CN111927446B - 一种水化页岩地层井壁坍塌失稳预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水化页岩地层井壁坍塌失稳预测方法，其特征在于：基于Jaeger提出的各向异性岩石剪切破坏强度准则，引入页岩层理面剪切强度等效水化弱化应力，得出一种水化页岩剪切破坏强度准则；通过不同水化程度页岩三轴剪切力学试验、页岩粉末真空饱和吸水试验和页岩层理断面显微观测试验得出的强度准则参数；结合页岩地层井周应力分布模型与水化页岩剪切破坏强度准则，预测水化页岩地层井壁坍塌失稳力学条件。该方法将页岩水化膨胀应力作为页岩沿层理剪切破坏应力弱化影响因素，进而能够准确预测水化页岩地层在剪切破坏条件下的井壁坍塌失稳，对于页岩气储层安全钻井具有重要的理论意义。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气勘探开发领域，具体涉及一种水化页岩强度准则确定方法及基于该强度准则的页岩气井井眼坍塌失稳力学条件预测方法。
背景技术
页岩具有显著的层理特征，并且夹杂粘土矿物，当水浸入产生水化作用，将进一步降低页岩的结构稳定，因此，含页岩地层的工程稳定问题一直是岩土工程界关注的焦点。目前，已有众多学者探讨了页岩的各向异性力学特征，并构建了具有不同特征的页岩强度准则，为页岩地层的工程稳定评价与治理问题奠定扎实的理论基础。然而，Geophysics通过页岩在不同含水率情况下的试验发现，相对于干燥页岩试样，饱水状态下的页岩试样强度降低近50％；并且，Dokhani的研究发现由于层理面并夹杂粘土矿物的存在，页岩吸水将主要沿着粘土矿物层浸入，而沿层理面的粘土矿物水化弱化是造成页岩地层稳定性下降的主要原因。由此可见，构建合理的受多因素影响的页岩强度准则，并开展页岩地层的结构稳定的准确评价，应当从页岩自身各向异性结构特征与水化力学两个方面进行深入探讨。
近年来，国内外学者针对页岩的各向异性特征构建了具有不同特征的强度准则。例如，Jaeger JC提出的各向异性岩石剪切强度准则、Donath提出的基于Jaeger强度准则的改进强度预测模型、Walsh and Brace基于Griffith理论建立的脆性各向异性岩石强度准则、Gottschalk基于Mohr-Coulomb应力关系建立的正交各向异性强度准则、Yong和Ming提出的横贯各向同性强度准则、Saroglou和Tsiambaos基于Hoek-Brown强度准则建立的各向异性岩石强度准则、马天寿提出的基于Mogi-Coulomb强度准则的弱面剪切破坏准则等。Duveau等与Jasmin Ambrose将各向异性强度准则进行了归类，见图1，但这些强度准则并未考虑实际工程中因页岩水化作用引起的强度降低。
处于自然环境或者工程建设中的页岩地层，必然将与水产生相互作用，而页岩中的粘土矿物遇水必将造成强度的变化，因此极有必要构建考虑页岩水化作用的强度准则，才能进行工程实际的页岩地层稳定性有效评价。然而，目前有关水化页岩的强度准则还相对较少。Al-Bazali提出了一种经验强度准则用以评价取自中东地区的一种页岩的单轴抗压强度，该模型采用了干燥岩样的单轴抗压强度和含水率作为模型参数，见图2。Bidgoli和Jing建议考虑水化作用对页岩强度的影响可以采用降低内聚力和内摩擦角的Mohr-Coulomb准则，或者降低系数mi和增加s的Hoek-Brown准则进行描述。由此，黄荣樽得到了内聚力和内摩擦角与含水率的线性关系，构建了基于Mohr-Coulomb准则考虑页岩本体和层理面破坏两种内聚力和内摩擦角的水化各向异性页岩强度准则；马天寿将页岩水化时间作为参数，构建了一种基于Mohr-Coulomb准则的水化各向异性页岩强度准则。
