（油气井工程专业论文）泥页岩水化作用对井壁稳定性影响的研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果， 论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包 含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其 它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均 已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：虚坠垦日期：沙i1 年，月一日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子 版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文， 以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：虚叁叁 指导教师签名： 日期：刃f 1 年r 月丫日 日期：乃l1 年y 月伽 摘要 水化作用会引起泥页岩水化膨胀、强度下降、孔隙压力增加等变化，是造成井壁坍 塌的主要因素之一。本文通过综合多学科理论知识，深入细致地研究了泥页岩井壁水化 失稳机理及其主要影响因素。根据井壁稳定化学力学耦合作用机理的深入分析，提出抑 制泥页岩水化作用的本质在于控制水化应力( 7 9 化膨胀压) 。 本文探讨分析了四种水化应力确定方法；通过对高温高压井壁稳定性模拟实验装置 的技术改造，探索性的测定了水化膨胀压；建立了一种水化作用影响泥页岩井壁稳定性 评价实验方法；借助压力传递技术，实验研究了不同浓度的氯化钾、氯化钠、氯化钙溶 液对泥页岩极低渗透率的影响。 根据井壁稳定性化学，力学耦合模型，编写了泥页岩水化，力学耦合安全密度窗口计 算软件，软件包括：岩石力学参数计算、动静态力学参数转化、地应力计算、及安全密 度窗口计算等四部分。实验数据与测井资料相结合，初步计算分析了水化作用对泥页岩 地层坍塌压力及安全密度窗口的影响。 通过钻井液防塌技术对策分析认为，阻缓滤液侵入和压力传递，可以预防控制泥页 岩水化作用，促进复杂泥页岩地层井壁稳定。利用新改进的高温高压井壁稳定性模拟实 验装置，通过压力传递实验，结合滤液侵入实验等方法，首次在机理上验证了s d a 和 h a a i 复配可有效阻缓压力传递；优选出一套水基防塌钻井液体系配方，其封堵性和抑 制防塌性能优良。 关键词：井壁稳定，泥页岩，水化应力，水化机理，安全密度窗口 s t u d y o ne f f e c t so fs h a l eh y d r a t i o no nw e l l b o r es t a b i l i t y t a n gw e n - q u a n ( 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 u z h e n g s o n g a b s t r a c t h y d r a t i o nw h i c hm a y c a u s es h a l es w e l l i n g 、r o c ks t r e n g t hd e s c e n t 、p o r ep r e s s u r ei n c r e a s e a n ds oo ni so n eo fd o m i n a n tf a c t o r so fb o r e h o l es l o u g h i n g b yc o m b i n i n gt h e o r e t i c a l k n o w l e d g eo fm a n yb r a n c h so fl e a r n i n gt h et h e s i sh a sr e s e a r c h e dt h em e c h a n i s mo fs h a l e h y d r a t i o na sw e l la si t s d o m i n a n tf a c t o r st h o r o u g h l ya n dd e e p l y t h r o u g ha n a l y s i so f m e c h a n i s mo ft h ec o u p l i n go fc h e m i s t r ya n dm e c h a n i c so fw e l l b o r ei n s t a b i l i t y , t h ep a p e r p r e s e n t st h a tc o n t r o l l i n gh y d r a t i o ns t r e s si st h ek e yo fi n h i b i t i n gs h a l eh y d r a t i o no ft h es h a l e t h i