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  第 卷第 期 石 油 钻 探 技 术 41 5 Vol.41No.5 年 月 , 2013 9 PETROLEUM DRILLING TECHNIQUES Se .2013 p 页岩气钻井完井专题 : / doi10.3969 .issn.1001 0890.2013.05.006   j - 含气页岩组分形成与岩石力学特征 , , 杨恒林 申瑞臣 付 利 ( , ) 中国石油集团钻井工程手艺研究院 北京 100195 : , , 摘 要 页岩气储 层 的岩石 力 学特 机能 够影响钻井 速 度 进 行含 气页岩组构 与 岩石 力 学特 性 研究 可 认为钻井 。 、 , 设想和施 工供给 手艺 支撑 采 用 X射线衍射 阐发 氩离子束剖 光后 扫描 电镜观测和 三 轴 岩 石 力 学试 验 等 方 法 从 、 、 矿物 组 分 微观 布局 岩石 力 学性质等 方 面临 蜀 南 页岩气 钻 井所 取 岩 心 和 龙 马 溪 组 页 岩野 外 露 头进 行 了 岩 石力 学 。 , , 特 性研究 结 果 表 明 龙 马 溪 组 含 气 页 岩 中 黏 土 矿 物 的 质 量 分 数 为 16.3%~ 64.3% 伊 利 石 占黏 土 总 量 的 , , ; , 74.0% 不含 蒙脱石 属 于低 水敏 性 页岩 粒径小 于 5 m 的基质 矿物 含 量 占绝对劣势 其 平分布 少量细粉砂 级碎屑 μ ; , 或颗粒 平行 于层 理 面标的目的和垂直 于层 理 面标的目的 的单 轴 抗 压 强度分 别 为 和 标的目的 抗 压 强度 为平 137.0 132.4 MPa45° , 。 行层 理 面标的目的 的 66% 表白 页岩力 学性质具有 较着 的各 向同性 : 环节词 页岩 矿物 阐发 微观 布局 电镜扫描 抗 压 强度 中图分类号: 文献标识码: 文章编号: ( ) TE311 A 03105 - - - Com ositionandMechanicalPro ertiesofGasShale p p , , Yan Hen linShenRuichen FuLi g g ( , , , ) CNPCDrillin Research InstituteBeiin 100195China g j g : Abstract Mechanical roertiesofshale asreservoiraffectdrillin rate.Studin texturesandme - p p g g y g chanical roertiesof asshalecanhel to rovidetechnicalsu ortfordrillin desinsando erations. p p g p p pp g g p , Mineralcom osition microstructureandmechanical roertiesforshalecoresfromsouthernSichuanand p p p , , shaleoutcro sinLon maxiFormation wereinvestiatedthrouhX ra diffractionanalsiselectronmi - - p g g g y y , , croscoescannin triaxialrockmechanicaltestetc.Thestud showsthatLon maxiFormationshalehas p g y g , , , cla mineralcontentsof16.3% to64.3% inwhich illiteaccountsfor74.0% butnosmectiteindicatin y g ; lowwatersensitivit shalematrix minerallessthan5 m in rainsizeaccountsforanabsolutemaorit y g j y μ ; asmallamountofsiltsizeddebrisor