劉向君，熊健，梁利喜

1.“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學，四川成都610500 2.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都610500

龍馬溪組硬脆性頁巖水化實驗研究

劉向君1，2*，熊健2，梁利喜1

1.“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室·西南石油大學，四川成都610500 2.西南石油大學地球科學與技術學院，四川成都610500

硬脆性頁巖水化對頁巖氣開發(fā)井壁穩(wěn)定有重要的影響，為此，對龍馬溪組硬脆性頁巖進行水化實驗研究，包括礦物組成、微觀結構、水化應力、自吸吸水率及巖芯浸泡等方面實驗研究，探討分析了硬脆性頁巖水化過程與機理。研究結果表明，頁巖黏土礦物以伊利石為主，黏土礦物呈片狀且定向排列，層理和微裂紋發(fā)育，為水化提供作用空間和流動通道；頁巖水化應力和自吸吸水率隨浸泡時間增加而先上升后趨于穩(wěn)定，頁巖組構對上升速率或幅度有重要影響；浸泡過程中，巖樣表面主要形成平行層里面的裂縫，隨著浸泡時間增加，巖樣保持完整性或水化剝落成碎塊，頁巖組構和膠結程度對頁巖水化程度有重要影響；頁巖水化是物理化學作用和力學作用相互耦合結果，前者使巖石斷裂韌性下降，后者使I型裂紋應力強度因子增大，當應力強度因子大于巖石斷裂韌性時，裂紋將擴展或增寬，逐漸形成宏觀裂紋，可進一步擴展成裂縫。

硬脆性頁巖；龍馬溪組頁巖；水化作用；自吸吸水率；物理化學作用；力學作用

引言

隨著中國非常規(guī)能源開發(fā)越來越受到重視，特別是非常規(guī)能源中的頁巖氣［1］，而頁巖氣井井壁穩(wěn)定問題是頁巖氣開發(fā)中的一個重要的課題［2-8］。硬脆性頁巖的黏土礦物以伊利石為主，這類地層井壁失穩(wěn)主要是因為發(fā)生水化剝落和掉塊現象，其與水化膨脹性泥頁巖的井壁失穩(wěn)機理有明顯的不同［3，7］。因此，硬脆性頁巖水化的研究對頁巖地層井壁失穩(wěn)機理研究有重要意義。目前針對泥頁巖水化實驗研究主要從宏觀和微觀兩個角度開展，宏觀角度上，黃榮樽等［9-16］研究了不同溫度、不同圍壓及不同活度的水溶液等因素對泥頁巖水化過程和水化實質的影響，建立了泥頁巖巖石力學參數與含水量之間關系；微觀角度上，岳前升等［17-20］利用掃描電鏡（SEM）、壓汞、X-衍射等測試手段對泥頁巖進行分析，研究泥頁巖中黏土礦物組成和含量、微觀結構、水化作用對頁巖微觀結構的影響等，分析了黏土礦物組構對水化過程影響，石秉忠等［21-22］利用CT成像技術研究了硬脆性頁巖水化過程。泥頁巖中的黏土礦物組成和含量及其內部微觀結構對其水化影響較大［19-20］，泥頁巖水化過程存在物理化學效應和力學效應［23］，而對硬脆性頁巖水化作用研究較少。針對硬脆性頁巖黏土礦物以伊利石為主，含有少量伊/蒙混層的特點，其水化作用不同于膨脹性泥頁巖，因此，以龍馬溪組硬脆性頁巖為研究對象，開展硬脆性頁巖水化實驗研究，探討硬脆性頁巖水化作用，進一步探討分析了硬脆性頁巖水化機理。

圖1 頁巖的礦物組成Fig.1 Them ineralogical com positionsof the shales

1 室內實驗研究

不同地區(qū)硬脆性頁巖中黏土礦物含量與微觀結構差異較大，造成硬脆性頁巖水化作用存在較大差異，因此選擇四川盆地不同地區(qū)龍馬溪組硬脆性頁巖（簡稱龍馬溪組頁巖）開展實驗研究，其中取自四川省長寧縣雙河鎮(zhèn)燕子村龍馬溪組露頭頁巖為地區(qū)1，取自四川省長寧縣雙河鎮(zhèn)荷葉村龍馬溪組露頭頁巖為地區(qū)2，取自重慶市石柱縣漆遼鎮(zhèn)六塘村龍馬溪組露頭頁巖為地區(qū)3，還包括取自四川盆地長寧地區(qū)某井的井下龍馬溪組頁巖樣品。對4組的頁巖樣品分別進行XRD衍射測試、SEM測試、頁巖水化應力膨脹測試、頁巖自吸測試和頁巖浸泡測試，所有測試在西南石油大學國家重點實驗室完成。

