工作液浸泡對頁巖裂縫擴展及力學(xué)性質(zhì)影響

方朝合，黃志龍，葛稚新，王義鳳，鄭德溫

(1.中國石油大學(xué) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;2.國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心,中國石油集團非常規(guī)油氣重點實驗室,河北 廊坊 065007)

工作液浸泡對頁巖裂縫擴展及力學(xué)性質(zhì)影響

方朝合1,2，黃志龍1，葛稚新2，王義鳳1，鄭德溫2

(1.中國石油大學(xué) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;2.國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心,中國石油集團非常規(guī)油氣重點實驗室,河北 廊坊 065007)

采用頁巖浸泡實驗直觀地觀測了頁巖與流體之間的反應(yīng)和裂縫延展情況,結(jié)合電鏡掃描實驗中頁巖微觀結(jié)構(gòu)變化,分析了工作液浸泡下頁巖裂縫擴展的機理。研究發(fā)現(xiàn),由于工作液堿度較高和頁巖中黏土礦物的存在,頁巖在工作液中浸泡后,巖石強度降低,力學(xué)參數(shù)發(fā)生了明顯變化：彈性模量減小,泊松比增加;浸泡時間越長,強度值降低越大。由此得出,浸泡下頁巖微裂縫沿層理面和弱結(jié)構(gòu)面不斷擴展延伸是引起頁巖井壁失穩(wěn)的主要原因。

頁巖;浸泡;裂縫擴展;巖石強度

頁巖層一直是鉆井的一大難題,原地應(yīng)力的不平衡,以及頁巖與鉆井液的相互作用使得頁巖井壁具有極大地潛在失穩(wěn)風(fēng)險[1-2]。目前研究井壁失穩(wěn)機理通常采用膨脹性、分散性實驗[3-5],但儲層段頁巖少含或不含膨脹性黏土礦物,因此還需要采用其他手段共同評價水平井段的井壁穩(wěn)定。頁巖脆性礦物含量高,黏土礦物以伊利石為主,裂縫、微裂縫以及層理發(fā)育[6-13],導(dǎo)致在水平段鉆井過程中井漏和垮塌同時存在,且進入儲層的鉆井液濾液難以返排,影響頁巖氣的及時發(fā)現(xiàn)和高效開發(fā)[14-15]。因此,研究工作液浸泡對頁巖儲層裂縫擴展及力學(xué)性質(zhì)的影響是極為必要的。

石秉忠[16]等采用CT成像數(shù)字巖心分析設(shè)備,結(jié)合X線衍射儀和掃描電子顯微鏡等設(shè)備,對川西地區(qū)須家河組三段的巖樣進行測試,研究了硬脆性泥頁巖水化過程中微觀結(jié)構(gòu)及次生裂縫演變規(guī)律,以及水化對巖石宏觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響。梁利喜等[17]在對四川盆地龍馬溪組野外露頭及井下巖心開展室內(nèi)實驗研究龍馬溪組頁巖潤濕性和水化作用的基礎(chǔ)上,基于斷裂力學(xué)理論,考慮水化作用和潤濕性(毛細管效應(yīng)),建立頁巖裂紋裂縫擴展模型,分析了毛細管效應(yīng)和水化作用對頁巖裂紋擴展的影響。折海成[18]等從物理化學(xué)作用和力學(xué)作用兩個方面分析了裂縫吸水后對泥頁巖力學(xué)強度的影響,建立了含水量對巖體的黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響作用，并利用巖石力學(xué)、細觀斷裂力學(xué)理論研究了裂紋起裂規(guī)律?？狄懔19]等基于有限元數(shù)值模擬法建立了連通井筒單條垂直裂縫情況下的裂縫動態(tài)寬度預(yù)測模型,研究了鉆井液浸泡后頁巖裂縫寬度變化的行為,修正和完善了基于有限元的裂縫動態(tài)寬度預(yù)測方法,并討論了裂縫寬度變化模擬在漏失性儲層保護和井壁失穩(wěn)控制方面的應(yīng)用。王怡[20]等開展了深部硬脆性泥頁巖的理化特性分析,及含裂縫的硬脆性泥頁巖力學(xué)特性及破壞模式的規(guī)律性認識分析。盧運虎[21]等借助固體力學(xué)、斷裂力學(xué)和界面化學(xué)理論,建立了介質(zhì)潤濕性特征控制的裂縫擴展模型,提出了基于潤濕理論的頁巖井壁穩(wěn)定評價方法。目前采用浸泡實驗對頁巖裂縫擴展及力學(xué)性質(zhì)的研究尚未見報道。