综上所述，目前在页岩各向异性强度准则研究方面取得了大量的成果，但是在实际工程应用中仍存在许多问题：
(1)提出的各向异性岩石强度准则鲜有考虑水化作用的影响，而富含粘土矿物的页岩吸水强度将显著降低，工程实际也难以避免水的影响，因此同时考虑层理与水化作用双重影响的强度准则对于页岩地层稳定的准确评价更有意义。
(2)提出的考虑水化作用影响的强度准则相对较少，同时考虑水化作用和各向异性影响的页岩强度准则仅调研到通过减小内聚力和内摩擦角的页岩弱面强度准则，在页岩第一主应力与层理夹角接近0°和90°时，其预测效果较差。
(3)目前还尚未形成相对成熟的基于各向异性与水化作用影响的页岩强度准则对油气井井壁稳定问题的预测方法，对水化页岩地层井壁稳定预测技术方法尚需深入探讨。
因此，针对页岩气勘探开发中所遇页岩各向异性特征和水化特性，提出具有工程实用价值的强度准则，实现页岩气井稳定性的精确判别，对于页岩气安全高效开发具有重要的实际意义。
本水化页岩强度准则建立的理论依据如下：
在σ1和σ3的二维应力坐标系中(见图3)，岩石发生剪切破坏，其正应力为N，剪应力为τ，则存在如下关系式：
τ＝S+μN (1)
式中，S为无正应力条件下岩石破坏面上剪切强度，单位为MPa；μ为内摩擦系数，无量纲。
内摩擦系数与材料内摩擦角的关系如下：
式中，
为内摩擦角，单位为°。
对于均匀材料，在与σ1呈α角度的倾斜平面上(α一般取值为30°)，若正应力和剪应力最小，其值可以表示为：
N＝σm-τm cos 2α (3)
τ＝τm sin 2α (4)
式中，
为最大剪应力，单位为MPa；
为主应力平均值，单位为MPa。
由此可知，抗剪强度最小的页岩将是层理面与σ1呈α角的试样，根据Coulomb-Navier理论，对于层理面与σ1呈任意β角的页岩试样剪切强度将为：
S＝S1-S2 cos 2(β-α) (5)
由此，将公式(2)、(3)、(4)和(5)带入公式(1)中可得：
式中，S1和S2为材料常数，单位MPa。
发明内容
本发明的目的在于：解决水化页岩在三维应力条件下的强度预测问题，为此建立了一种水化页岩强度准则，并基于该强度准则，提出了页岩气井井壁页岩在水化条件下的坍塌失稳预测方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种水化页岩剪切破坏强度准则，其确定步骤如下：
步骤1.1、以穿假定均匀介质剪切破坏最优剪切破坏面法线的页岩水化层理数量为评价水化弱化因子，根据均匀介质试样剪切破坏最优剪切面与页岩水化层理面的几何关系，计算不同层理-轴向夹角饱和水化页岩试样水化层理面剪切强度相对于干岩样的等效饱和水化弱化值σsβ，得到饱和水化页岩试样剪切破坏法向与切向应力强度；
步骤1.2、根据饱和水化页岩试样剪切破坏法向与切向应力强度，并结合Jaeger各向异性岩石剪切强度准则，得到三轴应力条件下的饱和水化页岩剪切破坏强度准则；
步骤1.3、根据非饱和水化页岩含水率与饱和水化页岩含水率，并结合三轴应力条件下的饱和水化页岩剪切破坏强度准则，得到不同含水率页岩在三轴应力条件下的剪切破坏强度准则。
进一步，所述步骤1.1的具体步骤如下：
步骤1.1.1以穿假定均匀介质剪切破坏最优剪切破坏面法线的页岩水化层理数量为评价水化弱化因子，根据均匀介质试样剪切破坏最优剪切破坏面法线与页岩水化层的几何关系(图4)，得到不同层理-轴向夹角的饱和水化页岩试样剪切破坏面强度等效饱和水化弱化应力σsβ：
