劉 洪，徐烽淋，陳 喬，朱洪林，蘇德桂，馮柯來

(1.頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心，重慶 401120；2.自然資源部 頁巖氣資源勘查重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401120；3.重慶市涪陵頁巖氣環(huán)保研發(fā)與技術(shù)服務(wù)中心，重慶 408000；4.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；5.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司蜀南氣礦，四川 瀘州 646000)

頁巖含有黏土礦物，與水基鉆井液或水基壓裂液接觸后會(huì)發(fā)生水化作用致其膨脹和強(qiáng)度弱化[1]。龍馬溪組頁巖儲(chǔ)層壓裂施工過程中，發(fā)生因頁巖水化致其強(qiáng)度降低進(jìn)而引起套管外載增加的問題，尤其在復(fù)雜地應(yīng)力地區(qū)，即使較小程度的頁巖強(qiáng)度降低也會(huì)帶來套管外載的顯著增大，因此，開展該區(qū)域頁巖吸水特性及對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響具有重要意義。E.van Oort[2]論述了鉆井液和頁巖之間的物理化學(xué)作用，對(duì)頁巖地層的有效應(yīng)力進(jìn)行了重新定義。頁巖水化影響巖石應(yīng)力分布，井壁處水化膨脹造成應(yīng)力值很高[3]。CT 技術(shù)可用于揭示頁巖水化過程中巖石的破壞及其對(duì)裂縫的拓展規(guī)律[4]，利用CT 掃描技術(shù)研究頁巖細(xì)觀損傷特性，定量評(píng)價(jià)浸泡時(shí)間與頁巖損傷變量的關(guān)系[5]。飽水時(shí)間是頁巖吸水率與微觀結(jié)構(gòu)變化的重要影響因素，隨著飽水時(shí)間增加，頁巖吸水率呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)呈負(fù)對(duì)數(shù)降低[6]；郭富利等[7]通過不同飽水狀態(tài)條件下頁巖的三軸試驗(yàn)，探討了圍壓與飽水狀態(tài)對(duì)巖石強(qiáng)度的影響規(guī)律；滕宏偉[8]通過頁巖彈性模量和抗壓強(qiáng)度隨飽水時(shí)間的變化規(guī)律，給出了相應(yīng)的軟化方程。此外，王光兵等[9]開展了鉆井液作用前后超聲波時(shí)差與衰減系數(shù)的變化規(guī)律；梁利喜等[10-11]利用線彈性理論和單一弱面準(zhǔn)則，建立了考慮弱面結(jié)構(gòu)、水化和滲流作用的滲流-力化耦合井壁穩(wěn)定模型；并開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究頁巖潤濕性和水化作用，基于斷裂力學(xué)理論，考慮水化作用和潤濕性，建立頁巖裂縫擴(kuò)展模型，分析水化作用和潤濕性對(duì)頁巖裂縫擴(kuò)展的影響；吳小林等[12]通過測(cè)量頁巖在一種泥漿中浸泡不同時(shí)間前后的聲波變化情況，闡明頁巖聲波變化的微觀機(jī)理；劉向君等[13]從力學(xué)和物理化學(xué)動(dòng)態(tài)過程出發(fā)，總結(jié)了水化對(duì)泥頁巖地層安全鉆井的影響；盧運(yùn)虎等[14]也針對(duì)頁巖水化條件下的力學(xué)特性變化規(guī)律開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究；陳劉瑜等[15]研究了水化、酸化作用下頁巖孔裂隙沿層理面起裂、擴(kuò)展延伸特征，分析其對(duì)頁巖巖石力學(xué)特性的影響；婁義黎等[16]利用數(shù)值模擬方法研究流固耦合作用下頁巖的破裂過程和聲發(fā)射特征；田明錦等[17]通過抑制膨潤土造漿試驗(yàn)、抑制頁巖膨脹試驗(yàn)和抑制頁巖分散試驗(yàn)，分析了炭-泥質(zhì)頁巖水化膨脹和分散的效果。上述研究主要開展單一溶液體系對(duì)巖石宏觀、細(xì)觀力學(xué)效應(yīng)的影響?；谇叭说难芯空J(rèn)識(shí)，筆者采用物理實(shí)驗(yàn)方法，分析不同溶液體系條件下頁巖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，研究水化過程中頁巖的吸水、膨脹特性及力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，為正確認(rèn)識(shí)頁巖水化過程中宏觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化及制定井壁穩(wěn)定技術(shù)對(duì)策提供指導(dǎo)。