sp a p e rh a sa n a l y s e da n dc o n c l u d e df o u rk i n d so fm e t h o d so fm e a s u r i n gh y d r a t i o n s t r e s s ，e x p l o r a t o r i l yt e s t e dh y d r a t i o ns w e l l i n gp r e s s u r eo nt h eb a s eo fr e c o n s t r u c t i n gt h e o r i g i n a lh p h tw e l l b o r es t a b i l i t ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a le q u i p m e n t , e s t a b l i s h e de x p e r i m e m e v a l u a t i o nm e t h o do fs h a l e h y d r a t i o n e f f e c t s o nw e l l b o r e s t a b i l i t y a n dr e s e a r c h e dt h e i n f l u e n c eo fp o t a s s i u mc h l o r i d e ，s o d i u mc h l o r i d ea n dc a l c i u mc h l o r i d eo nt h el o w p e r m e a b i l i t yo fs h a l et h r o u g ht h et e c h n o l o g yo fp r e s s u r et r a n s m i s s i o n a c c o r d i n gt ot h ec h e m i s t r ya n dm e c h a n i c sc o u p l i n gm o d e lo fw e l l b o r ei n s t a b i l i t y , w e h a v ep e r f o r m e ds o f t w a r et oc a l c u l a t eh y d r a t i o na n dm e c h a n i c sc o u p l i n gs a f ed e n s i t yw i n d o w o fs h a l e t h es o f t w a r ec o n s i s t so fr o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r sc a l c u l a t e ，d y n a m o s t a t i c m e c h a n i c s p a r a m e t e r st r a n s f o r m ，e a r t h s t r e s sc a l c u l a t ea n ds a f e d e n s i t y w i n d o w c a l c u l a t e u t i l i z i n ge x p e r i m e n t a ld a t aa n dw e l ll o gi n f o r m a t i o n ，w eh a v ec a l c u l a t e da n d a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fs h a l eh y d r a t i o no ns l o u g h i n gp r e s s u r eo ff o r m a t i o na n ds a f e t y d e n s i t yw i n d o w s t h r o u g ha n a l y z i n gt h es o l u t i o no fd r i l l i n gs l o u g h i n g - p r e v e n t e dt e c h n o l o g y , w et h i n kt h a tb yp r o h i b i t i n ga n ds l o w i n gd o w nf i l t r a t ei n v a s i o n 、p r e s s u r et r a n s m i s s i o n ，s h a l e h y d r a t i o nc a l lb ep r e v e n t e da n dc o n t r o l l e d ，a n db o r e h o l ew a l li n s t a b i l i t yc a l lb ei n p r o v e d e f f i c i e n t l y i ti st h ef i r s tt i m eo f