松辽盆地富含伊利石的古龙页岩水化特性及其对岩石力学参数的影响

杨智光 李吉军 齐 悦 和传健 宋 涛 陈绍云 张 洋

（1.中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163002；2.中国石油大庆钻探工程公司，黑龙江 大庆 163458）

0 引 言

松辽盆地古龙页岩是典型的陆相页岩，与国内外海相或咸化湖盆沉积为主的页岩相比，古龙页岩的岩石组构、物性等均有很大不同［1-2］。古龙地区青山口组沉积时期自下而上为水退沉积过程，半深湖—深湖相沉积面积大，其中青一段暗色泥页岩具有单层厚度大、分布面积广的特征［3-4］，厚度大于40 m 的面积达3.8×104km2，泥页岩夹很薄的白云岩、介壳灰岩和粉砂岩纹层（一般为0.05～0.15 m），属于高黏土含量的页岩型页岩，而其他地区页岩油藏含较高比例砂岩、粉砂岩或碳酸岩［5］，可以理解为致密性强的致密油气藏。中国陆相页岩油开发仍处于起步阶段，古龙页岩油勘探初期，没有成熟的理论、技术和经验可借鉴［6-7］，在井A1 等水平井钻井过程中出现因井壁剥落、坍塌导致的卡钻、遇阻等复杂情况，严重影响了页岩油勘探效果［8］。大庆油田开展了页岩油井壁失稳机理研究，重点在古龙页岩黏土矿物组构、孔缝发育情况、页岩水化特性及力化耦合研究等方面开展攻关，取得了初步认识。

本文从页岩矿物组构、黏土晶层结构与水化特性等多重角度分析了古龙页岩水化潜在因素对岩石力学参数的影响，初步给出了页岩井壁失稳机理，为针对性解决井壁剥落和坍塌等复杂问题提供了理论依据。

1 古龙页岩概况

1.1 矿物组成

古龙页岩油藏纯页岩含量比例高，黏土矿物演化程度高，整体处于中成岩晚期，在演化阶段存在蒙脱石大量消失转化为伊利石的过程，并在转化过程中析出硅质。为进一步明确古龙页岩的矿物组成，开展了X 射线衍射（XRD）实验，对井A3 等6 口井青山口组岩样进行分析，表明青山口组纹层状及页理状页岩，黏土矿物质量分数高达30%以上，以伊利石为主（表1），与以海相或咸化湖盆沉积为主的页岩岩石组构差异性较大，如川南页岩气区块和渝东页岩气区块伊蒙混层质量分数高达7.1%～11.65%，而伊利石质量分数为0.6%～6.3%，同时古龙页岩脆性矿物以石英和斜长石为主，石英质量分数为33.4%～42.5%，脆性矿物含量高，对形成裂缝提供了有利条件，导致地层承压能力弱，是井壁失稳的潜在因素之一。

表1 井A3全岩矿物及黏土矿物分析结果Table 1 Whole-rock mineral analysis and clay mineral analysis of Well A3

1.2 孔缝特征

古龙页岩主要由基质孔隙—页理缝组成［9］，孔隙类型主要包括有机质孔缝、黏土矿物晶间孔和溶孔，受水平页理控制的纳米级孔缝体系大大改善了储集层物性，孔隙宽度为70～5 000 nm，占总面孔率大于75%， 覆压条件下水平渗透率为0.011×10-3～1.620×10-3μm2， 平 均0.580×10-3μm2，垂直渗透率小于0.000 1×10-3μm2，形成了水平方向上的高孔渗带；古龙青一段底部发育层状页岩，累计厚度10～20 m，岩性纯、细腻，为水体环境安静条件沉积，自然断面见页理极发育，页理密度1 500～2 500 条/m；青二段下部及青一段上部发育高黏土含量的厚层纹层状页岩，岩心及镜下均可见到毫米—微米级厚度的石英、介壳等纹层，纹层累计比例小于10%，岩心自然断面可见页理发育，页理密度1 000～1 500 条/m，镜下观察微裂缝宽度0.2～3.0 μm，孔缝体系发育为钻井液侵入页岩地层提供了有利条件。

