王 怡，徐 江，梅春桂 （中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

歐 彪，李 麗 （中石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng)618000）

含裂縫的硬脆性泥頁(yè)巖理化及力學(xué)特性研究

王 怡，徐 江，梅春桂 （中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

歐 彪，李 麗 （中石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院，四川 德陽(yáng)618000）

硬脆性泥頁(yè)巖的理化及力學(xué)特征對(duì)深入研究深部地層泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定機(jī)理、裂縫性泥頁(yè)巖漏失等問(wèn)題具有至關(guān)重要的意義。采用泥漿化學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)掃描及巖石力學(xué)試驗(yàn)手段，對(duì)某工區(qū)易失穩(wěn)泥頁(yè)巖地層的理化及力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和分析。結(jié)果表明，該工區(qū)泥頁(yè)巖屬于硬脆性泥頁(yè)巖，粘土礦物以伊利石為主，基本不含蒙脫石，具有低膨脹易分散的特性，微觀結(jié)構(gòu)顯示微裂縫發(fā)育；流體浸泡導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展延伸，降低了泥頁(yè)巖的強(qiáng)度，隨著時(shí)間的增加，強(qiáng)度降低得越顯著。

硬脆性泥頁(yè)巖；裂縫；巖石力學(xué)特性；水敏性

泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定一直是困擾石油勘探開(kāi)發(fā)的一大難點(diǎn)問(wèn)題，目前隨著我國(guó)頁(yè)巖氣資源勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略步伐的加快，研究人員更加關(guān)注泥頁(yè)巖基本物理力學(xué)特性的研究，因?yàn)轫?yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中遇到的泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定問(wèn)題、裂縫性泥頁(yè)巖漏失問(wèn)題、頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)問(wèn)題，都與泥頁(yè)巖在賦存的地質(zhì)環(huán)境、地層流體分布情況、地應(yīng)力及工程因素條件下泥頁(yè)巖所表現(xiàn)出的物理力學(xué)性能有著密不可分的關(guān)系。雖然針對(duì)泥頁(yè)巖的力學(xué)特性研究成果并不鮮見(jiàn)［1～5］，但是對(duì)含裂縫的硬脆性泥頁(yè)巖的力學(xué)規(guī)律研究還不多，仍是該領(lǐng)域研究的難點(diǎn)。筆者重點(diǎn)開(kāi)展了某地區(qū)深部硬脆性泥頁(yè)巖的理化特性分析，及含裂縫的硬脆性泥頁(yè)巖力學(xué)特性及破壞模式的規(guī)律性認(rèn)識(shí)分析，豐富了相關(guān)領(lǐng)域的研究。

1 泥頁(yè)巖組構(gòu)及理化特性分析

泥頁(yè)巖本身的礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及理化特征是泥頁(yè)巖力學(xué)及化學(xué)性能至關(guān)重要的控制因素，因此，準(zhǔn)確地測(cè)定分析泥頁(yè)巖的成分、結(jié)構(gòu)、理化性能，探討它們的相互關(guān)系，對(duì)于研究泥頁(yè)巖地層的失穩(wěn)機(jī)理具有重要的意義。

1.1 泥頁(yè)巖組構(gòu)分析

開(kāi)展了某工區(qū)易垮塌層位的泥頁(yè)巖全巖試驗(yàn)及粘土礦物X射線衍射試驗(yàn)，結(jié)果表明該區(qū)域泥頁(yè)巖非粘土礦物以石英為主，斜長(zhǎng)石、方解石次之，含少量白云巖及菱鐵礦。粘土礦物總量50%左右，相差不大。粘土礦物以伊利石為主、伊/蒙間層次之，含高嶺石及綠泥石，伊/蒙間層粘土的間層比較低 （5%～20%），各層間粘土礦物組成相差不大。工區(qū)泥頁(yè)巖的平均巖石成分比例及粘土礦物含量比例見(jiàn)圖1。

