鉆井液活度對(duì)硬脆性頁巖破壞機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究

溫 航陳 勉金 衍文招軍葉西安楊順輝

（1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

鉆井液活度對(duì)硬脆性頁巖破壞機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究

溫 航1陳 勉1金 衍1文招軍1葉西安1楊順輝2

（1.中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

硬脆性頁巖作為井壁圍巖時(shí)，在循環(huán)介質(zhì)流體作用下其裂縫形成的機(jī)理一直是近年來研究的熱點(diǎn)。鉆井液和頁巖之間水活度差會(huì)間接影響硬脆性頁巖裂縫的形成機(jī)制。通過對(duì)廣義Usher模型修正，建立了活度—膨脹率—水化程度分析模型，認(rèn)為巖石膨脹率低于“臨界膨脹率”時(shí)處于井壁穩(wěn)定性良好的非滲透水化階段，根據(jù)其內(nèi)部對(duì)應(yīng)的鉆井液活度范圍，提出活度窗口的概念，并利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同活度的鉆井液在宏觀上使頁巖強(qiáng)度發(fā)生差異性變化，微觀上對(duì)頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有時(shí)間敏感性影響。這一機(jī)理的提出，可以為鉆井液活度設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的配制范圍，為井壁穩(wěn)定提供有力保障。

鉆井液活度窗口；硬脆性頁巖；活度—膨脹率模型；臨界膨脹率；破壞機(jī)理

鉆井液活度指鉆井液中水相的活度值，是其中鹽濃度與純水的逸度比，能夠反映鉆井液的抑制性能［1］。關(guān)于鉆井液活度的研究，應(yīng)追根溯源到英國物理化學(xué)家唐南（Donnan）于1911年提出的半透膜平衡理論，即唐南平衡理論［2］。這一理論指出，半透膜的存在會(huì)引起離子不平衡，由此產(chǎn)生的滲透壓導(dǎo)致水分子有向擴(kuò)散。20年后，鉆井液領(lǐng)域開始應(yīng)用此理論嘗試在配制過程中加入溶解性鹽以降低與頁巖內(nèi)部液體之間的滲透壓，阻止水分子自鉆井液向頁巖擴(kuò)散［3］。1966年，Mondshine和Kercheville在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)油基鉆井液和頁巖中水活度的相對(duì)高低對(duì)頁巖水化有直接影響［4］。1969年，Chenevert首次進(jìn)行了系統(tǒng)的泥頁巖水化實(shí)驗(yàn)，建立了泥頁巖水活度和膨脹壓關(guān)系模型，但膨脹壓的測量難度較大［5］。一年后，Chenevert又提出了油包水乳化鉆井液平衡活度理論，同時(shí)發(fā)現(xiàn)油基鉆井液中水活度越高，頁巖膨脹率越大，當(dāng)鉆井液中水活度低于頁巖水活度時(shí)，頁巖負(fù)膨脹，即體積收縮，但并未對(duì)這一現(xiàn)象建立定量分析模型［6-7］。直至在1993年Mody和Hale建立的基于鉆井液和泥頁巖間水分子自由能差的熱動(dòng)力學(xué)理論的力學(xué)化學(xué)耦合定量計(jì)算模型中，也未對(duì)水活度差與膨脹率和水化程度之間的關(guān)系做出定量描述［8］，包括后來的關(guān)于活度的相關(guān)文獻(xiàn)中也未有提及［9-13］。

筆者受1966年Mondshine和Kercheville以及1970年Chenevert實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，認(rèn)為鉆井液和頁巖之間水活度差會(huì)通過對(duì)頁巖膨脹率和水化程度的影響，間接影響硬脆性頁巖裂縫的形成機(jī)制，希望從鉆井液和頁巖之間水活度差—膨脹率—水化程度的定量分析模型的角度，解釋硬脆性頁巖裂縫形成的機(jī)制問題。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

無錫市碧波電子設(shè)備廠生產(chǎn)的AW-1型水分活度測定儀，利用氣體熱傳導(dǎo)的濕度傳感器來檢測物質(zhì)在很小的密閉容器內(nèi)與周圍空間達(dá)到平衡時(shí)的相對(duì)濕度，測量范圍為0.000～0.999，測量精度為±0.02。

美國Grace Instrument公司生產(chǎn)的M4600 HPHT線性膨脹儀（工作條件：溫度≤260 ℃，壓力≤13 MPa），利用自帶軟件M4600daq，可以自定義數(shù)據(jù)收集方式，評(píng)估各個(gè)時(shí)間段內(nèi)巖心體積的變化情況，同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)采集情況，并自動(dòng)導(dǎo)出測試結(jié)果。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

