Evaluation and Analysis of Rock Strength for the Longmaxi Shale
-
摘要: 准确全面地评价页岩储层的岩石强度,对页岩水平井井壁稳定性研究具有重要意义。针对龙马溪组页岩储层的特性,采用抗压法、屈曲硬度法和刻划测试法等多种评价方法,对其页岩抗压强度进行了综合评价与分析。评价表明,龙马溪组页岩的抗压强度大体为100~300 MPa,平均为123.71 MPa;与水接触后,页岩微裂缝附近的抗压强度可降低80%左右。研究表明,龙马溪组页岩的抗压强度受矿物组分相对富集的影响较大,石英含量高、黏土矿物含量低的区域抗压强度大;微裂隙对页岩整体强度具有决定性影响;在页岩水平井采用水基钻井液钻进时,必须加强对微裂隙的封堵能力,才能有效降低井壁失稳的风险。Abstract: In order to study the hole stability of horizontal wells in a shale formation, it is necessary to accurately and completely evaluate the rock strength in shale reservoirs. Based on the characteristics of shale reservoirs in the Longmaxi Formation, multiple evaluation methods (e.g. compression test, buckle hardness test and scratch test) were used to evaluate and analyze the compressive strength of shale. It is shown that the compressive strength of Longmaxi shale is generally in the range of 100-300 MPa, with an average of 123.71 MPa. After the shale has a contact with water, its compressive strength around the micro cracks fall by about 80%. Research showed that the compressive strength of Longmaxi shale was more influenced by the relative enrichment of mineral composition,the formations with high content of quartz and low content of clay mineral have higher compressive strength.The effect of micro cracks on strength of shale is a dominant characteristic. When water based drilling fluids are used for drilling horizontal wells in shale formation, it is necessary to strengthen the sealing capacity in micro cracks so as to effectively lower the risk of hole instability.
-
Keywords:
- Longmaxi formation /
- shale /
- mineral analysis /
- scratch test /
- compressive strength
-
随着油气勘探开发的不断深入,开采所遇到的地层情况越来越复杂,尤其在钻遇破碎、弱胶结地层或裂缝溶洞发育地层时,井漏问题十分严重。我国川东北地区、胜利油田和塔里木盆地等钻井过程中都出现了较为严重的井漏问题,据统计,井漏发生率占钻井总数的25%~30%,其中严重井漏损失占井漏总损失的70%以上[1-3]。封堵大型裂缝时,常规堵漏材料由于自身尺寸与地层中裂缝开度不匹配,承压能力低,耐温能力差,无法形成有效的封堵架桥结构,导致封堵作业效率低[4-5]。