圖1 巖石成分比例及粘土礦物含量比例示意

進(jìn)一步開(kāi)展了泥頁(yè)巖的微觀結(jié)構(gòu)分析，以揭示粘土礦物晶體的排列方式及膠結(jié)結(jié)構(gòu)。對(duì)研究工區(qū)泥頁(yè)巖巖心制作切片進(jìn)行電鏡掃描，從電鏡掃描結(jié)果圖2和圖3可以看出，研究工區(qū)的泥頁(yè)巖表面有較多微裂縫和微孔，填充物為片狀粘土礦物，局部發(fā)育溶蝕孔隙，孔隙中有不溶殘余物。圖3結(jié)果為巖樣用現(xiàn)場(chǎng)井漿浸泡3d后開(kāi)展的電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，巖石表面微縫呈片狀定向分布。由于硬脆性泥巖主要由伊利石和間層粘土礦物組成，其中的蒙脫石以與間層粘土礦物伴生的形式存在，很少含膨脹層粘土礦物，其地層的泥巖壓實(shí)程度較高，水平層理、微裂隙發(fā)育。這種成層特性及微觀構(gòu)造，一方面，使泥頁(yè)巖在外力的作用下極易沿微裂縫或?qū)永砻嫫茐?，造成井壁失穩(wěn)，如泥頁(yè)巖微裂隙發(fā)育或構(gòu)造應(yīng)力集中的話，也易發(fā)生硬脆性泥頁(yè)巖的破裂和剝落導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；另一方面，在該區(qū)鉆井過(guò)程中，鉆井濾液沿微裂縫或節(jié)理面侵入地層深部后，雖然不會(huì)迅速發(fā)生膨脹和變軟，但往往加劇泥頁(yè)巖的水化和分散，擴(kuò)大泥頁(yè)巖水化面積，降低了泥頁(yè)巖的結(jié)合強(qiáng)度和層理面之間的結(jié)合力，使泥頁(yè)巖沿層理面或微裂隙裂開(kāi)，進(jìn)一步造成井壁失穩(wěn)。一旦鉆井液濾失量偏高時(shí)，就很容易發(fā)生井壁掉塊、坍塌等井內(nèi)復(fù)雜情況。

圖2 深度3658.68m泥頁(yè)巖電鏡掃描結(jié)果

圖3 深度3947.29m泥頁(yè)巖鉆井液浸泡后電鏡掃描結(jié)果

1.2 泥頁(yè)巖膨脹分散試驗(yàn)特性

開(kāi)展了泥頁(yè)巖水化膨脹試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)泥頁(yè)巖線性膨脹率在4.18%～6.78%之間，且隨著井深的增加而呈降低趨勢(shì)，表明其膨脹性粘土礦物含量逐漸較少，屬于定向弱膨脹泥頁(yè)巖。通過(guò)滾動(dòng)回收試驗(yàn)對(duì)工區(qū)的泥頁(yè)巖開(kāi)展水化分散能力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)泥頁(yè)巖分散性較強(qiáng)，回收率平均在38.26%左右，巖屑容易分散，回收率較低。綜合而言，該地區(qū)泥頁(yè)巖屬于弱膨脹易分散的泥頁(yè)巖類型。

2 流體浸泡條件下的力學(xué)特性

為了探索硬脆性泥頁(yè)巖的失穩(wěn)規(guī)律，開(kāi)展了井下3948.5m處的泥頁(yè)巖巖心在流體浸泡條件下的力學(xué)特性試驗(yàn)，以研究不同流體浸泡條件下的巖石力學(xué)參數(shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)中對(duì)巖心浸泡前后的裂縫分布及巖心質(zhì)量變化情況進(jìn)行了記錄。浸泡前后巖心質(zhì)量變化不大，最大未達(dá)到0.2%，這是由于該泥頁(yè)巖基本不含蒙脫石因而吸水性不強(qiáng)的緣故；也發(fā)現(xiàn)質(zhì)量增加的程度和巖石本身裂縫的發(fā)育程度相關(guān)，如9號(hào)和21號(hào)巖心的裂縫最為發(fā)育，浸泡前后質(zhì)量增幅相對(duì)明顯。

表1 浸泡前后巖石試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)同時(shí)對(duì)于巖心裂縫浸泡前后的變化情況進(jìn)行了記錄，可以發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，泥頁(yè)巖裂縫呈增加的趨勢(shì)，原本表觀完整的巖心（如4號(hào)巖心），在浸泡一段時(shí)間后，內(nèi)部微裂縫出現(xiàn)了發(fā)育和延展，浸泡后巖心表觀甚至可見(jiàn)裂縫。不同裂縫系統(tǒng)中，9號(hào)及21號(hào)巖心的強(qiáng)度最低，結(jié)果表明巖心裂縫越發(fā)育，貫穿深度越大，裂縫系統(tǒng)對(duì)其強(qiáng)度影響越顯著。另外，對(duì)21號(hào)巖心浸泡前后開(kāi)展了層析CT掃描分析，該掃描技術(shù)從微觀角度高精度地描述了裂縫形態(tài)及流體在裂縫孔隙的分布形式，保持了巖心的完整性，使后續(xù)進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)成為可能，同時(shí)克服了常規(guī)電鏡掃描對(duì)巖心進(jìn)行切片的破壞性試驗(yàn)，保證了巖心的唯一特性。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，巖心浸泡后裂縫吸水現(xiàn)象顯著，裂縫縫寬增大，裂縫縫面的粗糙度則會(huì)發(fā)生降低。

