页岩气储层自吸-水化损伤-离子扩散相关性试验研究

压裂液与页岩气储层接触后,诱发自吸、水化损伤及离子扩散等水岩反应,导致压裂液返排率低、矿化度高,对压裂改造效果与页岩气产出均有显著影响。目前对上述水岩反应已经开展了针对性研究,但自吸、水化损伤及离子扩散同步产生,对三者之间相关性的研究较缺乏,难以准确认识压裂液与页岩的相互作用,不利于压裂优化设计。为此,立足于室内试验手段,明确了不同条件下的页岩自吸、水化损伤及离子扩散规律及影响因素,系统分析了页岩自吸、水化损伤及离子扩散之间的定量相关性以及相互作用机制。研究结果显示:自吸、水化损伤及离子扩散具有同步响应特征,均在自吸前期发展显著,后续逐渐趋于稳定;自吸与水化损伤相互促进,使页岩吸水量增大;随页岩吸水量增大,离子扩散程度加剧,更多盐离子扩散进入压裂液,使压裂液活度降低,减弱页岩自吸与水化程度。研究成果深化了对压裂液与页岩相互作用的认识,为实现页岩气储层高效水力压裂改造提供了理论支撑。

考虑水化损伤作用的页岩动态自吸模型

页岩自吸作用是影响其钻井、压裂等工程措施的重要基础现象。不同于砂岩、碳酸盐岩地层,页岩黏土矿物发育,水相介质侵入页岩后与黏土接触诱发水化结构损伤,促进自吸。因此,若忽略自吸过程中的水化损伤,不符合页岩实际吸水状态,从而影响钻完井工程设计。为此,基于室内试验手段,建立了水化结构损伤定量表征方法,并以水化损伤演变规律为依据,在建立动态自吸毛细管力与动态迂曲度计算公式的基础上,构建了页岩动态自吸模型。页岩动态自吸模型预测的自吸曲线与实际自吸曲线吻合程度较好,验证了所构建模型的准确性。利用所构建的页岩动态自吸模型系统分析了影响页岩动态自吸的因素,结果表明,水化作用对页岩自吸具有显著促进作用。在强水化作用下,页岩孔隙度增大、迂曲度降低,具备更强的驱动力与更小的流动阻力,导致自吸量与自吸速率明显增大,表明水化损伤是影响页岩自吸的主要因素。研究结果深化了对页岩自吸机制的认识,为页岩地层钻完井工程制定合理技术措施提供了理论依据。

基于核磁共振的脆硬性泥页岩水化损伤演化研究

为研究脆硬性泥页岩水化后细观结构的损伤演化特征,利用核磁共振技术对不同浸泡时间的脆硬性泥页岩试样进行测量,得到不同浸泡时间的试样质量变化、横向弛豫时间T2谱分布以及核磁共振成像。结果表明:水化作用会对岩石内部产生损伤,岩样吸水率在最初的8 h内变化相对较大,1 d后相对接近稳定,之后变化不明显。随着浸泡时间的延长,微裂缝在水化的作用下快速扩展、贯通使岩样表面产生明显裂纹。核磁共振T2谱图和成像结果表明,水化作用使岩样微观结构重新分布,T2曲线信号幅度发生明显的变化,并随着浸泡时间的延长而增加。整个水化损伤分为3个阶段:大尺寸孔隙裂纹发展阶段;小孔隙产生、大尺寸孔隙裂纹加剧扩展;小孔隙加剧产生扩展、大尺寸孔隙裂纹归并贯通至水化破坏阶段。核磁共振图像显示同一块岩样在不同浸泡时间的内部微观结构分布,动态地显示岩石的水化损伤过程。

