三向应力状态下层理性泥页岩地层井壁稳定性研究

层理性泥页岩地层钻进过程中,极易发生井壁失稳问题,严重影响了钻井作业效率,增加了勘探开发的成本。探索了层理性泥页岩地层的井壁失稳机理,开展了考虑钻井液作用下层理性泥页岩地层在真实三向应力状态下的井壁稳定性预测模型研究。研究表明:忽略中间主应力的影响不能准确预测层理性泥页岩地层坍塌的风险;钻井液滤液沿层理面的渗流会降低层理面的黏聚力和内摩擦角;并随时间的变化显现出快速降低和平缓降低两个阶段;改进的层理性泥页岩地层井壁稳定性分析模型能够真实反映地应力状态和井壁岩石的力学特性,现场应用表明其能够比较准确的预测层理性泥页岩地层的井壁稳定性。     

重量法测定腐殖酸钾中钾

钻井液用页岩抑制剂腐殖酸钾（KHm）是以褐煤为原料,用KOH提取而制得的产品。它虽易溶于水,但水溶液颜色为黑色,无法直接测定钾含量。所以应首先将钾离子从黑色溶液中分离出来,才能进行测定。地质矿产部行业标准ZBD10003—89《钻井液用抑制剂腐殖酸钾》中规定先沉淀腐殖酸分离钾,再用滴定法测定钾。这种方法试验过程繁琐,且溶液不宜长期保存,特别是十六烷基三甲基溴化铵标准溶液在低于20℃的温度下就有结晶析出,滴定误差很大,甚至无法进行。本文采用高温灰化分离钾,四苯硼钠重量法测定腐殖酸钾中钾含量,简化了测定准备工作和操作步骤,节省了试剂成本。     

南堡2、3号构造中深层硬脆性泥岩漏失机理

冀东油田南堡2、3号构造中深层钻井液漏失问题突出,为科学认识其漏失机理,对该区块岩样开展微组构分析及理化性能测试,并结合现场统计资料分析了该区块钻井液漏失机理.研究结果表明:南堡2、3号构造中深层岩性以硬脆性泥岩为主,其水敏性不强,呈现出一定的硬脆性.岩样微裂缝发育,钻井液相沿裂缝侵入,造成岩样整体胶结强度减弱,易产生沿裂缝面的张性劈裂破坏.结合现场资料判断认为该区块漏失主要类型为张开型裂缝性漏失,钻井液侵入地层导致力学强度降低,引发水力尖劈作用而造成地层破碎,导致漏失程度增加.针对南堡2、3号构造复杂漏失原因,提出了针对不同漏失原因的应对措施.研究结果为科学认识该区块钻井液漏失机理、降低钻井成本提供了技术参考.     

基于数字图像相关性方法的脆性材料拉氏反分析实验技术

利用分离式Hopkinson压杆作为加载系统,借助超高速数字图像相关性分析方法,发展了长杆试件拉氏反分析实验技术,并用于研究脆性材料在小变形条件下的动态本构特性。通过超高速相机实时拍摄冲击加载下长杆试件变形的散斑图像,再对散斑图像进行数字图像相关性（digital image correlation,DIC）分析,获得长杆试件表面速度场和应变场。随后,以脆性材料PMMA（polymethyl methacrylate）为例,从DIC分析得到的速度场中提取出不同拉格朗日位置上质点速度时程曲线,构建路径线连接整个速度场,再结合零初始条件,数值求解得到了试件中的应力时程曲线,消去时间参数后,获得了脆性材料PMMA的动态应力-应变曲线,并与Hopkinson压杆实验和准静态压缩实验的结果进行了对比,揭示了PMMA材料在小应变条件下的黏弹性本构响应特征。     

PMMA膨胀环动态拉伸碎裂实验研究

在强动载作用下, 脆性材料的碎裂问题是一个重要的研究课题, 而脆性材料在冲击拉伸载荷下的力学行为的实验研究相对较匮乏. 提出了一种动态拉伸断(碎)裂的液压膨胀环实验技术, 可用于准脆性/脆性材料的动态拉伸. 利用该技术对有机玻璃(PMMA)圆环试件进行了不同膨胀速度下的动态碎裂实验研究. 从回收碎片的断口形貌和碎片内部残余裂纹观察可知试件的破碎由环向拉伸应力造成, 碎片断口处发出的稀疏波会将周围的拉伸应力卸载, 从而抑制其他裂纹的进一步发展. 利用超高速相机记录了试件的膨胀碎裂过程, 利用DISAR激光速度干涉仪获得了试件外表面粒子的径向膨胀速度历史, 通过试件上的应变片获得了试件的应变历史和断裂应变. 实验结果表明: 在拉伸应变率150\mathrm{~}500s^{-1}范围, 材料的动态断裂应变低于准静态加载下的断裂应变, 体现出“动脆”现象; 随着加载应变率的提高, PMMA 材料的碎片尺寸减小; 无量纲化的PMMA圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间, 反映出材料的准脆性特性.      