1.1 礦物組成

XRD衍射分析結果見圖1和表1，其中地區(qū)1樣品測試數為14份，地區(qū)2樣品測試數為16份，地區(qū)3樣品測試數為20份，井下樣品測試數為8份。從圖1和表1中可知，3個地區(qū)露頭巖樣和井下巖樣的礦物組成包括黏土礦物、石英、長石（正長石和斜長石）、碳酸鹽巖（方解石和白云巖）及黃鐵礦，每種礦物組成含量差異比較明顯，樣品的礦物組成以石英和黏土礦物為主，地區(qū)1、地區(qū)3和井下巖樣樣品的兩者含量之和相差較小，其中地區(qū)1巖樣石英含量最大，地區(qū)2巖樣黏土礦物含量最大；4組樣品中的黏土礦物以伊利石為主，平均相對含量超過70%，其中4組樣品的黏土礦物中的伊利石、伊/蒙混層和高嶺石的相對含量相差較小。

表1 頁巖黏土礦物組成相對含量和CEC含量Tab.1_ The claym ineral contentsand CEC contents in shales

4組龍馬溪組頁巖陽離子交換容量（CEC）測試結果見表1，其中地區(qū)1樣品測試數為14份，地區(qū)2樣品測試數為16份，地區(qū)3樣品測試數為12份，井下樣品測試數為6份。

從表1中可看出，4組龍馬溪組頁巖陽離子交換容量（CEC）平均值均小于100mmol/kg，總體上說明龍馬溪組頁巖水化膨脹能力較低，其中地區(qū)2的CEC值較高，平均值為92mmol/kg，其水化膨脹能力最大，而地區(qū)1的CEC較低，平均值為45mmol/kg，其水化膨脹能力最小。

從上面分析可看出，不同地區(qū)的露頭頁巖樣品和井下樣品的礦物組成含量和CEC存在差異，這主要是與取樣地區(qū)的沉積環(huán)境有關，說明了龍馬溪組頁巖橫向分布非均質性較強。露頭頁巖樣品的礦物組成和CEC與井下頁巖樣品的礦物組成和CEC存在差異，這種差異屬于含量范圍變化差異。雖然這種差異導致露頭頁巖樣品不能完全代替井下頁巖樣品，但是露頭頁巖樣品理化性能在一定程度上也能反映出井下頁巖樣品理化性能。不同地區(qū)頁巖樣品礦物組成的差異將造成頁巖樣品水化過程的差異，可對比研究硬脆性頁巖水化作用差異。

1.2 微觀結構

為了觀察到龍馬溪組頁巖中黏土礦物產狀、排列方式及其內部微觀結構，同時觀察頁巖在浸泡水前后微觀結構變化，研究水化對龍馬溪組頁巖微觀結構影響，采用掃描電鏡進行觀察。頁巖巖樣浸泡時間分別為10，20，30 d，與對應干燥原巖巖樣進行對比分析。

巖樣微觀結構可見圖2。從圖2a、圖2e和圖2j中可看出，3個地區(qū)巖樣黏土礦物顆粒呈片狀，巖樣中片狀黏土顆粒沿層理方向趨于定向排列，宏觀上表現為層理較發(fā)育，巖樣中微裂紋較發(fā)育。從圖2b、圖2f和圖2k中可看出，巖樣黏土礦物中明顯夾雜著非黏土礦物顆粒如石英、長石等，這些礦物分布不均勻，地區(qū)1巖樣中溶蝕孔發(fā)育，地區(qū)3巖樣中局部發(fā)育溶蝕孔和微裂紋，地區(qū)2巖樣中黏土礦物顆粒和非黏土礦物顆粒無序堆積在一起，礦物顆粒之間膠結程度較差，礦物顆粒之間較松散，巖樣中微裂紋發(fā)育。巖樣中微孔隙和微裂紋為水進入巖樣內部提供流動通道，同時也提供水化作用空間，因毛細管效應產生的自吸吸水作用，將在巖樣內部產生局部水化作用。巖樣浸泡水后微觀結構照片（圖2d、圖2h和圖2m）與干燥巖樣微觀結構照片（圖2c、圖2g和圖2l）對比可看出，巖樣中存在水化現象，片狀黏土礦物輪廓邊緣產生鈍化現象，黏土礦物顆粒表面吸水發(fā)生水化，隨著浸泡時間增加，顆粒體積逐漸膨脹，片狀輪廓邊緣存在加厚現象，但膨脹現象總體不明顯。