浸泡實驗是以圖像的方式同步記錄巖石-流體反應(yīng)現(xiàn)象,如顆粒分散、垮塌以及沿著弱面/層理/邊緣的破裂。頁巖與流體相互接觸以后,巖石通常將易碎或易垮塌。傳統(tǒng)的測試方法,如分散測試、硬度測試和膨脹測試,不能全面反映巖石結(jié)構(gòu)對裂縫延展和井壁失穩(wěn)的影響,而巖樣浸泡實驗?zāi)軌蛑庇^地觀測到巖石與流體的相互作用和裂縫延展情況,這種手段能夠彌補傳統(tǒng)方法的不足。浸泡實驗是評價巖石-流體作用和裂縫伸長最有效的方法之一。實驗過程中的巖石物理化學(xué)性質(zhì)的變化反映的是巖石性質(zhì)(組成、結(jié)構(gòu)和變形)對于潛在井壁失穩(wěn)的綜合影響。

1 實驗樣品與方法

1.1 實驗樣品

巖樣1選自某井3 327 m深處的頁巖,該頁巖層理發(fā)育,黏土礦物質(zhì)量分數(shù)為42%。其中，伊/蒙間層礦物相對質(zhì)量分數(shù)為14%,巖樣表面水接觸角為42.2°,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)低于1%。在全直徑巖心上,分別鉆取垂直層理面和平行層理面的巖心柱,直徑為2.5 cm左右。將鉆取的巖心柱進行切片,厚度5～6 mm之間,然后先粗磨再精磨至5 mm,分別獲得垂直層理面和平行層理面的巖樣切片各4組。

巖樣2選自四川盆地志留系龍馬溪組海相頁巖,該巖樣層理欠發(fā)育,黏土礦物平均質(zhì)量分數(shù)為38%,其中伊/蒙間層礦物相對質(zhì)量分數(shù)28%,巖樣有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)約4%。在露頭巖樣上,鉆取直徑為2.5 cm、長5 cm的巖心柱2塊,以開展力學(xué)實驗。

實驗流體為蒸餾水、取樣層位處的地層水、兩性離子聚合物混油防塌鉆井液濾液(二開鉆井液濾液)、兩性離子聚合物混油防塌鉆井液濾液(二開鉆井液濾液)+KCl溶液(KCI的質(zhì)量分數(shù)為5%)、pH值為12的NaOH水溶液。

1.2 方法

在滾子加熱爐的5個容器中,分別加入200 mL的上述5種工作液,并將巖樣分別放入工作液內(nèi);將滾子加熱爐溫度恒定在取心段地層溫度,浸泡24，72，168 h后分別取出切片進行拍照,觀察表面裂縫擴展情況,并測試浸泡168 h后的力學(xué)性質(zhì)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 工作液浸泡下裂縫擴展演化過程

從圖1可以看出,工作液浸泡后,頁巖表面的裂縫擴展可以分為兩個階段:裂縫快速形成段和沿已有裂縫緩慢延伸段。裂縫快速形成段指大部分裂縫的形成階段,其發(fā)生在流體浸泡72 h之內(nèi),在該階段內(nèi)以形成新裂縫和沿裂縫延伸方向擴展為主;沿已有裂縫緩慢延伸段指由于頁巖長時間受流體浸泡后,黏土礦物的分散作用逐漸減弱,導(dǎo)致頁巖沿已有裂縫緩慢延伸,在該階段內(nèi)裂縫寬度變寬,裂縫逐漸顯著。

