（油气井工程专业论文）泥页岩水化应力模拟实验与预测方法研究.pdf

s t u d y o ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dp r e d i c t i o nm e t h o do f t h eh y d r a t i o ns t r e s so f c l a ys h a l e h u z h o n g - z h i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq i uz h e n g - s o n g a b s t r a c t o n eo f d o m i n a n tf a c t o r so f b o r e h o l es l o u g h i n gi st h eh y d r a t i o no f s h a l e b u t a tp r e s e n t ，t h ee f f e c to fs h a l eh y d r a t i o nu s u a l l yb ea n a l y z e dt h r o u g hq u a l i t a t i v e t h e o r e t i c a l s ot h e r ei sn om e t h o dw h i c hc a l lb eu s e dt oa p p r a i s et h ed e g r e eo f h y d r a t i o np r e s so fs h a l e ( h y d r a t i o ns t r e s s ) e f f e c t i v e l yu pt on o w t h e r e f o r e ：, i ti s n e c e s s a r yt op r o b eo n ek i n do fp r e d i c t i o nm e t h o do fh y d r a t i o ns t r e s so fs h a l e w h i c hc a nq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t et h ed e g r e eo fs h a l eh y d r a t i o na n dp r o b ei n t o t h em e c h a n i s mo f i n s t a b i l i t yo f s h a l el a y d r a t i o nt h o r o u g h l y b a s e do nt h ep r o b i n gi n t ot h em e c h a n i s mo fs h a l eh y d r a t i o nt h o r o u g h l y , f i r s to fa l l r e c o n s t r u c t i n gt h eo r i g i n a ls h a l eh y d r a t i o n m e c h a n i c sc o u p l i n g s i m u l a t i o ne q u i p m e n t ( s h m ) ，a t t e m p t i n gt oe s t a b l i s ham e t h o dw h i c hc a r lb e u s e dt om e a s u r eh y d r a t i o ns t r e s so fc l a ys h a l e ，t h e nt e s t i n gh y d r a t i o ns t r e s so f c l a ys h a l eq u a n t i t a t i v e l yf u r t h e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh y d r a t i o ns t r e s so f c l a ys h a l ea n di t sm a i ni n f l u e n t i a lf a c t o rw a sa n a l y z e du s i n gp r e d i c t i o na n a l y s i s s o f t w a r ew i mp h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c ea n dm i n e r a lc o n s t i t u e n tt e s t e d b e f o r e r e s u l t so ft h et e s t i n ga n dp r e d i c t i o ns h o wt h a tt h ee s t a b l i s h e dm e t h o dt o m e a s u r eh y d r a t i o ns t r e s so fc l a ys h a l eh a sb e t t e r r e l i a b i l i t y f i n a l l y t