頁巖氣低成本高效鉆完井基礎(chǔ)研究與應(yīng)用
《頁巖氣低成本高效鉆完井基礎(chǔ)研究與應(yīng)用》針對頁巖氣層鉆井、完井過程中長水平井段安全鉆井以及水平井體積改造等關(guān)鍵核心技術(shù)建立和實(shí)施過程中所面臨的地質(zhì)及巖石力學(xué)共性基礎(chǔ)問題，以頁巖巖石礦物學(xué)特征研究為基礎(chǔ)，全面系統(tǒng)深入地揭示頁巖氣層巖石油水兩親且更親油的特點(diǎn)、水-巖相互作用過程中頁巖水化致裂特征及水-巖相互作用機(jī)制，提出水基鉆井液鉆井過程中，“封堵+抑制”的頁巖地層穩(wěn)定井壁的鉆井液性能優(yōu)化設(shè)計思路及方法，并建立適用于該類地層鉆井液性能評價的新方法；同時室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真模擬相結(jié)合，對多因素作用下頁巖氣層水平井縫網(wǎng)形成力學(xué)機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)分析。衷心希望《頁巖氣低成本高效鉆完井基礎(chǔ)研究與應(yīng)用》能夠?qū)ψx者有所幫助，為頁巖氣層水平井鉆井和體積改造提供理論借鑒，促進(jìn)頁巖氣更加科學(xué)、安全和低成本、環(huán)境友好化開發(fā)；希望《頁巖氣低成本高效鉆完井基礎(chǔ)研究與應(yīng)用》所體現(xiàn)的以地質(zhì)認(rèn)識為基礎(chǔ)，多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)的研究思路能夠?qū)Υ蠹矣兴鶈⑹尽?
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油頁巖,油氣鉆井,完井
目錄
第1章 頁巖氣層巖石組分、結(jié)構(gòu)及理化特征 1
1.1 礦物組分特征 1
1.2 有機(jī)碳含量 7
1.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征 9
1.3.1 低壓氮?dú)馕?脫附等溫線 11
1.3.2 比表面積和總孔容 15
1.3.3 孔徑分布曲線 17
1.4 陽離子交換容量 18
1.5 潤濕性特征 20
1.6 微觀結(jié)構(gòu)特征 24
第2章 頁巖氣層巖石變形破壞特征及其影響因素 30
2.1 頁巖氣層巖石強(qiáng)度特性及破壞模式分析 30
2.2 頁巖氣層巖石脆性評價 37
2.2.1 基于強(qiáng)度的巖石脆性評價方法 37
2.2.2 基于硬度和斷裂韌性的巖石脆性評價方法 40
2.2.3 基于峰后應(yīng)力脆性跌落的巖石脆性評價方法 41
2.2.4 頁巖脆性的影響因素 48
2.3 孔隙壓力傳遞對頁巖氣層巖石破壞的影響 56
2.3.1 壓力傳遞對頁巖氣層巖石破壞影響的物理模擬試驗(yàn) 57
2.3.2 壓力傳遞對頁巖氣層巖石破壞影響的數(shù)值模擬試驗(yàn) 60
2.4 結(jié)構(gòu)面發(fā)育對頁巖氣層巖石力學(xué)特性的影響 64
2.4.1 結(jié)構(gòu)面對頁巖力學(xué)強(qiáng)度影響的巖石力學(xué)試驗(yàn)研究 65
2.4.2 結(jié)構(gòu)面對巖石力學(xué)強(qiáng)度影響的數(shù)值模擬研究 66
2.4.3 結(jié)構(gòu)面對頁巖脆性指數(shù)的影響 75
2.4.4 結(jié)構(gòu)面對頁巖氣層巖石聲學(xué)特性的影響 80
2.5 卸荷作用對頁巖力學(xué)特性及破壞特征的影響 83
2.5.1 圍壓對頁巖卸載破壞的影響 84
2.5.2 卸載速率對頁巖破壞特征的影響 89
2.5.3 卸載幅度對頁巖破壞特征的影響 107
2.6 頁巖層理面力學(xué)特征 115
2.6.1 層理面力學(xué)特性測試方法及原理 115
2.6.2 層理面力學(xué)強(qiáng)度特性 116