uniaxialcom ressivestrenthsof and with rains arallel erendicu - p g - g p p p , lartobeddin laneare137.0 MPaand132.4 MParesectivel anduniaxialcom ressivestrenthinthe gp p y p g directionwith45°offsetis66% ofthat aralleltobeddin lane.Thestud resultsshowthatshalemechan - p gp y ical roertiesareobviousl anisotroic. p p y p : ; ; ; ; Ke words shale mineral analsis microstructure electron microsco e scannin com ressive y y p g p strenth g [ ] 45 - , 。 我国富无机质页岩分布普遍 页岩气开辟具有 战 页岩中脆性矿物与黏土矿物的相对含量变 。 , 、 、 很大潜力 但与美国比拟 我国页岩气储层地质结 化对岩石力学性质 井壁失稳机理 钻井液优选以及 , 、 、 构有很大的分歧 埋藏深度更深 地层年代更老 开 : ; : 。 收稿日期 20130304 改回日期 20130905 - - - - 。 , 采难度更大 同时 在页岩气程度井钻井与压裂增 : ( —), , , 作者简介 杨 恒林 男 辽宁抚顺人 年结业于石油 1973 1996 [ ] 13 - , 。 产等方面 尚未构成焦点手艺系统 国内已钻页 ( ) , ( ) 大学 华东 工程力 学专业 年获中国石油大学 北京 油气井工程 2007 、 岩气程度井在钻井过程中具有钻井复杂环境多 机 , , 。 专业博士学位 高级工程师 次要处置油气井岩石 力 学与工程研究 械钻速慢、 , 钻井周期长等特点 此中长宁 威远页岩 - 联系体例:( ) , 。 010 52781851 hldri cnc.com.cn y @ p 气示范区完钻的 、 口页岩气程度井坍塌压力高 坍 : “ ”( 3 基金项目 国度科技重 大专项 页岩气岩石力 学及工程使用 编 号 : ) 。 2013ZX05070001 部门研究内容 - , 塌周期较着 给页岩气程度井钻井平安带来极大挑 · · 32 石 油 钻 探 技 术 年 月 2013 9 。 , 、 、 ( 储层革新结果等具有主要影响 国内良多学者针对 特点 一般将页岩分为高 中 低水敏性页岩 见 四川盆地龙马溪组页岩露头和钻井取心开展了矿物 ), 表 长宁 威远龙马溪组页岩 组平行岩样阳离 1 - 2 [ ] 613 - , 、 、 / , 组分测试研究 发觉分歧地址 分歧层系 分歧 子互换容量试验成果均小于9mmol100 连系页 g , , 深度的页岩矿物构成具有较大差距 这种差同性印 岩的宏观描摹及黏土矿物含量 认为蜀南龙马溪 “ ” 。 证了 没有两处页岩是不异的 概念 笔者按照页岩 含气页岩属于低水敏性页岩。 , 气程度井优良快速钻井需求 针对含气页岩组构与 表 1 页岩的水敏性分类 , 岩石力学的固有特征 开展了适合中国页岩气钻井 Table1 Shalet esbasedonwatersensitivit yp y 完井的储层评价研究。 类别 次要特征 , , , , 高水敏 块状机关 层理不足或有层状显示 较软 呈塑性 1 含气页岩矿物组分阐发 / , 性页岩 阳离子互换容量大于20mmol100 以蒙脱石为主 g , , , , 较着层状机关 层理机关 易分裂 没有塑性 阳离 中水敏 页岩中脆性矿物的发育有益于诱导裂痕的产 / , 子互换容量 10 20 mmol100 蒙脱石与伊利石 ~ g 性页岩 , , , 附近 生 改善压裂减产结果 提高单井产量 但黏土矿物 、 / , , , 中的蒙脱石 伊 蒙混层易导致页岩水化膨胀和坍 低水敏 很强的层状机关 易沿层理面裂开 坚硬而安稳 / , 性页岩 阳离子互换容量大于10mmol100 伊利石为主 g , 。 , 塌 影响井壁不变 为了提高页岩地层钻井速度 对 长宁 威远页岩气示范区 口井的龙马溪组和筇竹 - 4 , 有的泥页岩与水感化后膨胀程度低 膨胀压力 , 寺组钻井岩心样品 进行 XRD 全岩矿物组分和黏 , 。 不是很大 然而地层坍塌仍是很严峻 这是由于钻 土矿物组分测试阐发。 , 井液渗入泥页岩 减弱了岩石颗粒之间和页岩层面 、 龙马溪组页岩石英 长石和黄铁矿的质量分数 。 之间联合力的感化 泥页岩吸附的水使黏土颗粒之 , , 为 34.2%~ 52.7% 平均为 44.1% 此中石英的质 间和泥页岩层面之间的黏结力削弱, 导致井壁岩石 , ; 量分数为 27.5%~ 45.0% 平均为 37.5% 碳酸盐 剥落与坍塌。 ; 矿物的质量分数平均为 21.3% 黏土矿物的质量分 数的 , 。 16.3% 64.3% 平均为 32.6% 黏土矿物以 ~ 2 微观布局特征 , ; 伊利石为主 伊利石占黏土总量的 74.0% 其次为 , / , 。 绿泥石 有少量的高岭石和伊 蒙混层 不含蒙脱石 , , 龙马溪组页岩全岩矿物含量表示出纵向上变化大的 过去 操纵机械感化构成页岩断面 采用扫描电 镜对页岩微观布局进行观测阐发, 因为页岩布局致 , , 特点 黏土矿物由顶部至底部有削减趋向 石英含量 [ ] 7 , , , 密 孔隙细小 天然断面概况粗拙 并常笼盖有零落 , 由顶部至底部有添加的趋向 长宁龙马溪组底部 , 、 的碎屑 很难察看到页岩组分 无机质以及孔隙分布 页岩石英类矿物含量较着增加。 特征。 , 此刻 采用氩离子抛光对预磨好的样品概况 、 筇竹寺组页岩石英 长石和黄铁矿的质量分数 , 进行处置 能够无效去除样品概况凹凸不服的部门 , , 为 52.6% 59.7% 平均为 57.2% 此中石英的质 ~ , , , ; 及附着物 获得滑腻的平面 然后操纵扫描电镜成像 量分数为 30.1%~ 38.6% 平均为 33.7% 碳酸盐 ; 来察看页岩的微观布局特征。 矿物的质量分数平均为 7.2% 黏土矿物的质量分 采用 型横截面离子束抛光仪和岛津 Gatan693 , 。 数为 27.6% 37.9% 平均为 32.6% 黏土矿物以 ~ , , , 扫描电镜 对长宁 威远页岩气示范区 口井 伊利石为主 伊利石占黏土总量的 54% 其次为绿 SS550 - 2 , / , 。 分歧深度的龙马溪组页岩岩样进行了扫描电镜分 泥石 有少量的高岭石和伊 蒙混层 不含蒙脱石 。 黏土矿物含量及其组分影响着井壁不变性, 析 岩样是在相对较低的电子束能量和高真空的腔 , , 。 体情况中进行扫描阐发的 使用背散射电子成像能 黏土的组分和布局分歧 其特征也分歧 现场经 , , 。 削减非导电物质二次电子成像时的电荷效应 同时 验表白 对分歧的页岩要采纳分歧的不变办法 [ ] 14 。 ’ 等人 根据页岩地层所含黏土 分歧灰度级能表达分歧矿物的密度 高密度的矿物 O BrienDennisE ( ), ( , , 为白色 如黄铁矿 最低密度的矿物为黑色 如无机 矿物的品种和所察看的特征 将页岩划分为 类 5 , ), , 比照含气页岩矿物组分阐发成果 认为蜀南龙马 质 石英 长石 黏土矿物组分为灰色 方解石的颜 - - 、 色介于石英和黄铁矿之间。 溪和筇竹寺组含气页岩多属于硬或很是硬 脆且 有坍塌趋向的类型。 , 图 为长宁 威远页岩气示范区 口井龙马溪 别的 按照泥页岩的水敏性 1 - 2 · · 第 卷第 期 杨 恒林等 含 气页岩组 分 构 成 与岩石 力 学特 性 33 41 5 . 。 组通俗页岩和富含无机质页岩的扫描电镜图像 从 是跟着井壁四周页岩孔隙压力的变化以及水化和分 , , 图 能够看出 页岩中小于 的基质矿物含量 散的加剧 页岩的连系强度和层理面之间的连系力 1 5 m μ , , , , 占绝对劣势 属于基底胶结类型 黄铁矿晶粒呈星点 逐步降低 使页岩沿层理面或微裂隙裂开 形成井壁 , 、 , , 。 状分布 灰色粉砂级 黏土级碎屑或颗粒分布此中 垮塌 呈现较着的坍塌周期 。 