d o m e s t i ct h a ts d - aa n dh a a ls y n e r g e t i ce f f e c tw a sp r o v e d t ob ee f f e c t i v ei np r e v e n t i n ga n ds l o w i n gd o w np r e s s u r et r a n s m i s s i o nb yu s i n gp r e s s u r e t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y as e to fw a t e r - b a s e ds l o u g h i n g - p r e v e n t e dd r i l l i n gf l u i ds y s t e mw a s o p t i m i z e di nt h ep a p e rb yu s i n gm o d i f i e dh p h tw e l l b o r es t a b i l i t ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a l e q u i p m e n ta n dd o i n gp r e s s u r et r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n t ，w h i c hh a se x c e l l e n ta b i l i t yo fs e a l i n g a n dp r e v e n t i n gw e l l b o r es o u g h i n g k e yw o r d s ：w e l l b o r es t a b i l i t y , s h a l e ，h y d r a t i o ns t r e s s ，h y d r a t i o nm e c h a n i s m ，s a f e d e n s i t yw i n d o w 目录 第1 章前言1 1 1 研究目的及意义1 1 1 1 研究目的1 1 1 2 研究意义1 1 2 泥页岩井壁稳定问题研究现状及发展趋势2 1 2 1 泥页岩水化作用机理研究现状2 1 2 2 泥页岩井壁稳定性化学与力学耦合研究现状3 1 3 研究内容与技术路线4 i 3 1 研究内容4 1 3 2 技术路线4 第2 章泥页岩水化作用机理研究6 2 1 泥页岩成岩过程6 2 2 泥页岩组成及构造6 2 2 1 泥页岩组成7 2 2 2 泥页岩结构与颗粒间的连接力9 2 3 泥页岩水化作用机理研究1 0 2 3 1 表面水化1 0 2 3 2 渗透水化1 1 2 3 3 泥页岩水化膨胀的主要影响因素1 1 2 4 本章小结1 2 第3 章泥页岩水化作用实验研究1 3 3 1 水化应力确定方法1 3 3 1 1 水化应力测量实验方法1 5 3 1 2 泥页岩水化作用实验研究现状1 6 3 2 泥页岩水化力学耦合模拟实验研究1 7 3 2 1 高温高压井壁稳定性模拟实验装置1 7 3 2 2 s 删装置改造1 9 3 2 3 测控软件使用说明1 9 i v 3 2 4 泥页岩水化膨胀压实验测量步骤2 1 3 3 泥页岩与钻井液水化作用评价实验方法2 2 3 3 1 间接实验方法2 3 3 3 2 直接实验方法2 7 3 4 实验结果分析2 8 3 5 本章小结3 2 第4 章钻井液滤液侵入泥页岩及压力传递实验研究3 4 4 1 钻井液滤液侵入规律实验研究3 4 4 1 1 泥页岩中滤液侵入分析方程3 4 4 1 2 滤液侵入实验研究3 6 4 2 钻井液泥页岩间压力传递特性研究4 4 4 2 1 溶质传递及压力传递分析模型4 4 4 2 2 泥页岩压力传递与极低渗透率测量4 6 第5 章水化作用对泥页岩地层井壁稳定性的影响5 0 5 1 泥页岩井壁稳定性研究5 0 5 1 1 水化前井壁稳定力学模型5 0 5 1 2 水化力学作用耦合分析模型5 3 5 2 水化后井壁围岩应力分布及其力学性能参数5 5 5 2 1 水化后井眼围岩应力计算5 5 5 2 2 泥页岩力学参数的获取5 8 5 3 泥页岩井壁稳定岩石破坏准则5 8 5 4 泥页岩井壁地层坍塌、破裂压力的确定6 0 5 4 1 井壁围岩最初破坏位置的确定6 0 5 4 2 泥页岩井壁坍塌压力及破裂压力数值的确定6 2 5 4 3 泥页岩井壁稳定坍塌、破裂压力计算软件6 3 5 5 防塌钻井液体系优化及性能评价6 7 结论7 0 参考文献7 2 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 5 致谢7 6 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 1 1 研究目的及意义 1 1 1 研究目的 本课题来源于中石油“十二五力设立的“复杂地层钻井液技术研究 重点项目中 的子课题。 