水化作用和潤(rùn)濕性對(duì)頁(yè)巖地層裂紋擴(kuò)展的影響

梁利喜，熊 健，劉向君

(西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

水化作用和潤(rùn)濕性對(duì)頁(yè)巖地層裂紋擴(kuò)展的影響

梁利喜，熊 健，劉向君

(西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

頁(yè)巖地層裂紋擴(kuò)展對(duì)頁(yè)巖氣井井壁穩(wěn)定有重要影響，而鉆井液與頁(yè)巖間相互作用(毛細(xì)管效應(yīng)和水化作用)將對(duì)頁(yè)巖地層裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響。選擇四川盆地龍馬溪組露頭及井下巖心開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究頁(yè)巖潤(rùn)濕性和水化作用，基于斷裂力學(xué)理論，考慮水化作用和潤(rùn)濕性(毛細(xì)管效應(yīng))，建立頁(yè)巖裂紋裂縫擴(kuò)展模型，分析了水化作用和潤(rùn)濕性對(duì)頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展的影響。研究結(jié)果表明，龍馬溪組頁(yè)巖表面既親油又親水，且頁(yè)巖表面更傾向于油濕；頁(yè)巖浸泡在水中，水化應(yīng)力隨著時(shí)間增加而先上升后趨于穩(wěn)定，而先浸泡在白油中、后浸泡在水中或浸泡在10%KCl溶液中測(cè)試膨脹應(yīng)力，水化應(yīng)力上升速度減慢；頁(yè)巖浸泡在水中，巖樣表面形成的裂縫主要平行于層理面，隨著時(shí)間增加，巖樣保持完整或剝落成碎塊，而頁(yè)巖浸泡在10%KCl中，巖樣表面形成裂縫數(shù)量少且破裂程度輕；水化作用和潤(rùn)濕性對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子增量影響較大及對(duì)頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展有重要影響，鉆井液體系應(yīng)減小鉆井液濾失量及鉆井液界面張力、增加黏土礦物水化抑制劑和增大鉆井液與頁(yè)巖表面接觸角，減小自吸作用，抑制水化作用。油基鉆井液與頁(yè)巖表面接觸角小，但其界面張力小，造成毛細(xì)管力小，因此頁(yè)巖地層鉆井中，采用油基鉆井液能在一定程度上抑制裂紋擴(kuò)展，使井壁不易失穩(wěn)。

龍馬溪組頁(yè)巖；潤(rùn)濕性；水化作用；毛細(xì)管效應(yīng)；應(yīng)力強(qiáng)度因子；裂紋擴(kuò)展

目前，頁(yè)巖氣已成為全球非常規(guī)能源勘探與開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，多國(guó)加入到頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)熱潮中，而在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中遇到的井壁穩(wěn)定問(wèn)題是一個(gè)重要而又復(fù)雜的課題[1-8]。鉆井過(guò)程中，鉆井液濾液沿著頁(yè)巖層理面或微裂縫進(jìn)入頁(yè)巖地層，地層沿層理面、微裂縫發(fā)生剝落掉塊，掉塊的大小和形狀無(wú)規(guī)律，表面為層理面、裂縫面及次生斷面[9]，同時(shí)硬脆性泥頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)機(jī)理不同于易水化膨脹的泥頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)機(jī)理[10]。頁(yè)巖地層的層理比較發(fā)育，脆性大，易在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫[11-14]。鉆井液在毛細(xì)管效應(yīng)和鉆井壓差作用下，沿著層理面或微裂縫進(jìn)入頁(yè)巖地層。鉆井液與頁(yè)巖相互作用主要體現(xiàn)在物理化學(xué)變化和力學(xué)效應(yīng)[15]，進(jìn)入頁(yè)巖地層的鉆井液(水)與黏土礦物顆粒間發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，黏土顆粒表面形成表面水化，產(chǎn)生水化應(yīng)力，水化作用在裂紋尖端處引起應(yīng)力集中，造成裂紋擴(kuò)展和延伸，擴(kuò)展混合形成裂縫損傷區(qū)，破壞巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低巖石強(qiáng)度，從而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。因此，頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展對(duì)頁(yè)巖氣井井壁穩(wěn)定有重要影響。折海成等[15]從斷裂力學(xué)角度分析了裂紋起裂，石秉忠等[9,16]利用CT手段從微觀角度分析了水化作用對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，石秉忠等[17]從化學(xué)角度分析了頁(yè)巖自吸水化抑制劑對(duì)頁(yè)巖裂縫形成的影響，王怡等[18]分析了頁(yè)巖浸泡鉆井液后表面分布裂縫對(duì)頁(yè)巖強(qiáng)度的影響，盧運(yùn)虎等[19]從力學(xué)角度分析了介質(zhì)潤(rùn)濕性對(duì)頁(yè)巖裂縫擴(kuò)展的影響，從不同角度對(duì)頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展影響因素展開(kāi)了研究。