形状记忆聚合物具有独特的形状记忆功能,已经在多个领域得到应用,并且逐步成为了高分子研究方面的新热点[6-7]。形状记忆聚合物受到外界施加的相关刺激后,可以实现从现存形状到原有设定形状的形态转换[7-10]。这种特有的转换性能使形状记忆聚合物在航天元件、医学器材、电子设备和建材原料等方面都具有十分重要的潜在价值。目前,形状记忆材料也已引入石油工程,开始应用于油气管线连接、膨胀水泥和防砂管等方面[11-12]。
考虑形状记忆聚合物能够改变外在形貌,可将其引入裂缝堵漏相关研究中[13-15]。比如,温敏型堵漏水泥浆应用温度60~140 ℃,承压7 MPa,现场应用中可有效解决固井漏失问题[16];胜利油田研制的温控型膨胀堵漏剂SDP具备一定的高温可膨胀性及力学强度,可用于裂缝堵漏[17]。然而,在制备这些堵漏材料过程中,大多数的化学反应可控性不好,存在反应产率较低等问题。为此,笔者基于点击化学反应高效的优势,结合形状记忆聚合物温敏形变的特点,研制出一种温敏型堵漏材料。室内评价认为,该堵漏材料有别于常规堵漏材料,具有自适应裂缝开度、耐温性好、承压能力较高和易加工等特点。研究结果对研制和应用新型智能堵漏材料具有参考借鉴价值。
1. 温敏型堵漏材料的制备与结构表征
1.1 材料制备
根据环氧-巯基点击化学反应原理[18],环氧基在叔胺类催化剂的催化作用下可与巯基进行开环反应形成空间网格结构,从而制得环氧树脂形状记忆聚合物。按环氧基与巯基化学计量比1∶1称取环氧树脂E-51、固化剂季戊四醇四-3-巯基丙酸酯(PMP)及改性剂三缩水甘油基对氨基苯酚(TGE);将适量E-51、PMP、TGE及催化剂2-EMI倒入三口烧瓶中,抽真空搅拌0.5 h,以除去混合物中的气泡;然后,将混合物倒入模具中,采用三段式升温(80 ℃/3 h,120 ℃/1 h,150 ℃/1 h)进行固化反应;反应结束后,待其自然冷却脱模,即得到温敏型形状记忆聚合物样品(记为E-MP)。共制得E-MP10、E-MP20和E-MP30等3种温敏型形状记忆聚合物样品,具体配方见表1。
表 1 形状记忆聚合物单体配比Table 1. Composition of SMP monomer样品 质量分数,% E-51 PMP TGE 2-EMI E-MP10 55.85 37.66 6.21 0.28 E-MP20 48.17 39.40 12.04 0.39 E-MP30 40.99 41.11 17.57 0.33 对温敏型形状记忆聚合物样品E-MP10、E-MP20和E-MP30粉碎造粒,可得粒径8/10目、10/20目不等的样品颗粒。
1.2 结构表征
采用Nicolet 750傅里叶红外光谱仪,测定了环氧树脂单体和固化剂季戊四醇四-3-巯基丙酸酯固化反应前后的红外光谱,确定了官能团的反应程度,扫描范围400~4 000 cm−1。形状记忆聚合物E-MP固化反应前后的红外光谱如图1所示(图1中,虚线指官能团的波数位置,指引线所指为官能团)。
由图1可知,固化反应前,环氧基的特征吸收峰在908~930 cm−1处,巯基的特征吸收峰在2 567 cm−1处较明显,而反应后红外光谱曲线的同一位置没有出现任何吸收峰,这表明环氧基和巯基在固化反应中参与并完全反应[6-7]。酯基C=O的伸缩振动峰和—CH的伸缩振动峰分别出现在1 742和2 931 cm−1处,这些区域没有明显的光谱差异,biaom 没有其他官能团与它们发生反应。由此可说明,环氧基与巯基发生了交联反应,并形成了形状记忆聚合物。
2. 温敏型堵漏材料性能评价
利用热重分析和热机械动力分析方法,分别评价了温敏型堵漏材料的耐温性和玻璃态转变温度,通过试验分析了其形状记忆性能,并考察了环境温度对其形状记忆性能的影响,并根据长裂缝封堵模拟试验结果评价了基于环氧树脂形状记忆聚合物温敏型堵漏材料的封堵效果。
2.1 耐温性能
由热重分析曲线可以确定形状记忆聚合物的可承受工作温度范围,由热机械动力分析结果可知形状记忆聚合物的形变温度(即玻璃态转变温度)。为此,利用TG209F1热重分析仪(TGA)进行耐温性能试验,N2流量100 mL/min,升温速率10 ℃/min,温度范围25~600 ℃。利用TAQ800动态热机械分析仪(DMA)进行热机械动力分析,升温速率3 ℃/min,温度范围20~200 ℃,样品尺寸(40±0.02) mm×(10±0.02) mm×(3±0.02) mm。
用DMA测出的形状记忆聚合物试样的玻璃态转变温度和用TGA分析样品的热解温度及耐温范围见图2和表2。
表 2 不同配比形状记忆聚合物的耐温性能Table 2. Temperature resistance of SMPs with different compositions样品 热解温度/℃ 玻璃态转变