取自塔中地區(qū)順托果勒區(qū)塊順903H井志留系柯坪塔格組中段泥巖段的巖心柱，來自同口井的油基、水基鉆井液和常溫下已知標(biāo)準(zhǔn)活度值的飽和溶液（表1）。

表1 常溫下飽和溶液標(biāo)準(zhǔn)活度值

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）測定巖心柱活度值；

（2）制取油基、水基鉆井液濾液，測定其活度值，將表1中與濾液活度值相似的飽和溶液替換掉，保持膨脹實(shí)驗(yàn)中所選液體活度值盡量具有均勻梯度；

（3）在150 ℃、6.9 MPa條件下，測定巖心與不同活度飽和溶液接觸的膨脹率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

活度測試和膨脹率測試結(jié)果見表2。可以看出，與高于巖心柱活度值的溶液接觸后，地層膨脹率隨二者之間活度差值增大而增加；與巖心柱活度值相當(dāng)?shù)腗g（NO3）2飽和溶液接觸后，地層膨脹不明顯；與低于巖心柱活度值的溶液接觸后，地層膨脹率為負(fù)，即體積收縮。這是因?yàn)橥饨鐬V液活度高于地層活度時(shí)，在滲透壓的作用下，濾液中的水分子會(huì)侵入地層巖石，向地層黏土表面運(yùn)移且形成定向水膜，產(chǎn)生雙電層斥力，推開相互作用的黏土片層，使黏土體積變大，產(chǎn)生滲透膨脹，即發(fā)生滲透水化；外界濾液活度在一定范圍低于地層活度時(shí)，水分子以配位、靜電作用和氫鍵等方式被吸附在黏土礦物的層間和黏土表面，但一般不超過4層吸附層，不會(huì)引起明顯的黏土礦物膨脹，即發(fā)生表面水化；當(dāng)外界濾液活度低于地層活度超過某一范圍時(shí)，同樣在滲透壓的作用下，地層巖石中的水分子會(huì)反過來進(jìn)入外界濾液中，即發(fā)生去水化。由此可知，外界濾液和地層活度值與地層膨脹性存在某種定量關(guān)系：外界濾液活度值上限為1，在地層本身性質(zhì)的束縛下，雖然膨脹率會(huì)隨活度差值變化，但不會(huì)無限增大，故而認(rèn)為活度與膨脹率之間存在“S”型關(guān)系。

表2 活度—膨脹率測試結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

2.1 數(shù)學(xué)模型

The parameters of the instrument can be set up uniformly, and the number of teachers that need are reduced.

“S”型曲線通常用來描述某一生命總量有限的體系，這種體系都存在一個(gè)完整的成長、成熟直至消亡的過程［14-15］。地層膨脹率隨外界濾液活度值從與地層活度相當(dāng)?shù)缴舷?的變化過程正好符合該體系的發(fā)展進(jìn)程。因此，引入廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)和資源預(yù)測的廣義Usher模型對(duì)活度—膨脹率進(jìn)行定量分析，需要注意的是，由于模型本身性質(zhì)決定，其中參數(shù)不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)值，為適用于實(shí)驗(yàn)中的數(shù)理意義，需要對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)修正。

式中，y為外界濾液活度值；a、b、d為待定系數(shù)；c為0附近的某個(gè)實(shí)參數(shù)，x的某個(gè)修正因子，當(dāng)其大于0時(shí)，整個(gè)函數(shù)為增函數(shù)，否則為減函數(shù)；S為與外界濾液接觸后地層巖石膨脹率；e為對(duì)膨脹實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的負(fù)膨脹率的修正值，一般取負(fù)膨脹率絕對(duì)值加0.1。

上式中c值的求得，也可從某種意義上證明所選模型的合理性，因所研究指標(biāo)的物理性質(zhì)，整個(gè)函數(shù)應(yīng)為增函數(shù)，即c值必大于0。

2.2 模型應(yīng)用

用2.1節(jié)中的數(shù)學(xué)模型，可得到一條地層巖石標(biāo)準(zhǔn)膨脹率—活度曲線，如圖1。地層活度（As）在曲線上對(duì)應(yīng)的膨脹率稱為臨界膨脹率Sc（點(diǎn)E），以此值作為表面水化和滲透水化分界點(diǎn)：當(dāng)S＞Sc時(shí)，地層進(jìn)入滲透水化階段，膨脹現(xiàn)象明顯，極易引發(fā)巖石破壞，弱化井壁強(qiáng)度；當(dāng)0＜S＜Sc時(shí)，地層保持在表面水化狀態(tài)，雖仍有膨脹現(xiàn)象發(fā)生但程度不明顯，一般在井壁強(qiáng)度可承受范圍內(nèi)；當(dāng)S＜0時(shí)，地層發(fā)生去水化，即地層脫水、體積收縮，這種情況同樣會(huì)破壞井壁穩(wěn)定性。反過來看，上述兩個(gè)標(biāo)志性的膨脹率0和Sc對(duì)應(yīng)的外界濾液活度值（點(diǎn)D和As）即為控制頁巖井壁穩(wěn)定的又一新特性參數(shù)，分別稱為外界濾液活度下限和活度上限，期間的變化范圍稱為活度窗口。