1 巖樣采集及制備

選取渝東北地區(qū)龍馬溪組頁巖為研究對(duì)象，考慮到井下巖心的有限性，在城口廟壩采集了大量的龍馬溪組露頭巖心(表1)。取樣地點(diǎn)：城口縣廟壩鎮(zhèn)石橋村一組；坐標(biāo)：東經(jīng)108°30′28″，北緯31°56′27″。

表1 渝東北地區(qū)城口廟壩露頭巖樣信息Table 1 Information of outcrop samples of Chengkoumiaoba in northeast Chongqing

在選取的大巖樣上進(jìn)行小巖心鉆取，采用干空氣抽吸方法鉆取柱狀巖心，所鉆取巖心直徑均在25 mm左右，高度介于49.83～51.12 mm。龍馬溪組上部和下部各制備30 塊巖心。

從表1 可知，龍馬溪組下部樣品黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.9%～22.2%，上部試樣黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.1%～29.7%，上部黏土礦物含量普遍高于下部。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 頁巖自吸實(shí)驗(yàn)

2.1.1 巖心選取

選取標(biāo)準(zhǔn)為黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異小于5%～8%的兩組頁巖。作為實(shí)驗(yàn)樣品，再通過孔隙率、滲透率和超聲波測(cè)試等手段，分別選取基礎(chǔ)物性很相近的巖心作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，包括mb-1-7—mb-1-9 和mb-2-1—mb-2-3。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)用液

實(shí)驗(yàn)選用3 種液體進(jìn)行對(duì)比：蒸餾水、5%KCl溶液(模擬地層水)、滑溜水壓裂液。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

首先，將經(jīng)過80℃下烘干的頁巖樣開展孔隙率、滲透性參數(shù)和巖樣損害前的擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試；

而后，在儲(chǔ)層溫度條件下，將烘干的柱狀巖樣進(jìn)行溶液浸泡自吸實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)自吸量隨時(shí)間的變化，記錄最終自吸量。并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中(圖1)，選用2 個(gè)相同的電子天平同時(shí)計(jì)量巖心自吸過程，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率。

圖1 巖心自吸實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of core self-priming experiment

2.2 頁巖膨脹實(shí)驗(yàn)

2.2.1 巖心選取

選取標(biāo)準(zhǔn)與吸水實(shí)驗(yàn)一致，每組實(shí)驗(yàn)涉及3 種不同溶液和2 種圍壓條件，因此，每組所需實(shí)驗(yàn)巖心6 塊，共需完成2 組，合計(jì)12 塊巖心；第1 組巖心樣編號(hào)為mb-1-13—mb-1-18，第2 組巖心樣編號(hào)為mb-2-7—mb-2-12。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)預(yù)處理

a.巖粉制備 首先，用巖樣粉碎機(jī)將實(shí)驗(yàn)用露頭黑色頁巖打磨成粉砂狀，然后用RK/PE100 型振篩機(jī)篩出100 目(150 mm)左右粒徑的巖粉，放進(jìn)電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)內(nèi)，設(shè)定溫度100℃下烘干4 h。

b.巖粉裝筒 用AR2140 型號(hào)電子天平稱取10 g左右?guī)r粉倒入巖心壓制筒中，并輕微震動(dòng)旋轉(zhuǎn)壓制筒邊緣，使其均勻分布。然后，將壓塊有螺紋孔的一端向上放置，蓋上壓制蓋，并掛在巖心制備器上開始制備巖心。

c.壓制操作步驟 ①控制減壓器到4 MPa，打開進(jìn)氣閥和放空閥；② 關(guān)閉巖心制備器上端放空閥和下端進(jìn)氣閥；③約10 min 后，關(guān)閉巖心制備器上端進(jìn)氣閥和下端放空閥；④ 打開巖心制備器上端放空閥和下端進(jìn)氣閥；⑤ 使巖心制備器內(nèi)的活塞向上推動(dòng)；⑥ 最后，取下巖心制備筒，取出巖樣壓塊，繼續(xù)進(jìn)行下一組巖心制備，步驟同上。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)操作流程