温度/℃t5 t50 E-MP10 230.5 336.5 86.2 E-MP20 255.0 366.6 101.4 E-MP30 258.2 367.4 107.5 注:t5为样品质量损失5%时的外界温度,℃;t50为样品质量损失50%时的外界温度,℃。 由图2和表2可知,形状记忆聚合物的初始分解温度为230~258 ℃,可适用于地层高温环境。随着TGE含量增大,样品的玻璃态转变温度有升高趋势,E-MP10、E-MP20和E-MP30的玻璃态转变温度分别为86.2、101.4和107.5 ℃。这是因为,聚合物网格体系的交联点逐渐变多且更为紧密,这也造成网格体系中分子链段受到的束缚更大,分子链段需要吸收更多的外界能量才能运动伸展,因此,玻璃态转变温度升高。这也为制备适应于不同地层漏失段的堵漏材料提供了依据,可以根据地层的不同温度选择合适的配比,来制备形状记忆聚合物。
2.2 形状记忆性能
温敏型形状记忆堵漏材料受到外界高温环境的刺激激活后,因形状记忆聚合物自身特性,形状恢复,体积膨胀,从而可在较大裂缝间建立架桥结构,达到封堵效果。为了解形状记忆聚合物的形状恢复效果,进而分析其形状恢复率、形状恢复速度对裂缝封堵效果的影响,进行了“U形”形状恢复试验。试验步骤:1)将制备的矩形样品放入水浴锅,待温度加热至高于玻璃态转变温度tg时将样品弯曲成U形,并保持2 min,记录最大弯曲角度θb;2)将弯曲的样品移至冷水中,保持外力恒定2 min,记录形状固定后的角度θfix;3)将弯曲成型后的样品再放入温度升至tg的水浴锅中,待样品恢复到最大程度,记录角度θfin和恢复时间t;根据试验数据计算形状记忆聚合物的形状固定率(Rf)和形状恢复率(Rr):
Rf = θfixθb (1) Rr = θfix−θfinθfix (2) 根据试验结果,绘制了不同配比下形状记忆聚合物的形状恢复率与时间的关系曲线(见图3),归纳了不同配比下形状记忆聚合物的形状恢复性能数据(见表3)。
表 3 不同配比形状记忆聚合物的形状恢复性能Table 3. Shape recovery performance of SMPs with differentcompositions样品 形状固定率,
%形状恢复率,
%不同温度的形状恢复时间/s tg tg+10℃ tg+20℃ E-MP10 98 100 37 22 22 E-MP20 98 100 43 30 25 E-MP30 98 100 43 41 31 由图3和表3可知,E-MP10、E-MP20和E-MP30等3种不同配比的形状记忆聚合物均能在较短时间内(t<50 s)完成形状恢复过程,且恢复程度较好(Rr=100%)。从图3还可以观察到,形状恢复率曲线呈S形三段式:第1阶段,在外界能量的刺激下,聚合物内部的软段分子链逐渐开始运动,因而初始阶段形状恢复速率缓慢,时间较长;第2阶段,外界不断给聚合物内部更多的可自由活动的分子链段提供能量,导致恢复速率明显提升,恢复率接近80%;第3阶段,聚合物内部储存的应力近乎耗尽,形状记忆聚合物以缓慢的速率恢复至初始形状[11]。
2.3 高温膨胀性能
上述基于形状记忆聚合物的温敏型堵漏材料,要求耐温度100 ℃以上的高温环境,并通过形状变形恢复达到架桥封堵效果。为此,开展了高温膨胀性能试验:1)利用钻井液封堵性能评价装置模拟地层条件(120 ℃、20 MPa),用电热恒温干燥箱模拟高温环境,评价颗粒在高温环境中的膨胀性能;2)为了在深部地层裂缝实现架桥封堵,将制备好的形状记忆聚合物粉碎成小颗粒状,以便进入裂缝内;3)采用颗粒筛分法测定颗粒的粒径分布特征,并选用d50和d90作为颗粒膨胀前后的粒径特征参数;4)由地层高温激发产生形状恢复膨胀,由压缩成型的片状或颗粒状恢复为初始的块状,从外观上达到“膨胀”效果。形状记忆聚合物的高温膨胀性试验结果如图4所示。
由图4(a)可知,形状记忆聚合物颗粒在受热激活后发生了较大程度的体积膨胀,8/10目聚合物颗粒的粒径由2.4 mm增大至3.5 mm,10/20目聚合物颗粒的粒径由1.6 mm增大至2.1 mm,粒径膨胀率分别为31.4%和23.8%。试验结果说明,形状记忆堵漏材料可以在高温环境下实现形状恢复,并完成架桥封堵。
2.4 与钻井液的配伍性
为了评价温敏型堵漏材料与钻井液的配伍性,进行了形状记忆聚合物对钻井液流变性的影响试验。首先配制由膨润土、羧甲基纤维素(CMC-LV)和自来水组成的基浆,然后将其与温敏型形状记忆聚合物配制成堵漏工作液,通过流变仪评价堵漏工作液在老化(老化条件为在温度120 ℃下滚动12 h)前后的流变性能变化,结果见表4。
表 4 形状记忆聚合物对钻井液流变性的影响Table 4. Effect of SMPs on rheology of drilling fluids试验浆 测试条件 表观黏度/