1.3 水化應力實驗

為了探索龍馬溪組頁巖水化應力隨接觸時間變化規(guī)律，進行水化應力實驗測試，分析不同地區(qū)頁巖水化應力。圖3為頁巖的水化應力實驗結果。從圖3看出，隨著實驗時間增加，頁巖巖樣的線水化應力先呈上升后趨于穩(wěn)定，三個地區(qū)中的地區(qū)1頁巖巖樣的線水化應力相對較小，地區(qū)2和地區(qū)3巖樣線水化應力相對較大。地區(qū)3頁巖巖樣在與水接觸最初1 h時間內，頁巖巖樣的線水化應力存在階梯上升的變化趨勢，而地區(qū)2頁巖巖樣線水化應力存在更明顯階梯上升的變化趨勢，隨著接觸時間增加，線水化應力呈階梯上升幅度減小，直到水化應力隨時間增加而趨于穩(wěn)定。結合圖4（實驗后地區(qū)2和地區(qū)3巖芯表面裂縫分布）分析頁巖巖樣與水接觸，因毛細管效應作用，水沿著層理面或裂紋進入頁巖巖樣內部，水與粘土礦物顆粒接觸后發(fā)生一系列的物理化學作用，黏土礦物顆粒吸水形成表面水化膜，產生水化應力，在裂紋尖端造成應力集中，易造成裂紋產生或擴展；隨著吸水量增加，黏土礦物顆粒表面水化膜增厚，水化應力增加，裂紋尖端應力更集中，更易造成裂紋擴展，導致頁巖巖樣表面形成比較明顯的宏觀裂縫，從而使水沿著裂縫進入頁巖內部，造成頁巖巖樣表現為宏觀的體積膨脹，頁巖巖樣的水化應力隨之增加。同時觀察到3個地區(qū)巖樣實驗后沒有明顯體積膨脹，說明3個地區(qū)龍馬溪組頁巖體積膨脹率低，屬于弱膨脹性頁巖。

圖3 頁巖的水化應力實驗結果Fig.3 The hydration swelling experiment resu ltsof shale sam p les

圖2 3個地區(qū)巖樣SEMFig.2 The SEM of shales in three differentareas

圖4 水化應力實驗后巖芯對比Fig.4 Corepicturesof shale samplesafter experiment

1.4 自吸吸水率

為了探索龍馬溪組頁巖的自吸吸水率隨時間變化規(guī)律，進行了自吸吸水實驗，測定自吸吸水率，分析巖樣自吸吸水率隨時間變化規(guī)律。自吸吸水率隨時間變化見圖5，從圖中可看出，巖樣自吸吸水率隨時間增加先增加后趨于穩(wěn)定，其中地區(qū)2巖樣自吸吸水率最高，且吸水率增長很快，很快達到飽和狀態(tài)，從圖2f中可知地區(qū)2巖樣中微裂紋較發(fā)育，同時浸泡水后，頁巖巖樣表面上有多條宏觀裂縫，水可沿著宏觀裂縫進入巖樣內部，這樣增加了水與巖樣接觸的面積，造成巖樣的自吸速度增加；地區(qū)1巖樣的自吸吸水率次之，吸水率上升較慢，從圖2b中可知地區(qū)1中頁巖巖樣的溶蝕孔發(fā)育，使巖樣的吸水率較高，同時因巖樣較致密而造成其達到吸水飽和狀態(tài)較慢；地區(qū)3巖樣自吸吸水率最小，吸水率上升較快，較快達到飽和狀態(tài)，從圖2k中可知地區(qū)3巖樣中局部分布有溶蝕孔和微裂紋，孔隙度大，造成吸水率高，達到飽和狀態(tài)較快。

圖5 頁巖自吸實驗結果Fig.5 Resultsof spontaneous imbibition experimentsof shale sam p les

1.5 浸泡水實驗

為了探索龍馬溪組頁巖吸水水化程度，進行巖樣浸泡水實驗，實驗中觀察記錄巖樣浸泡前后的裂縫分布，分析硬脆性頁巖巖樣水化現象，揭示頁巖自吸吸水水化破裂過程。地區(qū)1頁巖巖樣在浸泡水前后巖樣保存完整，巖樣表面未發(fā)現裂縫，其他2個地區(qū)頁巖巖樣浸泡前后裂縫分布見圖6。