h e d e t e r m i n a n tf a c t o ro fh y d r a t i o ns t r e s so fc l a ys h a l ew a sd e t e r m i n e dt h r o u g h a n a l y z i n g k e yw o r d s ：c l a ys h a l e ，h y d r a t i o ns t r e s s ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t , h y d r a t i o n m e c h a n i s m ，p r e d i c a t i v ea n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 搁尘毒) w 0 7 年 f 月摊 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 翻中南词年 厂月辨日 抛1 年r 月彤日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 研究的意义 在钻井过程中，井壁不稳定是急需解决的问题之一。井壁不稳定主要发 生在泥页岩地层，而在钻井过程中所钻遇地层的7 5 是泥页岩，由其引起的 并壁不稳定超过了9 0 【l 】。泥页岩中粘土矿物吸水膨胀产生的水化应力是造 成井壁坍塌的主要因素之一。过去解决该问题的方法之一就是替换水基钻井 液为油基钻井液，由于油基钻井液可以避免水进入泥页岩地层，它能很好地 解决泥页岩地层钻井过程中的井壁稳定问题。但油基钻井液成本较高、对环 境污染大，这就限制了它的广泛应用，所以，目前现场多数使用水基钻井液 体系。许多学者已在泥页岩层井壁稳定方面做了很多研究工作，但到目前为 止，还没有一套完整的方法来评价泥页岩水化膨胀的程度，不能计算或测定 出泥页岩水化膨胀压( 水化应力) 的大小，目前多以定性的理论推导，来分 析泥页岩水化的机理及程度，且少数研究提出的有关公式过于复杂，不便于 实用；在实验研究方面，由于测定的复杂性和影响因素的多样性，且其主次 影响因素又常常存在较大差异，各因素间又有着相互联系，给实验测试和预 测带来极大困难。 因此，非常有必要探索建立一种水化应力的实验测定方法，对泥页岩水 化作用程度作出定量的评价，并进一步深入探讨泥页岩水化机理。 1 2 研究目标 对泥页岩水化问题，国内外已进行了几十年的研究，但对其进行定量化 研究分析则起源于二十世纪八十年代末九十年代初的美国。通过近二十多年 努力，目前初步建立起某些有关泥页岩水化定量化或半定量化分析模型，国 内学者通过攻关也建立了一套基于连续性介质的泥页岩水化定量模型【2 j 。但 这些模型都是建立在某些理想假设的基础上，如将泥页岩当成均质理想的孔 隙介质、忽略裂缝的影响、忽略毛管力、忽略阳离子对水化应力大小的影响 等，基于此得出的水化应力模型只能片面地反映出水化应力，不能很好地反 映出不同影响因素条件下实际的水化应力变化规律。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 因此，本文研究的重点放在水化应力定量模拟实验研究方面。首先对 中国石油大学( 华东) 钻井液研究室研制的泥页岩水化力学化学耦合模拟 试验装置( s m 讧) 进行改造，建立水化应力实验测定的方法，定量测定泥 页岩的水化应力，实现对泥页岩水化作用及其程度的定量评价。另外，在得 出水化应力实验数据的基础上，并结合水化应力主要影响因素深入分析，探 索泥页岩水化应力预测方法，并开发水化应力预测分析软件。 1 3 研究基本思路 根据研究目标，确定主要研究思路如下： ( 1 ) 由于泥页岩的水化作用与地层特性密切关系，所以首先研究泥页岩 的成岩作用，分析目标泥页岩的矿物组成及其物理性质，然后深入分析泥页 岩水化作用的机理，并找出影响页岩水化的关键影响因素； ( 2 ) 试验测定人工制备岩样的理化性能，为预测水化应力提供主要基础 参数； ( 3 ) 改造泥页岩水化力学化学耦合模拟试验装置( s h i v i ) ，建立测定 水化应力实验方法； ( 4 ) 编制水化应力预测分析软件，以泥页岩的理化性能数据及相应的水 化应力作为预测分析软件的学习样本，训练神经网络； ( 5 ) 分别改变各主要影响因素，输入预测向量，分析水化应力随各影响 因素的变化趋势； ( 6 ) 最后结合试验结果及软件分析结果，深入研究分析泥页岩水化应力 主要影响因素。 1 4 论文主要工作 围绕本文的研究目标和研究内容，论文的主要工作如下： ( 1 ) 概述国内外在水化、水化机理的研究现状及发展趋势，详细分析泥 页岩的物质组成及物理特性，深入分析泥页岩水化的机理及影响泥页岩水化 的因素； ( 2 ) 改造s l i m ，建立测定水化应力的实验方法； ( 3 ) 定量测定人工岩心的水化应力； ( 4 ) 测定泥页岩矿物组分及理化性能等参数； 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 ( 5 ) 研制开发的泥页岩水化应力预测分析软件，结合软件分析水化应力 与主要影响因素的关系。 1 5 国内外研究现状 1 5 1 泥页岩并壁稳定的力学与化学耦合研究 泥页岩井壁失稳问题，主要包括井壁的坍塌、缩径。