(mPa·s)塑性黏度/
( mPa·s)动切力/
Pa基浆 老化前 34.5 17.0 15.0 老化后 33.5 18.0 14.0 基浆+E-MP 老化前 35.0 16.0 16.0 老化后 34.0 17.5 14.5 注:基浆为4.0%膨润土+0.4%CMC-LV+水。 由表4可知,基浆中加入E-MP经过高温老化后,其表观黏度和动切力与基浆相比并没有明显变化,流变性较好,说明E-MP对钻井液的流变性能没有影响,其与钻井液的配伍性好。
2.5 封堵效果
采用实验室自制长裂缝封堵模拟试验装置(见图5),评价温敏型堵漏材料的封堵效果。长裂缝封堵模拟试验装置主要由楔形长裂缝(100 cm)模块、数据采集系统和增压装置组成,可通过设置不同压力、温度及剪切速率来模拟钻井液堵漏的静态、动态过程。楔形长裂缝模块由2块半圆形的钢板和相匹配的环形箍组成,材质为耐高温高压的不锈钢,2块钢板中间加工出凹槽模拟裂缝。
模拟了常规堵漏工作液和温敏型堵漏工作液在不同压力、温度下对不同开度裂缝的封堵情况,结果见表5。
表 5 裂缝封堵试验结果Table 5. Results of fracture plugging experiment堵漏
工作液裂缝开度/
mm温度/
℃封堵突破
压力/MPa漏失量/
mL封堵
效果1 3×2 25 0 全漏 无效 100 0 全漏 无效 2 3×2 25 0 全漏 无效 100 12.8 23 有效 4×3 100 11.5 36 有效 注:堵漏工作液1为常规堵漏工作液,配方为4.0%膨润土+0.4%CMC-LV+0.2%FIB+4.0%QJD(8/10目)+3.0%QJD(10/20目)+水;堵漏工作液2为含有形状记忆聚合物颗粒的温敏型堵漏工作液,配方为4.0%膨润土+0.4%CMC-LV+0.2%FIB+4.0%QJD(8/10目)+3.0%QJD(10/20目)+3.0%E-MP(8/10目)+3.0%E-MP(10/20目)+水。 由表5可知,在室温(25 ℃)和高温(100 ℃)环境下,常规堵漏工作液无法封堵较大裂缝;含有形状记忆聚合物颗粒的温敏型堵漏工作液在室温环境下的封堵效果不佳,但随着环境温度升高,聚合物颗粒逐步变形膨胀,堵漏材料开始在裂缝处形成承压堵漏层,并且针对不同开度的裂缝,温敏型堵漏工作液也具备一定的堵漏能力。分析认为,温敏型堵漏材料能够在地层高温环境中进行有效封堵,其主要原因是分子结构中拥有储存应力的固定相和受外界温度刺激后能够运动伸展的可逆相,固定相一般是通过化学反应得到的交联结构,而可逆相是随温度变化在玻璃态与橡胶态之间进行可逆性转变的相结构,具备这2种结构的聚合物即可在合适的刺激源下恢复形状,基于此所制备的堵漏材料能够在高温环境下的裂缝中形成可承压的堵漏层[17-18]。
3. 结 论
1)基于形状记忆聚合物研制了温敏型堵漏材料,可根据实际地层堵漏需求调节其粒径大小和玻璃态转变温度,形状恢复率和形状固定率均较好(≥98%),形状恢复时间短,可有效封堵地层裂缝。
2)形状记忆聚合物颗粒初始热解温度为230~258℃,玻璃态转变温度为86.2~107.5℃,耐温性能良好,可适用于高温地层环境,且随着固化剂含量增大,该聚合物的玻璃态转变温度有升高趋势。
3)温敏型堵漏材料中的形状记忆聚合物颗粒是通过粉碎形成的,粒径较小,因而可以随钻井液运移至地层裂缝内,在地层高温刺激下可恢复形状并在裂缝内架桥,从而达到封堵效果。
-
[1] 牛新明.涪陵页岩气田钻井技术难点及对策[J].石油钻探技术,2014,42(4):1-6. Niu Xinming. Drilling technology challenges and resolutions in Fuling Shale Gas Field[J]. Petroleum Drilling Techniques,2014,42(4):1-6. [2] 杨恒林,申瑞臣,付利.含气页岩组分构成与岩石力学特性[J].石油钻探技术,2013,41(5):31-35. Yang Henglin,Shen Ruichen,Fu Li. Composition and mechanical properties of gas shale[J]. Petroleum Drilling Techniques,2013,41(5):31-35. [3] Quan Guo,Ji Lujun,Vusal Rajabov,et al. Shale gas drilling experience and lessons learned from Eagle Ford[R].SPE 55542,2012.