基于核磁共振技术的泥岩水化损伤孔隙结构演化试验

岩石水化损伤的试验研究一直以来是许多学者关注的热点问题,以强度较高、孔隙率较大的沉积岩作为研究对象已屡见不鲜,但对强度和孔隙率均较低的一类岩石发生水化损伤尚且有待补充。基于此,选取泥岩作为本试验的研究对象,配制不同成分、不同浓度和不同pH值的水化学溶液,对其进行浸泡试验。基于核磁共振测试(NMR)技术得到了岩样在不同浸泡时间的横向弛豫时间T 2谱分布,并对岩样的质量、孔隙率和pH值进行实时测定。试验结果表明:①在水岩化学作用下,各岩样的质量、吸水率和孔隙率均随浸水时间的延长而增大,具有良好的一致性;但不同水化学溶液中各参数增大幅度和增长速率有所差别。②泥岩在不同水化学溶液作用下的横向弛豫时间T 2谱分布均有2个峰值,第1个峰值(代表小孔径孔隙数量)明显高于第2个峰值(大孔径孔隙数量),所以泥岩水化损伤的主要原因是小孔隙数量的增多;不同水化学溶液浸泡后的泥岩样品损伤程度有明显差异,在0.01 mol/L NaCl溶液中,损伤程度为:pH=2>pH=12>pH=7,在pH=7的条件下:蒸馏水>0.1 mol/L NaCl>0.01 mol/L NaCl。③在pH=2的NaCl溶液中,泥岩的水化损伤最剧烈。随着浸泡时间的增大,核磁共振T 2谱分布曲线中的2个峰值均会增大,而且向右发生偏移,反映了泥岩水化损伤过程孔隙结构的演化特性,可将其孔隙演化过程概括为:裂纹萌生、扩展连通和裂纹贯通3个阶段。④对不同水化学溶液的pH值的测定结果表明,随浸水时间的延长,酸性条件下pH值逐渐升高,碱性和中性条件下pH值降低,但不同溶液的酸碱性随时间的延长均趋近于中性,水岩化学作用具有自平衡性。⑤根据岩样矿物组成和溶液pH值的变化,给出了不同水化学溶液中泥岩发生水化损伤的微观机理。

结合CT技术的页岩水化损伤规律研究

为研究龙马溪组黑色富有机质页岩水化后细观结构的损伤演化特征,利用CT技术对不同浸泡时间的岩样进行扫描,充分利用CT图像中信息,分析页岩水化细观损伤规律。结果表明:页岩吸水率随着浸泡时间增加而逐渐升高,并渐趋于平稳,吸水率与浸泡时间之间满足对数函数关系;CT图像和二值化图像直观地显示了水化裂缝萌生形成、扩展贯通、形成宏观主裂缝的演化过程,灰度直方图体现了不同水化阶段的CT图像灰度值的变化,其由初始单峰型过渡为水化后双峰;基于二值化图像得到了不同水化阶段的损伤变量,损伤变量随着浸泡时间增加而逐渐升高,且与浸泡时间之间近似满足幂函数关系;CT图像分形维数可体现水化裂缝演化扩展的复杂程度,其随着水化时间增加,呈现先增大后减小变化规律。利用CT技术可得到岩样在不同浸泡时间的内部微观结构分布,为工程应用提供参考。

基于水化损伤的硬脆性泥页岩应力分布研究

引入了考虑水化作用的弹性模量损伤张量,基于硬脆性泥页岩考虑水化损伤作用时井眼周围的应力-应变本构关系,结合数值或解析方法求解了非均匀应力条件下硬脆性泥岩的井周应力分布规律。以渤中某油田X井为例进行井周水化应力分布及坍塌压力分析。计算发现:钻开100 h后,水化损伤造成的地层刚度下降明显,井壁失稳首先发生在井壁内部,在最小地应力方位坍塌风险更大;水化膨胀性能对应力分布影响程度有限,仅在井壁附近对切向应力有微弱影响;硬脆性泥页岩的坍塌主要与水化损伤导致的岩石刚度性能下降和岩石强度参数劣化有关;该井段坍塌周期较短,井径扩大率最大为6.5%,现场使用钻井液密度偏小,建议加强钻井液封堵性的前提下适当提高钻井液密度。该模型一定程度上揭示了硬脆性泥页岩的水化坍塌机理,为类似地层安全高效钻进提供了理论依据。

高温下页岩水化损伤的各向异性实验研究

为了研究高温页岩水化损伤的各向异性特征,以龙马溪页岩为例,利用FEI Qemscan 650F型矿物定量分析-热场发射环境扫描电子显微镜(EDS-FESEM),系统观察不同温度、压力和浸泡时间下页岩平行层理和垂直层理面特征黏土矿物及微观结构变化特征.研究结果表明,龙马溪页岩细观尺度的各向异性引起页岩水化特征存在明显区别,即平行层理面表现为大量微纳米溶蚀孔伴生发育的原生裂隙膨胀、闭合、塌陷的损伤模式,而垂直层理面表现为大量微纳米长石矿物溶蚀孔隙的损伤模式.相同浸泡时间和压力下,温度越高页岩细观结构的水化损伤越快;相同温度和压力下,随着浸泡时间增加,页岩细观结构的水化程度先增大后逐渐趋于平缓,温度升高减小了页岩水化特征时间,其内在联系需进一步开展实验探讨.

水化学损伤对岩石弹性模量的影响

在常温常压下 ,对纯净水静泡、循环以及水溶液循环作用下花岗岩和砂岩的弹性模量进行了实验 .结果表明 :水化学作用后岩石的弹性模量出现了不同程度的下降 ,即水溶液对岩石弹性模量的影响是与水—岩化学作用密切相关的 .