圖1 地層巖石標(biāo)準(zhǔn)膨脹率—活度曲線形態(tài)示意圖

結(jié)合表2中數(shù)據(jù)，利用廣義Usher模型可獲得順903H井取心地層的標(biāo)準(zhǔn)膨脹率—活度曲線，如圖2，其中待定系數(shù)a=1.465 0，b=0.636 2，c=0.675 2，d=1.613 9?？梢钥闯觯?03H井取心地層與水基鉆井液接觸時(shí)，應(yīng)處于滲透水化狀態(tài)，而與油基鉆井液接觸時(shí)，則處于去水化階段。根據(jù)廣義Usher曲線公式可算出活度下限為0.301，臨界膨脹率Sc為3.3%，考慮到作為活度上限的地層活度值的測定是在巖屑樣品經(jīng)過長距離運(yùn)輸和長時(shí)間離開地層環(huán)境的條件下測得，故對(duì)活度值波動(dòng)范圍進(jìn)行調(diào)整，認(rèn)為合理的活度窗口為0.30～0.56。

圖2 順903H井取心地層標(biāo)準(zhǔn)膨脹率—活度曲線

將取自順903H井的標(biāo)準(zhǔn)巖心柱按時(shí)間做不同活度的濾液浸泡處理，對(duì)處理后的巖心柱進(jìn)行圍壓25 MPa的強(qiáng)度測試和SEM實(shí)驗(yàn)，方案如表3。

表3 浸泡處理實(shí)驗(yàn)方案

經(jīng)浸泡處理后的標(biāo)準(zhǔn)巖心柱宏觀描述情況見圖3，隨浸泡時(shí)間延長，活度為0.983的水基鉆井液接觸的巖心柱從橫向、縱向天然裂縫的展開（圖3b、c、d）發(fā)展到裂縫縱向貫穿（圖3e）；反觀浸泡時(shí)間最長、活度為0.280的油基鉆井液接觸的巖心柱外表幾乎無變化。

圖3 浸泡實(shí)驗(yàn)巖心宏觀結(jié)果

上述宏觀現(xiàn)象也可以從SEM結(jié)果圖像中得到進(jìn)一步佐證，如圖4，低活度的油基濾液作用下巖石并未發(fā)生細(xì)微結(jié)構(gòu)上的變化，而高活度的水基濾液使巖石在一定時(shí)間內(nèi)膨脹劇烈，膨脹程度遠(yuǎn)超過臨界膨脹率值，這種體積上的變化是巖石內(nèi)部微裂縫張開并延伸后，在長度和寬度上均具有時(shí)間敏感性的結(jié)果。

圖4 浸泡實(shí)驗(yàn)電鏡掃描結(jié)果

由活度差引起的膨脹表現(xiàn)在巖石破壞程度上則是強(qiáng)度的降低，如圖5，在水基濾液條件下，地層巖石強(qiáng)度總體隨時(shí)間逐漸弱化，5.5 h之內(nèi)弱化程度比較劇烈，之后變化趨于穩(wěn)定。值得一提的是，在10 h這個(gè)時(shí)間上，巖石抗壓強(qiáng)度和泊松比出現(xiàn)奇異點(diǎn)，這可能是地層極速膨脹時(shí)導(dǎo)致的短暫不穩(wěn)定期。相同浸泡時(shí)間下，油基濾液和水基濾液對(duì)巖石的破壞作用差異明顯，如表4，巖石在水基濾液中的弱化程度比油基中高63.4%，結(jié)合圖5中數(shù)據(jù)可知，油基濾液浸泡24 h后地層巖石強(qiáng)度狀況與水基浸泡5.5 h時(shí)相當(dāng)。

圖5 水基濾液條件下地層巖石強(qiáng)度變化

表4 油基濾液、水基濾液破壞時(shí)效對(duì)比

綜上所述，硬脆性頁巖活度—膨脹率之間的定量關(guān)系模型能夠直接說明其微裂縫產(chǎn)生機(jī)制問題，揭示硬脆性頁巖破壞機(jī)理。

3 結(jié)論

（1）鉆井液和硬脆性頁巖之間水活度差通過對(duì)頁巖膨脹率和水化程度的影響，間接影響硬脆性頁巖微裂縫的形成機(jī)制；根據(jù)修正后的廣義Usher模型得到的活度—膨脹率—水化程度模型可以明確說明硬脆性頁巖破壞機(jī)理；活度差的增加會(huì)導(dǎo)致頁巖膨脹率偏離零值，其中膨脹率正向的增大對(duì)硬脆性頁巖的破壞尤其明顯，只有合理的鉆井液活度才能將膨脹率控制在臨界膨脹率以內(nèi)，從而控制硬脆性頁巖微裂縫的延伸和擴(kuò)展。