稱取10 g 頁巖粉末壓制成巖餅，放入主測(cè)杯底部，調(diào)整好位置，并擰緊注液杯和主測(cè)杯注氣管線的固定螺釘；

關(guān)閉注液杯與主測(cè)杯之間的注液閥，然后向注液杯中倒入30 mL 實(shí)驗(yàn)液，擰緊杯蓋，開啟加溫開關(guān)，到達(dá)實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，打開注液閥大約10 s 后迅速關(guān)閉注液閥；

利用計(jì)算機(jī)上的控制軟件，打開加壓氮?dú)忾y增壓至實(shí)驗(yàn)壓力時(shí)，記錄巖樣的位移初始值H0，設(shè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為48 h 以上，結(jié)束后停止實(shí)驗(yàn)，記錄巖樣的位移最終值HD。最后，利用式(1)計(jì)算頁巖的膨脹率V。

2.3 頁巖強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

采用RTR-1500 型三軸巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行頁巖常規(guī)三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，測(cè)試頁巖試件在不同圍壓下的三軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等，分析頁巖的強(qiáng)度特征、破壞特征及各向異性特征，為頁巖井壁失穩(wěn)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)采用分組對(duì)比巖心，將高低兩組黏土礦物含量的干燥巖樣和分別飽水4、8、12、16、20、24 h 的巖樣，在0、13 MPa 的圍壓下分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 頁巖自吸特性

龍馬溪組下部頁巖(mb-1-7—mb-1-9)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，在16 h 內(nèi)，巖心吸入蒸餾水量最大，蒸餾水滲吸速率最高，反映出頁巖巖心對(duì)蒸餾水的吸水能力最強(qiáng)。巖心在蒸餾水中單位面積最大吸液量為0.014 1 g；在地層水中為0.013 g，僅次于蒸餾水；在滑溜水中為0.011 g，吸水能力最弱，說明滑溜水中的添加劑在一定程度上減少了液體的浸入。

圖2 龍馬溪組下部頁巖在不同液體中吸液能力Fig.2 Liquid absorption capacity of the bottom shale of Longmaxi Formation in different liquids

龍馬溪組上部頁巖mb-2-1—mb-2-3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，由圖中可以看出，在溶液體系中頁巖自吸量隨時(shí)間的變化規(guī)律與下部巖樣基本一致，自吸量與時(shí)間都呈對(duì)數(shù)函數(shù)遞增規(guī)律，但是在黏土礦物含量較高的龍馬溪組上部，頁巖的自吸量整體較大。同時(shí)，頁巖對(duì)不同溶液吸水能力都表現(xiàn)為蒸餾水＞地層水＞滑溜水，含有減阻劑濃度小的滑溜水體系更利于減弱頁巖的吸水能力。

圖3 龍馬溪組上部頁巖在不同液體中吸液能力Fig.3 The liquid absorbing capacity of the top shale of the Longmaxi Formation in different liquids

3.2 頁巖膨脹特性

頁巖在蒸餾水、地層水和滑溜水條件下的膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。為了直觀表述，選取表2 中部分樣品，分析不同條件下頁巖膨脹的特性(圖4，圖5)。

從圖4—圖5 中可以看出，膨脹率隨時(shí)間增加逐漸增大。在黏土礦物含量較高的頁巖中，膨脹率隨時(shí)間的變化幅度更大(圖4)。但總體來看，相對(duì)于黏土含量，圍壓對(duì)膨脹率影響更加明顯。同時(shí)，不同溶液體系對(duì)頁巖膨脹率影響也很大，表現(xiàn)為蒸餾水＞地層水＞滑溜水。

表2 不同溶液條件下頁巖膨脹特征Table 2 Expansion change table under different solution conditions

圖4 大氣壓條件下巖心膨脹率變化趨勢(shì)Fig.4 Variation of core expansion rate under atmospheric pressure

圖5 13 MPa 圍壓下巖心膨脹率變化趨勢(shì)Fig.5 Variation of core swelling rate under 13 MPa confining pressure