造成井壁失稳的原 因很多，包括客观和主观两个方面因素，客观方面：地质构造和原地应力、 地层的岩性和产状、粘土矿物的类型、胶结情况、岩石强度、裂隙节理的发 育程度、孔隙度、渗透性及孔隙流体压力等。主观方面因素：钻井液的性能、 钻井液与泥页岩的化学作用、井眼浸泡时间、钻井液的环空返速、冲蚀井壁 作用、起下钻波动压力、井眼轨迹参数以及钴柱对井壁的扰动等。 自从开展井壁稳定性研究以来，先是从力学方面入手，主要从岩石力学 角度出发，研究井眼周围的应力分布、岩石的强度准则和本构关系等问题。 随着对问题认识的深入，泥页岩水化的化学因素研究逐渐发展起来，化学因 素研究从化学的角度出发，研究泥页岩的水化及控制水化的各种方法，主要 是研究各种化学处理剂，并取得了长足的进展。 但泥页岩井壁稳定性问题却依然没有得到很好地解决，其主要原因是以 前对影响泥页岩井眼稳定的力学因素和物理化学因素往往单独进行研究，缺 乏两者耦合研究。经过近半个世纪的研究积累，人们越来越清楚地认识到， 井眼打开后，泥页岩与钻井液的接触导致的泥页岩水化是井壁失稳的主要原 因之一，井眼稳定不单纯是一个力学平衡问题，而是一个力学与化学紧密结 合的过程。力学状态变化为物理化学变化提供了发展的初始条件和最初动 力，而物理化学变化又引起了力学状态的进一步改变，最终并壁失稳以突变 性状态改变的力学方式表现出来，于是研究者逐渐将化学因素与力学因素结 合起来研究。 早期在土壤力学领域，将力学与化学结合起来研究取得一定成果。随后 钻井领域开始了泥页岩水化力学和化学耦合研究。从国内外在这方面研究的 发展过程来看，可以将泥页岩水化力学与化学耦合研究分为两个阶段：七十 年代初到九十年代初的实验探索阶段；九十年代以后的对化学影响定量描述 的阶段。 在实验探索阶段最有代表意义的研究是m e c h e n e v e r t | 3 1 所作的一系列 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 实验。1 9 7 0 年，他开始研究页岩吸水以后力学性质的变化，通过实验观察了 页岩密度、屈服强度、吸水膨胀与吸水量之间的关系，并测量了页岩吸附水 量与时间、距离的关系。由实验可以明确看出：页岩吸水会造成强度降低， 且不同页岩降低程度不同；页岩吸水量与穿透距离是时间的函数，时间越长 页岩吸水越多，侵入距离越深。后来c h e n e v e r t 等多位研究者进一步研究了 无机盐溶液对页岩性能的影响，发现不同浓度、不同类型的无机盐溶液对页 岩力学性质的改变亦不相同。这之后，出现了更多的复杂实验装置，如三轴 应力页岩实验装置、c t 扫描页岩实验装置等。这些试验研究都是想把力学 与化学因素结合起来考虑。相关实验研究结果表明【4 】，岩石的力学性质是变 化的，是受化学因素控制的，页岩井壁稳定性是力学与化学紧密结合的复杂 过程，以往将岩石力学性质视为常量的分析方法不适于评价泥页岩井壁的稳 定性。 在实验研究的基础上，于八十年代末九十年代初，人们开始尝试着将泥 页岩水化的化学影响定量化，于是将力学因素与化学因素耦合在一起的泥页 岩稳定性研究开始进入定量化数学描述的阶段，对页岩的吸水规律也有了更 深一步的机理性研究。 在定量化研究中迈出第一步的是c h y c w 和m e c h e n e v e r t ，他们在1 9 8 9 年发表了第一篇将力学与化学耦合进行定量分析的文献 5 1 。他们首先假设泥 页岩为渗透各向同性，将水向页岩中的运移比拟成热扩散，由热扩散模型模 拟吸附水扩散( 实际上是假设吸附总水量w 是可以自由扩散的物质，其扩散 驱动力设为吸附总水量的浓度梯度) ，再结合质量守恒方程，得到柱坐标内 的吸水量方程。再将泥页岩的力学性质与其总含水量( 总吸附水量) 相关联， 即弹性模量e 不是常数，而是总含水量w 的函数( 弹性模量e 与总吸附水量 w 成二次多项式相关) ，其相关系数由实验确定。而泊松比，与吸附水量w 基本无关并由实验验证。然后又将水化膨胀应变与总含水量w 相关联( - - 次 多项式相关) 。再通过岩心测试得到页岩原始弹性模量e o 、泊松比 ，、破坏 强度o r 。以及上述各种相关关系中的系数后，将结果与柱坐标下的平面应变 力学方程联立，便可求得力学与化学耦合后的应力、应变及位移。 在m e c h e n e v e r t 等人后来的研究中，将化学影响考虑到压力传递中， 并考虑了温度对泥页岩稳定的影响嘲。认为钻井液与页岩孔隙水中离子浓度 的差异导致离子扩散，而离子浓度的变化又影响压力传递，并推导出耦合了 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 离子浓度变化的压力传递方程，最后根据孔隙压力和热应力来求得总的应力 分布。 国内部分研究者采用了c h w 方法进行了类似研究 7 , 8 , 9 1 ，最有代表意 义的是石油大学黄荣樽f 1 0 】等，其不同之处有以下几点：第一、认为柏松比 与含水量有关；第二、认为弹性模量e 与w 成指数关系，而非线性关系；第 三、给出了中国大庆页岩的内聚强度c 和摩擦角p 同w 的线性关系；第四、 采用有限元法求解方程。 