于Jaeger提出的各向异性岩石剪切破坏强度准则，引入页岩层理面剪切强度等效水化弱化应力，得出一种水化页岩剪切破坏强度准则；通过不同水化程度页岩三轴剪切力学试验、页岩粉末真空饱和吸水试验和页岩层理断面显微观测试验得出的强度准则参数；结合页岩地层井周应力分布模型与水化页岩剪切破坏强度准则，预测水化页岩地层井壁坍塌失稳力学条件。该方法将页岩水化膨胀应力作为页岩沿层理剪切破坏应力弱化影响因素，进而能够准确预测水化页岩地层在剪切破坏条件下的井壁坍塌失稳，对于页岩气储层安全钻井具有重要的理论意义。

技术领域

本发明属于石油天然气勘探开发领域，具体涉及一种水化页岩强度准则确定方法及基于该强度准则的页岩气井井眼坍塌失稳力学条件预测方法。

背景技术

页岩具有显著的层理特征，并且夹杂粘土矿物，当水浸入产生水化作用，将进一步降低页岩的结构稳定，因此，含页岩地层的工程稳定问题一直是岩土工程界关注的焦点。目前，已有众多学者探讨了页岩的各向异性力学特征，并构建了具有不同特征的页岩强度准则，为页岩地层的工程稳定评价与治理问题奠定扎实的理论基础。然而，Geophysics通过页岩在不同含水率情况下的试验发现，相对于干燥页岩试样，饱水状态下的页岩试样强度降低近50％；并且，Dokhani的研究发现由于层理面并夹杂粘土矿物的存在，页岩吸水将主要沿着粘土矿物层浸入，而沿层理面的粘土矿物水化弱化是造成页岩地层稳定性下降的主要原因。由此可见，构建合理的受多因素影响的页岩强度准则，并开展页岩地层的结构稳定的准确评价，应当从页岩自身各向异性结构特征与水化力学两个方面进行深入探讨。

近年来，国内外学者针对页岩的各向异性特征构建了具有不同特征的强度准则。例如，Jaeger JC提出的各向异性岩石剪切强度准则、Donath提出的基于Jaeger强度准则的改进强度预测模型、Walsh and Brace基于Griffith理论建立的脆性各向异性岩石强度准则、Gottschalk基于Mohr-Coulomb应力关系建立的正交各向异性强度准则、Yong和Ming提出的横贯各向同性强度准则、Saroglou和Tsiambaos基于Hoek-Brown强度准则建立的各向异性岩石强度准则、马天寿提出的基于Mogi-Coulomb强度准则的弱面剪切破坏准则等。Duveau等与Jasmin Ambrose将各向异性强度准则进行了归类，见图1，但这些强度准则并未考虑实际工程中因页岩水化作用引起的强度降低。

处于自然环境或者工程建设中的页岩地层，必然将与水产生相互作用，而页岩中的粘土矿物遇水必将造成强度的变化，因此极有必要构建考虑页岩水化作用的强度准则，才能进行工程实际的页岩地层稳定性有效评价。然而，目前有关水化页岩的强度准则还相对较少。Al-Bazali提出了一种经验强度准则用以评价取自中东地区的一种页岩的单轴抗压强度，该模型采用了干燥岩样的单轴抗压强度和含水率作为模型参数，见图2。Bidgoli和Jing建议考虑水化作用对页岩强度的影响可以采用降低内聚力和内摩擦角的Mohr-Coulomb准则，或者降低系数m_i和增加s的Hoek-Brown准则进行描述。由此，黄荣樽得到了内聚力和内摩擦角与含水率的线性关系，构建了基于Mohr-Coulomb准则考虑页岩本体和层理面破坏两种内聚力和内摩擦角的水化各向异性页岩强度准则；马天寿将页岩水化时间作为参数，构建了一种基于Mohr-Coulomb准则的水化各向异性页岩强度准则。

综上所述，目前在页岩各向异性强度准则研究方面取得了大量的成果，但是在实际工程应用中仍存在许多问题：

(1)提出的各向异性岩石强度准则鲜有考虑水化作用的影响，而富含粘土矿物的页岩吸水强度将显著降低，工程实际也难以避免水的影响，因此同时考虑层理与水化作用双重影响的强度准则对于页岩地层稳定的准确评价更有意义。

(2)提出的考虑水化作用影响的强度准则相对较少，同时考虑水化作用和各向异性影响的页岩强度准则仅调研到通过减小内聚力和内摩擦角的页岩弱面强度准则，在页岩第一主应力与层理夹角接近0°和90°时，其预测效果较差。