式中：β为页岩试样层理-轴向夹角，单位为°；σsβ为层理-轴向夹角为β的饱和水化页岩试样剪切破坏面强度等效饱和水化弱化应力，单位为MPa；α为均匀介质剪切面与轴向的夹角，单位为°，实际值在30°附近变化；m为页岩试样水化粘土矿物层穿过破坏面的数量，无量纲；d为页岩试样直径，mm；l0为页岩层理间厚度，mm；σs为页岩单一饱和水化粘土矿物层强度等效水化弱化应力，单位为MPa，其计算式为：
σs＝σdz-σsz
式中，σdz为沿单一饱和水化粘土矿物层破坏的干燥页岩直接剪切试验强度，MPa；σsz为沿单一饱和水化粘土矿物层破坏的饱和水化页岩直接剪切试验强度，MPa。
步骤1.1.2根据干燥页岩剪切破坏时的破坏面法相与切向强度，进行等效水化弱化应力的折减，得到饱和水化页岩试样剪切破坏时法向与切向应力：
式中：N为干燥页岩剪切破坏时的剪切面法向应力，单位为MPa；S为干燥页岩剪切破坏时的剪切面的切向应力，单位为MPa；N’为饱和水化页岩剪切破坏时的剪切面法向应力，单位为MPa；S’为饱和水化页岩剪切破坏时的剪切面的切向应力，单位为MPa。
进一步，所述步骤1.2的具体步骤如下：
将饱和水化页岩试样剪切破坏时法向与切向应力作为判别饱和水化页岩破坏依据，并结合Jaeger各向异性岩石剪切强度准则，得到三轴应力条件下的饱和水化页岩剪切破坏强度准则，其表达式如下：
式中：σ1为最大主应力(轴向应力)，单位为MPa；σ3为最小主应力(围压)，单位为MPa；
为页岩本体破坏内摩擦角，单位为°；S1和S2为材料参数，单位为MPa。
进一步，所述步骤1.3的具体步骤如下：
步骤1.3.1、根据非饱和水化页岩含水率与饱和水化页岩含水率，得到非饱和水化页岩水化弱化应力表达式如下：
式中，σuβ为非饱和水化页岩水化弱化应力，单位为MPa；ωw为非饱和水化页岩含水率，单位为％；ωsh为饱和水化页岩含水率，单位为％。
步骤1.3.2、根据非饱和水化页岩水化弱化应力和三轴应力条件下的饱和水化页岩剪切破坏强度准则，得到非饱和水化页岩剪切破坏强度准则：
一种水化页岩地层井壁坍塌失稳预测方法，包括如下步骤：
步骤(1)、获得至少4个围压条件下，至少4个层理-轴向夹角(β)页岩干试样的三轴剪切破坏强度；
步骤(2)、根据步骤(1)得到的三轴剪切破坏强度，通过Jaeger各向异性岩石剪切强度准则反算得出干燥页岩试样强度准则参数S1，S2，
步骤(3)、根据饱和水化页岩层理面法相断面的显微图片，观测分析得到页岩试样层理间隔厚度l0；
步骤(4)、根据沿单位厚度粘土矿物层破坏的干燥和饱和水化页岩直接剪切试验结果，获得单位厚度粘土矿物层水化弱化应力σs；
步骤(5)、根据页岩粉末真空饱和吸水试验，得到页岩饱和含水率ωsh；
步骤(6)、根据测井曲线或者岩样分析得到的水化页岩井壁地层含水率(ωw)，结合由步骤(1)至步骤(5)完成参数确定的水化页岩剪切破坏强度准则与井周应力分布模型，计算得到水化页岩地层坍塌失稳的井底压力条件。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，页岩整体视作均匀介质，其基于Jeager各向异性岩石剪切强度准则的剪切强度与摩擦系数为一定值，将水化作用视为仅发生在沿层理的粘土矿物层，并将穿过均匀材料最优破坏面法相的粘土矿物层数量与页岩单一饱和水化粘土矿物层强度等效水化弱化应力的乘积作为页岩破坏面法相与切向强度的水化弱化因子，得到饱和水化页岩剪切破坏强度准则。该准则构建物理意义明确，同时考虑实际水化弱化与层理的双重影响，预测得到实际工程中的页岩强度更为准确；
2、本发明中，结合实际地层将存在非饱和页岩的情况，将页岩含水率与充分饱和页岩含水率比值作为水化页岩相对水化弱化因子的计算依据，提出了一种非饱和水化页岩剪切破坏强度准则，构建的强度准则适应页岩气井井壁围岩的实际水化状态；
