CN110761779A - 钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法。本发明提供的钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，实现了对钻井液提高破碎块体间抗剪强度的定量评价，为破碎性地层井壁稳定性提供了可靠的力学参数。同时也为钻井液性能优化、钻井液优选提供了科学、有效的实验方法，为破碎性地层井壁稳定***技术的建立提供了强有力的支撑，对深部油气安全、高效钻井具有重要意义。

Description

钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法
技术领域
本发明涉及石油天然气钻探技术领域，具体涉及一种钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法。
背景技术
随油气勘探开发深度的不断增大，油气钻井经常钻遇破碎地层，破碎性地层掉块、垮塌、漏失等井壁失稳问题已成为深层油气钻探普遍面临的重大难题。在提高钻井液抑制、封堵性能的基础上，强化钻井液对井壁破碎围岩的固结能力是最大程度降低、避免破碎性地层井壁失稳垮塌的最为有效技术手段。因此，科学、合理地评价钻井液对破碎围压胶结、固结能力，不仅是钻井液性能优化的重要依据，同时也是安全钻井工程设计尤其是钻井液设计的重要基础，对复杂破碎地层快速、安全钻井技术的建立具有重要意义。
钻井液对井壁破碎岩石的胶结、固结能力与地层岩性密切相关，即同一钻井液体系，针对不同岩性地层岩性，其胶结或固结能力不同；同时还受环境温度、压力影响，即同一岩性地层、同一钻井液体系，但在地层温度、压力不同的条件下，其表现出的固结能力也不同。正是由于钻井液对井壁破碎岩石胶结或固结能力影响因素众多，加之受破碎地层钻井取心困难的制约，长期以来，钻井液性能评价主要针对完整地层及部***缝发育地层，且对钻井液稳定井壁的性能评价也主要集中钻井液的抑制性能、封堵性能、流变性能、失水造壁性能。而对钻井液胶结或固结能力的评价较少，至今未见***的室内评价方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法解决了钻井液稳定井壁的性能评价结果不准确的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，包括以下步骤：
S1、获取与破碎地层岩性相同且新鲜完整的井下钻井取心，并钻取圆柱试样，将圆柱试样沿中线均匀切分为两个圆盘试样；
S2、通过钻井取心钻取标准柱塞试样，采用岩石力学实验机对标准柱塞试样进行单轴压缩测试，并计算得到岩石的单轴抗压强度UCS；
S3、将两个圆盘试样沿切分面对接，并沿接触面进行法向载荷作用下剪切强度测试，并计算得到圆盘试样接触面的抗剪强度；
最大法向载荷不高于单轴抗压强度UCS的1/20；
S4、将两个圆盘试样沿切分面对接贴合固定，放置于充满钻井液的耐压密闭容器中，并向密闭容器内施加压力及温度作用一段时间；
S5、将两个圆盘试样从密闭容器中取出，并将其放置于直剪盒，沿接触面进行法向载荷作用下剪切强度测试，测得钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度；
S6、通过钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度计算钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角和钻井液作用后圆盘试样接触面之间的内聚力增量；
S7、通过圆盘试样接触面的抗剪强度、钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度和钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角计算钻井液对剪切强度的增大幅度和钻井液对摩擦角的增大幅度，并根据钻井液作用后圆盘试样接触面之间的内聚力增量、钻井液对剪切强度的增大幅度和钻井液对摩擦角的增大幅度评价钻井液固结井壁破碎围岩能力。
进一步地：所述步骤S1中圆柱试样的直径为50mm，长度为50mm。
进一步地：所述步骤S2中标准柱塞试样的直径为25mm，长度为50mm。
进一步地：所述步骤S3和S5中法向载荷均包括0MPa、
Figure BDA0002248932560000031
和σnMax，其中σnMax为最大法向载荷。
进一步地：所述步骤S3中圆盘试样接触面的抗剪强度的计算公式为：
Figure BDA0002248932560000032
上式中，τfs为圆盘试样接触面的抗剪强度，σn为施加的法向应力，
Figure BDA0002248932560000033
为圆盘试样接触面的摩擦角。
进一步地：所述步骤S4中施加压力的大小等于地层压力或钻井液压力，施加温度的大小为地层实际温度。
进一步地：所述步骤S6中钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角的计算公式为：
Figure BDA0002248932560000034
上式中，τdf为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度，σn为施加的法向应力，
Figure BDA0002248932560000035
为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角，Cdf为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的内聚力增量。
进一步地：所述步骤S7中钻井液对剪切强度的增大幅度和钻井液对摩擦角的增大幅度的计算公式为：
Figure BDA0002248932560000037
