工作液浸泡对页岩裂缝扩展及力学性质影响

方朝合，黄志龙，葛稚新，王义凤，郑德温

(1.中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;2.国家能源页岩气研发(实验)中心,中国石油集团非常规油气重点实验室,河北 廊坊 065007)

工作液浸泡对页岩裂缝扩展及力学性质影响

方朝合1,2，黄志龙1，葛稚新2，王义凤1，郑德温2

(1.中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;2.国家能源页岩气研发(实验)中心,中国石油集团非常规油气重点实验室,河北 廊坊 065007)

采用页岩浸泡实验直观地观测了页岩与流体之间的反应和裂缝延展情况,结合电镜扫描实验中页岩微观结构变化,分析了工作液浸泡下页岩裂缝扩展的机理。研究发现,由于工作液碱度较高和页岩中黏土矿物的存在,页岩在工作液中浸泡后,岩石强度降低,力学参数发生了明显变化：弹性模量减小,泊松比增加;浸泡时间越长,强度值降低越大。由此得出,浸泡下页岩微裂缝沿层理面和弱结构面不断扩展延伸是引起页岩井壁失稳的主要原因。

页岩;浸泡;裂缝扩展;岩石强度

页岩层一直是钻井的一大难题,原地应力的不平衡,以及页岩与钻井液的相互作用使得页岩井壁具有极大地潜在失稳风险[1-2]。目前研究井壁失稳机理通常采用膨胀性、分散性实验[3-5],但储层段页岩少含或不含膨胀性黏土矿物,因此还需要采用其他手段共同评价水平井段的井壁稳定。页岩脆性矿物含量高,黏土矿物以伊利石为主,裂缝、微裂缝以及层理发育[6-13],导致在水平段钻井过程中井漏和垮塌同时存在,且进入储层的钻井液滤液难以返排,影响页岩气的及时发现和高效开发[14-15]。因此,研究工作液浸泡对页岩储层裂缝扩展及力学性质的影响是极为必要的。

石秉忠[16]等采用CT成像数字岩心分析设备,结合X线衍射仪和扫描电子显微镜等设备,对川西地区须家河组三段的岩样进行测试,研究了硬脆性泥页岩水化过程中微观结构及次生裂缝演变规律,以及水化对岩石宏观结构和力学性能影响。梁利喜等[17]在对四川盆地龙马溪组野外露头及井下岩心开展室内实验研究龙马溪组页岩润湿性和水化作用的基础上,基于断裂力学理论,考虑水化作用和润湿性(毛细管效应),建立页岩裂纹裂缝扩展模型,分析了毛细管效应和水化作用对页岩裂纹扩展的影响。折海成[18]等从物理化学作用和力学作用两个方面分析了裂缝吸水后对泥页岩力学强度的影响,建立了含水量对岩体的黏聚力和内摩擦角的影响作用，并利用岩石力学、细观断裂力学理论研究了裂纹起裂规律。康毅力[19]等基于有限元数值模拟法建立了连通井筒单条垂直裂缝情况下的裂缝动态宽度预测模型,研究了钻井液浸泡后页岩裂缝宽度变化的行为,修正和完善了基于有限元的裂缝动态宽度预测方法,并讨论了裂缝宽度变化模拟在漏失性储层保护和井壁失稳控制方面的应用。王怡[20]等开展了深部硬脆性泥页岩的理化特性分析,及含裂缝的硬脆性泥页岩力学特性及破坏模式的规律性认识分析。卢运虎[21]等借助固体力学、断裂力学和界面化学理论,建立了介质润湿性特征控制的裂缝扩展模型,提出了基于润湿理论的页岩井壁稳定评价方法。目前采用浸泡实验对页岩裂缝扩展及力学性质的研究尚未见报道。

浸泡实验是以图像的方式同步记录岩石-流体反应现象,如颗粒分散、垮塌以及沿着弱面/层理/边缘的破裂。页岩与流体相互接触以后,岩石通常将易碎或易垮塌。传统的测试方法,如分散测试、硬度测试和膨胀测试,不能全面反映岩石结构对裂缝延展和井壁失稳的影响,而岩样浸泡实验能够直观地观测到岩石与流体的相互作用和裂缝延展情况,这种手段能够弥补传统方法的不足。浸泡实验是评价岩石-流体作用和裂缝伸长最有效的方法之一。实验过程中的岩石物理化学性质的变化反映的是岩石性质(组成、结构和变形)对于潜在井壁失稳的综合影响。