3、本发明中，页岩气井井眼坍塌失稳预测方法使用考虑页岩各向异性特征、页岩水化条件的岩石剪切破坏强度准则，预测水化页岩井壁稳定将更为准确可靠，这将促进页岩气井钻井设计与安全施工技术的发展，进而有效提高页岩气勘探开发进程。
附图说明
图1为各向异性岩石强度准则分类；
图2其他吸水页岩的单轴抗压强度准则；
图3为岩石Mohr-Coulomb剪切破坏强度准则原理图；
图4为均匀介质试样剪切破坏最优剪切破坏面法线与页岩水化层的几何关系图；
图5为垂直于页岩层理的断面显微图像；
图6为页岩剪切破坏强度试验与模型预测值1:1对比曲线对比图；
图7为页岩气井井眼坍塌钻井液当量密度随β变化云图；
图8为页岩气井井眼坍塌钻井液当量密度随β变化曲线；
图9为未考虑水化与层理影响的页岩气井井眼坍塌当量钻井液密度；
图10为β＝30°时不同含水率页岩气井井眼坍塌钻井液当量密度；
图11为页岩气井井眼坍塌钻井液当量密度含水率变化曲线；
图12为实施例中研究工区水化页岩强度准则的材料与模型参数；
图13为实施例中研究工区地层与岩石学力学基础参数；
图14水化页岩地层井壁坍塌失稳预测方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种水化页岩强度准则：
式中，α为均匀介质强度最小的剪切面与轴向的夹角，单位为°；β为页岩试样层理-轴向夹角，单位为°；
为页岩本体破坏内摩擦角，单位为°；σ1为最大主应力(轴向应力)，单位为MPa；σ3为最小主应力(围压)，单位为MPa；S1和S2为材料参数，单位为MPa；ωw为非饱和水化页岩含水率，单位为％；ωsh为饱和水化页岩含水率，单位为％。
本发明的页岩强度准则确定过程如下：
以穿假定均匀介质剪切破坏最优剪切破坏面法线的页岩水化层理数量为评价水化弱化因子，根据均匀介质试样剪切破坏最优剪切面与页岩水化层理面的几何关系，计算不同层理-轴向夹角饱和水化页岩试样水化层理面剪切强度相对于干岩样的等效饱和水化弱化值σsβ。均匀介质试样剪切破坏最优剪切破坏面法线与页岩水化层的几何关系图见图4a，由图4a所示几何关系，可得到σsβ的计算公式如下：
式中：β为页岩试样层理-轴向夹角，单位为°；σsβ为层理-轴向夹角为β的饱和水化页岩试样剪切破坏面强度等效饱和水化弱化应力，单位为MPa；α为均匀介质剪切面与轴向的夹角，单位为°，实际值在30°附近变化；m为页岩试样水化粘土矿物层穿过破坏面的数量，无量纲；d为页岩试样直径，mm；l0为页岩层理间厚度，mm；σs为页岩单一饱和水化粘土矿物层强度等效水化弱化应力，单位为MPa，其计算式为：
σs＝σdz-σsz
式中，σdz为沿单一饱和水化粘土矿物层破坏的干燥页岩直接剪切试验强度，MPa；σsz为沿单一饱和水化粘土矿物层破坏的饱和水化页岩直接剪切试验强度，MPa。
由此，根据干燥页岩试样剪切破坏面法向强度(S)与切向应力强度(N)，不同层理-轴向夹角饱和水化页岩试样水化层理面剪切强度相对于干岩样的等效饱和水化弱化值σsβ，可以得到饱和水化页岩试样剪切破坏面法向强度与切向应力强度见公式9。
将公式(2)、(3)、(4)、(5)、(9)带入式(1)，得到饱和水化页岩强度准则：
根据非饱和水化页岩含水率与饱和水化页岩含水率，得到非饱和水化页岩水化弱化应力表达式如下：
式中，σuβ为非饱和水化页岩水化弱化应力，单位为MPa；ωw为非饱和水化页岩含水率，单位为％；ωsh为饱和水化页岩含水率，单位为％。
结合式(8)、(10)和(11)，得到非饱和水化页岩强度准则；
一种页岩气井井眼坍塌压力预测方法，包括步骤如下：
步骤1：不同层理-轴向夹角(β)页岩干试样在不同围压条件下的三轴剪切试验，获得干燥页岩试样抗压强度。
