一种钻硬脆性页岩用钻井液体系抑制性评价方法与流程

本发明涉及钻井液稳定井壁能力评价方法领域，特别是一种钻硬脆性页岩用钻井液体系抑制性评价方法。

背景技术：

硬脆性页岩既是我国油气资源勘探开发逐渐转向深层时钻遇的地质体，也是页岩油气资源的赋存地质体。硬脆性页岩地层一直是石油钻井过程中井下复杂情况的多发地质体，据统计90％以上的井壁坍塌发生在泥页岩地层，其中硬脆性页岩地层约占2/3。硬脆性页岩组成中非膨胀性土矿物如伊利石和绿泥石含量较多，伊/蒙混层中蒙脱石的混层也比较低，且基本不含膨胀性黏土矿物蒙脱石；硬脆性页岩中微裂缝发育，基质孔隙度和渗透率极低。硬脆性页岩的组成和结构特点导致其容易由于局部水化膨胀而引起页岩的整体崩解。因此，硬脆性页岩地层易发生井壁垮塌，严重时将造成井壁坍塌事故，特别是在钻井过程中，当钻井液进入硬脆性页岩中的微裂缝后，引起局部水化膨胀，使裂缝的延伸和扩展加剧，滤液侵入越深，造成井壁岩块剥落和坍塌趋势加剧。硬脆性页岩岩石与水接触后的宏观和微观结构变化(刘向君,熊健,梁利喜.龙马溪组硬脆性页岩水化实验研究[j].西南石油大学学报(自然科学版),2016,38(3):178-186)，可以清楚地看到与传统水化膨胀泥页岩地层岩石相比，硬脆性页岩岩石仍然具有很强的对水敏感性，所不同的是其以结构破坏为特征。因此，用于硬脆性页岩的钻井液除了具有良好的降失水性能、封堵微裂缝能力外，也需要具有良好的抑制性能，以防止硬脆性页岩地层井壁坍塌。根据行业标准《syt6335-1997钻井液用页岩抑制剂评价方法》和《syt5613-2000泥页岩理化性能试验方法》的规定，采用滚动回收率和线性膨胀率指标对比评价了清水、聚磺钻井液、聚合物钻井液、水基钻井液的抑制能力，如图11所示，为钻井液抑制性评价图，从图11中可以看出，在清水和3种不同的钻井液体系中，硬脆性页岩的滚动回收率很高，线性膨胀率很低，且相差不明显。对于类似的地层，利用滚动回收率，线性膨胀率等指标，不能很好的评价出钻井液体系抑制能力的强弱。

此外，现有的评价技术中也没有基于岩体力学参数的评价方法将地层坍塌压力相互联系，也不能够准确的评价地层井壁稳定性，不能通过力学强度参数的变化评价钻井液体系的抑制性能，无法就地指导现场钻井液的选择。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，在钻井液抑制性常规评价的基础上，采用柱塞岩样与不规则岩块相结合，引入岩体多类力学强度参数指标，通过力学强度参数的变化评价钻井液的抑制性能，也能直接准确的评价地层井壁稳定性，从而更好地指导现场钻井液优选的钻硬脆性页岩用钻井液体系抑制性评价方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种钻硬脆性页岩用钻井液体系抑制性评价方法，它包括以下步骤：

s1、试样的准备：从矿场采集硬脆性页岩井下样品或野外露头样品，钻取页岩岩心，制成实验所需的柱塞试样和方块试样；

s2、试样的选取：采用超声波透射方法对硬脆性页岩试样进行测试，同时也计算硬脆性页岩试样的密度，从而选取出基础物性参数相近的页岩试样；

s3、对柱塞试样开展在不同围压条件下，进行岩石三轴压缩试验，基于三轴试验结果与摩尔-库伦强度准则，获取岩体三轴抗压强度、内聚力以及内摩擦角的力学参数；

s4、对方块试样开展岩石硬度试验，以获取岩体硬度；

s5、在实验温度、压力下，分别对硬脆性页岩的柱塞试样和方块试样进行钻井液浸泡；

s6、取出步骤s5中浸泡后的柱塞试样，与原岩在相同实验条件下，开展岩石三轴压缩试验，获取岩体单轴抗压强度、内聚力以及内摩擦角的力学参数；

s7、取出步骤s5中浸泡后的方块试样，与原岩在相同实验条件下，开展岩石硬度试验，获取岩体硬度；

s8、对钻井液浸泡前后的硬脆性页岩的力学参数进行对比，研究不同类型钻井液体系作用前后的硬脆性页岩强度参数变化规律，判定不同类型钻井液体系对页岩试样力学强度参数的保持能力，进而评价不同类型钻井液体系的抑制性能；

s9、采用三种不同类型的钻井液体系，重复步骤s4～s8，以对比钻井液前后力学参数变化；

s10、根据钻井液作用前后的硬脆性页岩的力学强度参数，计算出钻井液作用后硬脆性页岩地层坍塌压力增量，其表达式为：

式中：δρm为坍塌压力增量，g/cm³；h为深度，单位为m；c0、ci分别为原岩和浸泡后硬脆性页岩岩体的内聚力，mpa；k0、ki分别为原岩和浸泡后岩的中间参数；分别为原岩和浸泡后硬脆性页岩岩体的内摩擦角，单位为°。

