本發(fā)明涉及泥頁巖穩(wěn)定性評價領(lǐng)域，特別涉及一種非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖的穩(wěn)定性評價。

背景技術(shù)：

泥頁巖受沉積作用影響，其性質(zhì)千差萬別，并且，其與鉆井液會發(fā)生顯著的物理化學(xué)作用。泥頁巖穩(wěn)定性評價是研究泥頁巖理化特性、井壁穩(wěn)定性分析和鉆井液體系研發(fā)的基礎(chǔ)，泥頁巖穩(wěn)定性評價可以從本質(zhì)上反映泥頁巖與工作液流體之間的相互作用特征，其一直是國內(nèi)外十分關(guān)注而未能很好解決的難題。研究泥頁巖的穩(wěn)定性評價方法，有助于認識泥頁巖井壁失穩(wěn)的機理，也有助于設(shè)計新的防塌鉆井液體系和開展非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖的穩(wěn)定性研究。

國內(nèi)公開發(fā)表相關(guān)的科技論文中涉及到的研究，多以井下巖芯巖屑或人造巖芯為對象，進行穩(wěn)定性評價，包括常規(guī)的泥頁巖穩(wěn)定性實驗方法如滾動回收率實驗、膨脹實驗和cst實驗方法、浸泡實驗和吸水?dāng)U散實驗被廣泛采用；如《遼河油田沙河街組硬脆性泥頁巖防塌評價方法的研究》一文中提出了改進的熱滾分散法、泥餅強度測定法及動濾失試驗法評價非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖的穩(wěn)定性，其結(jié)果可用于評價化學(xué)穩(wěn)定劑的性能?！赌囗搸r水敏性評價新方法─比親水量法研究》一文提出了比親水量法應(yīng)用于深井非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖穩(wěn)定性評價。該方法利用泥頁巖巖屑，測定泥頁巖的比表面積以及吸水量，計算得到即單位泥頁巖表面積上的吸水量即泥頁巖比親水量。雖然兩篇文獻均表明提出的方法適用于深井非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖穩(wěn)定性，但這些方法的一個最大弊端是采用了巖屑樣品進行試驗。而非活性泥頁巖性硬脆，長期的地質(zhì)構(gòu)造作用造就了獨特的微觀結(jié)構(gòu)特性，采用文中所述方法均破壞了這種結(jié)構(gòu)性，事實上很難有效評估其穩(wěn)定性。

目前公開的硬脆非活性泥頁巖穩(wěn)定性評價方法相關(guān)專利中，也有采用流體浸泡后測定巖石物理特性變化的手段進行穩(wěn)定性評價的方法，如《一種層狀硬脆性泥頁巖水化特性的評價方法》(專利號：201510077077.3)，該評價方法按照先后順序包括以下步驟：對巖石進行描述后取芯，制備巖芯樣品；將巖芯樣品恢復(fù)至地層原位孔隙流體飽和狀態(tài)；測定地層原位狀態(tài)條件下巖芯樣品的縱波波速和橫波波速，然后改變孔隙流體性質(zhì)，并測定改變 孔隙流體性質(zhì)后巖芯樣品的縱波波速和橫波波速；根據(jù)不同孔隙流體性質(zhì)條件下巖芯樣品的縱波波速和橫波波速的變化情況，評價層狀非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖的水化特性。利用該方法能夠定量評價泥頁巖的水化穩(wěn)定特性。但這種方法僅應(yīng)用于某種孔隙流體作用后的巖石物理性質(zhì)的評價，更適合于評價工作液的性能，并不能從本質(zhì)上反映非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖自身的穩(wěn)定特性。

因此，有必要開發(fā)出一種能夠反映水化作用對泥頁巖自身的理化特性的作用以及對泥頁巖力學(xué)特性影響的穩(wěn)定性評價方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有的非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖穩(wěn)定性評價方法的缺點，本發(fā)明提供了一種能反映水化作用對泥頁巖自身的理化特性的作用以及對泥頁巖力學(xué)特性影響的穩(wěn)定性評價方法，該方法克服了傳統(tǒng)泥頁巖穩(wěn)定性評價方法采用巖屑壓制的人造巖芯而無法反映非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖自身結(jié)構(gòu)影響，以及非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖的評價值普遍接近穩(wěn)定性評價的良值而不具備衡量差異性無法反映穩(wěn)定性差異的不足，實現(xiàn)了科學(xué)客觀的泥頁巖穩(wěn)定性的評價，提高非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖穩(wěn)定性評價的有效性和適用性是非常必要和有意義的。