井壁失稳一直是困扰着石油钻井界的世界性难题，每年造成直接经济损失超过1 0 亿美元。据统计数据显示，约有7 5 的钻遇地层是泥页岩，9 0 井壁失稳发生在页岩层 地层【1 1 。水化作用是引起泥页岩地层井壁失稳的主要原因之一，经过几十年的研究，在 泥页岩水化机理方面已取得了一定的成就，但由于问题的复杂性，研究思路的片面性以 及研究手段的局限性，该问题一直未能得到很好的解决。因此，综合多学科( 如粘土矿 物学、钻井液化学、岩石力学和渗流力学等) 相关理论分析，深入细致地研究泥页岩井 壁水化失稳机理及其主要影响因素，实验评价水化作用对坍塌压力以及安全密度窗口的 影响，指导防塌钻井液密度及体系配方优化，是井壁稳定问题研究中的基础课题，具有 重要的理论与实际应用价值。 1 1 2 研究意义 泥页岩水化失稳会导致井下复杂事故多、钻井速度慢、钻井周期长、成本高，给安 全、优质、快速、高效钻井带来很大障碍，甚至关系到钻井成败，严重阻碍和影响了油 气资源钻探开发的进程和效益，引起了国内外高度关注。当前钻井技术处于以解决井壁 稳定问题为前提、攻克该“瓶颈为重要标志的新技术发展历史时期。 近年来，井壁不稳定问题在国内外钻井工程中广泛存在。例如在国内，辽河油田沈 北区块的深部泥页岩剥落垮塌较严重，双楠区块中深部泥页岩水化膨胀分散较严重；在 国外区块，长城钻探施工的g u a n a b o 区块出现大段的泥页岩缩径与垮塌，阿塞拜疆钻井 项目窄安全密度窗口突出等。 目前钻井工程中，p 塌指的是地层岩石原始状态下的井壁坍塌压力。而钻井过程中 泥页岩地层水化膨胀不仅产生水化应力( 膨胀压) ，还会降低泥页岩强度。两者均会导 致p 塌增大，安全密度窗口变窄，防塌钻井液密度升高。若提高钻井液密度，即增大井 底水力压差，又会使p 塌进一步增大，如此恶性循环，最终使密度丧失其合理性，引起 井壁失稳。 1 第1 章前言 当前，深入分析泥页岩水化失稳机理及其主控因素，实验研究泥页岩水化作用对坍 塌压力和安全密度窗口的影响，指导防塌钻井液密度及体系配方优化，对于有效解决井 壁稳定突出问题，具有重要的理论和现实意义。 1 2 泥页岩井壁稳定问题研究现状及发展趋势 1 2 1 泥页岩水化作用机理研究现状 泥页岩是由粘土矿物、非粘土矿物以及孔隙流体等三类物质组成。实验研究发现， 泥页岩水化膨胀过程中起主要作用的是粘土矿物水化膨胀，因此，研究泥页岩水化机理 实质上就是研究粘土矿物水化机理。 2 0 世纪初期，岩土工程学、矿物学、胶体界面化学等方面的专家学者开始从不同的 角度对粘土矿物进行一系列研究，在粘土组成、基本结构、晶体光学性质等方面、取得 了大量的研究成果【2 】。5 0 年代，国外部分学者利用平衡水蒸气法、接触角法等测量吸附 热、润湿热、粘附功等，来计算土壤水的有关热力学函数，作为研究粘土颗粒水相互 作用机理的参考依据。其中，l o w 认为水在粘土表面上的吸附分为：物理吸附和化学吸 附两种。粘土水化前期主要表现为化学吸附，水化后期则以物理吸附为主。其主要研究 成果见l o w l 9 6 1 年发表的“粘土颗粒水分子之间的物理化学作用刀。 同一时期，粘土矿物学的专家学者对粘土矿物的结构进行了研究，研究发现粘土矿 物以二维形式的s i o 四面体和a 卜旬八面体为主要结构单元，粘土基本结构又由这两 种片层结构单元按不同的比例结合而成，层与层之间通过范德华力进行连结。不同的结 合比例构成不同的粘土矿物，最常见的是1 ：l 层型( 一片硅氧四面体与一片铝氧八面体 相结合) ，2 ：1 层型( - - 片硅氧四面体中间夹着一片铝氧八面体) ，层间存在的物质成 为层间物( 常常有层间水、层间阳离子等) 。其中，晶格中铝氧八面体的铝和硅氧四面 体的硅被低其一价的金属原子取代，引起晶格带电，为平衡电价晶体表面结合了一些可 交换性的阳离子，称为可交换阳离子( c e c ) 。由于组成和晶格取代的情形不同，不同 的粘土矿物具有的比表面积及阳离子交换容量也不相同。 试验研究还发现，粘土颗粒水蒸气吸附量与其表面积存在一定的关系，符合 b r u n a u e r 、e m m e t t 、t e l l e r 等提出的多分子层吸附理论，即b e t 吸附理论。该理论认为 不仅吸附剂与吸附质之间存在范德华引力，吸附质之间也存在范德华引力，可实现多层 吸附。利用b e t 方程可以通过水蒸气吸附法测量单位体积或者单位质量的粘土颗粒的 表面积。实验研究表明，粒径相同的粘土矿物比表面越大，总吸水量也越大，例如蒙脱 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 石比表面积大，其吸水量也比较大，非膨胀性粘土矿物，其比表面积小，总吸水量也较 小。以总吸水量比表面积作为比亲水性评价标准，发现高岭石等非膨胀类粘土表面比亲 水性高于蒙脱石等膨胀类粘土矿物的。 随着实验科学技术手段的完善，n o r d s h 等一些专家学者利用先进的x 射线衍射技 术研究粘土组构及其水化结合形态。实验结果表明，粘土膨胀的最根本原因式粘土水化， 膨胀程度与水化程度密切相关。粘土水化可分为表面水化和渗透水化两个阶段，表面水 化不同于渗透水化。