所述方块试样也可由形状不规则试样替代。

本发明具有以下优点：本发明综合三轴压缩试验与硬度试验，引入多类岩体力学强度参数指标评价钻硬脆性页岩地层用钻井液的抑制性能，形成钻井液稳定硬脆性页岩地层井壁性能的评价方法；基于岩体力学参数的评价方法能直接与地层坍塌压力相互联系，从而能直接准确的评价地层井壁稳定性，从而更好地指导现场钻井液优选。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为柱塞试样的示意图；

图3为方块试样的示意图；

图4为柱塞试样的三轴试验曲线图；

图5为方块试样的硬度试验曲线图；

图6为柱塞试样在经三种钻井液浸泡后的抗压强度对比图；

图7为柱塞试样在经三种钻井液浸泡后的内聚力对比图；

图8为柱塞试样在经三种钻井液浸泡后的内摩擦角对比图；

图9为方块试样在经三种钻井液浸泡后的硬度对比图；

图10在三种钻井液下钻井浸泡后坍塌压力增量的对比图；

图11为钻井液抑制性评价图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，一种钻硬脆性页岩用钻井液体系抑制性评价方法，它包括以下步骤：

s1、试样的准备：从矿场采集硬脆性页岩井下样品或野外露头样品，钻取页岩岩心，制成实验所需的柱塞试样和方块试样，如图2和图3分别为柱塞试样的示意图和方块试样的示意图；所述方块试样也可由形状不规则试样替代；

s2、试样的选取：采用超声波透射方法对硬脆性页岩试样进行测试，同时也计算硬脆性页岩试样的密度，从而选取出基础物性参数相近的页岩试样；

s3、对柱塞试样开展在不同围压条件下，进行岩石三轴压缩试验，基于三轴试验结果与摩尔-库伦强度准则，获取岩体三轴抗压强度、内聚力以及内摩擦角的力学参数，如图4所示为柱塞试样的三轴试验曲线图；

s4、对方块试样开展岩石硬度试验，以获取岩体硬度，如图5所示为方块试样的硬度试验曲线图；

s5、在实验温度、压力下，分别对硬脆性页岩的柱塞试样和方块试样进行钻井液浸泡；

s6、取出步骤s5中浸泡后的柱塞试样，与原岩在相同实验条件下，开展岩石三轴压缩试验，获取岩体单轴抗压强度、内聚力以及岩体内摩擦角的力学参数；

s7、取出步骤s5中浸泡后的方块试样，与原岩在相同实验条件下，开展岩石硬度试验，获取岩体硬度；

s8、对钻井液浸泡前后的硬脆性页岩的力学参数进行对比，研究不同类型钻井液体系作用前后的硬脆性页岩强度参数变化规律，判定不同类型钻井液体系对页岩试样力学强度参数的保持能力，进而评价不同类型钻井液体系的抑制性能；

s9、采用三种不同类型的钻井液体系，重复步骤s4～s8，以对比钻井液前后力学参数变化，如图6～9所示分别为抗压强度对比图、内聚力对比图、内摩擦角对比图和硬度对比图。经过对比可知，在钻井液2作用下岩石力学参数变化幅度最显著，稳定能力最差。钻井液1作用下岩石力学参数变化幅度较小，稳定性相对较好；

s10、根据钻井液作用前后的硬脆性页岩的力学强度参数，计算出钻井液作用后硬脆性页岩地层坍塌压力增量，其表达式为：

式中：δρm为坍塌压力增量，g/cm³；h为深度，单位为m；c0、ci分别为原岩和浸泡后硬脆性页岩岩体的内聚力，mpa；k0、ki分别为原岩和浸泡后岩的中间参数；分别为原岩和浸泡后硬脆性页岩岩体的内摩擦角，单位为°。

基于公式(1)～公式(3)，对硬脆性页岩地层坍塌压力增加进行计算，计算结果如图10所示，由图可知，在钻井液2作用下坍塌压力增量最大，稳定井壁能力最差；在钻井液1作用下坍塌压力增量最小，稳定性最好。

由此可知，本发明提出了将柱塞岩样与不规则岩块(不规则岩块为对取心易碎裂成不规则岩块的硬脆性页岩)相结合，柱塞试样三轴压缩试验和方块试样硬度试验相结合，引入岩体多类力学强度参数指标，对钻井液保持岩石力学强度性能进行评价，从而评价钻井液的抑制性能。结合强度准则理论与钻井液作用前后力学参数，实现了待用钻井液对拟钻硬脆性页岩地层坍塌压力增量变化的室内定量评价，形成了钻井液稳定井壁能力的钻前预测技术体系。通过本发明所形成的技术体系也适用于其它复杂地层钻井液抑制性的室内评价。