松遼盆地富含伊利石的古龍頁巖水化特性及其對巖石力學(xué)參數(shù)的影響

楊智光 李吉軍 齊 悅 和傳健 宋 濤 陳紹云 張 洋

（1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163002；2.中國石油大慶鉆探工程公司，黑龍江 大慶 163458）

0 引 言

松遼盆地古龍頁巖是典型的陸相頁巖，與國內(nèi)外海相或咸化湖盆沉積為主的頁巖相比，古龍頁巖的巖石組構(gòu)、物性等均有很大不同［1-2］。古龍地區(qū)青山口組沉積時(shí)期自下而上為水退沉積過程，半深湖—深湖相沉積面積大，其中青一段暗色泥頁巖具有單層厚度大、分布面積廣的特征［3-4］，厚度大于40 m 的面積達(dá)3.8×104km2，泥頁巖夾很薄的白云巖、介殼灰?guī)r和粉砂巖紋層（一般為0.05～0.15 m），屬于高黏土含量的頁巖型頁巖，而其他地區(qū)頁巖油藏含較高比例砂巖、粉砂巖或碳酸巖［5］，可以理解為致密性強(qiáng)的致密油氣藏。中國陸相頁巖油開發(fā)仍處于起步階段，古龍頁巖油勘探初期，沒有成熟的理論、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可借鑒［6-7］，在井A1 等水平井鉆井過程中出現(xiàn)因井壁剝落、坍塌導(dǎo)致的卡鉆、遇阻等復(fù)雜情況，嚴(yán)重影響了頁巖油勘探效果［8］。大慶油田開展了頁巖油井壁失穩(wěn)機(jī)理研究，重點(diǎn)在古龍頁巖黏土礦物組構(gòu)、孔縫發(fā)育情況、頁巖水化特性及力化耦合研究等方面開展攻關(guān)，取得了初步認(rèn)識(shí)。

本文從頁巖礦物組構(gòu)、黏土晶層結(jié)構(gòu)與水化特性等多重角度分析了古龍頁巖水化潛在因素對巖石力學(xué)參數(shù)的影響，初步給出了頁巖井壁失穩(wěn)機(jī)理，為針對性解決井壁剝落和坍塌等復(fù)雜問題提供了理論依據(jù)。

1 古龍頁巖概況

1.1 礦物組成

古龍頁巖油藏純頁巖含量比例高，黏土礦物演化程度高，整體處于中成巖晚期，在演化階段存在蒙脫石大量消失轉(zhuǎn)化為伊利石的過程，并在轉(zhuǎn)化過程中析出硅質(zhì)。為進(jìn)一步明確古龍頁巖的礦物組成，開展了X 射線衍射（XRD）實(shí)驗(yàn)，對井A3 等6 口井青山口組巖樣進(jìn)行分析，表明青山口組紋層狀及頁理狀頁巖，黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)30%以上，以伊利石為主（表1），與以海相或咸化湖盆沉積為主的頁巖巖石組構(gòu)差異性較大，如川南頁巖氣區(qū)塊和渝東頁巖氣區(qū)塊伊蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)7.1%～11.65%，而伊利石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～6.3%，同時(shí)古龍頁巖脆性礦物以石英和斜長石為主，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.4%～42.5%，脆性礦物含量高，對形成裂縫提供了有利條件，導(dǎo)致地層承壓能力弱，是井壁失穩(wěn)的潛在因素之一。

表1 井A3全巖礦物及黏土礦物分析結(jié)果Table 1 Whole-rock mineral analysis and clay mineral analysis of Well A3