圖6 浸泡實驗前后巖芯對比Fig.6 Comparison of shale samplesbeforeand after soaking

從圖6中可看出浸泡水后，巖樣表面可見分布著裂縫（圖中紅色線條表示巖樣表面裂縫），其中地區(qū)2巖樣水化現象較明顯和吸水水化程度較嚴重（1號巖芯取芯方向與層理呈45°，2號巖芯取芯方向與層理成60°，3號巖芯取芯方向與層理平行）。結合觀察記錄，地區(qū)2巖樣表面松散顆粒脫落，浸泡幾分鐘便形成裂縫；地區(qū)2巖樣在巖樣端面邊緣處易形成裂縫，隨著浸泡時間增加，裂縫貫通后剝落成碎塊；地區(qū)2的3個巖樣表面形成多條與層理方向近似平行的主裂縫，隨著浸泡時間增加，1號巖樣的主裂縫貫穿后，巖樣沿著層理面劈開成兩半，劈裂縫兩邊伴生有多條裂縫，3號巖樣表面逐漸生成多條與層理面平行的裂縫，向著巖樣端面擴展和延伸，裂縫逐漸增寬，裂縫貫通后剝落成碎塊，4號巖樣表面繼續(xù)生成多條與層理方向近似平行的宏觀裂縫，裂縫貫通后巖樣破裂成碎塊；地區(qū)3巖樣浸泡數小時后才出現少量裂縫，巖樣雖出現裂縫，但保持完整性未出現掉塊現象，說明地區(qū)3巖樣吸水水化作用不足以使裂縫繼續(xù)擴展及使巖石破裂。地區(qū)1頁巖較致密，吸水水化程度相對較小，而地區(qū)2頁巖的黏土礦物顆粒和非黏土礦物顆粒無序堆積在一起，膠結性差，顆粒間聯結性差、較松散，微裂紋發(fā)育，巖樣吸水削弱顆粒間膠結作用，水化程度較嚴重，易導致巖樣剝落或破裂。不同地區(qū)的頁巖樣品的組構和膠結程度的差異造成了頁巖樣品的水化過程和水化程度不同，說明頁巖組構和膠結程度對頁巖水化程度有重要影響。

2 討論

龍馬溪組硬脆性頁巖層理明顯及微裂紋發(fā)育，其為水進入巖樣內部提供流動通道及為水化作用提供空間。硬脆性頁巖與水相互作用后，其內部發(fā)生物理化學變化，使原有黏土礦物組成或結構發(fā)生改變，產生力學變化將影響其內部裂紋擴展和延伸，反過來會促進巖石與水之間物理化學變化［23］，硬脆性頁巖水化是物理化學作用和力學作用相互耦合結果。

2.1 物理化學作用

硬脆性頁巖與水接觸時，因毛細管效應自吸作用，水沿著層理面或微裂紋進入巖石內部，黏土顆粒與水發(fā)生一系列物理化學反應，同時黏土顆粒表面水化引起黏土顆粒體積膨脹，使顆粒間相互作用和膠結作用減弱，使顆粒間黏結力降低，隨著吸水量增大，使顆粒間的黏結力進一步下降，宏觀上表現為巖石內聚力和內摩擦角的下降幅度增大，造成巖樣的強度值和I型裂紋的斷裂韌性（簡稱斷裂韌性）值降低，嚴重導致巖石破壞。因此，物理化學作用將使巖石強度降低或使巖石斷裂韌性或抵抗裂紋擴展能力下降，使巖石內部裂紋更易起裂或擴展。

研究發(fā)現含水量對硬脆性頁巖巖石力學參數影響較大，表現在巖石內聚力和內摩擦角隨含水量增加而下降［13-15］，其與含水量經驗關系式［14］為

式中：C0，C 含水量為w0，w時巖石內聚力，MPa；

?0，?-含水量為w0，w時內摩擦角，（°）；

w0初始含水量，%；

Ka，Kb，Kc擬合系數。

已知巖石含水量，據式（1）計算巖石內聚力和內摩擦角，依據公式可計算巖石抗壓強度，繼而可得巖石抗拉強度與含水量之間關系曲線見圖7，從圖中可看出，隨著含水量增加，巖石抗拉強度呈下降趨勢。陳治喜等［24］研究了泥頁巖斷裂韌性，并建立斷裂韌性與巖石力學參數關系，泥頁巖斷裂韌性與抗拉強度存在如下關系