從國(guó)內(nèi)外[20]及本課題組現(xiàn)有研究資料看，四川盆地龍馬溪組頁(yè)巖巖石黏土礦物以伊利石和綠泥石為主，不含有蒙脫石和高嶺石等膨脹性礦物，這類地層現(xiàn)場(chǎng)施工中水化膨脹縮徑現(xiàn)象較少，而發(fā)生剝落和掉塊現(xiàn)象較多。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這類巖石雖水化體積膨脹量較小，但水化作用產(chǎn)生的水化應(yīng)力不可忽視。因此，在對(duì)四川盆地龍馬溪組野外露頭及井下巖心開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究龍馬溪組頁(yè)巖潤(rùn)濕性和水化作用的基礎(chǔ)上，基于斷裂力學(xué)理論，考慮水化作用和潤(rùn)濕性(毛細(xì)管效應(yīng))，建立頁(yè)巖裂紋裂縫擴(kuò)展模型，分析了毛細(xì)管效應(yīng)和水化作用對(duì)頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展的影響，為頁(yè)巖鉆井液優(yōu)化和頁(yè)巖氣井井壁穩(wěn)定研究提供新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)樣品采集

實(shí)驗(yàn)頁(yè)巖樣品采自四川南部地區(qū)古生界下志留統(tǒng)龍馬溪組。龍馬溪組屬海相沉積環(huán)境，該組下部為黑色頁(yè)巖，上部為灰色、黃綠色泥質(zhì)或粉砂質(zhì)較大。龍馬溪組頁(yè)巖具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度，其露頭及井下巖樣有機(jī)碳含量(TOC)為0.35%～18.4%，平均為2.52%，井下樣品有機(jī)碳含量大于2%的高有機(jī)碳頁(yè)巖主要分布于龍馬溪組下部黑色頁(yè)巖中[21]。

表1 頁(yè)巖樣品礦物組成

本文研究頁(yè)巖樣品取自于3個(gè)不同地區(qū)龍馬溪組，其中兩組露頭龍馬溪組頁(yè)巖樣品采自四川省宜賓市雙河鎮(zhèn)(一組黑色頁(yè)巖標(biāo)記為L(zhǎng)1，一組灰色頁(yè)巖標(biāo)記為L(zhǎng)2)，一組井下龍馬溪組頁(yè)巖樣品采自四川省長(zhǎng)寧地區(qū)某井(標(biāo)記為W)。頁(yè)巖巖心采集后研磨成粉末，采用X’Pert PRO全自動(dòng)粉末X-射線衍射儀進(jìn)行礦物組成測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可知，三組龍馬溪組頁(yè)巖樣品礦物組成復(fù)雜，主要含有石英和黏土礦物，黏土礦物以伊利石和綠泥石為主。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

為了評(píng)價(jià)龍馬溪組頁(yè)巖表面潤(rùn)濕性，對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行潤(rùn)濕性測(cè)試。由于頁(yè)巖孔隙度和滲透率極低，利用Amott法和USBM法很難測(cè)試潤(rùn)濕性，因此選用接觸角法對(duì)頁(yè)巖表面潤(rùn)濕性進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了露頭頁(yè)巖(L1、L2)膨脹應(yīng)力實(shí)驗(yàn)和浸泡實(shí)驗(yàn)。