1.2 孔縫特征

古龍頁巖主要由基質(zhì)孔隙—頁理縫組成［9］，孔隙類型主要包括有機(jī)質(zhì)孔縫、黏土礦物晶間孔和溶孔，受水平頁理控制的納米級孔縫體系大大改善了儲(chǔ)集層物性，孔隙寬度為70～5 000 nm，占總面孔率大于75%， 覆壓條件下水平滲透率為0.011×10-3～1.620×10-3μm2， 平 均0.580×10-3μm2，垂直滲透率小于0.000 1×10-3μm2，形成了水平方向上的高孔滲帶；古龍青一段底部發(fā)育層狀頁巖，累計(jì)厚度10～20 m，巖性純、細(xì)膩，為水體環(huán)境安靜條件沉積，自然斷面見頁理極發(fā)育，頁理密度1 500～2 500 條/m；青二段下部及青一段上部發(fā)育高黏土含量的厚層紋層狀頁巖，巖心及鏡下均可見到毫米—微米級厚度的石英、介殼等紋層，紋層累計(jì)比例小于10%，巖心自然斷面可見頁理發(fā)育，頁理密度1 000～1 500 條/m，鏡下觀察微裂縫寬度0.2～3.0 μm，孔縫體系發(fā)育為鉆井液侵入頁巖地層提供了有利條件。

1.3 潤濕性

研究表明，頁巖儲(chǔ)層巖石表面呈復(fù)雜的非均勻混合潤濕性特征，既親油又親水，且頁巖表面更趨于油濕，頁巖親水性能與黏土含量正相關(guān)［10］，因此潤濕性對頁巖的水化特性影響較大。室內(nèi)采用接觸角法對古龍頁巖油區(qū)塊井G1 等4 口井的青一段和青二、三段8 塊紋層狀巖心的潤濕性進(jìn)行了評價(jià)。

從表2 可以看出，古龍頁巖4 口井8 塊紋層狀頁巖巖心在水—巖樣系統(tǒng)中，接觸角最大為38.6°，最小為25.7°，在柴油—巖樣系統(tǒng)中接觸角均為0°，表明古龍頁巖潤濕性屬于混合潤濕偏油潤濕，與川南地區(qū)龍馬溪組頁巖潤濕性特征接近，具備水相侵入頁巖孔縫引起水化的條件。

表2 古龍頁巖油井取心巖樣的潤濕性評價(jià)實(shí)驗(yàn)Table 2 Experiments of wettability evaluation for core samples from Gulong shale oil wells

2 古龍頁巖水化特性

2.1 黏土水化機(jī)理

國內(nèi)外關(guān)于井壁穩(wěn)定的研究較多，主要是針對富含蒙脫石和伊蒙混層頁巖水化特性，其中蒙脫石以層間吸水膨脹為主，伊蒙混層以層間散裂為主，對富含伊利石的古龍頁巖研究較少。伊利石是3 層型黏土礦物，由2 層硅氧四面體中間夾一層鋁氧八面體組成晶胞，屬2∶1 型黏土礦物，晶格取代主要發(fā)生在Si─O 四面體中，Al3+取代Si4+［11］，晶層間存在K+，離子吸附作用比氫鍵強(qiáng)，晶層間距為0.34 nm。水化作用包括表面水化和層間水化，表面水化產(chǎn)生于黏土顆粒晶層外表面的水化陽離子的離子交換，層間水化過程中晶層間K+在吸附水分子達(dá)20 個(gè)時(shí)趨近飽和，層間距也趨于穩(wěn)定，水化膨脹程度存在最大值，不會(huì)無限膨脹［12］。

蒙脫石結(jié)構(gòu)與伊利石類似，其晶格取代發(fā)生在Si─O 四面體中，Al3+取代Si4+，同時(shí)在Al─O 八面體中Mg2+、Fe2+置換Al3+，使晶層間產(chǎn)生多余的負(fù)電荷（永久性負(fù)電荷），晶層間為水分子間力連接，連接力弱，晶層間距為0.62～1.05 nm，層間距大，為了保持電中性，晶層間吸附了大半徑的陽離子如K+、Na+、Ca2+等，使層間距可膨脹至原來的10 倍甚至幾十倍，這些陽離子是以水化狀態(tài)出現(xiàn)，并且是可相互交換的，使蒙脫石族礦物具有陽離子交換性和晶格膨脹性等一系列特性。