1 实验样品与方法

1.1 实验样品

岩样1选自某井3 327 m深处的页岩,该页岩层理发育,黏土矿物质量分数为42%。其中，伊/蒙间层矿物相对质量分数为14%,岩样表面水接触角为42.2°,有机质质量分数低于1%。在全直径岩心上,分别钻取垂直层理面和平行层理面的岩心柱,直径为2.5 cm左右。将钻取的岩心柱进行切片,厚度5～6 mm之间,然后先粗磨再精磨至5 mm,分别获得垂直层理面和平行层理面的岩样切片各4组。

岩样2选自四川盆地志留系龙马溪组海相页岩,该岩样层理欠发育,黏土矿物平均质量分数为38%,其中伊/蒙间层矿物相对质量分数28%,岩样有机质质量分数约4%。在露头岩样上,钻取直径为2.5 cm、长5 cm的岩心柱2块,以开展力学实验。

实验流体为蒸馏水、取样层位处的地层水、两性离子聚合物混油防塌钻井液滤液(二开钻井液滤液)、两性离子聚合物混油防塌钻井液滤液(二开钻井液滤液)+KCl溶液(KCI的质量分数为5%)、pH值为12的NaOH水溶液。

1.2 方法

在滚子加热炉的5个容器中,分别加入200 mL的上述5种工作液,并将岩样分别放入工作液内;将滚子加热炉温度恒定在取心段地层温度,浸泡24，72，168 h后分别取出切片进行拍照,观察表面裂缝扩展情况,并测试浸泡168 h后的力学性质。

2 实验结果与分析

2.1 工作液浸泡下裂缝扩展演化过程

从图1可以看出,工作液浸泡后,页岩表面的裂缝扩展可以分为两个阶段:裂缝快速形成段和沿已有裂缝缓慢延伸段。裂缝快速形成段指大部分裂缝的形成阶段,其发生在流体浸泡72 h之内,在该阶段内以形成新裂缝和沿裂缝延伸方向扩展为主;沿已有裂缝缓慢延伸段指由于页岩长时间受流体浸泡后,黏土矿物的分散作用逐渐减弱,导致页岩沿已有裂缝缓慢延伸,在该阶段内裂缝宽度变宽,裂缝逐渐显著。

图1 工作液浸泡下页岩表面裂缝扩展情况(平行层理面取样)Fig.1 Cracks propagation behaviors of parallel bedding shale section soaking in different fluid and different time

对比4种流体浸泡后页岩裂缝的扩展情况(图1)分析表明,页岩在蒸馏水和二开钻井液滤液中的分散能力最大,地层水和二开钻井液滤液+KCl混合溶液的抑制性较好。

对比平行层理面和垂直层理面裂缝扩展数量情况(图1、图2)分析表明,裂缝主要沿着层理缝方向延伸,在垂直层理面上即使受流体的长时间浸泡也无宏观裂缝形成。

图2 工作液浸泡下页岩表面裂缝扩展情况(垂直层理面取样)Fig.2 Cracks propagation behaviors of vertical bedding shale section soaking in different fluid and different time

2.2 工作液浸泡后力学性质变化

经测定某区块所用油基钻井液pH=11.59,故选用pH=12的NaOH+KCl溶液模拟该油基钻井液滤液。从图3、表1可以看出,碱性工作液浸泡后,页岩三轴抗压强度明显降低,从浸泡前的221.2 MPa降低到浸泡后的167.7 MPa,降幅为24%;页岩弹性模量由2.58×104MPa降至2.39×104MPa,降幅为7%;页岩泊松比由0.182上升至0.240,增加幅度达32%。

图3 碱性工作液浸泡对页岩变形和破坏规律的影响Fig.3 Effect on shale deformation and Failure Law by mud soaking

