泥頁巖井壁水化損傷的蠕變失穩(wěn)力學(xué)研究.pdf

1、本文針對油氣鉆井工程中迫切需要解決的泥頁巖井壁失穩(wěn)關(guān)鍵性問題，以長慶油田長7層西峰233井區(qū)為依托，運用損傷力學(xué)與流變力學(xué)相結(jié)合的方法，重點考察泥頁巖井壁巖石內(nèi)部存在的微缺陷損傷以及入井流體和地下流體物化作用造成的流變效應(yīng)的影響，利用核磁共振、力學(xué)實驗、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，構(gòu)建并引入由核磁共振 T2譜表征的水化損傷變量，建立考慮水化損傷和蠕變損傷的泥頁巖蠕變模型，揭示泥頁巖井壁圍巖水化后初始缺陷蔓延、傳播、貫通到坍塌破壞

2、的蠕變特性和演化過程，形成泥頁巖井壁蠕變損傷失穩(wěn)研究的基本理論方法。論文的主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）巖石組分構(gòu)成及力學(xué)特性分析
　　利用X衍射和掃描電鏡的實驗方法，對泥頁巖巖心進行礦物組分結(jié)構(gòu)和地層巖石物性特征的分析。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該地區(qū)的泥頁巖中主要原生礦物有黃鐵礦、長石和石英，其中石英含量為40％左右，巖石表現(xiàn)為明顯的脆硬性。其中粘土礦物主要成分為伊蒙混層、伊利石、綠泥石。區(qū)域地層的泥頁巖壓實程度較高，水平層理及微裂

3、隙發(fā)育明顯。對不同含水狀態(tài)下泥頁巖巖樣進行單軸、三軸抗壓強度力學(xué)變形實驗，獲得了應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。從結(jié)果可以看出：水化對巖石的力學(xué)性能影響很大，降低巖石的整體力學(xué)性能。
　?。?）泥頁巖蠕變特性實驗研究
　　對巖石進行不同含水率下三軸蠕變實驗，試樣在整個加載過程中，經(jīng)歷了衰減蠕變、等速蠕變和加速蠕變?nèi)齻€蠕變階段。針對相同荷載水平不同含水條件的對比分析表明，隨著含水率的提高，同級荷載情況下巖石蠕變進入穩(wěn)定階段所需的時間基本越

4、長、蠕變加載瞬間應(yīng)變越大、總應(yīng)變量越大，而巖石長期強度呈減小的趨勢。
　　（3）基于核磁共振的泥頁巖水化損傷特征及演化分析
　　利用核磁共振技術(shù)對不同浸泡時間的脆硬性泥頁巖試樣進行測量，得到不同浸泡時間后試樣質(zhì)量變化、橫向弛豫時間 T2譜分布以及核磁成像。結(jié)果表明：水化作用會對巖石內(nèi)部產(chǎn)生損傷，隨著浸泡時間的延長，微裂縫在水化的作用下快速擴展、貫通，使巖樣表面產(chǎn)生明顯裂紋。核磁共振 T2譜圖和成像結(jié)果表明水化作用使巖樣孔隙結(jié)

5、構(gòu)重新分布，T2曲線信號幅度發(fā)生明顯變化。建立了由核磁共振T2譜圖表征的損傷變量，為識別巖石材料的損傷，提供了新的方法。
　?。?）考慮初始水化損傷和蠕變損傷的泥頁巖蠕變本構(gòu)模型研究
　　分析不同含水狀態(tài)下泥頁巖蠕變特性，引入由核磁共振T2譜表征的水化損傷變量，建立考慮水化損傷和蠕變損傷的泥頁巖蠕變模型。采用類比法，在提出的一維蠕變損傷演化方程的基礎(chǔ)上，建立同時考慮瞬時損傷和蠕變損傷的三維流變本構(gòu)模型。該模型既能描述巖石水化

6、損傷后的衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變，又能描述巖石在高應(yīng)力下的加速蠕變。是一個能反映蠕變?nèi)齻€階段的水化損傷非線性蠕變模型。利用模型對長7泥頁巖的蠕變試驗數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果表明，該模型可以很好地描述泥頁巖水化損傷后巖石的蠕變特性。
　?。?）泥頁巖的水化損傷蠕變的有限元分析及工程應(yīng)用
　　利用 FORTRAN開發(fā)環(huán)境，把建立的三維損傷流變本構(gòu)模型編譯成子程序，在ABAQUS中采用開發(fā)程序?qū)δ囗搸r三軸蠕變實驗進行數(shù)值模擬，然后通過和泥頁巖的蠕