页岩气低成本高效钻完井基础研究与应用

　　本书根据硬脆性页岩地层钻完井过程中存在的重大技术难点及其共性基础问题，全面系统地阐述了硬脆性页岩组构和理化特征、岩石物理响应特征、力学特性和破坏模式，以及工作液流体、结构面、孔隙压力、卸载作用等多因素协同作用对硬脆性页岩力学强度和破坏特征影响。特别以页岩地层水平井井壁稳定性和储层体积改造技术为重点，结合室内岩心实验与数值模拟方法，论述了页岩地层井壁稳定化学调控方法、井壁稳定性评价方法、井周压裂缝形态主控因素及调控方法，详细分析了页岩地层井眼垮塌失稳机理与压裂缝网形成机制。

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目录
第1章 页岩气层岩石组分、结构及理化特征 1
1.1 矿物组分特征 1
1.2 有机碳含量 7
1.3 孔隙结构特征 9
1.3.1 低压氮气吸附-脱附等温线 11
1.3.2 比表面积和总孔容 15
1.3.3 孔径分布曲线 17
1.4 阳离子交换容量 18
1.5 润湿性特征 20
1.6 微观结构特征 24
第2章 页岩气层岩石变形破坏特征及其影响因素 30
2.1 页岩气层岩石强度特性及破坏模式分析 30
2.2 页岩气层岩石脆性评价 37
2.2.1 基于强度的岩石脆性评价方法 37
2.2.2 基于硬度和断裂韧性的岩石脆性评价方法 40
2.2.3 基于峰后应力脆性跌落的岩石脆性评价方法 41
2.2.4 页岩脆性的影响因素 48
2.3 孔隙压力传递对页岩气层岩石破坏的影响 56
2.3.1 压力传递对页岩气层岩石破坏影响的物理模拟试验 57
2.3.2 压力传递对页岩气层岩石破坏影响的数值模拟试验 60
2.4 结构面发育对页岩气层岩石力学特性的影响 64
2.4.1 结构面对页岩力学强度影响的岩石力学试验研究 65
2.4.2 结构面对岩石力学强度影响的数值模拟研究 66
2.4.3 结构面对页岩脆性指数的影响 75
2.4.4 结构面对页岩气层岩石声学特性的影响 80
2.5 卸荷作用对页岩力学特性及破坏特征的影响 83
2.5.1 围压对页岩卸载破坏的影响 84
2.5.2 卸载速率对页岩破坏特征的影响 89
2.5.3 卸载幅度对页岩破坏特征的影响 107
2.6 页岩层理面力学特征 115
2.6.1 层理面力学特性测试方法及原理 115
2.6.2 层理面力学强度特性 116
第3章 工作液对页岩结构和强度的影响 120
3.1 工作液对页岩气层岩石宏观和微观结构的影响 120
3.2 工作液对页岩水化应力应变的影响 129
3.3 工作液对页岩气层岩石抗压强度的影响 130
3.4 工作液对页岩气层岩石抗张强度的影响 136
3.5 工作液对页岩气层岩石硬度的影响 137
3.6 工作液-页岩气层岩石相互作用机理研究 142
3.6.1 伊利石水化行为特征及水化机理 142
3.6.2 蒙脱石晶层间距膨胀规律及影响因素 150
3.6.3 页岩自吸效应及对页岩水化的影响 156
3.6.4 页岩水化过程中物理化学作用和力学作用 159
3.7 自吸作用、水化作用对页岩地层内部裂纹扩展的影响 162
3.7.1 裂纹扩展模型 162
3.7.2 水化作用对页岩地层内部裂纹扩展的影响 164
3.7.3 毛细管效应对页岩地层内部裂纹扩展的影响 165
3.8 水化作用程度、强度的表征与评价 167
3.8.1 页岩水化对声波时差的影响 167
3.8.2 页岩水化对声波衰减特性的影响 168
3.8.3 页岩水化对声波频谱特性的影响 169
第4章 页岩气层井壁稳定性化学调控技术 172
4.1 聚合物水化抑制剂的合成方法 173
4.1.1 阳离子单体氯化1-甲基-1烯丙基咪唑(MAC)的合成 173
4.1.2 聚合物水化抑制剂的合成 173
4.2 聚合物水化抑制剂合成条件 174
4.2.1 防膨率的测定方法 174
4.2.2 poly(AM/APEG/MAC)合成条件 175
4.2.3 poly(AM/APEG/MAC/AMPS)合成条件 176
4.3 聚合物水化抑制剂结构的表征 177
4.3.1 聚合物水化抑制剂分子结构的红外表征 177
4.3.2 聚合物水化抑制剂分子结构的核磁表征 178