继c h y e w 和m e c h e n e v e r t 之后，h a l e 秉 m o d y 1 1 】在1 9 9 2 年用等效孔隙 压力法来耦合研究泥页岩水化，明确提出泥页岩中水的总渗透量q 是由于压 力梯度作用下的渗流流量q h 和化学势作用下的渗流流量q c 之和。利用半透 膜渗透压的概念，将给定化学势差条件下的渗流等效于某一压力差下的渗 流，得到化学势产生的等效孔隙压力： 掣加( 生垫) = 妒一晶) ( 1 1 ) 矿口钻井藏 式中，r 为气体常数；t 为热力学温度；审为水的偏摩尔体积；a 为溶液活度； p 0 为地层孔隙压力；p 为有化学势差作用下的等效孔隙压力。 该研究利用页岩岩心作了油基钻井液内相水活度实验，得到页岩吸水与 内相水活度有关，而页岩强度又受吸水量的影响的结论。m o d y 和h a l e 于1 9 9 3 年又将半透膜等效孔隙压力理论应用到页岩与水基钻井液的作用上【1 2 1 。他 们认为页岩与水基钻井液表面可能有半透膜，但一般不是理想半透膜。从而 引入反射系数t 3 r 来描述半透膜的非理想( 理想半透膜盯= 1 ) ，从而等效压力 计算式修改为： 盯竺加( = 型煎) ：( p 一只) ( 1 - 2 ) 矿口钻井泣 在他们的研究中又进一步假设粘土表面的吸附阳离子不能自由移动、扩 散或交换，在以此为基础，借助于简单的多孔介质弹性力学计算以及 d r u k e r - p r a g e r 破坏准则，发展了一套将水化渗透压进行耦合的力学计算方 法，并用专用实验装置进行了水化渗透压的实验。 在以上研究基础之上，在1 9 9 4 年s o o s i s a n y a 乖 m e c h e n e v e g 1 3 , 1 卅开展 了进一步的研究。他们首先引入了线性单相渗流方程，求得其解析解，然后 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 依据半透膜理论得出在一定活度差条件下的渗透压力，并引入总压力的概念 ( 即液体压差与化学势渗透压之和) 。然后用总压力替代线性单相渗流方程 中的压力，求得总压力随时问、空间的分布。压差和化学势共同作用下的导 压系数由实验确定。计算中进入页岩的总压力由静液压差和活度压差叠加而 成，页岩内原始总压力一般情况下指原始孔隙压力。h o n g h u a n g ”】等人在 1 9 9 8 年用类似的方法对页岩稳定性开展了进一步的研究，他们不但得到压力 的分布，还由所得压力值算出页岩中溶质浓度分布，最后根据扩散双电层理 论得到页岩的水化应力( 即膨胀压力) 。 g m b o l 1 6 a 7 于1 9 9 4 年专门研制了一个泥页岩微渗透测试装置，用来评 价和研究不同液体对泥页岩的渗透侵入能力，实验证明了在压差作用下低渗 透页岩也有渗透以及压力传递。文章还研究了毛管力的影响，用临界毛管力 和润湿性概念分析了油基钻井液稳定页岩的机理，并指出在水基钻井液条件 下页岩没有半透膜存在。最后他又将渗透实验得到的等效孔隙压力，再引入 到力学与化学耦合的稳定性分析之中。 在泥页岩水化化学与力学的耦合研究中，比较重要的还有c p t a n 等人在 1 9 9 6 2 0 0 0 年间所作的工作【1 s , 1 9 , 2 0 。他们认为，总水势( 孔隙压力与渗透压 之和) 差是导致水流动的根本原因，并根据水和岩石组分的连续性方程推导 出膨胀性介质中的水流方程，根据水流方程，再考虑到溶质的对流、弥散、 扩散、交换吸附、化学反应、注入和抽出，可导出溶质的运移方程，求出溶 质的浓度分布，进而可得出系统的渗透压。 c p t a n 等人还认为，页岩孔隙水总水势的增加导致水在粘土片上的吸 附，从而引起粘土膨胀( 粘土片可自由移动时) 或产生水化应力( 膨胀受限 时) 导致井壁不稳定。 1 5 2 泥页岩水化机理研究 泥页岩水化膨胀的过程实质上是泥页岩中粘土水化膨胀的过程，研究泥 页岩水化的机理必须从粘土水化机理研究做起。 对于粘土水化的研究，本世纪四、五十年代国外就有一些学者从事这方 面的研究工作。他们初期利用平衡水蒸气法、量热法或接触角法等测量吸附 热、润湿热、粘附功等数据，来求算土壤水的有关热力学函数，作为选择和 确定粘土颗粒一水相互作用机理的参考依据。他们研究的结果认为，水在粘 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第i 章前言 土表面上的吸附既有物理吸附，又有化学吸附。在吸附初期是以化学吸附为 主，后期是以物理吸附为主( 所谓初期指粘土水化这一宏观过程的初期，不 是指水分子与粘土从没有相互作用到发生吸附作用这一微观过程的初期) 。 l 0 w 于1 9 6 1 发表的“粘土颗粒一水相互间的物理化学作用” 2 h 一文，反映了这 一时期的研究成果。 与此同时，对粘土矿物的特性( 比表面积、阳离子交换容量) 研究也逐 渐发展和完善起来。人们逐渐认识到粘土矿物属于层状硅酸盐，主要结构单 元是二维排列的s i - 旬四面体和二维排列的刖o 八面体，由于主要结构单 元排列的方式不同构成了不同的粘土矿物。层与层之间主要是由范德华引力 结合在一起。有些粘土( 如高岭石) 还有一定比例( o h ) 原子( 团) 形成 的氢键力，将相邻两晶层紧密地结合起来1 2 ”。