表面水化阶段粘土颗粒发生晶格膨胀，其吸附水厚度不超过四个水 分子层，膨胀程度较小，膨胀初期动力主要是表面水化能；粘土发生表面水化后，如果 晶层之间阳离子浓度大于外来流体的浓度，水分子进入层间，晶层间距增大，发生渗透 水化，渗透压力和双电层的排斥力是该水化阶段主要的驱动力，渗透水化形成扩散双电 层，产生的膨胀体积远大于晶格膨胀。后期来自于。由此可见，粘土种类，水化部位、 阳离子种类、阳离子交换容量、比表面积等是影响粘土水化膨胀的主要因素【2 1 。 1 2 2 泥页岩井壁稳定性化学与力学耦合研究现状 井壁稳定最先是从力学角度出发进行研究的，随着研究进一步的深入，发现泥页岩 水化作用也是井壁失稳的关键性因素之一。经过近一个世纪的研究，泥页岩井壁失稳仍 然是钻井界的技术难题，成为钻井新技术发展的“瓶颈，其主要原因之一就是以往研 究多数从钻井液化学或岩石力学单方面开展研究，缺少井壁稳定化学与力学等多学科耦 合研究。 泥页岩井壁稳定性化学与力学耦合的研究，可以追溯到1 9 6 9 年，m e c h e n e v e r t 进 行的泥页岩水化膨胀压实验研究【3 “5 】，将水化应力( 膨胀压) 表示成泥页岩中水活度 的函数；1 9 7 0 年他又研究了页岩吸水后力学性能的变化，在研究了无机盐溶液对泥页岩 水化的影响之后，又进一步提出了活度平衡理论。此后这一领域的研究变得活跃起来， 1 9 8 9 年c h y e w 和m e c h e n e v e r t 发表了将化学与力学耦合进行定量分析的文章【5 一。 接着m o d y 提出泥页岩可以看作是非理想半透膜，泥页岩与水基钻井液作用时可选择性 的阻缓离子的传递、并产生水化渗透压。设半透膜膜效率为九( 0 九l ，理想半透膜 的膜效率k = 1 ) ，等效压力计算式为： 名掣砌( 盟) ：( 尸一只) v 口钻井液 式中，r 一是理想气体常数；卜为热力学温度；v 一水的偏摩尔体积；f l 钻井液和f l 页岩永一 3 第1 章前言 分别代表钻井液和泥页岩孑l 隙流体的水活度；p 0 一表示地层原始孔隙压力：卜表示等 效孔隙压力。 在实验手段上，为了尽可能的研究井底泥页岩与钻井液间的物理化学作用，国外一 些研究单位依据相似原理，研制出井眼模拟装置( d s c ) 、b h c 装置、m d r 装置、c t 扫描页岩实验装置等，进行泥页岩钻井液间化学力学耦合模拟实验研究。 国内油气井工程领域，在泥页岩井壁稳定化学与力学耦合方面也取得了大量的成果 6 - , - 1 0 1 。其中，石油大学黄荣樽采用c h y e w 等人的方法，进行泥页岩力学性能参数同含 水量之间关系的研究。中国石油大学( 华东) 邱正松研究指出，井壁( 泥页岩) 失稳机 理研究的关键切入点有三个方面：即钻井液与井壁岩石间压力传递和滤液侵入问题；滤 液侵入后，引发泥页岩地层的水化效应；井下液柱压力对井壁的有效力学支撑作用；并 研制出泥页岩水化与力学耦合模拟装置( s h m ) ，在国内率先建立了压力传递( p t ) 、泥 页岩膜效率、极低渗透率测定等实验方法。经过大量实验研究，提出了“物化封固井壁 一加强抑制水化有限活度平衡合理密度有效应力支撑 的“多元协同稳定井壁基 本理论，在多个油田易坍塌泥页岩地层的应用效果较显著。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 本文结合泥页岩地层井壁失稳特点，主要针对泥页岩水化，兼顾水力压差、渗透势 差、毛细管效应等影响因素，进行井壁稳定机理与钻井液防塌技术对策分析研究，进一 步确定水化作用对地层坍塌压力以及安全密度窗口的影响。本文主要研究内容： ( 1 ) 深入研究分析泥页岩水化力学耦合作用机理及主要影响因素； ( 2 ) 建立水化作用影响泥页岩井壁稳定性实验评价方法； ( 3 ) 实验研究泥页岩水化作用对地层坍塌压力及安全密度窗口的影响； ( 4 ) 高效防塌钻井液体系优化及性能评价。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 综合多学科相关理论分析，借助目标泥页岩的矿物组成及理化性质测定，深 入研究泥页岩水化力学耦合作用机理及主要影响因素； ( 2 ) 泥页岩水化机理与力学特性分析相结合，建立水化作用影响泥页岩井壁稳定 性实验评价方法； 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 对泥页岩水化力学耦合模拟实验装置进行技术改造，开展泥页岩水化力学耦 合作用模拟实验研究； ( 4 ) 实验研究泥页岩水化作用对坍塌压力及安全密度窗口的影响，指导合理防塌 钻井液密度及体系配方优化。 研究路线示意图如下： 5 第2 章泥页岩水化作用机理研究 第2 章泥页岩水化作用机理研究 泥页岩的成岩过程、矿物组成、微结构等决定了它的物理化学性质。认识泥页岩成 岩过程、矿物组成、微结构、物理化学性能是深入研究泥页岩水化机理和主要影响因素 的关键，也是研究制定防塌对策的参考依据。 