2.2 伊利石水化微觀作用力

室內(nèi)設(shè)計(jì)了物理模型，測量晶層間距與范德華力、短程斥力的作用關(guān)系，因黏土礦物具有層狀結(jié)構(gòu)，晶層帶負(fù)電荷，晶層間相互作用可簡化為帶電平板間相互作用，選取與伊利石組成和性質(zhì)都相似的白云母替代黏土晶片，模擬測試晶層間的范德華力和雙電層斥力，使用表面力儀測量溶液中隨著云母片間距變化的晶層間相互作用強(qiáng)度，如圖1 所示。圖1（a）顯示模擬蒙脫石結(jié)構(gòu)時(shí)，測試曲線符合范德華力理論，以范德華力和雙電層斥力為主導(dǎo)；圖1（b）模擬伊利石結(jié)構(gòu)且云母片間距小于5 nm 左右時(shí)，測試曲線完全偏離范德華力理論曲線，水合力開始占據(jù)主導(dǎo)作用，但其屬于短程斥力。水合力是伊利石水化過程的主控因素［13］。

圖1 范德華力和雙電層斥力預(yù)測值與實(shí)測數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparisons between predicted values and measured data of DLVO force and electric double-layerrepulsion

將水合力等效為排斥壓力，可定量計(jì)算伊利石的水合排斥壓力。為了定量分析頁巖水化作用，需要確定電解質(zhì)溶液類型，因?yàn)樗狭Φ漠a(chǎn)生過程為電解質(zhì)濃度升高到突破某一臨界濃度后，金屬陽離子能量能夠克服臨界吸附能量勢壘，使金屬陽離子及其水合分子可以吸附在伊利石晶層表面，出現(xiàn)水合力，而頁巖層中可溶鹽陽離子主要包括Na+、K+和Ca2+等，陰離子主要為Cl-，水侵入后，便形成金屬陽離子電解質(zhì)溶液，且濃度較高，足以產(chǎn)生顯著水合力，同時(shí)Na+半徑更小，水合分子數(shù)更大，即NaCl 溶液在伊利石晶層間產(chǎn)生水合力的臨界電解質(zhì)濃度高于KCl 溶液。因此以NaCl、KCl 溶液為例，計(jì)算了不同濃度電解質(zhì)溶液中的伊利石水合排斥壓力。結(jié)果表明，當(dāng)NaCl 溶液濃度達(dá)到0.01 mol/L、KCl 溶 液 濃 度 達(dá) 到0.000 3 mol/L 及0.001 mol/L 時(shí)能夠產(chǎn)生明顯的水合力（圖2），從計(jì)算結(jié)果看，當(dāng)初始作用距離為0.34 nm，即達(dá)到伊利石原始晶層間距時(shí)，伊利石晶層間的水合排斥壓力可達(dá)51.2～57.7 MPa，足以導(dǎo)致晶層發(fā)生膨脹，破壞晶層結(jié)構(gòu)；當(dāng)晶層間距增加到1 nm 左右，水合力僅有1.5～3.6 MPa，不足以繼續(xù)克服晶層間的相互吸引作用。

圖2 不同濃度電解質(zhì)溶液中水合排斥壓力Fig.2 Hydration-repulsion pressure curves in solutions with different electrolyte concentration

M.E.Chenevert［14］通過實(shí)驗(yàn)測試指出應(yīng)力條件下硬脆性泥頁巖的徑向水化膨脹應(yīng)力可達(dá)35 MPa，而徑向應(yīng)變的最大值僅為0.5%左右，遠(yuǎn)低于膨脹性泥頁巖。W.N.Yuan 等［15］測試了龍馬溪組頁巖在不同濕度和蒸餾水中的水化應(yīng)變，應(yīng)變隨濕度的增加而增大，但即使是浸沒于蒸餾水中，垂直于層理方向的應(yīng)變也小于0.25%，平行層理方向的應(yīng)變則更低。