1.3 润湿性

研究表明，页岩储层岩石表面呈复杂的非均匀混合润湿性特征，既亲油又亲水，且页岩表面更趋于油湿，页岩亲水性能与黏土含量正相关［10］，因此润湿性对页岩的水化特性影响较大。室内采用接触角法对古龙页岩油区块井G1 等4 口井的青一段和青二、三段8 块纹层状岩心的润湿性进行了评价。

从表2 可以看出，古龙页岩4 口井8 块纹层状页岩岩心在水—岩样系统中，接触角最大为38.6°，最小为25.7°，在柴油—岩样系统中接触角均为0°，表明古龙页岩润湿性属于混合润湿偏油润湿，与川南地区龙马溪组页岩润湿性特征接近，具备水相侵入页岩孔缝引起水化的条件。

表2 古龙页岩油井取心岩样的润湿性评价实验Table 2 Experiments of wettability evaluation for core samples from Gulong shale oil wells

2 古龙页岩水化特性

2.1 黏土水化机理

国内外关于井壁稳定的研究较多，主要是针对富含蒙脱石和伊蒙混层页岩水化特性，其中蒙脱石以层间吸水膨胀为主，伊蒙混层以层间散裂为主，对富含伊利石的古龙页岩研究较少。伊利石是3 层型黏土矿物，由2 层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体组成晶胞，属2∶1 型黏土矿物，晶格取代主要发生在Si─O 四面体中，Al3+取代Si4+［11］，晶层间存在K+，离子吸附作用比氢键强，晶层间距为0.34 nm。水化作用包括表面水化和层间水化，表面水化产生于黏土颗粒晶层外表面的水化阳离子的离子交换，层间水化过程中晶层间K+在吸附水分子达20 个时趋近饱和，层间距也趋于稳定，水化膨胀程度存在最大值，不会无限膨胀［12］。

蒙脱石结构与伊利石类似，其晶格取代发生在Si─O 四面体中，Al3+取代Si4+，同时在Al─O 八面体中Mg2+、Fe2+置换Al3+，使晶层间产生多余的负电荷（永久性负电荷），晶层间为水分子间力连接，连接力弱，晶层间距为0.62～1.05 nm，层间距大，为了保持电中性，晶层间吸附了大半径的阳离子如K+、Na+、Ca2+等，使层间距可膨胀至原来的10 倍甚至几十倍，这些阳离子是以水化状态出现，并且是可相互交换的，使蒙脱石族矿物具有阳离子交换性和晶格膨胀性等一系列特性。

2.2 伊利石水化微观作用力

室内设计了物理模型，测量晶层间距与范德华力、短程斥力的作用关系，因黏土矿物具有层状结构，晶层带负电荷，晶层间相互作用可简化为带电平板间相互作用，选取与伊利石组成和性质都相似的白云母替代黏土晶片，模拟测试晶层间的范德华力和双电层斥力，使用表面力仪测量溶液中随着云母片间距变化的晶层间相互作用强度，如图1 所示。图1（a）显示模拟蒙脱石结构时，测试曲线符合范德华力理论，以范德华力和双电层斥力为主导；图1（b）模拟伊利石结构且云母片间距小于5 nm 左右时，测试曲线完全偏离范德华力理论曲线，水合力开始占据主导作用，但其属于短程斥力。水合力是伊利石水化过程的主控因素［13］。

图1 范德华力和双电层斥力预测值与实测数据对比Fig.1 Comparisons between predicted values and measured data of DLVO force and electric double-layerrepulsion