圖1 工作液浸泡下頁巖表面裂縫擴展情況(平行層理面取樣)Fig.1 Cracks propagation behaviors of parallel bedding shale section soaking in different fluid and different time

對比4種流體浸泡后頁巖裂縫的擴展情況(圖1)分析表明,頁巖在蒸餾水和二開鉆井液濾液中的分散能力最大,地層水和二開鉆井液濾液+KCl混合溶液的抑制性較好。

對比平行層理面和垂直層理面裂縫擴展數(shù)量情況(圖1、圖2)分析表明,裂縫主要沿著層理縫方向延伸,在垂直層理面上即使受流體的長時間浸泡也無宏觀裂縫形成。

圖2 工作液浸泡下頁巖表面裂縫擴展情況(垂直層理面取樣)Fig.2 Cracks propagation behaviors of vertical bedding shale section soaking in different fluid and different time

2.2 工作液浸泡后力學(xué)性質(zhì)變化

經(jīng)測定某區(qū)塊所用油基鉆井液pH=11.59,故選用pH=12的NaOH+KCl溶液模擬該油基鉆井液濾液。從圖3、表1可以看出,堿性工作液浸泡后,頁巖三軸抗壓強度明顯降低,從浸泡前的221.2 MPa降低到浸泡后的167.7 MPa,降幅為24%;頁巖彈性模量由2.58×104MPa降至2.39×104MPa,降幅為7%;頁巖泊松比由0.182上升至0.240,增加幅度達32%。

圖3 堿性工作液浸泡對頁巖變形和破壞規(guī)律的影響Fig.3 Effect on shale deformation and Failure Law by mud soaking

表1 堿性工作液浸泡前后頁巖三軸抗壓力學(xué)實驗結(jié)果

3 討論

3.1 工作液浸泡下裂縫擴展機理

圖4 掃描電鏡下的微裂縫特征Fig.4 The micro fractwre characteristics under the scanning electron microscope

圖5 鑄體薄片下的微裂縫特征Fig.5 The microfacture characteristics under casting sheet

宏觀裂縫的萌生往往源于內(nèi)部微小裂縫的擴展、延伸。頁巖內(nèi)部微小裂縫十分發(fā)育(見圖4、圖5),同時頁巖中黏土礦物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)普遍大于20%,而黏土礦物均存在一定的水化膨脹。因而,外來工作液侵入后,易誘發(fā)黏土礦物水化膨脹,導(dǎo)致微裂縫擴展延伸,形成宏觀裂縫。頁巖水化過程的CT掃描顯示,微裂縫擴展延伸具有明顯的階段,即微裂縫萌生、穩(wěn)定擴展、加速擴展、匯合歸并貫通,出現(xiàn)宏觀裂縫,裂縫進一步擴展延伸,直至巖樣垮塌失穩(wěn)[22]。

3.2 層理面對裂縫擴展影響

層理面是頁巖中普遍存在的結(jié)構(gòu)弱面,同時也是巖性界面。在層理面附近,往往存在微裂縫集中分布區(qū)域[23],如圖5所示。平行層理面的透水性大于垂直層理面的透水性,導(dǎo)致工作液更易侵入頁巖內(nèi)部,促使黏土礦物水化膨脹,誘發(fā)裂縫擴展延伸。因此,在工作液浸泡作用下,頁巖裂縫主要沿平行層理面擴展延伸,而垂直層理面上較難發(fā)現(xiàn)裂縫的擴展延伸現(xiàn)象。