第3章 工作液對頁巖結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響 120
3.1 工作液對頁巖氣層巖石宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的影響 120
3.2 工作液對頁巖水化應(yīng)力應(yīng)變的影響 129
3.3 工作液對頁巖氣層巖石抗壓強(qiáng)度的影響 130
3.4 工作液對頁巖氣層巖石抗張強(qiáng)度的影響 136
3.5 工作液對頁巖氣層巖石硬度的影響 137
3.6 工作液-頁巖氣層巖石相互作用機(jī)理研究 142
3.6.1 伊利石水化行為特征及水化機(jī)理 142
3.6.2 蒙脫石晶層間距膨脹規(guī)律及影響因素 150
3.6.3 頁巖自吸效應(yīng)及對頁巖水化的影響 156
3.6.4 頁巖水化過程中物理化學(xué)作用和力學(xué)作用 159
3.7 自吸作用、水化作用對頁巖地層內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的影響 162
3.7.1 裂紋擴(kuò)展模型 162
3.7.2 水化作用對頁巖地層內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的影響 164
3.7.3 毛細(xì)管效應(yīng)對頁巖地層內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的影響 165
3.8 水化作用程度、強(qiáng)度的表征與評價 167
3.8.1 頁巖水化對聲波時差的影響 167
3.8.2 頁巖水化對聲波衰減特性的影響 168
3.8.3 頁巖水化對聲波頻譜特性的影響 169
第4章 頁巖氣層井壁穩(wěn)定性化學(xué)調(diào)控技術(shù) 172
4.1 聚合物水化抑制劑的合成方法 173
4.1.1 陽離子單體氯化1-甲基-1烯丙基咪唑(MAC)的合成 173
4.1.2 聚合物水化抑制劑的合成 173
4.2 聚合物水化抑制劑合成條件 174
4.2.1 防膨率的測定方法 174
4.2.2 poly(AM/APEG/MAC)合成條件 175
4.2.3 poly(AM/APEG/MAC/AMPS)合成條件 176
4.3 聚合物水化抑制劑結(jié)構(gòu)的表征 177
4.3.1 聚合物水化抑制劑分子結(jié)構(gòu)的紅外表征 177
4.3.2 聚合物水化抑制劑分子結(jié)構(gòu)的核磁表征 178
4.4 聚合物水化抑制劑特性黏數(shù)及分子量確定 180
4.4.1 聚合物特性黏數(shù)及分子量的確定方法 180
4.4.2 poly(AM/APEG/MAC)特性黏數(shù)及分子量測定 180
4.4.3 poly(AM/APEG/MAC/AMPS)特性黏數(shù)及分子量測定 182
4.5 聚合物水化抑制劑抑制性能 183
4.5.1 濃度對聚合物抑制性能的影響 183
4.5.2 聚合物水化抑制劑的抗溫性能 184
4.5.3 聚合物水化抑制劑的抗鹽性能 184
4.5.4 聚合物水化抑制劑對伊利石水化的抑制性能 185
4.5.5 聚合物水化抑制劑對頁巖的水化控制性能 187
第5章 頁巖地層水平井井壁穩(wěn)定性評價 191
5.1 頁巖氣層巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則 191
5.1.1 弱面強(qiáng)度理論 191
5.1.2 Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則 193
5.2 頁巖氣井井周應(yīng)力場分析 200
5.2.1 井周應(yīng)力分析坐標(biāo)系建立及坐標(biāo)系變換 200
5.2.2 頁巖氣井井周應(yīng)力分布 202
5.3 頁巖地層水平井井壁穩(wěn)定性及鉆井液影響分析 208