将水合力等效为排斥压力，可定量计算伊利石的水合排斥压力。为了定量分析页岩水化作用，需要确定电解质溶液类型，因为水合力的产生过程为电解质浓度升高到突破某一临界浓度后，金属阳离子能量能够克服临界吸附能量势垒，使金属阳离子及其水合分子可以吸附在伊利石晶层表面，出现水合力，而页岩层中可溶盐阳离子主要包括Na+、K+和Ca2+等，阴离子主要为Cl-，水侵入后，便形成金属阳离子电解质溶液，且浓度较高，足以产生显著水合力，同时Na+半径更小，水合分子数更大，即NaCl 溶液在伊利石晶层间产生水合力的临界电解质浓度高于KCl 溶液。因此以NaCl、KCl 溶液为例，计算了不同浓度电解质溶液中的伊利石水合排斥压力。结果表明，当NaCl 溶液浓度达到0.01 mol/L、KCl 溶 液 浓 度 达 到0.000 3 mol/L 及0.001 mol/L 时能够产生明显的水合力（图2），从计算结果看，当初始作用距离为0.34 nm，即达到伊利石原始晶层间距时，伊利石晶层间的水合排斥压力可达51.2～57.7 MPa，足以导致晶层发生膨胀，破坏晶层结构；当晶层间距增加到1 nm 左右，水合力仅有1.5～3.6 MPa，不足以继续克服晶层间的相互吸引作用。

图2 不同浓度电解质溶液中水合排斥压力Fig.2 Hydration-repulsion pressure curves in solutions with different electrolyte concentration

M.E.Chenevert［14］通过实验测试指出应力条件下硬脆性泥页岩的径向水化膨胀应力可达35 MPa，而径向应变的最大值仅为0.5%左右，远低于膨胀性泥页岩。W.N.Yuan 等［15］测试了龙马溪组页岩在不同湿度和蒸馏水中的水化应变，应变随湿度的增加而增大，但即使是浸没于蒸馏水中，垂直于层理方向的应变也小于0.25%，平行层理方向的应变则更低。

综上所述，水合力强度随作用距离增加呈双指数型衰减，伊利石水化初期，水合排斥压力大，但随晶层膨胀迅速衰减，微观上水化晶层膨胀程度很低，所需水分子较少，宏观上伊利石表现为应力高、应变小的水化特征。

2.3 富含伊利石页岩崩解特性

针对富含伊利石页岩水化剥落特点，建立了页岩耐崩解室内实验，利用井A14、井G1、井A6 和井G2 青一段、青二、三段岩屑，通过滚动回收率实验，由5 组6～40 目筛网对回收岩屑进行筛分，分析古龙页岩岩屑经蒸馏水、KCl 和CaCl2盐水等处理剂高温滚动后的崩解程度，评价富含伊利石页岩的崩解特性，实验结果见表3 和图3。实验结果表明，富含伊利石页岩在蒸馏水中的崩解程度较高，水化作用明显，回收岩屑粒径主要集中在6 目和8 目，总回收率最低为75.35%，说明页岩水化作用程度有限，而在CaCl2盐水和KCl 盐水中的崩解性有所减弱，回收岩屑粒径主要集中在6 目，总回收率提高到93.12%以上，说明矿化度对古龙富含伊利石页岩的水化剥落具有明显影响。

图3 页岩在不同处理剂中热滚后6～40目筛分岩屑回收率Fig.3 Recovery rates of shale cuttings in 6～40 mesh screen after hot rolling in different treatment agents

表3 古龙页岩崩解性实验基础信息Table 3 Basic information of disintegration experiment of Gulong shale

3 水化作用对古龙页岩岩石力学参数的影响

3.1 蒸馏水浸泡实验

将古龙页岩浸泡在蒸馏水中24 h，观察浸泡前后页岩层理端面形貌（图4）。从图4 可以看出古龙页岩黏土矿物具有沿层理方向定向排列的显著特征。蒸馏水浸泡后，在层理面间产生了可观测的水化微裂缝，证实水化作用能够破坏伊利石的层间结构，从而产生微裂缝。在岩心尺度上证实了水化作用促使页岩中裂缝沿层理面起裂、扩展和破坏的特征。

图4 古龙页岩水浸泡前后整体和微观形貌Fig.4 Overall and micro morphology changes of Gulong shale before and after soaked in water