2.1 潤(rùn)濕性測(cè)試

接觸角法可以快速、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)巖石對(duì)液體的潤(rùn)濕性，本文研究采用DSA100光學(xué)接觸角測(cè)定儀來(lái)測(cè)量氣—液—巖石體系接觸角，此儀器操作簡(jiǎn)便，測(cè)量精度高，可以測(cè)量體系接觸角，定性評(píng)價(jià)巖石潤(rùn)濕性(氣—液—固體系接觸角測(cè)試中，接觸角小于90°，液體為潤(rùn)濕相；接觸角大于90°，液體為非潤(rùn)濕相)。潤(rùn)濕性測(cè)試液體有水、5#白油、柴油，測(cè)試條件在常溫下，頁(yè)巖樣品接觸角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 頁(yè)巖樣品接觸角測(cè)試結(jié)果

從圖1中可以看出，頁(yè)巖表面與水的接觸角小于90°，白油和柴油在頁(yè)巖表面擴(kuò)展，說(shuō)明頁(yè)巖表面潤(rùn)濕性表現(xiàn)為不是單一的潤(rùn)濕性，既為油濕也為水濕，即具有兩親性，同時(shí)頁(yè)巖表面油濕程度好于水濕程度，更傾向于油濕。

2.2 膨脹應(yīng)力實(shí)驗(yàn)

利用根據(jù)固定體積法原理研制的泥頁(yè)巖水化膨脹應(yīng)變應(yīng)力測(cè)試儀，對(duì)頁(yè)巖水化膨脹應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括6組實(shí)驗(yàn)：L1和L2頁(yè)巖浸泡水膨脹應(yīng)力、L1和L2頁(yè)巖浸泡10%KCl溶液膨脹應(yīng)力、L1和L2頁(yè)巖先浸泡白油膨脹應(yīng)力后浸泡水膨脹應(yīng)力。頁(yè)巖浸泡水、白油中膨脹應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2，從圖中可看出，頁(yè)巖巖樣浸泡水、10%KCl溶液中線水化應(yīng)力隨著時(shí)間增加而先上升后趨于穩(wěn)定，其中L1頁(yè)巖線水化應(yīng)力上升速度較慢、幅度較小，很慢達(dá)到穩(wěn)定；L2頁(yè)巖線水化應(yīng)力上升速度快、幅度大，很快趨于穩(wěn)定，且在與水接觸的最初0.5 h時(shí)間內(nèi)，線水化應(yīng)力變化趨勢(shì)存在明顯階梯上升現(xiàn)象。結(jié)合圖3(頁(yè)巖膨脹應(yīng)力實(shí)驗(yàn)前后巖心對(duì)比)分析，L2頁(yè)巖因毛細(xì)管效應(yīng)作用自吸吸水發(fā)生水化，巖樣產(chǎn)生微裂縫面，水沿裂縫面繼續(xù)進(jìn)入巖樣內(nèi)部，黏土顆粒吸水形成表面水化膜，隨著吸水量增加，表面水化膜增厚，使裂縫寬度增加，同時(shí)黏土顆粒產(chǎn)生表面水化力，在裂縫面上產(chǎn)生拉應(yīng)力，一方面使裂縫寬度增加，一方面使裂縫尖端應(yīng)力集中造成裂縫擴(kuò)展，從而使巖樣體積產(chǎn)生宏觀膨脹，造成水化應(yīng)力增加。從圖2中還可以看出，與浸泡水膨脹應(yīng)力測(cè)試相比，頁(yè)巖先浸泡在白油中，不產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，再浸泡在水中測(cè)試膨脹應(yīng)力，或浸泡在10%KCl溶液中測(cè)試膨脹應(yīng)力，頁(yè)巖線水化應(yīng)力上升速度減慢、幅度減小，其中L1頁(yè)巖線水化應(yīng)力下降幅度較大，而L2頁(yè)巖線水化應(yīng)力下降幅度較小，說(shuō)明頁(yè)巖先浸泡在白油中或浸泡在10%KCl溶液中，可在一定程度上減緩頁(yè)巖自吸吸水作用，減小頁(yè)巖水化作用，造成水化應(yīng)力上升速度減慢、幅度減小。