3.3 堿性工作液浸泡后力學(xué)強度弱化機制

3.3.1 黏土礦物水化影響

巖石被水飽和后強度降低已被大量實驗證實。

水侵入巖石后,浸濕礦物顆粒,削弱礦物顆粒間的連接,降低了巖石強度[24]。對于不含或含少量水敏性礦物的巖石來說,當巖石干燥后,其強度仍然可以得到一定程度恢復(fù)。但對于頁巖來說,水侵入后,黏土礦物發(fā)生了水化膨脹,晶層間距離變大,從而導(dǎo)致頁巖抗壓強度與彈性模量降低。

3.3.2 裂縫擴展延伸的影響

工作液侵入后,黏土礦物水化膨脹導(dǎo)致頁巖微裂縫不斷擴展延伸,乃至形成宏觀裂縫,而裂縫面在巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)中往往居于主導(dǎo)地位。因而,水化膨脹產(chǎn)生的裂縫將嚴重降低頁巖強度。

3.3.3 堿液對造巖礦物的溶蝕作用

已有研究證實,堿液對黏土礦物等具有較強溶蝕作用[25-27]。在掃描電鏡下,能清晰觀察到堿液溶蝕孔隙,且堿液pH值越高,溶蝕孔隙數(shù)量越多,且溶蝕孔孔徑分布在1～10 μm(圖6)。正是由于這種溶蝕作用,大幅降低了頁巖礦物顆粒間的連接強度,從而使頁巖抗壓強度顯著降低。

4 結(jié)論

1) 流體浸泡后頁巖裂縫的擴展可以分為兩個階段:裂縫快速形成階段和沿已有裂縫緩慢延伸階段;

2) 頁巖裂縫主要沿著層理縫方向延伸,在垂直層理面上即使受流體的長時間浸泡也無宏觀裂縫形成,沿層理面開裂是頁巖井壁失穩(wěn)的主要原因之一;

3) 不同性質(zhì)流體浸泡后,頁巖巖石強度降低,其應(yīng)力值降低可達50 MPa左右。鉆井液浸泡作用使頁巖巖石力學(xué)參數(shù)發(fā)生了明顯變化,表現(xiàn)為彈性模量減小,泊松比增加。用同一鉆井液浸泡后,浸泡時間越長,頁巖巖石強度降低程度越大。

圖6 堿液溶蝕后的頁巖微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.6 Microstructure characteristics of alkali dissolution shale

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(編輯：賈麗紅)

FANG Chaohe1,2,HUANG Zhilong1,GE Zhixin2,WANG Yifeng1,ZHENG Dewen2

(1.StateKeyLaboratoryofPrteoleumResourceandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.NationalEnergyShaleGasR&D(Experiment)Center,KeyLaboratoryofUnconventionalOil&Gas,Langfang065007,China)

Shale wellbore instability is a major cause of high cost and long time drilling and completion for shale gas.The effect of working fluid soaking on shale crack propagation and mechanical properties was analyzed to optimize drilling technology and protect wellbore stability.The interaction between shale and fluid during soaking experiments was observed with scanning electron microscopy (SEM).Shale fracture propagation mechanism and influencing factors under working fluid soaking were discussed through microstructural changes.It is found that after soaking the shale,the rock strength decreases,the mechanical parameters change significantly,that is the elastic modulus decreases,the Poisson ratio increases,and longer soaking time results in greater decrease in the shale rock strength.The extension of weak structure plane along the bedding surface and micro cracks is common cause of shale wellbore instability.

shale;immersion;fracture propagation;rock strength

1007-9432(2015)04-0414-05

2014-12-23

國家科技重大專項資助項目：頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究(2011ZX05018);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)基金資助：中國南方海相頁巖氣高效開發(fā)的基礎(chǔ)研究(2013CB2281)

方朝合(1976-),男,山東德州人,高級工程師,博士生,主要從事非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)工藝技術(shù)研究工作，(Tel)13785470380

TE122

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.04.010