5.4 頁巖氣層坍塌壓力構(gòu)成及軌跡對井眼穩(wěn)定的影響 210
5.4.1 頁巖氣儲層水平井井壁失穩(wěn)機(jī)理 210
5.4.2 鉆井液-頁巖相互作用引起的地層坍塌壓力增量 210
5.4.3 龍馬溪頁巖氣層巖石強(qiáng)度礦場預(yù)測方法 212
5.4.4 井眼軌跡對頁巖地層井壁穩(wěn)定性的影響 215
第6章 頁巖氣藏水平井井周網(wǎng)狀裂縫形成機(jī)制及主控因素 222
6.1 頁巖氣層巖石斷裂韌性及誘導(dǎo)裂縫前緣形態(tài)巖心實(shí)驗(yàn)分析 222
6.1.1 頁巖斷裂韌性測試 222
6.1.2 層理面對頁巖斷裂韌性影響的數(shù)值模擬分析 225
6.1.3 誘導(dǎo)縫前緣形態(tài)巖心實(shí)驗(yàn)分析 232
6.1.4 誘導(dǎo)縫前緣形態(tài)巖心數(shù)值模擬分析 236
6.2 井壁天然裂縫對誘導(dǎo)縫起裂和延伸影響的數(shù)值模擬分析 239
6.2.1 不考慮結(jié)構(gòu)面發(fā)育條件下的誘導(dǎo)縫起裂與擴(kuò)展 239
6.2.2 井壁天然裂縫與最大主應(yīng)力夾角的影響 241
6.2.3 井壁天然裂縫長度的影響 243
6.2.4 井壁天然裂縫力學(xué)性質(zhì)的影響 248
6.3 井周地層天然裂縫對誘導(dǎo)縫擴(kuò)展的影響 249
6.3.1 井周裂縫與最大主應(yīng)力夾角的影響 249
6.3.2 井周裂縫長度的影響 250
6.3.3 井周裂縫位置的影響 251
6.4 誘導(dǎo)縫起裂方位對誘導(dǎo)縫延伸的影響 253
6.4.1 不同起裂方位下井周裂縫的影響 254
6.4.2 不同起裂方位下井周裂縫位置的影響 256
6.5 地應(yīng)力對誘導(dǎo)縫起裂和延伸的影響 261
6.5.1 地應(yīng)力對誘導(dǎo)縫起裂的影響 261
6.5.2 地應(yīng)力對誘導(dǎo)縫延伸的影響 264
6.6 層理及復(fù)雜裂縫分布對誘導(dǎo)縫形成的影響研究 267
6.6.1 層理與最大主應(yīng)力夾角的影響 267
6.6.2 層理間距的影響 269
6.6.3 層理力學(xué)性質(zhì)的影響 269
6.6.4 層理及復(fù)雜裂縫共存對誘導(dǎo)縫形成的影響 271
6.7 鉆井完井參數(shù)對井周裂縫起裂擴(kuò)展的影響 279
6.7.1 鉆井方位對井周裂縫形態(tài)影響 279
6.7.2 射孔參數(shù)井周裂縫形態(tài)影響 285
6.8 不同壓裂施工參數(shù)對頁巖地層水平井壓裂裂縫萌生與擴(kuò)展的影響 297
6.8.1 水平井段內(nèi)多簇壓裂裂縫延伸模型 297
6.8.2 布縫參數(shù)及射孔參數(shù)對水平井段內(nèi)多簇壓裂裂縫延伸的影響 300
6.8.3 頁巖地層水平井段內(nèi)多簇壓裂裂縫的調(diào)控方法 306
6.9 頁巖地層水平井井周裂縫形態(tài)影響因素及調(diào)控方法分析 309
第7章 應(yīng)用分析 311
7.1 某硬脆性頁巖地層的井壁穩(wěn)定實(shí)例分析 311
7.1.1 基礎(chǔ)地質(zhì)特征 312
7.1.2 結(jié)構(gòu)面發(fā)育對井壁穩(wěn)定性的影響分析 313
7.1.3 鉆井液對井壁穩(wěn)定性的影響 314
7.1.4 區(qū)塊頁巖地層坍塌壓力剖面 317
7.2 某頁巖氣層的井壁穩(wěn)定實(shí)例分析 317
7.2.1 地層巖性特征 317
7.2.2 已鉆井的井壁失穩(wěn)狀況 317
7.2.3 地層“三壓力”剖面構(gòu)建及穩(wěn)定性分析 322
7.3 頁巖氣水平井壓裂實(shí)例分析 326
7.3.1 基本井況 326
7.3.2 壓裂縫分析結(jié)果 328
參考文獻(xiàn) 330
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