2 1 泥页岩成岩过程 泥页岩一般是指粘土矿物含量大于5 0 、固结程度较高的海相盆地沉积岩【1 1 1 2 1 。泥 页岩成岩初期，沉积物以悬浮的方式搬运至静水环境中。沉积物以粘土矿物居多，在静 电作用力、分子力、磁力等的作用下，常常以凝聚、絮凝等方式形成远距接触。随着成 岩矿物的不断累积，沉积物脱离水环境进入沉积压实阶段。这一阶段沉积物由细颗粒聚 集体状态转变为二维有序排列的较紧密结构。此时，粘土矿物的水化膜较厚，沉积物呈 现含水量高、孔隙度大、强度低等特点。 随着沉积物的累积，上覆沉积层不断增加，重力压实作用开始占主导作用。沉积物 颗粒与颗粒之间的距离逐渐减小，接触面积逐渐增大，孔隙度降低，孔隙水、吸附水、 乃至层间水被压实排出。压实过程中，孔隙度可降低到1 0 以下，粘土水含量逐渐减少， 沉积物开始由塑性转变为刚性固结成岩。成岩过程中，受到构造应力及孔隙压力的影响， 泥页岩往往微裂缝较发育，具有纹层和页理构造的特点。天然露头泥页岩照片见图2 1 。 2 2 泥页岩组成及构造 图2 - 1 天然泥页岩照片 f i 9 2 1 t h ep i c t u r e so f n a t u r a ls h a l e 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 泥页岩是一种分布范围最广沉积岩，成分复杂，其组成大致可以分为三部分：粘土 矿物、非粘土矿物、孔隙介质等。粘土矿物( 如蒙脱石、伊利石、高岭石等) 含量最多， 陆源与自生矿物、非粘土矿物次之【1 3 1 。岩石结构在地层压力和温度作用下多呈现致密、 硬脆、且层理发育的特点。 图2 - 2 泥页岩组成结构示意图 f i 9 2 2 s h a l ec o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a m 非粘土矿物颗粒宏观孔隙粘土颗粒亚微观孔隙微观孔隙准晶体 2 2 1 泥页岩组成 ( 1 ) 粘土矿物：是一种粒径大小为微米级，具有片状构造含水的类铝硅酸盐矿物。 粘土矿物可细分为蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石、海泡石、坡缕石等。粘土矿物基 本结构层有两种：一是硅氧四面体层；二是铝氧八面体层。各类粘土矿物是由两者按不 通比例结合而成。单元晶层构造常见的配合比例有三种i ：i 型、2 ：1 型、2 ：2 型。在水环 境中，粘土矿物常常会表现出带电性、分散性、离子交换性、水化性等。 高岭石是一种l ：1 配合型结构，晶层间距约为0 7 2 n m ，存在较少的晶格取代，因此 晶层表面可交换阳离子较少，此外，高岭石晶层一面全部为羟基，另一面全部由氧原子 组成，晶层间以氢键结合，使水分子难以进入其中。高岭石水化性差、造浆性不好，属 非膨胀类粘土矿物。 蒙脱石是2 ：1 型粘土矿物，晶层间距约为0 9 6 n m ，由于存在晶格取代，蒙脱石带大 量负电荷，层间吸附有等电量的可交换阳离子，其可交换阳离子主要为钠离子、钙离子， 其次为钾离子、锂离子。其晶层两面均为氧原子，晶层间以分子力连接，连接力较弱。 水分子及水化阳离子极易引起晶层间距增加。研究发现蒙脱石比表面积可达8 0 0 m 2 g ， 其膨胀程度受可交换阳离子的影响，属膨胀类粘土矿物。 7 第2 章泥页岩水化作用机理研究 f 1 气鹫 l 高岭石 h 池鹞o 均| t 闻矩9 6 绿泥石e 刚钿皿s i 6 0 钿雠马p 0 氧 氧 - 铝 交换阳离子( n h 2 0 ) 1 0 a 。 伊利石吗风吣c 睡附 0 钾 o 硅。有蹲被铝取代 图2 - 3 粘土矿物晶层结构示意图 f i 9 2 - 3c l a ym i n e r a ll a y e rs t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a m 伊利石晶体构造与蒙脱石相似，晶层间距约为l n m ，其晶格取代多发生在四面体中， 其吸附阳离子主要为钾离子。钾离子吸附在晶层表面的四面体晶片上，其大d , n u 好嵌入 晶层间相邻氧原子网格形成的空间中，与周围1 2 个氧原子形成配位，成为不可交换阳 离子。钾离子与晶层负电荷之间的静电引力大于氢键，致使水分子不易进入层间。其水 化作用一般仅发生在外表面，水化膨胀程度也远小于蒙脱石，由于其比表面积小于蒙脱 石，故比亲水量大于蒙脱石。 ( 2 ) 非粘土矿物：泥页岩中非粘土矿物主要包括石英、长石、云母以及自生矿物 ( 铁、锰、铝的氧化物及氢氧化物等) 。非粘土矿物具有一定活性，其种类与含量的不 同也会引起阳离子交换容量不同。 ( 3 ) 孔隙介质：孔隙介质主要有水和油、气等流体。泥页岩成岩过程中始终伴随 着水溶液的流动，压实过程中孔隙水逐渐排出，在温度与压力的作用下有机质逐渐成熟 生成油气等。其中，水分是最主要的孔隙介质，其存在形态可分为三种【1 4 】：自由水、吸 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 附水、结晶水等。