(1)制备不同轴向-层理倾角(β)的页岩试样。制备方法参照《岩石物理力学性质试验规程第20部分：岩石三轴压缩强度试验》，建议取样值为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，所取试样尺寸建议为φ25mm×50mm。
(2)根据《岩石物理力学性质试验规程第20部分：岩石三轴压缩强度试验》进行不同轴向-层理倾角(β)页岩在不同围压条件下的三轴剪切试验，获得不同轴向-层理倾角、不同围压条件下的页岩试样强度。
步骤2：开展饱和水化页岩层理面法相断面的显微观测试验，获得页岩试样层理间隔厚度l0。
(1)沿页岩层理法相切割页岩样品，并制作垂直于页岩层理的显微观测试样；
(2)利用显微镜观测垂直于页岩层理的断面显微图像，并测量层理间隔厚度l0，见图4b。
步骤3：进行沿单位厚度粘土矿物层破坏的干燥和饱和水化页岩直接剪切试验，获得单位厚度粘土矿物层水化弱化应力σs。
(1)制作页岩直接剪切试验试样2件，建议试样直径与三轴剪切试验试样直径相同，即页岩直接剪切试验试样尺寸建议为φ25mm×20mm，页岩层里面要求垂直于试样轴向；
(2)对制作的页岩直接剪切试验试样其中一件进行充分饱和水试验，建议采用正压方式将水沿页岩层理压入以提高试样水化程度，达到饱和水化效果；
(3)对干燥页岩直接剪切试验试样和饱和水化页岩直接剪切试验试样进行无正压力的直接剪切试验，分别得到两种试样的抗剪强度σdz和σsz。
(4)利用公式(13)计算页岩单一饱和水化粘土矿物层强度等效水化弱化应力σs：
σs＝σdz-σsz (13)
式中，σdz为沿单一饱和水化粘土矿物层破坏的干燥页岩直接剪切试验强度，MPa；σsz为沿单一饱和水化粘土矿物层破坏的饱和水化页岩直接剪切试验强度，MPa。
步骤4：进行页岩粉末真空饱和吸水试验，获得饱和水化页岩含水率ωsh。
试验方法参考《岩石物理力学性质试验规程第5部分：岩石吸水性试验》，采用页岩的真空饱和试验测试方法，首先称量干燥页岩试样的质量Md，然后将页岩试样破碎成粉末，而后将页岩粉末放入真空容器中，并注入蒸馏水，使页岩粉末充分饱和，再称量饱和页岩碎屑的质量(Mw)，饱和水化页岩含水率ωsh计算公式如下：
步骤5：结合步骤1获得的不同轴向-层理倾角、不同围压条件下的页岩试样强度，利用公式(6)确定Jeager各向异性岩石剪切强度准则的模型参数：S1、S2、α和
步骤6：根据参数确定的水化页岩剪切破坏强度准则，结合页岩气储层井周应力分布模型，建立页岩气井壁坍塌失稳判别方程式。
(1)地层应力计算过程如下：
对于井壁坍塌，井壁处的三个应力状态为：
其中，
公式(15)中，
式中：σrr为井周地层的径向应力分量，单位为MPa；σθθ为井周地层的环向应力分量，单位为MPa；σzz为井周地层的轴向应力分量，单位为MPa；τθz,τrθ,τrz为井周地层的剪切应力分量，单位为MPa；σx,σy,σz,τxy,τyz,τxz为井眼直角坐标系下的地应力分量，单位为MPa；σH为最大水平地应力，单位为MPa；σh为最小水平地应力，单位为MPa；σv为垂向地应力，单位为MPa；θ为井周任意位置对应的圆周角，单位为°；R为井眼半径，单位为m；r为井周任意位置距离井眼轴线的半径，单位为m；υ为泊松比，无量纲；δ为渗流效应系数，无量纲，井壁不可渗透时δ＝0，井壁可渗透时δ＝1；αp为Biot系数，无量纲；αb为井斜角，单位为°；βb为井斜方位角，单位为°；Ω为水平最大地应力方位角，单位为°；φ为地层孔隙度，单位为％；pm为井筒压力，单位为MPa；pp为孔隙压力，单位为MPa。
这些参数可通过岩心试验和测井资料分析得到。