圖2 頁(yè)巖膨脹應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 頁(yè)巖膨脹應(yīng)力實(shí)驗(yàn)前后巖心觀察對(duì)比

2.3 浸泡實(shí)驗(yàn)

頁(yè)巖浸泡實(shí)驗(yàn)主要包括4組實(shí)驗(yàn)：L1和L2頁(yè)巖浸泡水、L2頁(yè)巖浸泡10%KCl溶液、L2頁(yè)巖浸泡白油。L1頁(yè)巖在浸泡水前后巖樣保存完整，巖樣表面有少量松散顆粒脫落，未發(fā)現(xiàn)裂縫。L2頁(yè)巖巖樣浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4a可看出，L2頁(yè)巖浸泡水、10%KCl溶液后，水化現(xiàn)象較明顯，吸水水化程度較嚴(yán)重，巖樣表面可見(jiàn)裂縫分布，而L2頁(yè)巖在浸泡白油前后巖樣保存完整。結(jié)合觀察記錄，L2頁(yè)巖浸泡水中，巖樣表面先有大量松散顆粒脫落，3 min后出現(xiàn)裂紋，5 min后沿著平行層理面起裂，裂紋逐漸增寬，很快沿著層理面形成裂縫(L2-1表面裂縫有6條，L2-2表面裂縫有9條)，8 min后表面形成大量平行于層理面的裂縫，同時(shí)沿著層理面破裂成碎塊；與浸泡在水中的巖樣表面形成裂縫過(guò)程對(duì)比，L2頁(yè)巖浸泡在10%KCl溶液中時(shí)，有少量松散顆粒脫落，巖樣表面出現(xiàn)裂紋時(shí)間延后，5 min后巖樣表面分布的裂縫(L2-1表面裂縫有3條，L2-2表面裂縫有5條)明顯少于浸泡在水中的巖樣(圖4a)，最后巖樣沿著層理面破裂成碎塊(圖4b)，但破裂程度明顯小于浸泡在水中的巖樣，說(shuō)明KCl溶液對(duì)頁(yè)巖水化作用有一定的抑制作用，減少了頁(yè)巖水化作用。

3 頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展分析

頁(yè)巖表面既親油又親水，因毛細(xì)管效應(yīng)自吸作用，水進(jìn)入頁(yè)巖內(nèi)部發(fā)生水化作用，使顆粒間黏結(jié)力降低。宏觀上表現(xiàn)為巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角降低[22]，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度或巖石Ⅰ型斷裂韌性(簡(jiǎn)稱斷裂韌性)下降[15]。同時(shí)水化作用產(chǎn)生水化應(yīng)力，引起裂紋尖端處應(yīng)力集中，使應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于斷裂韌性時(shí)，裂紋擴(kuò)展或延伸。多條微裂紋匯合貫通后形成宏觀裂紋，宏觀裂紋進(jìn)一步發(fā)展形成裂縫，裂縫貫通后將導(dǎo)致巖石破壞[9]。本文基于斷裂力學(xué)理論，以頁(yè)巖地層中橢圓裂紋為研究對(duì)象，考慮毛細(xì)管效應(yīng)和水化作用的影響，建立了頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展模型，并分析了毛細(xì)管力和水化應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。

圖4 浸泡實(shí)驗(yàn)巖心前后觀察對(duì)比

圖5 裂紋面受力模型

頁(yè)巖地層黏土礦物與水相互作用，黏土礦物水化的體積膨脹量較小，但水化作用產(chǎn)生應(yīng)力大小不可忽視。假設(shè)頁(yè)巖地層黏土礦物均勻分布，水化應(yīng)力均勻作用于裂紋表面，裂紋中鉆井液的液柱長(zhǎng)2c，水化應(yīng)力關(guān)于裂紋中心對(duì)稱分布，水化應(yīng)力作用長(zhǎng)度為2b，作用于裂紋面上的水化應(yīng)力記作P(圖6)，可得Ⅰ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

(1)