自由水存在于孔隙及孔道中，不受粘土颗粒等束缚，可自由运动；吸 附水( 束缚水) 是指吸附到粘土表面的水化膜，受到分子间引力以及静电引力的影响， 可随粘土颗粒一起运移；结晶水不同于自由水和吸附水，可看作晶体内部构造的一部分。 2 2 2 泥页岩结构与颗粒间的连接力 泥页岩由大量粘土颗粒和非粘土颗粒组成。颗粒之间存在孔隙为宏观孔隙，颗粒晶 层间孔隙称之为微观孔隙，晶层交叉产生亚微观孔隙【1 5 】。1 9 2 5 年t e r a g h i 提出微结构的 概念，认为大量的粘土片互相粘接构成峰窝状构造，随后很多学者提出了非絮凝片结构、 絮凝片结构、空间分散结构等。随着科技的进步，学者开始利用透射电镜、电镜扫描、 x 射线衍射技术对泥页岩微结构进行研究，继而又提出涡流状构造、书页状构造、片状 构造等。粘土颗粒是由某种片、板状带电单元通过有序或无序排列堆积而成，不同矿物 的晶片大小、形状、带电量以及阳离子交换能力也各不相同。泥页岩的微观结构决定了 其各向同性或者各向异性。目前没有定量模型描述泥页岩宏观参数( 抗压强度、孔隙分 布、本构参数、渗透率等) 与微观组构的关系，只能间接利用各种实验来获得。 1 9 5 5 年，苏联科学家验证粘土矿物颗粒具有较高的强度，在1 0 0 m p a 下粘土矿物晶 体仍可保持其完整性。因此，泥页岩的岩石力学性质不是取决于其基本结构单元的强度， 而是受矿物基本颗粒和微聚集体之间相互连结力的影响。沉积成岩过程中，在复杂的物 理化学作用下颗粒之间形成了化学价键力、分子力、磁性力、偶极力、毛细管力等。其 中，化学胶结力最大且不会发生水化失稳现象，在粘土类土中广泛存在，包括共价键力、 离子键力、金属键力等。它属于近距离( 短程) 作用力，在原子接触表面间距很小时 ( 0 5 3 5a ) 即可显现出来；其次为氢键；离子引力是作用距离不超过2 - 3 n m 的颗粒共 同吸引其间隙中的阳离子而形成的引力；分子力在缝隙达0 仙7 岬时可显现出来，间 距为0 1 0 3 岬时，分子引力值约为o 1 1 0 一8 1 0 。8 n 。作用范围可达到1l a i n ，与颗 粒间距的四次方成反比，试验数据表面高岭石单个接触的分子连结强度约为1 2 x 1 0 - 3 牛， 蒙脱石为1 5 l o - 8 牛。磁性力形成于沉积初期，在结构连结中作用较小。它与粘土颗粒 表面的铁磁薄膜有关，与颗粒间距的平方成反比，属远距( 长程) 作用力。高岭石单个 磁性力接触强度为1 9 x 1 0 。9 牛，蒙脱石为7 4 1 0 巧牛。偶极力存在于非碱性环境中，此 时粘土端面带正电，与邻近颗粒的负电性层面产生静电引力，偶极力也属于远程作用力， 9 第2 章泥页岩水化作用机理研究 对年代较新的粘土沉积物的结构及连结的形成有非常重要的作用。毛细管力是在孔隙未 饱和水时，提高颗粒间的连结强度。两个半径为r 的圆球形颗粒接触时，毛细管力作用 可以表示为 魄细管力2 2 n a r ( 2 1 ) 式中，o 为液体表面张力。 水化状态下，除化学胶结力外，连接的粘土颗粒氢键以及其他四种作用力会被破坏。 水化改变了粘土颗粒晶层与颗粒周围的地层流体浓度，引起粘土片周围双电层以及其他 作用力的变化，导致粘土颗粒位置调整变化。在没有外在束缚的情况下，泥页岩就以膨 胀分散的形式表现出来；若存在外在束缚，就以水化应力的形式表现出来。水化应力则 是水化状态下是颗粒之间各种微观作用力相互叠加的宏观表现。 直接测量两个微米级颗粒间的连结力难度非常大，因此可通过建立孔隙物体模型计 算确定粘土类土和岩石的单个接触强度。细分散体系强度理论基本内容： ( 1 ) 微孔隙岩石的强度，是由颗粒间接触性质决定的，并不取决于组成岩石微粒的强 度。设结构强度为p 总 2 咄 ( 2 2 ) 式中，p 总一为结构强度，n _ 为单位面积上的接触点数；p 单一是单个接触点的平均强度。 ( 2 ) 接触点数n 与颗粒大小、孔隙度密切相关。岩样越致密、孔隙度越小单位面积的 接触点越多。 ( 3 ) 尺寸较大的裂缝及孔隙易引起应力集中，大大降低岩石的强度。 2 3 泥页岩水化作用机理研究 泥页岩水化【1 7 1 8 1 膨胀实质上泥页岩中粘土矿物的水化膨胀，研究泥页岩水化作用机 理，必须研究粘土矿物的水化作用机理。使用水基钻井液钻探泥页岩地层，在水力压差 与化学势差等的作用下，水分子会侵入微裂缝及颗粒之间的宏观孔隙，接着进一步进入 岩石亚微观与微观孔隙，发生水化作用。粘土水化大致可分为两个阶段：表面水化、渗 透水化。 2 3 1 表面水化 表面水化是水分子以配位、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，形成强结合水( 吸附水一层间水) 引起的。其水分子吸附层一般不会超过四 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 层，不会引起明显的粘土矿物膨胀。 为了研究水化状态下晶体膨胀性，n o r r i s h 利用x 射线衍射技术对蒙脱石及其间层 粘土矿物水化全过程的a ( 0 0 1 ) 衍射峰d 值( 晶面间距) 、强度和峰形的测定。研究发现： 表面水化水的吸附量、定向水膜的厚度和定向性与层间阳离子水化能及粘土表面电荷密 度有关。