式中：KIC巖石I型斷裂韌性，MPa·m1/2；

St巖石抗拉強度，MPa。

已知巖石抗拉強度，計算巖石斷裂韌性與抗拉強度關系見圖8，從圖中看出巖石斷裂韌性隨抗拉強度降低而降低。結合圖7和圖8分析得，隨著含水量增加，巖石抗拉強度降低，巖石抗拉強度降低導致巖石斷裂韌性下降，因此，硬脆性頁巖吸水水化引起物理化學反應，將導致巖石斷裂韌性下降，隨著水化程度加重，巖石斷裂韌性下降趨勢更明顯。

圖7 含水量與巖石抗拉強度的關系Fig.7 Relationship between themoisture contentand tensile strength

圖8 抗拉強度與斷裂韌性的關系Fig.8 Relationship between the fracture toughnessand tensile strength

2.2 力學作用

硬脆性頁巖中黏土顆粒表面吸附水分子，顆粒表面水化膜增厚將使裂紋增寬，黏土顆粒表面水化產生水化應力，作用于裂紋表面，對裂紋有拉應力作用，造成裂紋的尖端應力集中，導致裂紋應力強度因子的增大，當應力強度因子大于斷裂韌性時，裂紋將擴展。在水化過程中，力學效應主要是水化應力對裂紋起到拉應力作用，造成裂紋尖端應力更集中，應力強度因子增加。因此，為了研究力學效應，進行應力強度因子求解。將圓柱體巖樣簡化為有限體板模型巖樣，以寬度為2w（m），高度為2h（m），厚度為2t（m）板為研究對象，裂紋為長軸2a（m）、短軸2b（m）橢圓，裂紋可在板內部或表面即為內部裂紋或表面裂紋（橢圓長軸在板表面，且位于板高的中心）。假設巖樣裂紋面受到均勻水化應力作用，有限板內部裂紋和表面裂紋應力強度因子［25］表達式

板內部橢圓裂紋

板表面半橢圓裂紋

式中：KI，內部、表面應力強度因子，MPa·m1/2；

P-水化應力，MPa；

2w-板的寬度，m；

2h-板的高度，m；

2t-板的厚度，m；

2a-裂紋長軸，m；

2b-裂紋短軸，m；

M，M1，M2，M3，g，fθ，fw參數，具體見參考文獻［25］。

在板幾何特征不變的情況下，分別研究了裂紋長度和水化應力對應力強度因子影響，見圖9和圖10。從圖9和圖10中可看出，隨著裂紋長度增加或水化應力增加，表面和內部裂紋尖端應力集中程度較明顯，應力強度因子增加，造成裂紋易于擴展，但表面裂紋應力強度因子大于內部裂紋應力強度因子，說明表面裂紋比內部裂紋更易擴展；隨著裂紋長度增加，表面裂紋長軸處應力強度因子下降，而表面裂紋短軸處應力強度因子增加，說明裂紋長度越長，表面裂紋向板內擴展，裂紋長度越短，表面裂紋沿板面更易擴展；隨著水化應力增加，表面裂紋短軸處應力強度因子上升幅度快于長軸處應力強度因子，說明隨著水化應力增加，表面裂紋更易向板內擴展。研究表明在其他條件不變的情況下，巖樣自吸水化作用越嚴重，表面裂紋比內部裂紋更易擴展，表面裂紋是向巖樣內擴展還是沿巖樣表面擴展是綜合作用結果。

圖9 裂紋長度對應力強度因子影響Fig.9 The influenceof crack length on thestress intensity factor

圖10 水化應力對應力強度因子影響Fig.10 The influence of hydration stresson the stress intensity factor

不同地區(qū)硬脆性頁巖水化過程差異明顯，但水化過程中都存在物理化學效應和力學效應，硬脆性頁巖水化機理主要是：硬脆性頁巖與水接觸后，因毛細管效應自吸作用，水沿層理面或微裂紋進入巖石內部與黏土顆粒接觸，黏土顆粒與水發(fā)生一系列物理化學反應，使顆粒間的黏結力減小，宏觀上表現為巖石內聚力和內摩擦角的減小，造成巖石強度和斷裂韌性的降低，物理化學效應可認為是使巖石斷裂韌性或抵抗裂紋擴展能力下降；頁巖中黏土顆粒表面吸水，形成表面水化膜，表面水化產生水化應力，對裂紋起拉應力作用，造成裂紋尖端處應力集中，導致應力強度因子增加，力學效應可認為是使應力強度因子增加；硬脆性頁巖與水接觸后，水化過程中物理化學作用使斷裂韌性下降，力學作用使裂紋應力強度因子增大，當應力強度因子小于斷裂韌性時，裂紋不易擴展；當應力強度因子大于斷裂韌性時，裂紋易于擴展或延伸，隨著水化程度加重，表面水化膜增厚，水化應力增大，巖石斷裂韌性繼續(xù)下降及裂紋應力強度因子繼續(xù)增加，裂紋將繼續(xù)擴展或延伸。當巖石內部的多條裂紋匯合貫通后將形成宏觀裂紋，其繼續(xù)可形成裂縫。