由于晶格中部分高价的a l 、 s i 离子被低价离子置换而使粘土本身带有负电荷，必须吸附等量的反离子才 能达到电荷平衡，这种吸附的反离子可以与外界同性离子相互交换，其交换 的量称为阳离子交换容量( c e c ) 。由于组成和置换情况不同，不同的粘土 矿物具有不同的比表面积和不同的阳离子交换容量。对于粘土的电性，人们 认为层面和端面所带电荷性质和机理各不相同，层面带负电荷，完全是由于 低价离子的同晶置换而产生；端面在不同的介质中可能呈不同的电性，这主 要是由端面断裂的缺陷和端面o h - 对定势离子盯和o h - 的吸附和离解决定 的。但在一般情况下，端面带正电荷田捌。 此后，国外学者在前人的研究基础上，对粘土水化问题作了进一步的深 入地研究。他们就土壤和粘土吸附方程、吸湿水厚度及吸湿性的本质与机制、 吸附的动力学和热力学等方面进行了不少的研究工作脚引。他们研究表明， 粘土的水汽吸附量与粘土表面积的关系符合b e t 方程，并在此基础上发展了 用水蒸气吸附法来测量粘土比表面积的方法。他们还认为，水汽在粘土表面 吸附的厚度约为几个水分子层厚，第一层水分子主要是以氢键的方式与粘土 结合，外层的水分子是以更弱的氢键和物理作用与内层的水分子结合在一 起。n o r r i s h 利用x 射线衍射技术测定蒙脱石在单一的某种阳离子饱和溶液中 其晶格间距的大小，然后观察它在逐步稀释的溶液中和纯水中的晶格间距， 观察表明，吸附水的厚度不超过四个水分子层。对于这方面的研究工作，国 内开展的较少，且仅仅限于吸附过程的一些特征研究 2 9 , 3 0 j 。 随着对粘土矿物结构认识的逐步深入，将粘土矿物的水化与其结构性态 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 结合起来研究，得到了许多有用的结论。对于粒径相同的粘土矿物，其总的 吸水量随表面积的增大而增加，如蒙脱石具有很大的比表面积，其吸水量也 非常大。但对比亲水性的分析却表明，具有非膨胀晶格架的矿物，其比亲水 性比蒙脱石高，这类矿物基面上吸附水的水膜厚度要比蒙脱石为大1 2 4 1 。 对于粘土水化时膨胀情况的研究，由于石油工业的发展需要和检测技术 的进步而得到了发展。研究者们用x 射线衍射等方法来分析粘土吸水过程的 膨胀情况。结果表明，粘土表面水化时引起粘土的晶格膨胀，其膨胀程度不 大；而粘土渗透水化时，水进入层间，增加晶格间距，形成扩散双电层，此 时所引起的体积增加比晶格膨胀大的多。有些学者通过研究蒙脱石脱水过程 中结构的变化来间接研究蒙脱石水化过程中的膨胀情况1 3 2 1 。他们通过电导 实验和x r d 分析结果表明蒙脱石层间水分为两类：一类是与交换阳离子紧 密结合的，称为结合离子水；另一类是与可交换阳离子结合很弱的，称为非 结合离子水。该蒙脱石的d 0 0 1 = 1 5 5 a ，对应于含有全部层问水的相，层问水 由连续的二层水分子构成。由于非结合离子水与层结构结合能先在脱水过程 o 中首先被脱去，层间由结合两层水分子的钙离子组成，这是d 0 0 1 = 1 4 2 a ， 层间水仍为两个水分子层厚，但水层已有一定的间断；继续脱水，第二层水 分子被脱去，层间由结合了一层水分子的阳离子组成，这是层间水为一个水 分子层厚，层间距更大，d 0 0 1 = 1 2 2 a ；最后，与钙离子结合的水陆续被脱 去，完全脱水时层间由无水阳离子组成，这时x r d 中( 0 0 1 ) 反射消失；当 温度高于4 0 0 0 时热激活的无水阳离子可以嵌入层结构，这时层结构消失， 0 形成d 0 0 1 - - 9 8 a 的不可复相。 国外学者研究表明：粘土膨胀的程度以及岩石力学性质的改变与粘土吸 附水密切相关。m a u r i c ed u s s e a u l t 教授曾得出泥页岩、高岭石等的实际渗透 性与他们的含水量有较严格的线性关系的结论。 综合各方面的资料，目前关于粘土水化膨胀方面的观点可以归纳为以下 几个要点： 各种粘土矿物遇水时均会引起不同程度的水化膨胀，水化包括表面水 化、离子水化和渗透水化。表面水化是由于水分子和粘土颗粒晶片的氧之间 形成氢键而引起的，所有粘土均存在表面水化；离子水化作用是粘土硅酸盐 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 晶片上的可交换阳离子周围形成水化膜，因而只具有明显晶格取代现象的粘 土方表现出离子水化；渗透水化时某些粘土在完成了离子水化和表面水化后 才开始进行的过程，这种情况发生在1 0 0 相对湿度条件下。通常只有蒙脱 石才发生渗透水化。 粘土水化是粘土膨胀的最根本原因，其膨胀程度与它的水化程度密切 相关。膨胀推动力在初期来源于表面水化能，后期来源于渗透压力和双电层 的排斥力。 粘土的水化膨胀取决于粘土矿物的种类、比表面积和阳离子交换容量 ( 未提出具体的关系) ，而与表面电荷密度无关。各种粘土矿物膨胀能力顺 序为；蒙脱石 混层粘+ - - i v 利石 高岭石 绿泥石。 粘土的水化膨胀机理为( 以蒙脱石为例) 蒙脱石的单位层间不能形成氢键，而是靠范德华引力联系在一起，强极 性的水分子可以与单位层上的氧形成氢键，加上层间补偿阳离子的水化能和 单位层间负电荷的排斥力，因而水分予易进入单位层间，引起单位层间距增 大。在表面水化阶段单位层间最多可吸附四个水分子层，可是粘土体积增加 一倍，从蒙脱石吸附水蒸气的阶梯状吸附等温线可观测到分层吸附的逐步水 化现象。