蒙脱石层间阳离子为钠离子时，水化膜厚度大，水分子定向排列差；而当层间 阳离子为钙离子镁离子氢离子时，水化膜的厚度小，水分子定向排列规则。这是因为： 当粘土矿物与水环境接触时，交换阳离子均有从粘土中分离出来的趋势，导致粘土矿物 等颗粒只剩下一些带负电荷的结构单元，粘土层间的斥力将其分开，使水分子更易于进 入层间。晶层间交换阳离子为钠离子相比钙离子镁离子等，晶层间吸引力要弱，因此钠 蒙脱土的膨胀性强于钙蒙脱石，而高岭石层间基本没有交换阳离子，属于非膨胀型粘土。 层间阳离子从粘土层间的分离趋势受质量作用定律和离子化合价的支配，取决于阳离子 交换吸附能的大小，通常情况下，离子化合价数越高，吸引力越强，水化后分离趋势也 越弱。常见离子的分离趋势为l i 十 n a + i m g a ：2 + - = s r 2 + - b a 毪圯s 2 + 。离子水化 是指粘土晶片补偿性阳离子水化形成水化壳，同水分子争夺粘土晶面的连接位置，同时 给粘土带来水化膜。 2 3 2 渗透水化 渗透水化发生在表面水化与离子水化之后，由于层间阳离子浓度高于外界水溶液的 浓度，水分子在浓度差的作用下进入层间成为渗透结合水，为弱结合水( 强结合水转为 自由水的过渡层) 。此时，粘土之间可近似看作扩散双电层。渗透水化中双电层斥力成 为主要作用力，粘土颗粒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。 使用清水或低于地层水矿化度的钻井流体钻探泥页岩地层时，由于粘土表面离子浓 度高于钻井流体的离子浓度，水分子在浓度差的作用下向地层粘土表面运移，在粘土表 面形成定向水膜，产生双电层斥力。在双电层斥力作用下，推开相互作用的粘土片层， 使粘土体积变大，产生渗透膨胀。渗透水化体积膨胀大、产生的膨胀压小。晶格膨胀主 要受强吸附水的影响，而渗透膨胀主要受扩散双电层电解质浓度的影响，晶格膨胀远小 于渗透渗透膨胀。表面水化阶段1 9 蒙脱石可吸收0 5 m l 水，晶层间距由0 9 r i m 增加至 2 r i m ，而渗透水化阶段可吸收1 0 m l 的水，层间距可增至1 3 r i m ，体积增大2 0 倍。 2 3 3 泥页岩水化膨胀的主要影响因素 第2 章泥页岩水化作用机理研究 泥页岩水化膨胀的主要影响因素可分为内在因素，外在因素两类。其外在影响因素 很多，包括：岩石压实程度、温度、孔隙流体种类、浓度、p h 值、作用时间、水力压 差与化学势差、岩石孔道结构与尺寸等。各种外因的叠加作用导致了水化膨胀研究的复 杂性。水化膨胀过程的影响因素可分为以下几部分： ( 1 ) 粘土矿物种类不同，水化程度也不相同。不同的粘土矿物有着不同的微观组 构，如阳离子交换容量、比表面积等，蒙脱石阳离子交换容量最高，其水化作用及分散 性也最强。 ( 2 ) 同种粘土矿物，不同作用部位，水化程度也不一样。例如，粘土层间吸附阳 离子数量多，端面吸附阳离子数量少，粘土表面水化膜厚度取决于交换阳离子数量的多 少，所以粘土层间水化膜厚度大于粘土端面水化膜厚度。 ( 3 ) 粘土颗粒吸附阳离子种类不同，也会导致水化程度差别很大。粘土层间存在 着与吸附阳离子有关的两种力，一是层间阳离子水化产生的膨胀力；另一种是粘土晶层 间阳离子与晶层之间的静电引力。水化过程中，当静电引力待遇层间斥力时，粘土颗粒 就只发生晶格膨胀；当晶层间斥力大于引力时，粘土发生渗透膨胀，产生扩散双电层， 双电层斥力导致单元晶层分离。如水化后的钠蒙脱石晶层间距可达1 7 n m - - - 4 n m ，而水化 后钙蒙脱石晶层间距最大仅为1 7 n m 。 2 4 本章小结 本章综合沉积学、粘土矿物学等相关基础理论，重点分析研究了泥页岩成岩过程， 泥页岩组成构造以及泥页岩水化作用机理及影响内在因素。主要研究分析结论如下： ( 1 ) 泥页岩是一种沉积岩，具有粘土矿物含量大、成分复杂、致密硬脆、微裂缝发 育，有薄页状或薄片层状节理等特点。由其成岩过程可知，地层深处的泥页岩可看作为 饱和地层水的泥页岩。 ( 2 ) 目前没有定量模型描述泥页岩宏观参数( 抗压强度、孔隙分布、本构参数、渗 透率等) 与微观组构的关系，只能间接的利用各种实验来获得相关信息。 ( 3 ) 深入研究分析了泥页岩水化作用机理，泥页岩水化作用的实质是泥页岩中粘土 矿物的水化：并详细分析了，了水化过程的两个阶段：表面水化、渗透水化，为进一步 制定井壁稳定防塌机理及技术对策打下一定基础。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章泥页岩水化作用实验研究 泥页岩水化产生水化膨胀压，增大孔隙压力，降低有效应力，同时导致岩石强度降 低，是引起井壁失稳的主要影响因素之一。水化膨胀压又称水化应力，是作用于水化粘 土颗粒表面的一种斥力，其方向垂直于作用表面。从微观上看，水化膨胀压是水化的颗 粒之间各种作用力的合力，主要取决于表面水化膜斥力，属于短程作用力，它对颗粒间 距非常敏感，还与粘土矿物的类型及钻井液性质相关，并贯穿与粘土颗粒与水作用的整 个过程中，随着作用时间空间变化而变