本發(fā)明評價泥頁巖穩(wěn)定性的方法包括如下步驟：步驟a：對泥頁巖進行取芯，并制備為尺寸均一的巖芯樣品；其尺寸可以以巖石力學(xué)測定用標(biāo)準(zhǔn)巖芯尺寸為依據(jù)，例如可以為和中的一種；步驟b：將所述巖芯樣品在活度分布為0-1之間的至少兩種，優(yōu)選至少三種不同活度的工作液中浸泡得到浸泡后的巖芯樣品；步驟c：獲取所述巖芯樣品和所述浸泡后的巖芯樣品的力學(xué)強度值，并根據(jù)所述力學(xué)強度值獲得強度損失比。

在一個具體實施例中，還包括在步驟a之前的步驟i，測定至少兩種，優(yōu)選至少三種不同工作液的活度。

其中，在一個具體實施例中，對未在所述工作液中浸泡過的所述巖芯樣品及浸泡后的巖芯樣品開展巖石力學(xué)實驗測定，獲得巖芯樣品的巖石力學(xué)強度值。

在一個具體實施例中，當(dāng)對浸泡后的巖芯樣品不能立即進行巖石力學(xué)強度值測定時，取出所述浸泡后的巖芯樣品后，最好對所述浸泡后的巖芯樣品進行密封，所述密封可以簡單地用保鮮膜包裹或用蠟密封，而在進行巖石力學(xué)強度值測定前，去掉密封。

在一個具體實施例中，所述強度損失比用公式表示，其中，m為強度損失比，σc為所述巖芯樣品的力學(xué)強度，其單位例如可以為mpa，σcl為所述浸泡后的巖芯樣 品的力學(xué)強度，其單位例如可以為mpa；σcl下標(biāo)中的l表示對所述巖芯樣品作用的具體工作液的種類。

根據(jù)泥頁巖的強度損失比，從力學(xué)角度反映泥頁巖對不同工作液的敏感性，m值越大，說明工作液對泥頁巖的水化作用越顯著，m值為1時，表示泥頁巖完全喪失結(jié)構(gòu)強度，m值接近0時表示泥頁巖對該工作液不敏感。

在一個具體實施例中，在所述步驟c之后還包括步驟d：根據(jù)所述巖芯樣品在不同活度的工作液中獲得的強度損失比定義泥頁巖的水敏穩(wěn)定性系數(shù)。

在一個具體實施例中，所述泥頁巖的水敏穩(wěn)定性系數(shù)用公式s＝(sin(arctan(k))+mw)/2表示，其中，s為泥頁巖的水敏穩(wěn)定性系數(shù)，k為所述巖芯樣品在不同活度的工作液中獲得的強度損失比的斜率，mw為所述巖芯樣品在純水中獲得的強度損失比。一般水敏穩(wěn)定性系數(shù)越高，水敏性越強，在高活度的工作液流體的作用下，強度損失愈加顯著。

在一個具體實施例中，在所述步驟a和所述步驟b之間還包括以下步驟：當(dāng)所述泥頁巖為地層巖石時，將所述泥頁巖恢復(fù)至地層原位孔隙流體飽和狀態(tài)。也可以不考慮施加地層條件，而采用室內(nèi)自然條件，這可根據(jù)實驗條件選擇。使所述泥頁巖恢復(fù)至地層原位孔隙流體飽和狀態(tài)可以通過飽和儀實現(xiàn)。

在一個具體實施例中，所述巖芯樣品在所述工作液中的浸泡時間≥12小時，優(yōu)選≥18小時，更優(yōu)選≥24小時。

在一個具體實施例中，在將所述巖芯樣品在所述工作液中浸泡過程中，根據(jù)需要選擇模擬所述泥頁巖的地層覆壓條件和溫度。一般井下地層巖石樣品建議按這個條件進行操作，因為這樣更符合地層環(huán)境條件，真實反映巖石特征；若模擬溫壓試驗條件不足，或為露頭巖樣，則適當(dāng)舍棄。

在一個具體實施例中，所述工作液選自純水、水基鉆井液和油基鉆井液中的至少兩種或三種。

在一個具體實施例中，所述泥頁巖為非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖。

有益效果：

發(fā)明提提供的泥頁巖，特別是非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖(即不含有蒙脫石等膨脹性粘土礦物的泥頁巖)的穩(wěn)定性評價的新方法綜合考慮了水化作用對泥頁巖自身的理化特性的作用以及對泥頁巖力學(xué)特性的影響，通過將標(biāo)準(zhǔn)泥頁巖的巖芯樣品與不同活度的工作液發(fā)生作用，利用巖石力學(xué)實驗裝置監(jiān)測其作用后的力學(xué)強度指標(biāo)，得到工作液活度與泥頁巖的力學(xué)指標(biāo)的有序監(jiān)測結(jié)果，同時基于工作液活度與泥頁巖的力學(xué)指標(biāo)建立的穩(wěn)定性預(yù)測公式，可明確此類泥頁巖的穩(wěn)定性，特別適合于非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖的 穩(wěn)定性評價。