[4] Chris Gallant,Zhang Jianguo,Wolfe C A,et al.Wellbore stability considerations for drilling high angle wells through finely laminated shale[R].SPE 110742,2007.
[5] Li Yufei,Fu Yongqiang,Tang Geng,et al.Effect of weak bedding planes on wellbore stability for shale gas wells[R].IADC/SPE 155666,2012.
[6] Park B,Min K B.Discrete element modeling of transversely isotropic rock[R]. ARMA 13-490,2013.
[7] Paul Fekete,Adewale Dosunmu,Chimaroke Anyanwu,et al.Wellbore stability mangement in weak bedding plane and angle of attack in well planning[R].SPE 172361,2014.
[8] Emadi H,Soliman M,Heinze L,et al. An experimental study of the swelling properties of unconventional shale-oil rock samples using both water-based and oil-based muds and effects of invasion on rock mechanical properties[R].SPE/IADC 173051,2015.
[9] 马天寿,陈平.层理页岩水平井井周剪切失稳区域预测方法[J].石油钻探技术,2014,42(5):26-36. Ma Tianshou,Chen Ping. Prediction method of shear instability region around the borehole for horizontal wells in bedding shale[J]. Petroleum Drilling Techniques,2014,42(5):26-36. [10] 梁川,陈勉,赵飞,等.裂缝性层状富有机质页岩储层大位移井井壁稳定研究[J].钻采工艺,2015,38(2):31-35. Liang Chuan,Chen Mian,Zhao Fei,et al. Study on wellbore stability of extended reach well in jointed and lamellar organic-rich shale reservoir[J]. Drilling Production Technology,2015,38(2):31-35. [11] 袁俊亮,邓金根,蔚宝华,等.页岩气藏水平井井壁稳定性研究[J].天然气工业,2012, 32(9):66-70. Yuan Junliang,Deng Jingen,Yu Baohua,et al. Wellbore stability of horizontal wells in shale gas reservoirs[J]. Natural Gas Industry,2012,32(9):66-70. [12] 闫传梁,邓金根,蔚宝华,等.页岩气储层井壁坍塌压力研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(8):1595-1602. Yan Chuanliang,Deng Jingen,Yu Baohua,et al.Research on collapsing pressure of gas shale[J].Chinese Journal of Rock mechanics and Engineering,2013,32(8):1595-1602. [13] 李湘涛,石文睿,郭美瑜,等.涪陵页岩气田焦石坝区海相页岩气层特征研究[J].石油天然气学报,2014,36(11):11-15. Li Xiangtao,Shi Wenrui,Guo Meiyu,et al.Characteristics of marine shale gas reservoirs in Jiaoshiba Area of Fuling Shale Gas Field[J].Journal of Oil and Gas Technology,2014,36(11):11-15. [14] 路保平,鲍洪志.岩石力学参数求取方法进展[J].石油钻探技术,2005,33(5):44-47. Lu Baoping,Bao Hongzhi.Advances in calculation methods for rock mechanics parameters[J].Petroleum Drilling Techniques,2005,33(5):44-47. [15] 陈勉,金衍,张广清.石油工程岩石力学[M].北京:科学出版社,2008:5-6. Chen Mian,Jin Yan,Zhang Guangqing.Petroleum engineering rock mechanics[M].Beijing:Science Press,2008:5-6. [16] 邱正松,钟汉毅,黄维安,等.高性能水基钻井液特性评价实验新方法[J].钻井液与完井液,2009,26(2):58-59. Qiu Zhengsong,Zhong Hanyi,Huang Weian,et al.A new method for evaluating the properties of high performance drilling fluids[J].Drilling Fluid Completion Fluid,2009,26(2):58-59. [17] Roberto Suarez-Rivera,Jrn Stenebrten,Fabrice Dagrain.Continuous scratch testing on core allows effective calibration of log-derived mechanical properties for use in sanding prediction evaluation[R].SPE 78157,2002.