水基、油基鉆井液與頁(yè)巖接觸后，因毛細(xì)管效應(yīng)作用使鉆井液進(jìn)入頁(yè)巖地層。裂紋中心距裂紋中鉆井液前緣距離為c，鉆井液在裂紋尖端產(chǎn)生的毛細(xì)管力沿著液面切線方向指向凹液面，毛細(xì)管力為Pc，毛細(xì)管力作用于裂紋面力為Pccos(θ)，鉆井液界面張力為γ，裂紋面與裂紋中軸線夾角為β，潤(rùn)濕角為θ，裂紋中心寬度為2w，等效半徑為R(圖7)。由圖7可知，毛細(xì)管力為：

(2)

考慮毛細(xì)管效應(yīng)時(shí)，可得Ⅰ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

(3)

在地層中，裂紋面上的正應(yīng)力主要由地應(yīng)力、毛細(xì)管力和水化應(yīng)力作用組成，因此，Ⅰ型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

(4)

當(dāng)裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI大于斷裂韌性KIc后，裂紋將發(fā)生擴(kuò)展。為便于分析毛細(xì)管效應(yīng)和水化作用對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，引入應(yīng)力強(qiáng)度因子增量ΔKI，即：

(5)

應(yīng)力強(qiáng)度因子增量ΔKI越大，裂紋尖端處應(yīng)力越集中，裂紋越易擴(kuò)展，說(shuō)明毛細(xì)管效應(yīng)或水化作用對(duì)裂紋擴(kuò)展影響越大。利用應(yīng)力強(qiáng)度因子增量分析水化作用和毛細(xì)管效應(yīng)對(duì)頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展的影響。

水化作用對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子增量的影響見(jiàn)圖8。從圖8中可知，應(yīng)力強(qiáng)度因子增量隨水化應(yīng)力或水化應(yīng)力作用長(zhǎng)度(b/a)增大而呈上升趨勢(shì)，應(yīng)力強(qiáng)度因子增量上升幅度越大，裂紋尖端應(yīng)力集中程度越明顯，裂紋越易擴(kuò)展。說(shuō)明水化作用對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子增量影響較大，造成應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，使得裂紋抗張能力減弱，易造成裂紋擴(kuò)展，出現(xiàn)張性裂縫，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。選用鉆井液體系時(shí)需要考慮減小鉆井液濾失量，還應(yīng)增加黏土礦物水化抑制劑，減少水化作用影響，有效抑制裂紋擴(kuò)展。

毛細(xì)管效應(yīng)(潤(rùn)濕性)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子增量的影響見(jiàn)圖9。從圖9中可知，應(yīng)力強(qiáng)度因子增量隨界面張力增大而線性上升；隨液柱半長(zhǎng)(c/a)增大而先上升、后趨于平緩、再上升，總體呈上升趨勢(shì)，液柱越靠近裂紋尖端，應(yīng)力強(qiáng)度因子增量上升幅度越大，裂紋尖端應(yīng)力集中程度越明顯，裂紋越易擴(kuò)展；隨潤(rùn)濕角增加而呈下降趨勢(shì)，潤(rùn)濕角越大，應(yīng)力強(qiáng)度因子增量越小，裂紋尖端應(yīng)力集中程度減弱，裂紋不易擴(kuò)展，當(dāng)潤(rùn)濕角為90°時(shí)，頁(yè)巖表面潤(rùn)濕性表現(xiàn)為中性，應(yīng)力強(qiáng)度因子最小，此時(shí)毛細(xì)管效應(yīng)對(duì)裂紋擴(kuò)展不產(chǎn)生影響。說(shuō)明毛細(xì)管效應(yīng)(潤(rùn)濕性)對(duì)頁(yè)巖井壁裂紋擴(kuò)展有重要影響，鉆井液體系應(yīng)在減小鉆井液界面張力和增大鉆井液與頁(yè)巖表面接觸角等方面優(yōu)化，采用優(yōu)化鉆井液體系可有效抑制裂紋擴(kuò)展。

圖6 裂紋在水化作用下分析示意

圖7 裂紋在毛細(xì)管力作用下分析示意

圖8 水化作用對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子增量的影響

圖9 毛細(xì)管效應(yīng)(潤(rùn)濕性)對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子增量的影響