联立公式(12)和公式(15)，可以得到页岩气井井眼坍塌压力pm求解函数，即为页岩气井壁坍塌失稳判别方程式。该函数可通过牛顿迭代法或二分法求解该联立的非线性函数，并取井周最大值
即可得到坍塌压力
即为井周坍塌失稳的力学条件。
步骤7：结合页岩气井壁坍塌失稳判别方程式与地层测井计算参数(地应力、地层压力、地层孔隙度、岩石Biot系数、地层含水率等)，进行页岩气井壁坍塌压力计算，以此开展页岩气井壁水化失稳预测分析。
实施例1
一种水化页岩剪切破坏强度准则预测：
该实施例所用页岩试样取自四川盆地CN示范区下志留系龙马溪组页岩。采用本发明提出的方法进行材料参数和模型参数的确定，得到研究工区页岩的材料参数和模型参数见图12。
采用图12确定的模型参数，利用公式(7)进行水化页岩抗压强度的预测，得到试验测试值与模型预测值的1:1对比曲线见图6。较大的R2(0.865)与较小的AAREP(8.54％)，说明采用本文提出的水化页岩剪切破坏强度准则预测能够很好的预测不同轴向-层理倾角、不同含水率页岩试样在不同围压条件下的剪切破坏强度。
实施例2：
页岩气井井眼坍塌压力预测工程实例：
以四川盆地CN示范区下志留系龙马溪组页岩为例分析本发明的实际应用效果，该地区龙马溪页岩储层埋深约2280～2500m，结合地层测井计算参数，得到其垂向应力梯度2.60MPa/100m、最大水平地应力梯度3.15MPa/100m、最小水平地应力梯度2.20MPa/100m，属于典型的走滑断层应力机制，其孔隙压力梯度达到2.03MPa/100m，地层含水率为0～2.0％，详细力学参数见图13。该地区页岩气储层大量的直井采用了1.40～1.45g/cm3的油基钻井液钻进且未见井壁垮塌事故报告，油基钻井液钻进情况下化学作用并不显著。
从图7和图8中可以看出，在不考虑水化影响情况下，当β＝0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°时，井眼坍塌钻井液当量密度分别为：0.921g/cm3、1.183g/cm3、1.278g/cm3、1.183g/cm3、0.921g/cm3、0.600g/cm3和0.190g/cm3，说明未考虑水化影响的该井坍塌钻井液当量密度随着β的增加先是逐渐增大，当β＝30°时，坍塌钻井液当量密度最高为1.278g/cm3，而后逐渐降低，最小为β＝90°时，坍塌钻井液当量密度最低为0.190g/cm3。与工程实际使用的值相比，使用的油基钻井液密度为1.15～1.30g/cm3并未发生井眼坍塌事故，而利用本发明所述破碎页岩强度准则计算的未考虑水化影响的经验坍塌钻井液当量密度为1.278g/cm3，相比于M-C、D-P和MG-C准则计算的结果图9更接近于工程实际使用的钻井液密度，而前3种完整岩样方法计算的结果分别为2.36g/cm3、1.472g/cm3和1.32g/cm3，与本发明所述破碎页岩强度准则计算结果和实际工程使用值相差较大。因此，若采用这3种完整岩样获得的油基钻井液当量密度，将会增大钻井的风险。而本发明所述破碎页岩强度准则计算的结果与实际未发生安全事故使用的值非常接近，也论证了该准则的预测准确性。故在实际钻井工程中，尤其是层理性特征较显著，且具有强水化特性的页岩地层，建议使用本发明所述破碎页岩强度准则预测结果，进行钻井液密度窗口的设计。