（2）不同活度外界濾液對(duì)地層性質(zhì)的弱化程度有很大差異，這種差異性除體現(xiàn)在最終結(jié)果上，也在時(shí)間敏感性上有所表現(xiàn)：短時(shí)間內(nèi)變化劇烈，到達(dá)一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定，中間時(shí)間段可能由于變化的劇烈程度導(dǎo)致不符合整體趨勢的奇異點(diǎn)出現(xiàn)。

（3）下一步的研究工作可以從長井段的活度預(yù)測和控制入手，建立單井活度剖面，達(dá)到控制整個(gè)井筒井壁穩(wěn)定的目的。

［1］鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)［M］.東營：中國石油大學(xué)出版社，2006.

［2］天津大學(xué)物理化學(xué)教研室.物理化學(xué)（下冊）［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］STRAUSS U P,LEUNG Y P.Volume changes as a criterion for site binding of counterions by polyelectrolytes［J］.Journal of the American Chemical Society,1965,87（7）: 1476-1480.

［4］MONDSHINE T C,KERCHEVILLE J D.Shale dehydration studies point way to successful gumbo shale drilling［J］.The Oil and Gas Journal,1966,28（3）:235-251.

［5］CHENEVERT M E.Adsorptive pore pressure of argillaceous rocks［C］.The 11th U.S.Symposium on Rock Mechanics （USRMS）,Berkeley,1969.

［6］CHENEVERT M E.Shale control with balancedactivity oil-continuous muds［J］.Journal of Petroleum Technology,1970,22（10）:1309-1316.

［7］CHENEVERT M E.Shale alteration by water adsorption［J］.Journal of Petroleum Technology,1970,22（9）:1141-1148.

［8］Mody F K,Hale A H.Borehole stability model to couple the mechanics and chemistry of drilling-fluid/shale interactions［R］.SPE 25728,1993.

［9］丁銳，李健鷹.活度與半透膜對(duì)頁巖水化的影響［J］.鉆井液與完井液，1994，11（3）：23-28.

［10］唐林.防止井內(nèi)水進(jìn)入泥頁巖層的泥漿活度確定方法［J］.鉆井液與完井液，1996，13（1）：18-20.

［11］杜德林，樊世忠，CHENEVERT M E.水基流體中頁巖的滲透水化［J］.鉆井液與完井液，1996，13（3）：6-11.

［（修改稿收到日期 2013-12-30）

〔編輯 朱 偉〕

Experimental research on brittle shale failure caused by drilling fluid activity

WEN Hang1,CHEN Mian1,JIN Yan1,WEN Zhaojun1,YE Xi'an1,YANG Shunhui2
（1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting in China University of Petroleum,Beijing102249,China;2.Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering,Beijing100101,China）

The failure mechanism formed under the action of circular medium fluid around the wellbore of brittle shale has been a hot issue in recent years.The water activity difference between the drilling fluid and shale will directly affect the formation mechanism brittle shale fracture.The model of activity-inflation-hydration is set up firstly through revising generalized Usher model.For this model,it states that the wellbore is in non-osmotic hydration stage within the critical expansion ratio,and thus puts forward the concept of activity window according to the drilling fluid activity range,and this is verified by indoor test.Results show that the different activity of drilling fluid brings difference in rock strength in macro and time sensitive effect for internal structure of rock in micro.This mechanism can provide a more accurate range design for drilling fluid activity and strong guarantee for wellbore stability.

drilling fluid activity window;brittle shale;activity-inflation model;critical expansion ratio;failure mechanism

溫航，陳勉，金衍，等.鉆井液活度對(duì)硬脆性頁巖破壞機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：57-59.

TE254

：A

1000-7393（2014）01-0057-03

10.13639/j.odpt.2014.01.015

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）“深井復(fù)雜地層安全高效鉆井基礎(chǔ)研究”（編號(hào)：2010CB226701；國家科技重大專項(xiàng)“力學(xué)與化學(xué)耦合井眼穩(wěn)定技術(shù)研究”（編號(hào)：2011ZX05031-004-001-001）。

溫航，1984年生。在讀博士研究生，主要從事油氣井巖石力學(xué)與工程方面的研究。電話：010-89732209。E-mail：wenhang6024@126.com。