綜上所述，水合力強(qiáng)度隨作用距離增加呈雙指數(shù)型衰減，伊利石水化初期，水合排斥壓力大，但隨晶層膨脹迅速衰減，微觀上水化晶層膨脹程度很低，所需水分子較少，宏觀上伊利石表現(xiàn)為應(yīng)力高、應(yīng)變小的水化特征。

2.3 富含伊利石頁巖崩解特性

針對富含伊利石頁巖水化剝落特點(diǎn)，建立了頁巖耐崩解室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，利用井A14、井G1、井A6 和井G2 青一段、青二、三段巖屑，通過滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)，由5 組6～40 目篩網(wǎng)對回收巖屑進(jìn)行篩分，分析古龍頁巖巖屑經(jīng)蒸餾水、KCl 和CaCl2鹽水等處理劑高溫滾動(dòng)后的崩解程度，評價(jià)富含伊利石頁巖的崩解特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3 和圖3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，富含伊利石頁巖在蒸餾水中的崩解程度較高，水化作用明顯，回收巖屑粒徑主要集中在6 目和8 目，總回收率最低為75.35%，說明頁巖水化作用程度有限，而在CaCl2鹽水和KCl 鹽水中的崩解性有所減弱，回收巖屑粒徑主要集中在6 目，總回收率提高到93.12%以上，說明礦化度對古龍富含伊利石頁巖的水化剝落具有明顯影響。

圖3 頁巖在不同處理劑中熱滾后6～40目篩分巖屑回收率Fig.3 Recovery rates of shale cuttings in 6～40 mesh screen after hot rolling in different treatment agents

表3 古龍頁巖崩解性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)信息Table 3 Basic information of disintegration experiment of Gulong shale

3 水化作用對古龍頁巖巖石力學(xué)參數(shù)的影響

3.1 蒸餾水浸泡實(shí)驗(yàn)

將古龍頁巖浸泡在蒸餾水中24 h，觀察浸泡前后頁巖層理端面形貌（圖4）。從圖4 可以看出古龍頁巖黏土礦物具有沿層理方向定向排列的顯著特征。蒸餾水浸泡后，在層理面間產(chǎn)生了可觀測的水化微裂縫，證實(shí)水化作用能夠破壞伊利石的層間結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生微裂縫。在巖心尺度上證實(shí)了水化作用促使頁巖中裂縫沿層理面起裂、擴(kuò)展和破壞的特征。

圖4 古龍頁巖水浸泡前后整體和微觀形貌Fig.4 Overall and micro morphology changes of Gulong shale before and after soaked in water

3.2 吸液率測試實(shí)驗(yàn)

將古龍頁巖分別浸泡在蒸餾水和白油中，觀察吸液情況（圖5）。從圖5 可以看出，頁巖吸水率高于吸油率。根據(jù)吸液率測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以將頁巖吸水過程分為3 個(gè)階段：第Ⅰ階段：0～4 h，快速吸水階段，即鉆井液快速侵入階段，在壓差作用下水快速進(jìn)入頁巖裂縫，填充裂縫空隙；第Ⅱ階段：4～20 h，頁巖水化裂縫擴(kuò)張階段，頁巖微裂縫處伊利石水化，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度弱化，裂縫延展增多，裂縫體積持續(xù)增長，并被液體填充；第Ⅲ階段：＞20 h，水化完成，頁巖結(jié)構(gòu)弱化階段，水化過程逐漸減弱，頁巖裂縫延伸減弱，體積增長緩慢，吸水速率減緩。