[18] Cerasi P,Stenebraten J F,Sonstebo E F.Scratch testing of drilling mud filter cakes[R].SPE 100130,2006.
[19] 韩艳浓,陈军海,孙连环,等.一种确定岩石抗压强度的新技术:刻划测试[J].科学技术与工程,2015,15(9):151-155. Han Yannong,Chen Junhai,Sun Lianhuan,et al.A new technique for determining strength of rocks:scratch test[J].Science Technology and Engineering,2015,15(9):151-155. -
期刊类型引用(15)
1. 张荣军,张喆,郑小磊,王六鹏,孙健,刘志坤. 基于深度学习的页岩油双二维轨道剖面优化设计方法研究. 钻采工艺. 2025(01): 98-103 . 百度学术
2. 肖啟福,王锐,范生林,陈宽,肖振华,吴坷. 非常规油气丛式井平台靶点自动匹配及引导式智能绕障方法. 石油钻采工艺. 2024(03): 280-291 . 百度学术
3. 赵廷峰,叶雨晨,席传明,吴继伟,史玉才. 七段式三维水平井井眼轨道设计方法. 石油钻采工艺. 2023(01): 25-30 . 百度学术
4. 张晓明,陈金,聂建华,周婷. 黔北地区正安区块页岩气水平井钻井关键技术. 山东石油化工学院学报. 2023(04): 53-58 . 百度学术
5. 唐雪平,洪迪峰,高文凯,彭烈新,杨宝斌. 七段制恒工具面角三维水平井轨道设计方法. 石油学报. 2022(09): 1315-1324 . 百度学术
6. 洪迪峰,唐雪平,高文凯,吕海川. 圆弧型井眼轨道设计模型的综合求解法. 石油学报. 2021(02): 226-232 . 百度学术
7. 于凡,黄根炉,韩志勇,倪红坚,李菁,李伟. 悬杆线井眼轨道设计方法. 石油勘探与开发. 2021(05): 1043-1052 . 百度学术
8. 王六鹏,魏磊,高云文,张燕娜,陈联国,张明. 基于多目标约束三维水平井轨道优化设计研究. 钻采工艺. 2020(01): 17-20+8 . 百度学术
9. 宋明阶,彭光宇,胡春阳,来传亚. 涪陵页岩气田加密井轨道优化设计技术. 探矿工程(岩土钻掘工程). 2020(05): 11-16 . 百度学术
10. 顾岳,高德利,杨进,刁斌斌,胡德高,聂帅帅. 页岩气田压裂区加密调整井绕障轨道优化设计方法. 天然气工业. 2020(09): 87-96 . 百度学术
11. 刘衍前. 涪陵页岩气田加密井钻井关键技术. 石油钻探技术. 2020(05): 21-26 . 本站查看
12. 胡春阳. 涪陵页岩气田三维水平井井眼的轨迹控制技术. 化工管理. 2020(31): 59-60 . 百度学术
13. 牛似成. JPH–411井三维井眼轨道设计及轨迹控制技术. 石油地质与工程. 2020(06): 93-97 . 百度学术
14. 秦文政,党军,臧传贞,李保伦,雷鸣. 玛湖油田玛18井区“工厂化”水平井钻井技术. 石油钻探技术. 2019(02): 15-20 . 本站查看
15. 李菁. 鱼骨分支井布置方案及井眼轨道设计——以玛湖凹陷下三叠统百口泉组为例. 能源与环保. 2019(08): 158-164 . 百度学术
其他类型引用(6)
计量
- 文章访问数: 3581
- HTML全文浏览量: 96
- PDF下载量: 3187
- 被引次数: 21