3 結論

（1）龍馬溪組頁巖黏土礦物組成以伊利石為主，黏土礦物呈片狀且定向排列，頁巖層理和微裂紋發(fā)育，為水化提供作用空間和流動通道。

（2）微觀結構觀察顯示，在浸泡過程中，龍馬溪組頁巖水化使黏土顆粒體積膨脹；龍馬溪組頁巖水化應力和自吸吸水率隨浸泡時間增加先上升后趨于穩(wěn)定，頁巖組構對上升速率或幅度有重要影響。

（3）在浸泡過程中，頁巖巖樣表面形成近似于平行層理面的裂縫，隨著浸泡時間增加，巖樣保持完整性或水化剝落成碎塊，頁巖的組構和膠結程度對頁巖水化程度有重要影響。

（4）硬脆性頁巖水化是物理化學作用和力學作用相互耦合的結果，前者使巖石斷裂韌性下降，后者使裂紋尖端處應力強度因子增大，當裂紋尖端處應力強度因子大于巖石斷裂韌性時，裂紋將擴展或增寬。

（5）不同地區(qū)龍馬溪組硬脆性頁巖水化作用差異較大，說明龍馬溪組硬脆性頁巖的橫向分布非均質性較強，不同地區(qū)防止井壁失穩(wěn)采取措施不一樣。

［1］胡文瑞，翟光明，李景明.中國非常規(guī)油氣的潛力和發(fā)展［J］.中國工程科學，2010，12（5）：25-29，63.

HU Wenrui，ZHAI Guangm ing，LI Jingm ing.Potential and development of unconventional hydrocarbon resources in China［J］.Engineering Sciences，2010，12（5）：25-29，63.

［2］CHEE PT，RICHARDSB G，RAHMAN SS，etal.Effectsof swelling and hydration stress in shaleonwellbore stability［C］.SPE 38057，1997

［3］汪傳磊，李皋，嚴俊濤，等.川南硬脆性頁巖井壁失穩(wěn)機理實驗研究［J］.科學技術與工程，2012，12（30）：8012-8015.

WANGChuanlei，LIGao，YAN Juntao，etal.Experiment study of hard and brittle shalewellbore instabilitymechanism in south of Sichuan［J］.Science Technology and Engineering，2012，12（30）：8012-8015.

［4］趙凱，袁俊亮，鄧金根，等.層理產狀對頁巖氣水平井井壁穩(wěn)定性的影響［J］.科學技術與工程，2013，13（3）：580-583.

ZHAO Kai，YUAN Junliang，DENG Jin′gen，et al.Effectof bedding plane occurrence on horizontal shale gas wellbore stability［J］.Science Technology and Engineering，2013，13（3）：580-583.

［5］閆傳梁，鄧金根，蔚寶華，等.頁巖氣儲層井壁坍塌壓力研究［J］.巖石力學與工程學報，2013，32（8）：1595-1602.

YAN Chuanliang，DENG Jin′gen，YU Baohua，et al. Research on collapsing pressure of gas shale［J］.Chinese Journalof Rock Mechanicsand Engineering，2013，32（8）：1595-1602.

［6］高莉，張弘，蔣官澄，等.鄂爾多斯盆地延長組頁巖氣井壁穩(wěn)定鉆井液［J］.斷塊油氣田，2013，20（4）：508-512.

GAO Li，ZHANG Hong，JIANG Guancheng，et al. Drilling fluid for wellbore stability of shale gas in Yanchang Formation，Ordos Basin［J］.Fault-block Oil&Gas Field，2013，20（4）：508-512.

［7］任銘，汪海閣，鄒靈戰(zhàn)，等.頁巖氣鉆井井壁失穩(wěn)機理試驗與理論模型探索［J］.科學技術與工程，2013，13（22）：6410-6414，6435.

REN M ing，WANG Haige，ZOU Lingzhan，etal.Experimentalstudy and theoreticalmodel research ofwellbore instabilitymechanism in ashalegaswell［J］.Science Technology and Engineering，2013，13（22）：6410-6414，6435.

［8］袁俊亮，鄧金根，蔚寶華，等.頁巖氣藏水平井井壁穩(wěn)定性研究［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（9）：66-70.