基于离散裂缝网络模型的陆相页岩超临界CO2压裂滤失特征

鄂尔多斯盆地延长探区陆相页岩裂缝网络发育,超临界CO_2的黏度极低,滤失性极强,准确计算CO_2滤失量对压裂设计有重要意义。相对于双重介质模型,建立的离散裂缝网络模型可以考虑不同裂缝密度、尺寸、角度等分布特征。使用山西组页岩的储层参数分析了不同天然裂缝参数对CO_2滤失速度的影响,最后使用YYP1-1井的实际泵注程序和实时微地震数据对模型进行了验证。结果表明,裂缝密度、尺寸与CO_2滤失速度呈正相关,水力裂缝方位角与天然裂缝方位角垂直时滤失速度最大,裂缝角度分布范围较大时滤失速度也更大,预测的滤失速度与实际注入速度相差较小。     

准脆性单晶材料动态压痕试验研究

本研究设计了由钛合金压杆与金刚石压头组成的动态压痕试验装置,研究准脆性单晶材料(冰糖和RDX含能晶体)等的高应变率响应。试验装置引入了动量缓冲块,可以避免压杆造成的多次压痕加载,对样品施加产生80μs脉冲宽度的动态压痕载荷。对比了多次与单次加载压痕加载的冰糖单晶压痕坑,其动态硬度值约为5.18MPa。RDX单晶在压痕载荷作用下非常容易发生断裂破碎,测得动态硬度值为1.304MPa。相比RDX单晶,冰糖单晶的塑性变形能力更好。用光学显微镜观察到了压痕坑的径向裂纹和侧边裂纹,试验研究给出了准脆性晶体在动态压痕载荷下的裂纹扩展模式。     

页岩中甲烷虚拟饱和蒸汽压的计算方法研究

甲烷在页岩中的吸附属于物理吸附,同时甲烷在页岩储层中呈超临界状态吸附。引入过剩吸附量,对吸附实 验中吸附气量进行修正,并对Dubinin Astakhov（D A）方程进行改进,将改进后方程应用于研究页岩中超临界甲烷的 吸附特征曲线,并对虚拟饱和蒸汽压计算经验公式进行优选。研究结果表明：Dubinin 方法和Reid 方法计算虚拟饱和 蒸汽压偏低,Antoine 方程外推方法和Astakhov 方法计算虚拟饱和蒸汽压偏高;Amankwah 方法是计算虚拟饱和蒸汽 压的最优方法。页岩中超临界甲烷吸附特征曲线与温度无关,且得到具有物理意义参数的吸附特征曲线表达式。     

基于吸附势理论的页岩对甲烷吸附特性

 页岩气藏的甲烷吸附性能是页岩气藏开发的前提和基础,对页岩气资源预测、产能评价等有重要影响。根据不同温度下实测的页岩等温吸附数据,以吸附势理论为基础,对等温吸附数据进行处理分析得到ε-ω吸附特性曲线及其数学表达式。研究结果表明,页岩吸附甲烷的ε-ω吸附特性曲线是唯一的且与温度无关,可预测不同温度下甲烷吸附量,得到页岩吸附甲烷的吸附等温线;吸附相密度计算对ε-ω吸附特性曲线预测甲烷吸附量有重要的影响,吸附相密度经验公式与预测甲烷吸附量准确度有关,需进一步研究甲烷吸附相密度计算方法。     

基于氮气吸附法的渝东南下寒武统页岩孔隙的分形特征

 分形维数是多孔介质不规则程度的度量,以渝东南下寒武统页岩的氮气吸附法测量结果为研究对象,采用FHH 模型的分形维数计算方法,得到渝东南下寒武统页岩的分形维数。研究结果表明,渝东南下寒武统页岩孔隙的分形维数具有明显孔径分界点,即具有双重分形特征,小孔隙分形维数D₁变化范围在2.3559~2.6577,平均值为2.488,大孔隙分形维数D₂变化范围在2.5971~2.8746,平均值为2.7631;大孔隙分形维数的平均值大于小孔隙分形维数的平均值,说明大孔隙结构的复杂程度大于小孔隙结构的复杂程度;页岩孔隙的分形维数与有机碳（TOC）含量、吸附气量、比表面积和孔容呈正相关,其中与孔隙的比表面积和孔容的相关性显著,而与黏土矿物含量呈弱负相关。