上式中，Cτ为钻井液对剪切强度的增大幅度，τdf为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度，τfs为圆盘试样接触面的抗剪强度，
Figure BDA0002248932560000038
为钻井液对摩擦角的增大幅度，
Figure BDA0002248932560000039
为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角，
Figure BDA00022489325600000310
为圆盘试样接触面的摩擦角。
本发明的有益效果为：本发明提供的钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，实现了对钻井液提高破碎块体间抗剪强度的定量评价，为破碎性地层井壁稳定性提供了可靠的力学参数。同时也为钻井液性能优化、钻井液优选提供了科学、有效的实验方法，为破碎性地层井壁稳定***技术的建立提供了强有力的支撑，对深部油气安全、高效钻井具有重要意义。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明实施例中岩样的单轴压缩测试结果曲线图；
图3为本发明实施例中不同法向载荷作用下的抗剪强度测试结果示意图；
图4为本发明实施例中钻井液作用后不同法向载荷作用下的抗剪强度测试结果示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，包括以下步骤：
S1、获取与破碎地层岩性相同且新鲜完整的井下钻井取心，并钻取圆柱试样，圆柱试样的直径为50mm，长度为50mm，将圆柱试样沿中线均匀切分为直径50mm、长度20～25mm的两个圆盘试样，对两个圆盘切分面分别标记为A、B；并对圆盘试样的长度、直径进行测试，进行表观结构观察，描述层理、裂缝等结构面的发育特征。
S2、通过钻井取心钻取标准柱塞试样，标准柱塞试样的直径为25mm，长度为50mm，采用岩石力学实验机对标准柱塞试样进行单轴压缩测试，并计算得到岩石的单轴抗压强度UCS；如图2所示，由实验结果可看出单轴抗压强度UCS为62.7MPa。
S3、将两个圆盘试样沿切分面对接，并沿接触面进行法向载荷作用下剪切强度测试，法向载荷均包括0MPa、和σnMax，其中σnMax为最大法向载荷，并计算得到圆盘试样接触面的抗剪强度；
圆盘试样接触面的抗剪强度的计算公式为：
Figure BDA0002248932560000052
上式中，τfs为圆盘试样接触面的抗剪强度，σn为施加的法向应力，
Figure BDA0002248932560000053
为圆盘试样接触面的摩擦角。
按照最大法向载荷不高于单轴抗压强度UCS的1/20，且尽可能取低值的原则，初始抗剪强度测试所施加的法向应力分别设定为0.1MPa、0.20MPa以及0.40MPa。测试结果如图3所示，可知抗剪强度依次为0.0840MPa、0.1253MPa、0.2810MPa。根据测试结果可计算得到内摩擦角(抗剪强度)为34.5°。
S4、将两个圆盘试样沿切分面对接贴合固定，放置于充满钻井液的耐压密闭容器中，并向密闭容器内施加压力及温度作用一段时间；所施加压力大小等于地层压力或钻井液压力，温度为地层实际温度。保持温度、压力恒定，钻井液与圆盘试样作用1个小时。
S5、将两个圆盘试样从密闭容器中取出，并将其放置于直剪盒，沿接触面进行0.10MPa、0.20MPa以及0.40MPa法向载荷作用下剪切强度测试，测得钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度，分别为0.1280MPa、0.1693MPa、0.3676MPa，各法向应力作用下的抗剪强度结果如图4所示。
S6、通过钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度计算钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角和钻井液作用后圆盘试样接触面之间的内聚力增量；
钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角的计算公式为：
Figure BDA0002248932560000061
上式中，τdf为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度，σn为施加的法向应力，
Figure BDA0002248932560000062
为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角，Cdf为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的内聚力增量。
计算可得圆盘试样接触面之间的摩擦角为39.57°，钻井液作用后圆盘试样接触面之间的内聚力增量为0.0283MPa。
S7、通过圆盘试样接触面的抗剪强度、钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度和钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角计算钻井液对剪切强度的增大幅度和钻井液对摩擦角的增大幅度，并根据钻井液作用后圆盘试样接触面之间的内聚力增量、钻井液对剪切强度的增大幅度和钻井液对摩擦角的增大幅度评价钻井液固结井壁破碎围岩能力。
钻井液对剪切强度的增大幅度和钻井液对摩擦角的增大幅度的计算公式为：
Figure BDA0002248932560000063
Figure BDA0002248932560000064
上式中，Cτ为钻井液对剪切强度的增大幅度，τdf为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度，τfs为圆盘试样接触面的抗剪强度，