YUAN Junliang，DENG Jin′gen，YUBaohua，etal.Wellborestability ofhorizontalwellsin shalegas reservoirs［J］. NaturalGas Industry，2012，32（9）：66-70.

［9］黃榮樽，陳勉，鄧金根，等.泥頁巖井壁穩(wěn)定力學與化學的藕合研究［J］.鉆井液與完井液，1995，12（3）：15-21，25.

HUANG Rongzun，CHEN M ian，DENG Jin′gen，et al. Study on shale stability of wellbore by mechanics coupling chem istrymethod［J］.Drilling Fluid and Completion Fluid，1995，12（3）：15-21，25.

［10］YU M，Chen G U，Chenevert M E，et al.Chemical and thermal effects on wellbore stability of shale formations［C］.SPE 71366，2001.

［11］李天太，高德利.頁巖在水溶液中膨脹規(guī)律的實驗研究［J］.石油鉆探技術，2002，30（3）：1-3.

LI Tiantai，GAO Deli.Experimental study on shale swelling in varioussolutions［J］.Petroleum Drilling Techniques，2002，30（3）：1-3.

［12］CHEN G，CHENEVERT M E，SHARMA M M，et al.A study ofwellbore stability in shales including poroelastic，chem ical，and thermaleffects［J］.Journalof Petroleum Science&Engineering，2003，38（3）：167-176.

［13］鄧虎，孟英峰.泥頁巖穩(wěn)定性的化學與力學耦合研究綜述［J］.石油勘探與開發(fā)，2003，30（1）：109-111.

DENG Hu，MENG Yingfeng.A discussion on shale stability coupling w ith mechanics and chemistry［J］. Petroleum Exploration and Development，2003，30（1）：109-111.

［14］王京印.泥頁巖井壁穩(wěn)定性力學化學耦合模型研究［D］.青島：中國石油大學，2007.

WANG Jingyin.Chem ical-mechanicalmodeling of borehole stability in shale［D］.Qingdao：China University of Petroleum，2007.

［15］孔德虎.泥頁巖水化對井壁穩(wěn)定的影響規(guī)律研究［D］.大慶：東北石油大學，2010.

KONG Dehu.Study on the effects of hydration on borehole stability in shale［D］.Daqing：Northeast Petroleum University，2010.

［16］王倩，周英操，唐玉林，等.泥頁巖井壁穩(wěn)定影響因素分析［J］.巖石力學與工程學報，2012，31（1）：171-179.

WANG Qian，ZHOU Yingcao，TANG Yulin，etal.Analysis of effect factor in shale wellbore stability［J］.Chinese Journalof Rock Mechanicsand Engineering，2012，31（1）：171-179.

［17］岳前升，李玉光，何保生，等.潿洲12-1N油田硬脆性泥頁巖研究及鉆井液技術對策［J］.中國海上油氣，2005，17（1）：44-47.

YUEQiansheng，LIYuguang，HE Baosheng，et al.Research on the hard brittle shale and drilling fluid type in WZ 12-1N Oilfield［J］.China Offshore Oil and Gas，2005，17（1）：44-47.

［18］趙峰，唐洪明，孟英峰，等.微觀地質特征對硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定性影響與對策研究［J］.鉆采工藝，2007，30（6）：16-18.

ZHAO Feng，TANG Hongm ing，MENG Yingfeng，etal. Study on the influence ofmicroscopic geologic characteristics on wellbore stability of brittle shale［J］.Drilling& Production Technology，2007，30（6）：16-18.

［19］冒海軍，郭印同，王光進，等.黏土礦物組構對水化作用影響評價［J］.巖土力學，2010，31（9）：2723-2728.

MAO Haijun，GUO Yintong，WANG Guangjin，et al. Evaluation of impact of clay m ineral fabrics on hydration process［J］.Rock and SoilMechanics，2010，31（9）：2723-2728.

［20］王怡，徐江，梅春桂，等.含裂縫的硬脆性泥頁巖理化及力學特性研究［J］.石油天然氣學報，2011，33（6）：104-108.

WANG Yi，XU Jiang，MEI Chungui，et al.Chem ical and mechanical properties of brittle fractured mud shale［J］.Journal of Oil and Gas Technology，2011，33（6）：104- 108.

［21］石秉忠，夏柏如.硬脆性泥頁巖水化過程的微觀結構變化［J］.大慶石油學院學報，2011，35（6）：28-34.