表面水化阶段的体膨胀不大，但膨胀压相当大。 d 但粘土晶片间的距离超过1 0 a 即四个水分子厚度时，表面水化能就不再 那么重要，而双电层排斥能则变为粘土晶片问的主要作用能，于是粘土水化 进入渗透水化阶段。由于双电层排斥距离较远，因而其引起的体积膨胀比晶 格膨胀阶段大的多。表面水化阶段，n a - 蒙脱石每克干粘土可吸附0 5 克水， 但在渗透膨胀阶段为每克干粘土可吸附1 0 克水，其体积膨胀非常大，而膨胀 压不断降低，从几十个大气压降至0 1 个大气压以下。 1 5 3 小结 由上面的综述可以看出，泥页岩稳定性研究的重点和关键在于泥页岩水 化的力学与化学的耦合研究。虽然直至目前，国内外科技工作人员在泥页岩 井壁稳定的力学与化学耦合研究中，做了大量探索性的工作，取得一定成效， 但由于问题的极其复杂性，造成了已有的研究成果相互之间并不完全一致， 每一种相关理论都有一定缺陷。 更为重要的是到目前为止的所有研究中，没有一种理论能定量给出令人 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 信服的水化应力，并且国内至今还没有建立水化应力测定实验方法。因此， 本文旨在探索建立定量测定泥页岩水化应力实验方法，结合实验结果，深入 分析泥页岩水化机理及水化应力与各主要影响因素之间的关系。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水化应力产生原因及其主要影响因素 第2 章水化应力产生原因及其主要影响因素 2 1 泥页岩组构 泥页岩是泥岩和页岩的总称，指以粘土矿物为主( 其含量大于5 0 ) 的 固结程度较高的沉积岩。泥页岩是分布最广的一类岩石，约占沉积岩总体积 的6 0 。其物质成分比较复杂，其中最重要的是粘土矿物，其次是陆源碎屑 矿物( 如石英、长石) 及自生的非粘土矿物。泥页岩中粘土矿物的成分、含 量及其微结构决定了泥页岩的基本物理化学性质。所以，研究泥页岩的水化 作用，首先必须了解泥页岩的成岩过程、矿物组成、微结构及其主要物理性 质。 2 1 1 泥页岩的成岩【3 3 j 4 j 构成泥页岩的主要粘土矿物大多数来自于母岩风化的产物，并以悬浮的 方式搬运至水盆地，开始成岩作用的初级阶段：凝聚和絮凝。在此阶段，粘 土颗粒在势能低谷处相互集中，形成远的凝聚接触，这种接触是在远距作用 分子力、磁力和静电性质的力( 偶极的) 的影响下形成的。此后沉积物脱离 水体进入物理化学压实阶段。这时陈化和胶体脱水收缩作用使沉积物有不定 形的细颗粒聚集体过渡到有二度排列序次的较紧密结构的片状小鳞片。但此 时单位体积沉积物内矿物颗粒的浓度仍然很低，粘土颗粒处还保留相当厚度 的水膜，其作用力与分子引力相对抗。就总体而言，仍为典型的凝聚体系， 并具有其全部特征：高孔隙性、高含水量和较低强度等。 随着沉积物埋深的增加和上覆沉积层重量的增大，沉积物的物理化学压 实就逐渐代之以重力压实为主。在这一过程中，成小鳞片状的粘土颗粒进一 步定向，岩石单位面积颗粒接触数目逐渐增大，颗粒之间的距离也进一步缩 小，并使它们之间的接触由絮凝接触逐渐转化为同相接触。孔隙度大幅度减 小并进一步排出孔隙水和吸附水、以及层间水和沸石的结晶水。在压实作用 的后期，出现重结晶和矿物转化，使孔隙度减小到1 0 以下，并部分堵塞排 水通道。 在压实过程中，沉积物的有机质逐渐成熟，转化为油气。同时粘土中水 含量不断减小，泥质沉积物逐渐由塑性变成刚性固结成岩，在异常高的空隙 流体压力和构造应力下，泥页岩的方向性微裂缝发育，使泥页岩具有较好的 l l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水化应力产生原因及其主要影响因素 渗透性，泥页岩的再次压实过程就是孔隙流体( 油、气、水) 从泥页岩的裂 缝和孔隙中被挤出来的过程。 2 1 2 泥页岩的组构 泥页岩的物质成分可大致分为三大类：粘土矿物、非粘士矿物和孔隙介 质。矿物成分中以粘土矿物为主，次为陆源碎屑矿物、化学沉淀的非粘土矿 物。 2 1 2 1 粘土矿物的组分与基本构造 粘土矿物是粒径小于5 a n 至d , nl a n 的具有像云姆一样的片状构造含 水的层状铝硅酸盐矿物。他们由两种基本结构层组成：一是硅氧四面体层； 二是铝氧八面体层或镁氧八面体层。硅氧四面体由一个硅与四个氧组成，每 个四面体以三个顶点( 氧原子) 与相邻的四面体共有，只剩下一个未被共用 的顶点与其它的阳离子相结合。这些层被看成由s i 0 4 彼此相连接形成为 s i o l o 的无限重复的六方网格，自由电荷、活性氧均位于层的同一侧。在这 些层的内部，置换作用仅限于铝原子置换硅原子，其置换的数量可达到该原 子的半数。铝氧八面体主要是铝与氧或氢氧原子的八面体配位构成的，即铝 与六个氧或氢氧离子等距离。在八面体层中的位置并非全被a l 计占据， m 矿、f e a + 或其它的阳离子也可以置换舢3 + 。所以当八面体层由三价阳离子 ( a l ”、f e s + ) 充填时，必定有一个空位置，故称二八面体结构( 又称水铝 矿层a i - o h ) 。- - a 面体型中，八面体层这八面体孔隙只有2 3 被阳离子占 据。而三八面体型中，八面体层中的八面体孔隙全部被二价的阳离子占据， 如m g - o h 八面体层，又称水美石层。