3.3 水化對(duì)頁巖巖石力學(xué)特性的影響

3.3.1 彈性模量

依據(jù)抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)所得到的巖石力學(xué)參數(shù)，開展不同飽水條件下頁巖彈性模量數(shù)據(jù)分析(表3)，由表中可以發(fā)現(xiàn)：兩種圍壓情況下，巖樣的彈性模量都隨水化時(shí)間呈現(xiàn)遞減的變化規(guī)律，在高低兩組黏土礦物含量條件下，均存在圍壓越高彈性模量降低速率越快的現(xiàn)象；相同水化時(shí)間和圍壓條件下，黏土礦物含量越高，其彈性模量總體表現(xiàn)越低；相同水化時(shí)間的同一個(gè)樣品，圍壓越高，彈性模量越高。

表3 不同圍壓下、不同水化時(shí)間的巖樣彈性模量Table 3 Elastic modulus of rock samples under different confining pressures and different hydration time

3.3.2 泊松比

利用抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)所得的巖石力學(xué)參數(shù)，分析不同圍壓下、不同飽水狀態(tài)巖樣泊松比的變化規(guī)律(表4)，結(jié)果表明：兩種圍壓情況下，兩組巖樣的泊松比都隨著水化時(shí)間的增加略呈遞增趨勢(shì)；相同水化時(shí)間和圍壓條件下，黏土礦物含量越高，其泊松比總體表現(xiàn)越大；相同水化時(shí)間的同一個(gè)樣品，圍壓越高，泊松比越小。

表4 不同圍壓下、不同水化時(shí)間的巖樣泊松比Table 4 Poisson's ratio of rock samples under different confining pressures and different hydration time

3.3.3 抗壓強(qiáng)度

不同圍壓、不同飽水程度對(duì)頁巖抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果見表5。從表中可知：兩種圍壓條件下，隨水化時(shí)間的增加，兩組巖樣抗壓強(qiáng)度總體都呈降低趨勢(shì)，同時(shí)，隨著圍壓的增加，水化作用對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響減弱。兩種圍壓條件下、兩組巖樣的抗壓強(qiáng)度隨水化時(shí)間呈線性遞減規(guī)律變化；且相同水化時(shí)間和圍壓條件下，黏土礦物含量越高，其抗壓強(qiáng)度越弱；相同水化時(shí)間的同一個(gè)樣品，圍壓越高，抗壓強(qiáng)度越高。

表5 不同圍壓下、不同水化時(shí)間的巖樣抗壓強(qiáng)度Table 5 Compressive strength of rock samples under different confining pressures and different hydration time

綜上實(shí)驗(yàn)可知，頁巖中由于含有一定量的黏土礦物，在與水基工作液接觸時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出一定的膨脹特性，進(jìn)而引起巖石強(qiáng)度的弱化。實(shí)驗(yàn)所表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與已有的針對(duì)泥巖的研究結(jié)果基本一致[18-19]。

4 結(jié)論

a.渝東北地區(qū)龍馬溪組頁巖，在不同溶液中其吸水能力有較大區(qū)別，具體為：蒸餾水＞地層水＞滑溜水；在同一溶液體系中不同黏土礦物含量的樣品的自吸量變化趨勢(shì)一致，自吸量大小與時(shí)間都呈對(duì)數(shù)函數(shù)遞增規(guī)律，研究區(qū)上部黏土含量相對(duì)較高的頁巖，其浸泡前后自吸量變化更大。

b.在不同溶液條件下，黏土礦物含量較高的龍馬溪組上部頁巖膨脹性能較好，尤其是在常壓條件下，膨脹率較大；在頁巖黏土含量相近的條件下，頁巖的膨脹性能大小為：蒸餾水＞地層水＞滑溜水，但是在地層壓力條件下，膨脹率變化相對(duì)較小。

c.0 MPa 和13 MPa 兩種圍壓情況下，巖樣的彈性模量和抗壓強(qiáng)度都隨著水化時(shí)間的增加而降低，圍壓越高，彈性模量越大，水化作用對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響也減弱；巖樣的泊松比都隨著水化時(shí)間的增加略呈遞增趨勢(shì)。

d.下一步將對(duì)頁巖的膨脹應(yīng)力進(jìn)行研究，進(jìn)而分析膨脹應(yīng)力與巖石弱化共同作用下對(duì)套管的應(yīng)力影響，相關(guān)研究結(jié)果將對(duì)完井過程套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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