頁(yè)巖地層鉆井中，水基、油基鉆井液在鉆井壓差和毛細(xì)管效應(yīng)作用下進(jìn)入頁(yè)巖地層，水基鉆井液將在頁(yè)巖地層中產(chǎn)生水化作用。采用水基鉆井液時(shí)，毛細(xì)管力和水化應(yīng)力將對(duì)頁(yè)巖地層裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響；而采用油基鉆井液時(shí)，毛細(xì)管力將對(duì)頁(yè)巖地層裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生影響，油基鉆井液與頁(yè)巖表面接觸角小，但界面張力也小，產(chǎn)生的毛細(xì)管力較小。在同樣條件下，油基鉆井液對(duì)裂紋擴(kuò)展影響較小，而水基鉆井液對(duì)裂紋擴(kuò)展影響較大。因此頁(yè)巖地層鉆井中，采用油基鉆井液能在一定程度上抑制裂紋擴(kuò)展，使井壁不易失穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)龍馬溪組頁(yè)巖表面既親油又親水，且頁(yè)巖表面更傾向于油濕；龍馬溪組頁(yè)巖浸泡在水中時(shí)，水化應(yīng)力隨著時(shí)間增加而先上升后趨于穩(wěn)定，而先浸泡在白油中、后浸泡在水中或浸泡在10%KCl溶液中測(cè)試膨脹應(yīng)力，水化應(yīng)力上升速度減慢。

(2)龍馬溪組頁(yè)巖浸泡在水中，巖樣表面形成的裂縫主要平行于層理面，隨著浸泡時(shí)間增加，巖樣保持完整性或水化剝落成碎片或碎塊；而頁(yè)巖浸泡在10%KCl溶液中時(shí)，巖樣表面形成裂縫數(shù)少，且破裂程度輕。

(3)水化作用對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子增量的影響較大，易造成頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展，鉆井液體系應(yīng)減小鉆井液濾失量和增加黏土礦物水化抑制劑，抑制水化作用。

(4)潤(rùn)濕性對(duì)頁(yè)巖裂紋擴(kuò)展有重要影響，鉆井液體系應(yīng)減小鉆井液界面張力和增大鉆井液與頁(yè)巖表面接觸角，減小毛細(xì)管效應(yīng)自吸作用。

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

Hu Wenrui,Zhai Guangming,Li Jingming.Potential and development of unconventional hydrocarbon resources in China[J].Engineering Sciences,2010,12(5):25-29.

[2] Chee P T,Brian G R.Effects of swelling and hydration stress in shale on wellbore stability[C].SPE38057,1997.

[3] 馬麗,倪文學(xué),丁豐虎.勝北構(gòu)造硬脆性泥頁(yè)巖裂隙特征及防塌機(jī)理[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào),1999,14(4):26-29.

Ma Li,Ni Wenxue,Ding Fenghu.Fracture character and collapse mechanism of the hard brittle mud shale in Shengbei structure[J] Journal of Xi’an Petroleum Institute,1999,14(4):26-29.

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

Zhao Feng,Tang Hongming,Meng Yingfeng,et al.Study on the influence of microscopic geologic characteristics on wellbore stability of brittle shale[J].Drilling & Production Technology,2007,30(6):16-18.

[5] 劉玉石,白家祉,黃榮樽,等.硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定問(wèn)題研究[J].石油學(xué)報(bào),1998,19(1):85-88.

Liu Yushi,Bai Jiachi,Huang Rongzun,et al.A study on stability of brittles shale wellbore[J].Acta Petrolei Sinica,1998,19(1):85-88.

[6] 王倩,王剛,蔣宏偉,等.泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定耦合研究[J].斷塊油氣田,2012,19(4):517-521.

Wang Qian,Wang Gang,Jiang Hongwei,et al.Study on shale wellbore stability coupling[J].Fault-Block Oil and Gas Field,2012,19(4):517-521.

[7] 周德華，焦方正.頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)”評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)：以四川盆地建南地區(qū)侏羅系為例[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2012,34(2):109-114.