四面体结构曾于八面体结构层都与晶 体的a b 轴面平行，与c 轴垂直或接近垂直，它们相互按一定的规律结合， 形成结构单元层。粘土矿物结构单元层有三种类型：一为高岭石型，属双层 性的结构单元层( 1 ：l 型) ，由一个八面体层连接一个硅氧四面体层组成。 四面体层中不出现s i 与越的取代，八面体层中舢未被m g 和f c 取代，构 造式为a 1 2 s i 2 0 s ( o h ) 4 ；另一类为蒙脱石型，属三层型结构单元层( 2 ：1 型) ， 由二层四面体层夹一层八面体组成。如蒙脱石、伊利石族矿物。另外也包括 由2 ：1 型云母层和一层似水镁石层( 八面体层) 组成的2 ：l ：l 型。如绿 泥石族矿物。 结构单元层之间存在有间隙，如果结构单元层内部正负电荷已经达到平 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水化应力产生原因及其主要影响因素 衡，则层间无需阳离子配位，如果在四面体层内或八面体层内，由于朋” 置换s r ，或者m 矿置换a 1 3 + ，引起电荷不足。为满足电中性条件，则需要 一定数量的阳离子以补偿其电荷的不足，所以层间就有吸附阳离子。吸附阳 离子可以是无水的，也可以是水化的，层间阳离子可以是“固定”的，也可以 是“可交换的”，高岭石、滑石、叶腊石等属于前一类，蒙脱石、伊利石和绿 泥石等属于后一类。 2 1 2 2 非粘土矿物 泥页岩中非粘土矿物包括陆源碎屑矿物和化学沉淀的自生矿物。陆源碎 屑矿物中有石英、长石、云母、各种副矿物( 其中最主要的是石英) ，呈单 晶出现，圆度差，边缘较模糊。泥页岩中化学沉淀的自生矿物主要有铁、锰、 铝的氧化物和氢氧化物( 如赤铁矿、褐铁矿、水针铁矿、水铝石) 、含水氧 化铝( 如蛋白石) 、碳酸铝( 如方解石、白云石、菱铁矿) 、硫酸盐( 如石膏、 硬石膏) 、磷酸盐( 如磷灰石) 、氯化物( 如石盐等) 。它们都是在泥页岩形 成过程中生成，其含量一般不超过5 ，是泥页岩形成环境及成岩后发生变 化的重要标志。 2 1 2 3 泥页岩的孔隙介质 从泥页岩的成岩过程可知：在整个过程中都伴有水溶液的活动，随着埋 深的增加压实作用逐渐增强，孔隙水和层间水逐渐排出。但压实作用不可能 将页岩中所有的水都排出，它们至少保持着部分表面水化水。在压实作用的 后期，部分页岩中的有机质逐渐成熟，生成油气。因此，泥页岩的孔隙介质 最主要、最重要的是水，部分泥页岩可能含有油气。这里只讨论泥页岩中的 水。 泥页岩中的水按其存在状态可以分为结晶水、束缚水、自由水三种类型 口3 闼。结晶水因泥页岩中粘土矿物的存在而存在，是粘土矿物晶体构造的一 部分，只有温度高于3 0 0 1 2 以上时，结晶受到破坏，这部分水才能释放出来。 束缚水是由于分子间引力和静电引力，具有极性的水分子可以吸附到带电的 粘土表面或非粘土矿物表面上，在泥页岩组成颗粒周围形成一层水化膜，这 部分水受到泥页岩组成颗粒的束缚，在压力作用下不能运动，所以也成为束 缚水。其主要是粘土矿物束缚水。自由水存在于颗粒的孔穴或孔道中，不受 泥页岩颗粒的束缚，可以自由的流动。须腾俊男1 3 6 】则进一步将泥页岩水的 存在状态分为六类，由最紧密到自由状态排列如下：结构化合水、结合水、 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水化应力产生原因及其主要影响因素 层阔水、沸石水、吸附水、自由水。 由于有大量的粘土矿物的微小孔隙的存在，泥页岩表现出极强的亲水 性，雨水接触将发生强烈的水化反应。事实上，泥页岩的水化反应基本上是 因为其中的粘土矿物，从某种意义上来说，泥页岩的水化反应就是粘土矿物 的水化反应。 泥页岩的水化反应可分为表面水化和渗透水化，分别受三种力制约：表 面水化力、渗透水化力和毛细管作用力。 表面水化力：泥页岩表面水化是由粘土晶体表面( 膨胀型粘土表面包括 外表面和内表面) 吸附水分子与交换性阳离子水化而引起的。表面水化力是 泥页岩表面水化的驱动力，本质上是氢键力和电磁力。表面水化水是多层的： 第一层水是水分子与粘土表面的六角型网格的氧原子( 或o h 根) 形成氢键 而保持在表面上并形成复三角形晶格。其中部分氢键用于网内连接，而另一 部分则用于氧面作用。在含水量少的情况下，即表面水分子吸附成窝状不连 续分布；在含水量大大超过单层吸附量后，开始形成六角形晶格分布。第二 层也以类似情况与第一层氢键连接，以后的水层照此继续。氢键的强度随离 开表面的距离增加而降低，最多可达四个水分子层。 渗透水化力：由于泥页岩地层介质溶液中水的活度小于外来流体( 钻井 液滤液) 水的活度，以及粘土晶层之间的氧离予浓度大于溶液本体的浓度， 因此，水会发生浓差扩散，进入泥页岩或进入层间，由此增加晶层间距，从 而形成扩散双电层，此过程称为泥页岩的渗透水化。同时，在压差的作用下 水也会进入泥页岩地层，引起泥页岩的渗透水化。泥页岩的水化反应主要是 指泥页岩的渗透水化。渗透水化力就是不同点水的化学势差( 也就是水的活 度差) 和压力势差。 毛管力：当页岩孔隙介质是油气，与水接触时，由于界面张力的存在， 将在其界面处产生一个指向油气的附加压力，即毛管力。在毛管力的作用下， 水将向页岩地层运移，引起页岩水化。 