表1 碱性工作液浸泡前后页岩三轴抗压力学实验结果

3 讨论

3.1 工作液浸泡下裂缝扩展机理

图4 扫描电镜下的微裂缝特征Fig.4 The micro fractwre characteristics under the scanning electron microscope

图5 铸体薄片下的微裂缝特征Fig.5 The microfacture characteristics under casting sheet

宏观裂缝的萌生往往源于内部微小裂缝的扩展、延伸。页岩内部微小裂缝十分发育(见图4、图5),同时页岩中黏土矿物质质量分数普遍大于20%,而黏土矿物均存在一定的水化膨胀。因而,外来工作液侵入后,易诱发黏土矿物水化膨胀,导致微裂缝扩展延伸,形成宏观裂缝。页岩水化过程的CT扫描显示,微裂缝扩展延伸具有明显的阶段,即微裂缝萌生、稳定扩展、加速扩展、汇合归并贯通,出现宏观裂缝,裂缝进一步扩展延伸,直至岩样垮塌失稳[22]。

3.2 层理面对裂缝扩展影响

层理面是页岩中普遍存在的结构弱面,同时也是岩性界面。在层理面附近,往往存在微裂缝集中分布区域[23],如图5所示。平行层理面的透水性大于垂直层理面的透水性,导致工作液更易侵入页岩内部,促使黏土矿物水化膨胀,诱发裂缝扩展延伸。因此,在工作液浸泡作用下,页岩裂缝主要沿平行层理面扩展延伸,而垂直层理面上较难发现裂缝的扩展延伸现象。

3.3 碱性工作液浸泡后力学强度弱化机制

3.3.1 黏土矿物水化影响

岩石被水饱和后强度降低已被大量实验证实。

水侵入岩石后,浸湿矿物颗粒,削弱矿物颗粒间的连接,降低了岩石强度[24]。对于不含或含少量水敏性矿物的岩石来说,当岩石干燥后,其强度仍然可以得到一定程度恢复。但对于页岩来说,水侵入后,黏土矿物发生了水化膨胀,晶层间距离变大,从而导致页岩抗压强度与弹性模量降低。

3.3.2 裂缝扩展延伸的影响

工作液侵入后,黏土矿物水化膨胀导致页岩微裂缝不断扩展延伸,乃至形成宏观裂缝,而裂缝面在岩体结构力学效应中往往居于主导地位。因而,水化膨胀产生的裂缝将严重降低页岩强度。

3.3.3 碱液对造岩矿物的溶蚀作用

已有研究证实,碱液对黏土矿物等具有较强溶蚀作用[25-27]。在扫描电镜下,能清晰观察到碱液溶蚀孔隙,且碱液pH值越高,溶蚀孔隙数量越多,且溶蚀孔孔径分布在1～10 μm(图6)。正是由于这种溶蚀作用,大幅降低了页岩矿物颗粒间的连接强度,从而使页岩抗压强度显著降低。

4 结论

1) 流体浸泡后页岩裂缝的扩展可以分为两个阶段:裂缝快速形成阶段和沿已有裂缝缓慢延伸阶段;

2) 页岩裂缝主要沿着层理缝方向延伸,在垂直层理面上即使受流体的长时间浸泡也无宏观裂缝形成,沿层理面开裂是页岩井壁失稳的主要原因之一;

3) 不同性质流体浸泡后,页岩岩石强度降低,其应力值降低可达50 MPa左右。钻井液浸泡作用使页岩岩石力学参数发生了明显变化,表现为弹性模量减小,泊松比增加。用同一钻井液浸泡后,浸泡时间越长,页岩岩石强度降低程度越大。

图6 碱液溶蚀后的页岩微观结构特征Fig.6 Microstructure characteristics of alkali dissolution shale

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(编辑：贾丽红)

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

国家科技重大专项资助项目：页岩气勘探开发关键技术研究(2011ZX05018);国家重点基础研究发展计划(973计划)基金资助：中国南方海相页岩气高效开发的基础研究(2013CB2281)

方朝合(1976-),男,山东德州人,高级工程师,博士生,主要从事非常规天然气勘探开发工艺技术研究工作，(Tel)13785470380

TE122

A

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