Zhou Dehua,Jiao Fangzheng.Evaluation and prediction of shale gas sweet spots:a case study in Jurassic of Jiannan area,Sichuan Basin [J].Petroleum Geology & Experiment,2012,34(2):109-114.

[8] 溫慶志,翟恒立,羅明良,等.頁(yè)巖氣藏壓裂支撐劑沉降及運(yùn)移規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J].油氣地質(zhì)與采收率,2012,19(6)：104-107.

Wen Qingzhi,Zhai Hengli,Luo Mingliang,et al.Study on proppant settlement and transport rule in shale gas fracturing[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2012,19(6)：104-107.

[9] 石秉忠,夏柏如,林永學(xué),等.硬脆性泥頁(yè)巖水化裂縫發(fā)展的CT成像與機(jī)理[J].石油學(xué)報(bào),2012,33(1):137-142.

Shi Bingzhong,Xia Bairu,Lin Yongxue,et al.CT imaging and mechanism analysis of crack development by hydration in hard-brittle shale formations[J].Acta Petrolei Sinica,2012,33(1):137-142.

[10] 邱正松,李健鷹.硬脆性頁(yè)巖坍塌機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究[J].鉆井液與完井液,1989,6(2):26-31.

Qiu Zhengsong,Li Jianying.Experiment study of hardbrittle shale wellbore instability mechanism[J].Drilling Fluid & Completion Fluid,1989,6(2):26-31.

[11] 龍鵬宇,張金川,唐玄,等.泥頁(yè)巖裂縫發(fā)育特征及其對(duì)頁(yè)巖氣勘探和開(kāi)發(fā)的影響[J].天然氣地球科學(xué),2011,22(3):525-532.

Long Pengyu,Zhang Jinchuan,Tang Xuan,et al.Feature of muddy shale fissure and its effect for shale gas exploration and development[J].Natural Gas Geoscience,2011,22(3):525-532.

[12] 丁文龍,李超,李春燕,等.頁(yè)巖裂縫發(fā)育主控因素及其對(duì)含氣性的影響[J].地學(xué)前緣,2012,19(2):212-220.

Ding Wenlong,Li Chao,Li Chunyan,et al.Dominant factor of fracture development in shale and its relationship to gas accumulation[J].Earth Science Frontiers,2012,19(2):212-220.

[13] 郭海萱,郭天魁.勝利油田羅家地區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2013,35(3):339-346.

Guo Haixuan,Guo Tiankui.Experimental evaluation of crushability of shale reservoirs in Luojia area,Shengli Oilfield[J].Petroleum Geology & Experiment,2013,35(3):339-346.

[14] 孫海成.脆性頁(yè)巖網(wǎng)絡(luò)裂縫中支撐劑的沉降特性[J].油氣地質(zhì)與采收率,2013,20(5)：107-110.

Sun Haicheng.Study on proppant settlement in brittle shale network fracture[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2013,20(5)：107-110.

[15] 折海成,劉斌,華帥,等.裂縫吸水對(duì)泥頁(yè)巖強(qiáng)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 Chemical Industry,2010,39(8):854-857.

[16] 石秉忠,夏柏如.硬脆性泥頁(yè)巖水化過(guò)程的微觀結(jié)構(gòu)變化[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào),2011,35(6):28-34.

Shi Bingzhong,Xia Bairu.The variation of microstructures in the hard-brittle shale hydration process[J]Journal of Daqing Petroleum Institute,2011,35(6):28-34.

[17] 石秉忠,夏柏如,高書(shū)陽(yáng),等.頁(yè)巖自吸水化控制劑的研制與性能評(píng)價(jià)[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(5):45-49.

Shi Bingzhong,Xia Bairu,Gao Shuyang,et al.Development and performance evaluation of shale self-adsorption hydration inhibi-tor[J]Petroleum Drilling Techniques,2012,40(5):45-49.

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

Wang Yi,Xu Jiang,Mei Chungui,et al.Chemical and mechanical properties of brittle fracture mud shale[J]Journal of Oil and Gas Technology,2011,33(6):104-108.