4.4 聚合物水化抑制剂特性黏数及分子量确定 180
4.4.1 聚合物特性黏数及分子量的确定方法 180
4.4.2 poly(AM/APEG/MAC)特性黏数及分子量测定 180
4.4.3 poly(AM/APEG/MAC/AMPS)特性黏数及分子量测定 182
4.5 聚合物水化抑制剂抑制性能 183
4.5.1 浓度对聚合物抑制性能的影响 183
4.5.2 聚合物水化抑制剂的抗温性能 184
4.5.3 聚合物水化抑制剂的抗盐性能 184
4.5.4 聚合物水化抑制剂对伊利石水化的抑制性能 185
4.5.5 聚合物水化抑制剂对页岩的水化控制性能 187
第5章 页岩地层水平井井壁稳定性评价 191
5.1 页岩气层岩石强度准则 191
5.1.1 弱面强度理论 191
5.1.2 Hoek-Brown强度准则 193
5.2 页岩气井井周应力场分析 200
5.2.1 井周应力分析坐标系建立及坐标系变换 200
5.2.2 页岩气井井周应力分布 202
5.3 页岩地层水平井井壁稳定性及钻井液影响分析 208
5.4 页岩气层坍塌压力构成及轨迹对井眼稳定的影响 210
5.4.1 页岩气储层水平井井壁失稳机理 210
5.4.2 钻井液-页岩相互作用引起的地层坍塌压力增量 210
5.4.3 龙马溪页岩气层岩石强度矿场预测方法 212
5.4.4 井眼轨迹对页岩地层井壁稳定性的影响 215
第6章 页岩气藏水平井井周网状裂缝形成机制及主控因素 222
6.1 页岩气层岩石断裂韧性及诱导裂缝前缘形态岩心实验分析 222
6.1.1 页岩断裂韧性测试 222
6.1.2 层理面对页岩断裂韧性影响的数值模拟分析 225
6.1.3 诱导缝前缘形态岩心实验分析 232
6.1.4 诱导缝前缘形态岩心数值模拟分析 236
6.2 井壁天然裂缝对诱导缝起裂和延伸影响的数值模拟分析 239
6.2.1 不考虑结构面发育条件下的诱导缝起裂与扩展 239
6.2.2 井壁天然裂缝与**主应力夹角的影响 241
6.2.3 井壁天然裂缝长度的影响 243
6.2.4 井壁天然裂缝力学性质的影响 248
6.3 井周地层天然裂缝对诱导缝扩展的影响 249
6.3.1 井周裂缝与**主应力夹角的影响 249
6.3.2 井周裂缝长度的影响 250
6.3.3 井周裂缝位置的影响 251
6.4 诱导缝起裂方位对诱导缝延伸的影响 253
6.4.1 不同起裂方位下井周裂缝的影响 254
6.4.2 不同起裂方位下井周裂缝位置的影响 256
6.5 地应力对诱导缝起裂和延伸的影响 261
6.5.1 地应力对诱导缝起裂的影响 261
6.5.2 地应力对诱导缝延伸的影响 264
6.6 层理及复杂裂缝分布对诱导缝形成的影响研究 267
6.6.1 层理与**主应力夹角的影响 267
6.6.2 层理间距的影响 269
6.6.3 层理力学性质的影响 269
6.6.4 层理及复杂裂缝共存对诱导缝形成的影响 271
6.7 钻井完井参数对井周裂缝起裂扩展的影响 279
6.7.1 钻井方位对井周裂缝形态影响 279
6.7.2 射孔参数井周裂缝形态影响 285
6.8 不同压裂施工参数对页岩地层水平井压裂裂缝萌生与扩展的影响 297
6.8.1 水平井段内多簇压裂裂缝延伸模型 297
6.8.2 布缝参数及射孔参数对水平井段内多簇压裂裂缝延伸的影响 300
6.8.3 页岩地层水平井段内多簇压裂裂缝的调控方法 306
6.9 页岩地层水平井井周裂缝形态影响因素及调控方法分析 309
第7章 应用分析 311
7.1 某硬脆性页岩地层的井壁稳定实例分析 311
7.1.1 基础地质特征 312
7.1.2 结构面发育对井壁稳定性的影响分析 313
7.1.3 钻井液对井壁稳定性的影响 314
7.1.4 区块页岩地层坍塌压力剖面 317
7.2 某页岩气层的井壁稳定实例分析 317
7.2.1 地层岩性特征 317
7.2.2 已钻井的井壁失稳状况 317
7.2.3 地层“三压力”剖面构建及稳定性分析 322
7.3 页岩气水平井压裂实例分析 326
7.3.1 基本井况 326
7.3.2 压裂缝分析结果 328
参考文献 330