3.2 吸液率测试实验

将古龙页岩分别浸泡在蒸馏水和白油中，观察吸液情况（图5）。从图5 可以看出，页岩吸水率高于吸油率。根据吸液率测试实验结果，可以将页岩吸水过程分为3 个阶段：第Ⅰ阶段：0～4 h，快速吸水阶段，即钻井液快速侵入阶段，在压差作用下水快速进入页岩裂缝，填充裂缝空隙；第Ⅱ阶段：4～20 h，页岩水化裂缝扩张阶段，页岩微裂缝处伊利石水化，结构面强度弱化，裂缝延展增多，裂缝体积持续增长，并被液体填充；第Ⅲ阶段：＞20 h，水化完成，页岩结构弱化阶段，水化过程逐渐减弱，页岩裂缝延伸减弱，体积增长缓慢，吸水速率减缓。

图5 古龙页岩吸液率Fig.5 Liquid absorption rate for Gulong shale

而在吸油实验中，页岩不会发生水化，裂缝体积不增长，油相仅仅填充原有岩石裂缝孔隙。

3.3 滚动回收率、线性膨胀率和三轴力学实验

将古龙页岩在清水和白油中浸泡后进行滚动回收率、线性膨胀率和三轴力学实验（表4）。与白油相比，古龙页岩清水滚动回收率较低，线性膨胀率较高，具有伊利石水化特点。在清水中浸泡后，0、12 和24 MPa 围压下页岩三轴强度分别下降了58.4%、40.6%和34.0%，内聚力下降了53.4%，内摩擦角下降了64.7%；在白油中浸泡后，0、12 和24 MPa 围压下页岩三轴强度分别下降了46.3%、32.9%和13.5%，内聚力下降了47.9%，内摩擦角下降了17.8%，在白油中浸泡后岩石力学参数的劣化程度明显小于水。

表4 干岩样与水、白油浸泡后三轴测试结果Table 4 Triaxial test data of dry rock samples soaked in water and white oil

将古龙页岩分别在水基钻井液和油基钻井液中浸泡后进行三轴力学实验，结果见表5。从表5 可以看出，与干岩样相比，在水基钻井液中浸泡后，在0、12和24 MPa 围压下岩石三轴强度分别下降了59.4%、46.9%和34.0%，内聚力下降了57.8%，与清水浸泡后的强度基本持平；在油基钻井液中浸泡后，在0、12和24 MPa 围压下岩石三轴强度分别下降了33.4%、31.0%和23.8%，内聚力下降了33%，劣化程度要低于水基钻井液的浸泡，表明经过水基钻井液作用后，古龙页岩水化作用明显，与油基钻井液相比，使用水基钻井液易劣化页岩强度、内聚力和内摩擦角等岩石力学参数，井壁失稳风险更高。

表5 浸泡水基和油基钻井液后岩石三轴力学实验结果Table 5 Rock triaxial mechanical test data after soaked in water-based and oil-based drilling fluids

4 结 论

（1）古龙页岩地层黏土矿物以伊利石为主，脆性矿物含量高，以石英和斜长石为主，孔隙、微裂缝极为发育，页理密度1 000～2 500 条/m，有机质含量丰富，页岩润湿性属于混合润湿偏油润湿，在压差和化学势差作用下，页岩存在水化条件。

（2）根据伊利石黏土矿物晶层分子结构化学特性，从黏土矿物最小单元晶胞层面，证实了伊利石存在较强的层间水化和表面水化作用，页岩水化作用力主要包括范德华力、双电层斥力和水合力，水合力是伊利石水化过程的主控因素，伊利石水化初期，水合排斥压力大，但随晶层膨胀迅速衰减，微观上伊利石水化晶层膨胀程度很低，所需水分子较少，宏观表现为应力高、应变小。

（3）古龙页岩水化后细观尺度上裂缝/层理缝延展增多，裂缝空隙增长明显，页岩强度、内聚力和内摩擦角等岩石力学参数降低明显，表明水基钻井液作用后，古龙页岩水化作用明显，与油基钻井液相比，水基钻井液易劣化页岩强度、内聚力和内摩擦角等岩石力学参数，井壁失稳的风险高。

（4）建议开展古龙页岩地层油水侵入裂缝、孔隙的机理研究，确定油水侵入的方式、侵入后对页岩的劣化作用及劣化作用对井壁稳定造成的影响。