2 2 泥页岩水化机理 当钻井液滤液进入泥页岩后，泥页岩内部原有平衡被打破，特别是水的 侵入引起粘土片周围水和离子浓度的变化，从而引起粘土片之间的双电层及 其他作用力变化，使粘土片之间的位置重新调整。如果此时没有外束缚，这 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水化应力产生原因及其主要影响因素 一过程就以泥页岩膨胀的形式展示出来。如果有外来束缚，就以水化应力的 形式展示出来。因此，泥页岩的水化应力是粘土片之间作用力的微观叠加而 表现出来的宏观作用力。 分析泥页岩的水化过程，必须先了解粘土地层的真实结构，粘土地层的 结构示意图如图2 1 所示。 图2 - 1 粘土地层的结构示意图 非粘土矿物颗粒( 石英、长石、方解石等) 宏观孔隙 粘土颗粒亚微观孔隙微观孔隙、晶层层间距准晶体 粘土地层含有大量的粘土颗粒，粘土颗粒之间存在有孔隙即宏观孔隙， 粘土颗粒由准晶体( 准晶体存在偏离了晶体的三维周期性结构，但准晶体的 结构仍有规律，不像非晶态物质那样的近距无序，仍是某种近距有序结构) 构成，准晶体之间存在有微观孔隙( 层间距) ，晶层交叉产生的空隙为亚微 观孔隙。粘土颗粒之间的作用力分为六种： ( 1 ) 毛细管力，即孔隙未完全饱和水时凹形水面施加给颗粒的牵引力； ( 2 ) 范德华力，它与颗粒间距的四次方成反比，作用范围可达到1 舢n ； ( 3 ) 偶极力，主要存在于非碱性条件下，因为此时粘土端面带正电，与邻近 颗粒的负电性层面有静电引力； ( 4 ) 离子引力，即两个相距不超过2 - 3 r i m 的颗粒共同吸引其间隙中的阳 离子而形成的引力： ( 5 ) 氢键，形成于相接近的烷氧型表面与烷醇型表面之间； ( 6 ) 化学胶结，这种结合力是最大的，化学胶结的颗粒集合体不会发生水 化失稳现象。 由氢键连接的粘土颗粒遇水时会再分散，其他四种力遇水时更易被破 坏。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水化应力产生原因及其主要影响因素 粘土地层与清水接触后，水先进入宏观孔隙，使粘土颗粒分离，然后进 入亚微观孔隙，使准晶体分离，最后进入微观孔隙，引发粘土的晶层膨胀和 渗透膨胀。准晶体分离和粘土膨胀使粘土颗粒体积膨胀，导致亚微观孔隙和 宏观孔隙变小，地层渗透率下降。粘土矿物的膨胀可分为表面水化、离子水 化和渗透水化三个阶段。 2 2 1 表面水化阶段 表面水化主要有强结合水( 吸附水一层问水) 引起。当粘土与水接触时， 水分子以配位、静电作用和氢键等方式被吸附在粘土矿物的层间和粘土颗粒 表面，形成最强的表面吸附中心，从单分子层扩展到双分子层，最多不超过 4 个分子层。对于蒙脱石来说，粘土表面水化后的体积可增加一倍，其它粘 土矿物这种膨胀远小于蒙脱石。因此，表面水化作用下不能引起明显的粘土 矿物膨胀。 利用x 射线衍射技术对蒙脱石及其间层粘土矿物进行了从湿( 完全水 化) 到干全过程的l 衍射峰d 值( 晶面问距) 、强度和峰形的测定，研究 他们的晶体膨胀性。 研究表明，表面水化水的吸附量、定向水膜的厚度和定向性取决于层间 阳离子水化能及粘土表面电荷密度。当蒙脱石的交换性阳离子是c a 2 - 、m 9 2 + 、 i + 时，粘土晶片之间的吸引力增加，水化膜的厚度小，水分子定向排列规则； 当交换性阳离子为n a + 时，晶片间的吸引力减弱，水化膜的厚度则大，水分 子定向排列差。因此，n a 蒙脱石的膨胀性比c a 蒙脱石强。其原因是：当粘 土矿物与水接触时，粘土中的交换性阳离子趋向于从粘土中分离出来，只剩 下一些带负电荷的结构单元，从而斥力将迫使粘土晶片分开而使水进入层 间。高岭石基本不存在层间阳离子，所以它在水中分散时一般不发生膨胀。 同种粘土在相同环境条件下，层问阳离子的分离趋向受质量作用定律和离子 价的支配，决定于阳离子交换吸附能的大小。一般情况下，离子价数越高则 吸引力越强，与粘土结合后不易水化。其分离趋向大小的顺序一般是： l i + n 矗+ k + r b w + - c a 2 + = s 冯a 您吧p 。因此，n a 蒙脱石比c a 蒙脱石 膨胀性强。 2 2 2 离子水化阶段 离子水化是指粘土所含硅酸盐晶片上的补偿性阳离子周围形成水化壳。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章水化应力产生原因及其主要影响因素 离子水化一方面给粘土带来水化膜，同时水化离子与水分子争夺粘土晶面的 联接位置。 2 2 3 渗透水化阶段 渗透水化引起的体积增加比表面水化大的多。并壁坍塌往往开始于泥页 岩的渗透膨胀阶段。渗透水化受控于弱结合水( 或称渗透结合水) ，它是强 结合水转为自由水的过渡层，相当于粘土颗粒胶体上离子扩散层中的水，但 其厚度不完全与扩散层的厚度相当，略小于扩散层的厚度。渗透水化时，粘 土表面水化能已不再起重要作用，而双电层斥力成为粘土片之间的主要斥 力。粘土颗粒上狰负电荷的存在，使外围水溶液中的阳离子和阴离子以电位 梯度的变化而作不均匀的分布，形成扩散层。扩散层中的阳离子不能脱离粘 土颗粒。然而水分子能进入扩散层，使阳离子的浓度稀释，这就使得粘土颗 粒的双电层具有半透膜效应，存在着渗透压强，即体系内不同部分溶解的离 子浓度差所产生的压力，由于这种压力使低阳离子浓度一侧的水向高浓度一 侧迁移直至达到渗透平衡。水化离子