因为该井未使用水基钻井液，而且所采用的油基钻井液密度与本发明所述破碎页岩强度准则预测结果非常吻合，其井史资料也显示并未发生严重的井眼坍塌事故。但是，油基钻井液钻井成本高，结合本发明所述破碎页岩强度准则，分析了采用水基钻井液对安全钻井的可行性。取含水率分别为0％、1％、2％、3％、4％和5％，对页岩层理与最大主应力方向夹角β为30°时页岩气井井眼坍塌钻井液当量密度进行计算，结果如图10所示，并绘制井眼坍塌钻井液当量密度随β变化的关系曲线如图11。从图10和图11中可以看出，含水率分别为0％、1％、2％、3％、4％和5％时，井眼坍塌钻井液当量密度分别为1.094g/cm3、1.260g/cm3、1.424g/cm3、1.588g/cm3、1.754g/cm3和1.920g/cm3，其变化随着含水率的增加而增大，基本属于线性增大，与未考虑水化影响情况下，在5％含水率时，增幅为75.5％。该井拉张破坏钻井液当量密度为1.48g/cm3，若采用水基钻井液，当含水率为0～2％时，采用本发明所述破碎页岩强度准则计算得到的井眼坍塌钻井液当量密度低于拉张破坏钻井液当量密度。但含水率为3-5％时，采用本发明所述破碎页岩强度准则计算得到的井眼坍塌钻井液当量密度高于拉张破坏钻井液当量密度，此时无安全钻井密度窗口。根据上述分析，建议该地区采用油基钻井液钻井，而该地区确实也使用了油基钻井液，并取得了较好的实钻效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种水化页岩地层井壁坍塌失稳预测方法，包括如下步骤：
步骤(1)、获得至少4个围压条件下，至少4个层理-轴向夹角β干燥页岩试样的三轴剪切破坏强度；
步骤(2)、根据步骤(1)得到的三轴剪切破坏强度，通过Jaeger各向异性岩石剪切强度准则反算得出干燥页岩试样强度准则材料参数S1和S2，页岩本体破坏内摩擦角
步骤(3)、根据饱和水化页岩层理面法向断面的显微观测图片，测试得到页岩层理间隔厚度l0；
步骤(4)、根据沿单一粘土矿物层破坏的干燥页岩直接剪切试验和沿单一粘土矿物层破坏的饱和水化页岩直接剪切试验结果，获得页岩单一饱和水化粘土矿物层强度等效水化弱化应力σs，其计算公式如下：
σs＝σdz-σsz
式中：σs为页岩单一饱和水化粘土矿物层强度等效水化弱化应力，MPa；σdz为沿单一饱和水化粘土矿物层破坏的干燥页岩直接剪切试验强度，MPa；σsz为沿单一饱和水化粘土矿物层破坏的饱和水化页岩直接剪切试验强度，MPa；
步骤(5)、根据页岩试样直径d、页岩层理间隔厚度l0、均匀介质强度最小的剪切面与轴向的夹角α、页岩试样层理-轴向夹角β、页岩单一饱和水化粘土矿物层强度等效水化弱化应力σs，计算得到层理-轴向夹角为β的饱和水化页岩试样剪切破坏面强度等效饱和水化弱化应力σsβ，其计算公式如下：
式中：σsβ为层理-轴向夹角为β的饱和水化页岩试样剪切破坏面强度等效饱和水化弱化应力，单位为MPa；β为页岩试样层理-轴向夹角，单位为°；α为均匀介质强度最小的剪切面与轴向的夹角，单位为°，实际值在30°附近变化；m为页岩试样水化粘土矿物层穿过破坏面的数量，无量纲；d为页岩试样直径，单位为mm；l0为页岩层理间隔厚度，单位为mm；
步骤(6)、根据页岩粉末真空饱和吸水试验，得到饱和水化页岩含水率ωsh；
步骤(7)、根据测井曲线或者岩样分析得到的井壁地层非饱和水化页岩含水率ωw，结合由步骤(1)至步骤(6)完成参数确定的水化页岩剪切破坏强度准则与井周应力分布模型，计算得到水化页岩地层坍塌失稳的井底压力条件，所述水化页岩剪切破坏强度准则表达式如下：
式中：σ1为最大主应力，单位为MPa；σ3为最小主应力，单位为MPa；
为页岩本体破坏内摩擦角，单位为°；S1和S2为材料参数，单位为MPa；ωw为根据测井曲线或者岩样分析得到的井壁地层非饱和水化页岩含水率，单位为％；ωsh为饱和水化页岩含水率，单位为％。
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