Figure BDA0002248932560000065
为钻井液对摩擦角的增大幅度，为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角，
Figure BDA0002248932560000072
为圆盘试样接触面的摩擦角
剪切强度的增大幅度Cτ在法向应力0.10MPa、0.20MPa以及0.40MPa条件下分别为52.3％、36.2％、31.2％；钻井液胶结或固结作用下摩擦角的增大幅度
Figure BDA0002248932560000073
为14.2％。

Claims (8)

1.一种钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取与破碎地层岩性相同且新鲜完整的井下钻井取心，并钻取圆柱试样，将圆柱试样沿中线均匀切分为两个圆盘试样；
S2、通过钻井取心钻取标准柱塞试样，采用岩石力学实验机对标准柱塞试样进行单轴压缩测试，并计算得到岩石的单轴抗压强度UCS；
S3、将两个圆盘试样沿切分面对接，并沿接触面进行法向载荷作用下剪切强度测试，并计算得到圆盘试样接触面的抗剪强度；
最大法向载荷不高于单轴抗压强度UCS的1/20；
S4、将两个圆盘试样沿切分面对接贴合固定，放置于充满钻井液的耐压密闭容器中，并向密闭容器内施加压力及温度作用一段时间；
S5、将两个圆盘试样从密闭容器中取出，并将其放置于直剪盒，沿接触面进行法向载荷作用下剪切强度测试，测得钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度；
S6、通过钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度计算钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角和钻井液作用后圆盘试样接触面之间的内聚力增量；
S7、通过圆盘试样接触面的抗剪强度、钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度和钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角计算钻井液对剪切强度的增大幅度和钻井液对摩擦角的增大幅度，并根据钻井液作用后圆盘试样接触面之间的内聚力增量、钻井液对剪切强度的增大幅度和钻井液对摩擦角的增大幅度评价钻井液固结井壁破碎围岩能力。
2.根据权力要求1所述的钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，其特征在于，所述步骤S1中圆柱试样的直径为50mm，长度为50mm。
3.根据权力要求1所述的钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，其特征在于，所述步骤S2中标准柱塞试样的直径为25mm，长度为50mm。
4.根据权力要求1所述的钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，其特征在于，所述步骤S3和S5中法向载荷均包括0MPa、
Figure FDA0002248932550000021
和σnMax，其中σnMax为最大法向载荷。
5.根据权力要求1所述的钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，其特征在于，所述步骤S3中圆盘试样接触面的抗剪强度的计算公式为：
Figure FDA0002248932550000022
上式中，τfs为圆盘试样接触面的抗剪强度，σn为施加的法向应力，
Figure FDA0002248932550000023
为圆盘试样接触面的摩擦角。
6.根据权力要求1所述的钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，其特征在于，所述步骤S4中施加压力的大小等于地层压力或钻井液压力，施加温度的大小为地层实际温度。
7.根据权力要求1所述的钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，其特征在于，所述步骤S6中钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角的计算公式为：
Figure FDA0002248932550000024
上式中，τdf为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度，σn为施加的法向应力，为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角，Cdf为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的内聚力增量。
8.根据权力要求1所述的钻井液固结井壁破碎围岩能力的评价方法，其特征在于，所述步骤S7中钻井液对剪切强度的增大幅度和钻井液对摩擦角的增大幅度的计算公式为：
Figure FDA0002248932550000031
Figure FDA0002248932550000032
上式中，Cτ为钻井液对剪切强度的增大幅度，τdf为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的抗剪切强度，τfs为圆盘试样接触面的抗剪强度，
Figure FDA0002248932550000033
为钻井液对摩擦角的增大幅度，
Figure FDA0002248932550000034
为钻井液作用后圆盘试样接触面之间的摩擦角，为圆盘试样接触面的摩擦角。
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