SHIBingzhong，XIA Boru.The variation ofmicrostructures in thehard brittle shalehydration process［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，2011，35（6）：28-34.

［22］石秉忠，夏柏如，林永學，等.硬脆性泥頁巖水化裂縫發(fā)展的CT成像與機理［J］.石油學報，2012，33（1）：137-142.

SHI Bingzhong，XIA Bairu，LIN Yongxue，et al.CT imagingandmechanism analysisof crack developmentby hydration in hard-brittleshale formations［J］.Acta Petrolei Sinica，2012，33（1）：137-142.

［23］折海成，劉斌，華帥，等.裂縫吸水對泥頁巖強度的影響［J］.遼寧化工，2010，39（8）：854-857.

SHE Haicheng，LIU Bin，HUA Shuai，et al.Effect of hygroscope of split on mud shale strength［J］.Liaoning Chem ical Industry，2010，39（8）：854-857.

［24］陳治喜，陳勉，金衍.巖石斷裂韌性與聲波速度相關性的試驗研究［J］.石油鉆采工藝，1997，19（5）：56-60，75.

CHEN Zhixi，CHENM ian，JIN Yan.Experimentalstudy on the relationship between rock fracture toughness and acoustic velocity［J］.Oil Drilling&Production Technology，1997，19（5）：56-60，75.

［25］中國航空研究院.應力強度因子手冊（增訂版）［M］.北京：科學出版社，1993.

編輯：牛靜靜

編輯部網址：http：//zk.swpuxb.com

Hydration Experimentof Hard Brittle Shaleof the LongmaxiFormation

LIU Xiangjun1，2*，XIONG Jian2，LIANG Lixi1
1.State Key Laboratory of Oiland GasReservoirGeology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China 2.Schoolof Geosciencesand Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China

The hydration of hard brittle shale has an important influence on the borehole stability.Therefore，the hydration experimentswasdone for different typesof shale from the Longmaxi formation in the south region of Sichuan Basin，observationsweremade tom ineralcomposition，m icrostructure，hydration swelling stress，waterabsorption by self-prim ing and core immersion.And based on observations，the paper discusses the hard brittle shale hydration processand hydrationmechanism. The result shows that themain claym ineral of shale is illite，the shape of the claym ineral particles is flake and directional alignment.There are lots of bedding andmicro-crack in the shale，which provide the operation-space and flow channel for the hydration of shale.The hydration swelling stress and water absorption by self-prim ing of shale tend to ascent firstbefore becom ing stable.The fabric of the shale has an important influence on the ascend velocity or extent.The fractures in the surface of sample are parallel plane of bedding in the processof immersion.With the increaseof immersion time，the sample would keep its integrality or spall to pieces.The fabric and cementation type of the shale have an important influence on the hydration swelling.The hydration of the shale is a resultof coupling of physical-chem ical action andmechanical action，the formerdecreasing the rock fracture toughness，and the later increasing the stress intensity factor formode-Ifracture.When the stress intensity factor isgreater than the rock fracture toughness，the crackw illextend orbroaden.

hardbrittleshale；LongmaxiFormation shale；hydration swelling；spontaneousimbibition rateofwater；physicalchem icalaction；mechanicalaction

劉向君，1969年生，女，漢族，四川資中人，教授，博士生導師，主要從事巖石力學及巖石物理、井壁穩(wěn)定和防砂完井、測井交叉方面的教學與研究工作。E-mail：liuxiangjunswpi@163.com

熊健，1986年生，男，漢族，湖北荊州人，講師，博士，主要從事巖石物理及非常規(guī)頁巖氣等方面的研究。E-mail：361184163@qq.com

梁利喜，1976年生，男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，講師，博士（后），主要從事井壁穩(wěn)定技術、巖石物理與巖石力學、石油工程測井等相關研究。E-mail：liangzby@163.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2014.04.10.05

1674-5086（2016）03- 0178-09

TE21

A

http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1718.TE.20160527.1626.014.htm l

劉向君，熊健，梁利喜．龍馬溪組硬脆性頁巖水化實驗研究［J］．西南石油大學學報（自然科學版），2016，38（3）：178-186．

LIU Xiangjun，XIONG Jian，LIANG Lixi．Hydration ExperimentofHard BrittleShaleof the LongmaxiFormation［J］．Journalof SouthwestPetroleum University（Science&Technology Edition），2016，38（3）：178- 186．

2014- 04-10網絡出版時間：2016- 05-27

劉向君，E-mail：liuxiangjunswpi@163.com

國家自然科學基金聯合基金重點項目（U1262209）；國家自然科學基金（51274172）。