[19] 盧運(yùn)虎,陳勉,安生.頁(yè)巖氣井脆性頁(yè)巖井壁裂縫擴(kuò)展機(jī)理[J].石油鉆探技術(shù),2012,40(4):13-16.

Lu Yunhu,Chen Mian,An Sheng.Brittle shale wellbore fracture propagation mechanism[J]Petroleum Drilling Techniques,2012,40(4):13-16.

[20] 張正順,胡沛青,沈娟,等.四川盆地志留系龍馬溪組頁(yè)巖礦物組成與有機(jī)質(zhì)賦存狀態(tài)[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(5):766-771.

Zhang Zhengshun,Hu Peiqing,Shen Juan,et al.Mineral compositions and organic matter occurrence modes of Lower Silurian Longmaxi Formation of Sichuan Basin[J] Journal of China Coal Society,2013,38(5):766-771.

[21] 黃金亮,鄒才能,李建忠,等.川南志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣形成條件與有利區(qū)分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(5):782-787.

Huang Jinliang,Zou Caineng,Li Jianzhong,et al.Shale gas accumulation conditions and favorable zones of Silurian Longmaxi Formation in south Sichuan Basin,China[J].Journal of China Coal Society,2012,37(5):782-787.

[22] 閆傳梁,鄧金根,蔚寶華,等.頁(yè)巖氣儲(chǔ)層井壁坍塌壓力研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(8):1595-1602.

Yan Chuanliang,Deng Jin’gen,Yu Baohua,et al.Research on collapsing pressure of gas shale[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(8):1595-1602.

(編輯 韓 彧)

Effects of hydration swelling and wettability on propagation mechanism of shale formation crack

Liang Lixi, Xiong Jian, Liu Xiangjun

(StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

The shale formation cracks have an important influence on the borehole stability of shale well, and the interaction between drilling fluidand shale (capillary effect and hydration swelling) would impact on the propagation mechanism of shale formation crack. In this thesis, experiments were done for the outcrop and well core of the Longmaxi Formation shale of the southern Sichuan Basin to determine shale wettability and hydration swelling. Based on fracture mechanics, the propagation model of shale formation crack was established with the hydration swelling stress and capillary force, and the effects of hydration swelling and wettability on the propagation mechanism of shale formation crack were studied. The result shows that the wettability of the Longmaxi Formation shale is both water-wet and oil-wet, and is more likely to be oil-wet. The hydration swelling stress of the shale tend to ascent first and then become stable with the increase in time. For the shale rocks first soak in oil or KCl, the rise velocity of hydration swelling stress would decrease.The fractures on the sample surface are parallel plane of bedding in the process of immersing in water. With the increasing of immersion time, the sample would keep its integrality or spall to pieces. While the number of the fractures soaking in KCl is less and the cracked degree of the rocks is lighter. The hydration swelling has a great influence on the increment of the stress intensity factor, and the drilling fluid systems need to decrease the drilling fluid filter loss and increase the clay minerals hydrate inhibitor. The wetting behavior has a great influence on the propagation mechanism, and the drilling fluid systems need to reduce the drilling fluid interfacial tension and enlarge the wetting angle between drilling fluid and rock medium. The contact angles of oil-based drilling fluids and shale surface and the interfacial tension are little, which result in small capillary force. Therefore, the oil-based drilling fluid is used to inhibit crack propagation, hence the wellbore will be easy to maintain stable.

Longmaxi Formation shale; wettability;hydration swelling; capillary effect; stress intensity factor; crack propagation

1001-6112(2014)06-0780-07

10.11781/sysydz201406780

2013-10-27；

2014-08-18。

梁利喜(1976—)，男，博士后，講師，主要從事地質(zhì)工程、非常規(guī)頁(yè)巖巖石力學(xué)研究。E-mail：274190673@qq.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目“頁(yè)巖氣低成本高效鉆完井技術(shù)基礎(chǔ)研究”(U1262209)和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“硬脆性泥頁(yè)巖地層井周裂縫形態(tài)調(diào)控巖石力學(xué)基礎(chǔ)研究”(51274172)聯(lián)合資助。

TE254

A