酸雨水化学损伤加剧粉砂质泥岩崩解机制研究

酸雨区泥质岩崩解相对于非酸雨区显著增强,但其机制尚有待进一步研究。以酸雨条件下水化学损伤的形成及其发展特性入手,选取典型酸雨区攀枝花市机场滑坡粉砂质泥岩,进行不同pH值条件下(pH=7、5、3)的耐崩解性试验。通过测定试验后崩解液离子成分变化、观察酸雨作用前后粉砂质泥岩薄片镜下特征、分析试样崩解破坏模式,探究酸雨水化学损伤加剧粉砂质泥岩崩解的细观机制;引入比表面积增量指标表征崩解残留物破碎程度,定量评价酸雨水化学损伤对粉砂质泥岩崩解的加剧效果。研究结果认为,粉砂质泥岩酸雨水化学损伤主要源于特定矿物的溶蚀,为其崩解劣化提供额外路径;随着崩解液pH值降低,粉砂质泥岩水化学损伤增强,崩解路径增多,崩解破坏模式发生转化,崩解残留物愈发破碎;采用比表面积增量指标可良好反映崩解残留物的破碎程度,崩解残留物愈破碎,比表面积增量指标值越大,粉砂质泥岩崩解程度越高。结论可为酸雨地区岩土体工程性质评价及加固设计提供理论参考。

基于性能演变理论的混凝土细观损伤特性研究

为研究混凝土性能演变过程中的损伤特性,借助细观力学随机骨料模型,将化学-热-力耦合的性能演变模型引入混凝土损伤特性研究中,直观反映早龄期混凝土的材料性能和损伤参数随其内部水化反应的演变过程.结合连接宏-细观热力学特性的均匀化方法,对硬化过程中混凝土三相介质的材料参数进行率定,并且在细观层次上实现早龄期混凝土单轴拉伸试验的数值模拟.结果表明,水化度的空间分布差异性对早龄期混凝土力学参数的取值存在显著影响;采用的水化度损伤模型能够直观反映早龄期混凝土试件在单轴拉伸试验中裂缝萌生、扩展直至贯通的全过程,可以为早龄期混凝土结构的拉伸损伤断裂过程分析提供有力的数值工具.

龙马溪组页岩地层井壁坍塌周期预测

针对页岩层理结构和水化特性易导致钻井过程中井壁坍塌的问题,开展岩石三轴力学实验,以确定不同钻井液作用时间下的页岩力学参数;综合考虑层理产状和水化作用对页岩强度的影响,建立页岩地层井壁稳定性分析模型,预测页岩地层坍塌周期。计算分析表明:层理产状变化使得坍塌压力分布更为复杂,水化作用使得坍塌压力在钻井初期迅速升高;层理和水化作用导致的坍塌压力增量分别为0.26~0.38 g/cm^3和0.60~0.79 g/cm^3,缩短了页岩地层的坍塌周期。该模型能准确预测坍塌周期,对优化钻井液性能,调整钻井液密度,保证井壁稳定有重要意义。

页岩层理对井壁稳定性影响分析

为了分析页岩的层理和水化损伤对钻井过程中井壁稳定性的影响,开展室内岩石三轴力学试验测试页岩原始状态和钻井液作用不同时间的力学特性;然后基于孔隙弹性理论和岩石弱面强度理论,综合考虑层理产状和水化损伤对页岩强度的影响,建立页岩地层井壁稳定性分析模型。结果表明:层理产状和水化损伤对井壁稳定性有显著的影响,都会导致坍塌压力升高,加剧井壁的不稳定性。综合考虑页岩的层理和水化损伤两个因素分析地层井壁稳定性,对优化不同时段钻井液性能,调整钻井液密度,保证钻井安全有重要意义。

岩石化学腐蚀-围压损伤本构模型与离散元模拟研究

基于Lemaitre应变等价性假设理论,假定受水化学-力耦合损伤的岩石微元强度服从Weibull分布,考虑化学腐蚀与围压耦合作用对岩石力学参数的影响,通过核磁共振技术与损伤力学理论,引入化学损伤变量与力损伤变量,并认为微元破坏符合SMP准则,建立岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型,并采用理论推导的方法得出所需的模型参数.同时基于颗粒离散元方法,引入参数半径乘子来改变颗粒间的黏结接触尺寸,从而模拟水化学损伤,采用平直节理模型对水化学作用后的岩石进行三轴压缩模拟,得到了水化学作用和不同围压下的岩石三轴应力-应变模拟曲线.通过对比所构建的岩石化学腐蚀-力耦合损伤本构模型理论曲线、离散元模拟曲线和试验曲线,结果表明三者吻合度较好,能够很好地反映岩石在化学腐蚀和围压耦合作用下的力学特性与破坏特征,并通过离散元方法得到了岩石在三轴压缩过程中裂纹的产生与分布情况.