几百纳米量级宽度的微裂隙发育 页岩中灰色的粉 , 砂级石英颗粒悬浮于细粒状骨架介质中 黑色无机 3 力学特征阐发 质分布于絮状基质中。 , 对于含气页岩储层 不只需要关心其矿物组 、 分 储集空间类型以及脆性指数等参数能否合适 [ , ] 89 1517 - - , 压裂革新的岩石物理尺度 更需要关心页 [ ] 1821 - 岩岩石力学特征对井壁不变的影响 。前人大 , 多把泥页岩地层作为过渡地层来研究 为了确保 , 井壁不变 提出了通过降低地层的钻入角来不变 [ ] 22 井壁的方式 。 因为页岩气开辟需要在页岩地层 , , 钻程度井眼 无法通过降低钻入角来不变井壁 需 , 要通过研究页岩的岩石力学固有特征 确定合理 , 的钻井液密度窗口 实现优良快速钻成程度井眼 。 的目标 对取自贵州遵义沙坝水库志留系龙马溪 , 组底部中厚层状黑色页岩 别离沿与层理面标的目的 夹角为 , , ( , 标的目的 以下简称 标的目的 方 0° 45° 90° 0° 45° , ) 向 标的目的 钻取 试验岩样 90° 25.0 mm×50 mm  ( , ), 此中单轴试验岩心 块 三轴试验岩心 块 19 52 进行单轴和三轴岩石力学测试。 页岩弹性力学参数和单轴抗压强度测试成果见 图 蜀南龙马溪页岩微观布局 1 。 : 、 表 从表 能够看出 弹性模量 泊松比和抗压强 2 2 Fi.1 Microsco icstructure of Lon maxi Formation g p g ; shaleinsouthernSichuan 度随取心标的目的分歧而分歧 弹性模量在平行层理方 , , 向最大 垂直层理标的目的略小 标的目的为平行层理方 45° , 页岩黏土矿物次要由伊利石构成 很少含膨胀 ; 、 向的 泊松比呈现出 标的目的高 标的目的和 55% 45° 0° 90° , , 层黏土矿物 因为地层压实程度较高 不克不及从图 中 ; 1 标的目的低的特点 单轴抗压强度在 标的目的和 标的目的 0° 90° , 察看到雷同常规砂岩储层中的针叶状伊利石 但可 较高, 标的目的单轴抗压强度为平行层理标的目的的 45° 。 见页岩程度层理和微裂隙发育 这种成层特征及微 ; 66% 页岩弹性力学参数和单轴抗压强度具有较着 , 观机关 一方面使页岩在外力感化下极易沿微裂痕 , 的非均质性及各向同性特点 且弹性模量和抗压强 , 或层理面粉碎 出格是在微裂隙发育或机关应力集 度呈正相关性。 , ; 中前提下 易发生硬脆性页岩的分裂和剥落 另一方 页岩三轴岩石力学试验时选择的围压别离为 , , , , 面 页岩布局致密 碎屑颗粒小 渗入率低 在储层井 , , , , 5 1015 20和 25 MPa 测试获得页岩分歧取心方 , 段钻程度井过程中 钻井液滤液沿微裂痕或节理面 , 向在分歧围压前提下的纵向峰值应力平均值 见 , , 侵入地层速度慢 页岩不会敏捷发生膨胀和变软 而 表 。 3 表2 页岩弹性力学及单轴抗压强度 arameters Table2 Elastic anduniaxialcom ressivestrenthofshale p p g 弹性模量/ 泊松比 抗压强度/ GPa MPa 取心标的目的 最小值 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值 0° 12.92 48.69 29.15 0.15 0.25 0.20 101.1 170.4 137.0 45° 11.59 18.09 15.97 0.30 0.36 0.33 71.3 106.9 90.4 90° 17.94 30.78 25.41 0.09 0.17 0.15 94.9 208.1 132.4 · · 34 石 油 钻 探 技 术 年 月 2013 9 表3 页岩三轴岩石力学强度试验成果 Table3 Triaxialcom ressivestrenthofshale p g 分歧围压下的纵向峰值应力/ MPa 内聚力/ 内摩擦角/ 取心标的目的 () 0 MPa 5 MPa 10 MPa 15 MPa 20 MPa 25 MPa MPa ° 0° 138.0 241.1 245.3 296.1 317.6 335.1 31.94 49.21 45° 90.4 114.7 150.8 156.8 178.5 195.4 23.67 37.59 90° 130.7 172.0 196.8 228.3 209.6 249.6 35.30 38.10 、 , , , 以围压为横坐标 纵向峰值应力为纵坐标画图 页岩微观布局很是致密 碎屑颗粒多为黏土质级别 , 。 