附圖說明

圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例的方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合優(yōu)選地實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于下述實施例。

實施例1

本發(fā)明提供一種非活性泥頁巖和/或硬脆性泥頁巖穩(wěn)定性評價的新方法，它包括以下步驟組成((參見附圖1所示)。

步驟1：選擇某地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組、沙溪廟組、須家河組和龍馬溪組地層露頭巖樣為實驗對象，對露頭巖樣進行取芯，并制備成尺寸均一的標(biāo)準(zhǔn)巖芯樣品，尺寸為每套地層取8塊標(biāo)準(zhǔn)巖芯樣品，共計32塊；

步驟2：由于本實施例采用的是露頭泥頁巖樣，因而未考慮施加地層飽和狀態(tài)條件，而采用室內(nèi)自然條件；

步驟3：選擇三種工作液流體采用電濕度計測量法進行活度測量，其中，純水的活度為1，聚磺水基鉆井液(3.0％膨潤土+0.1％純堿+0.2％燒堿+0.3％聚丙烯酸鉀+3％磺化酚醛樹脂(干粉)+3％磺化褐煤+2％無熒光白瀝青+1％聚胺+1％水解聚丙烯腈銨鹽)的活度為0.85，低粘高切油基鉆井液(0#柴油+2％有機土+3％環(huán)烷酸鈣+20％cacl2+2％cao+3％腐殖酸季銨鹽+0.8％烷基苯磺酸鈣+2％納米二氧化硅)的活度為0.74。通過測量得到露頭泥頁巖地層水活度0.5；

步驟4：將四套地層巖芯樣品在常溫常壓條件下分別浸泡于上述三種類型工作液流體中24小時；

步驟5：對未被工作液浸泡過的巖芯樣品(即原巖)及被工作液浸泡后的巖芯樣品開展巖石力學(xué)實驗測定，獲得巖石力學(xué)強度值(采用通用的巖石力學(xué)三軸應(yīng)力儀完成)。其中，當(dāng)對浸泡后的巖芯樣品不能立即進行巖石力學(xué)強度值測定時，取出所述浸泡后的巖芯樣品后，最好對所述浸泡后的巖芯樣品進行密封，所述密封可以簡單地用保鮮膜包裹或用蠟密封，而在進行巖石力學(xué)強度值測定前，要將所述保鮮膜或蠟封去掉。強度結(jié)果見表1。其中，原巖為未被任何液體浸泡的巖芯樣品。

步驟6：將前述獲得的活度和強度的數(shù)據(jù)分別代入公式中計算以獲得穩(wěn)定性系數(shù)，實現(xiàn)硬脆性泥頁巖和/或非活性泥頁巖的穩(wěn)定性評價。其中，m為強度損失比， σc為原巖的力學(xué)強度，單位為mpa；σcl為巖芯樣品在某一具體的工作液流體中浸泡后的力學(xué)強度，單位為mpa；l表示對巖芯樣品作用的具體的工作液的種類。根據(jù)泥頁巖強度損失比，從力學(xué)角度反映泥頁巖對不同體系的敏感性，m越大，說明工作液流體對泥頁巖的水化作用越顯著，m為1時，表示泥頁巖完全喪失結(jié)構(gòu)強度，m接近0時表示泥頁巖對該體系不敏感。

表1巖石力學(xué)強度測定結(jié)果(單位：mpa)

根據(jù)上述公式計算得到的各套地層的強度損失比見表2，其中，計算結(jié)果是15mpa和30mpa圍壓下的均值，強度損失比越高，說明在該工作液下的強度損失越嚴重，水敏性越突出。

表2強度損失比結(jié)果

其次根據(jù)公式s＝(sin(arctan(k))+mw)/2計算得到各套地層的水敏穩(wěn)定性系數(shù)，其中，s為泥頁巖的水敏穩(wěn)定性系數(shù)，k為所述巖芯樣品在不同活度的工作液中獲得的強度損失比的斜率，mw為所述巖芯樣品在純水中獲得的強度損失比。本發(fā)明的水敏穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果見表3。

一般穩(wěn)水敏定性系數(shù)越高，即水敏性越強，在高活度作用下，強度損失愈加顯著，各套地層中須家河組地層的巖樣水敏穩(wěn)定性系數(shù)最高，該套地層的穩(wěn)定性最差，實際鉆井過程中的復(fù)雜情況也最多，評價結(jié)果可靠；同時利用該水敏穩(wěn)定性系數(shù)，也可以估算不同活度的工作液浸泡后的地層巖石的強度，進而還可以預(yù)測地層的強度改變，從而進行井壁穩(wěn)定性分析。

表3水敏穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果