圖5 古龍頁巖吸液率Fig.5 Liquid absorption rate for Gulong shale

而在吸油實(shí)驗(yàn)中，頁巖不會(huì)發(fā)生水化，裂縫體積不增長，油相僅僅填充原有巖石裂縫孔隙。

3.3 滾動(dòng)回收率、線性膨脹率和三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

將古龍頁巖在清水和白油中浸泡后進(jìn)行滾動(dòng)回收率、線性膨脹率和三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)（表4）。與白油相比，古龍頁巖清水滾動(dòng)回收率較低，線性膨脹率較高，具有伊利石水化特點(diǎn)。在清水中浸泡后，0、12 和24 MPa 圍壓下頁巖三軸強(qiáng)度分別下降了58.4%、40.6%和34.0%，內(nèi)聚力下降了53.4%，內(nèi)摩擦角下降了64.7%；在白油中浸泡后，0、12 和24 MPa 圍壓下頁巖三軸強(qiáng)度分別下降了46.3%、32.9%和13.5%，內(nèi)聚力下降了47.9%，內(nèi)摩擦角下降了17.8%，在白油中浸泡后巖石力學(xué)參數(shù)的劣化程度明顯小于水。

表4 干巖樣與水、白油浸泡后三軸測試結(jié)果Table 4 Triaxial test data of dry rock samples soaked in water and white oil

將古龍頁巖分別在水基鉆井液和油基鉆井液中浸泡后進(jìn)行三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5。從表5 可以看出，與干巖樣相比，在水基鉆井液中浸泡后，在0、12和24 MPa 圍壓下巖石三軸強(qiáng)度分別下降了59.4%、46.9%和34.0%，內(nèi)聚力下降了57.8%，與清水浸泡后的強(qiáng)度基本持平；在油基鉆井液中浸泡后，在0、12和24 MPa 圍壓下巖石三軸強(qiáng)度分別下降了33.4%、31.0%和23.8%，內(nèi)聚力下降了33%，劣化程度要低于水基鉆井液的浸泡，表明經(jīng)過水基鉆井液作用后，古龍頁巖水化作用明顯，與油基鉆井液相比，使用水基鉆井液易劣化頁巖強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等巖石力學(xué)參數(shù)，井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)更高。

表5 浸泡水基和油基鉆井液后巖石三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Rock triaxial mechanical test data after soaked in water-based and oil-based drilling fluids

4 結(jié) 論

（1）古龍頁巖地層黏土礦物以伊利石為主，脆性礦物含量高，以石英和斜長石為主，孔隙、微裂縫極為發(fā)育，頁理密度1 000～2 500 條/m，有機(jī)質(zhì)含量豐富，頁巖潤濕性屬于混合潤濕偏油潤濕，在壓差和化學(xué)勢差作用下，頁巖存在水化條件。

（2）根據(jù)伊利石黏土礦物晶層分子結(jié)構(gòu)化學(xué)特性，從黏土礦物最小單元晶胞層面，證實(shí)了伊利石存在較強(qiáng)的層間水化和表面水化作用，頁巖水化作用力主要包括范德華力、雙電層斥力和水合力，水合力是伊利石水化過程的主控因素，伊利石水化初期，水合排斥壓力大，但隨晶層膨脹迅速衰減，微觀上伊利石水化晶層膨脹程度很低，所需水分子較少，宏觀表現(xiàn)為應(yīng)力高、應(yīng)變小。

（3）古龍頁巖水化后細(xì)觀尺度上裂縫/層理縫延展增多，裂縫空隙增長明顯，頁巖強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等巖石力學(xué)參數(shù)降低明顯，表明水基鉆井液作用后，古龍頁巖水化作用明顯，與油基鉆井液相比，水基鉆井液易劣化頁巖強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等巖石力學(xué)參數(shù)，井壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)高。

（4）建議開展古龍頁巖地層油水侵入裂縫、孔隙的機(jī)理研究，確定油水侵入的方式、侵入后對頁巖的劣化作用及劣化作用對井壁穩(wěn)定造成的影響。