按照分歧取心标的目的的围压与纵向峰值应力点绘制平 微裂隙比力发育 无机质及矿物质有必然的标的目的性 , , 均曲线 在曲线上拔取最恰当的线段绘制一条直线 需要进一步开展氩离子束剖光后扫描电镜与和 X 并计较出斜率 和截距 。 和 也可别离用下式 , m b m b 射线衍射阐发成果的分析对比阐发 成立含气页岩 计较: , , 组构特征的纵向剖面 描绘页岩气甜点区分布纪律 2 σσ σ - σ σ 指点工程设想。 ∑ 3 1∑ 3 ∑ 1∑ 3 () b= 1 2 2 )龙马溪组页岩的岩石力学参数具有较着的 3 σ -n σ ( 3 ) 3 ∑ ∑ 非均质性和各向同性, 在必然的钻井液柱压力前提 σ σ -n σσ ∑ 3∑ 1 ∑ 3 1 , 。 () 下 井壁页岩在与层理面 标的目的上抗剪强度最弱 m = 2 45° 2 2 σ -n σ ( 3 ) 3 ∑ ∑ 基于页岩力学各向同性和四川地域垂直地应力为中 式中: , 别离为该直线段内各点相对应的纵向峰 σ σ , 1 3 间主应力的地应力分布特点 能够从力学角度优化 值应力与围压, ; 为该直线段内的数据点 MPa n , 程度井井眼轨迹方位 既能降低程度井井壁垮塌风 数量。 , 。 险 又有益于改善后期储层革新结果 , 操纵斜率 和截距 别离计较获得页岩分歧 m b 参 考 文 献 取心标的目的的内摩擦角 和内聚力C。 φ References m - 1 () φ= arcsin m 1 3 ( + ) [] , , [] 王希勇 姚莉 吉青 我国页岩气勘察开辟的若干环节问题 1 . J . ( ) b 1 sin - φ 天然气手艺与经济, ,(): () 2012 6 5 36. C = 4 - 2cos φ , , Wan Xion YaoLiJiQin .Severalke issuesonshaleex g y g g y - , , 按照莫尔 库仑原则 当正应力 时 - σ< 9 MPa [] n lorationanddevelo mentinChina J.NaturalGasTechnolo p p - ; 标的目的页岩抗剪强度略高于 标的目的 当 , ,(): 90° 0° σ> 9 MPa andEconom 2012 6 5 36. gy y - n [] , , , , ; 周守为 姜伟 张春阳 等 美国 页岩气开辟对我国 2 . Ea leFord 当前 标的目的页岩抗剪切强度高于 标的目的 与层理 g 0° 90° 页岩气勘察开辟的启迪[ ] 中国工程科学, , ( ): J . 2012 14 6 。 面 标的目的抗剪强度最弱 一般页岩气程度井井眼 45° 1621. - 轨迹方位要求沿最小地应力标的目的设想与施工, 井壁 , , , ZhouShouweiJian Wei Zhan Chun an etal.Theenliht g g y g g - 围岩应力集中次要遭到最大程度主应力和上覆岩层 enmentonshale asexlorationanddevelo mentinChina et - g p p g , , 压力节制 在必然的钻井液柱压力前提下 井壁四周 [] , tin from Ea leFord inAmerica J.En ineerin Sciences g g g g 与层理面 标的目的的页岩抵当外载荷感化下的抗剪 , (): 45° 2012 14 6 1621. - [] 薛承瑾 页岩气压裂手艺现状及成长建议[] 石油钻探手艺, 3 . J . 强度最弱。 , ():

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