圖4 21號(hào)巖心浸泡前 （左）后 （右）的巖心表觀裂縫及CT掃描結(jié)果

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，流體浸泡后，巖心內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的裂縫水浸、擴(kuò)展。這是由于工作液的侵入、溶蝕和沖刷硬脆性泥頁(yè)巖結(jié)構(gòu)弱面中的粘土礦物，降低了裂縫弱面的表面摩擦強(qiáng)度，導(dǎo)致內(nèi)部微裂縫和主裂縫的貫通，這也往往造成鉆井過(guò)程中含結(jié)構(gòu)面井壁圍巖強(qiáng)度的降低，帶來(lái)鉆井過(guò)程中井壁垮塌危險(xiǎn)，甚至伴生阻卡和卡鉆事故復(fù)雜情況。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖心破壞模式受裂縫系統(tǒng)的影響也有特點(diǎn)。圖5～8中，實(shí)線和虛線均代表浸泡后巖心表觀裂縫分布，其中虛線表示導(dǎo)致巖心最終發(fā)生破壞的裂縫。其中4、5、6、9號(hào)巖心受縱向貫通縫存在的影響發(fā)生了劈裂破壞，在不同組合的裂縫系統(tǒng)中，縱向延伸至巖心試件端面的裂縫往往對(duì)巖心的破壞形式起著決定性的影響。9號(hào)巖心由于浸泡時(shí)間較長(zhǎng)，裂縫過(guò)于發(fā)育，在沒(méi)有記錄下數(shù)據(jù)時(shí)就發(fā)生了破壞。7號(hào)巖心則發(fā)生了明顯的剪切破壞和表觀裂縫引起的剝落掉塊的復(fù)合破壞模式。1號(hào)巖心結(jié)構(gòu)完整，發(fā)生了整體式的劈裂破壞。

圖5 5號(hào)巖心清水浸泡后裂縫分布及破壞模式

圖6 7號(hào)巖心清水浸泡后裂縫分布及破壞模式

圖7 4號(hào)巖心清水浸泡后裂縫分布及破壞模式

圖8 9號(hào)巖心浸泡19d后的巖心裂縫分布及破壞模式

通過(guò)分析泥頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律 （圖9）、破壞模式及層析CT掃描結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：①隨著浸泡時(shí)間的增加，泥頁(yè)巖的微裂縫擴(kuò)展發(fā)育，同時(shí)流體侵入也潤(rùn)滑了結(jié)構(gòu)面，雙重影響導(dǎo)致含裂縫的硬脆性泥頁(yè)巖強(qiáng)度發(fā)生一定程度的降低。②巖石的破壞形式受巖石本身所含裂縫的影響，多以沿最不利的裂縫弱面發(fā)生劈裂破壞為主。當(dāng)巖心含有多組裂縫時(shí)，其中貫通程度最顯著，尤其是貫通長(zhǎng)度大的一組裂縫對(duì)巖心的破壞模式起控制作用。發(fā)生整體式崩落破壞及剪切破壞的1號(hào)和7號(hào)巖心，其抗壓強(qiáng)度高于含有貫穿至端面的裂縫巖心的抗壓強(qiáng)度。③當(dāng)巖心含有延伸至端面的裂縫時(shí)，破壞往往沿著這類裂縫而發(fā)生，對(duì)貫通裂縫在巖心端面投影情況的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)裂縫分布在靠近巖心軸心的范圍內(nèi)時(shí)，該類裂縫巖心的強(qiáng)度比完整巖心的強(qiáng)度明顯降低；而裂縫分布在靠近巖心試件圓柱表面時(shí)，該類裂縫巖心的強(qiáng)度與裂縫分布在靠近巖心軸心范圍內(nèi)的巖心相比，前者強(qiáng)度降低的程度比后者要小，如裂縫靠近巖心軸心范圍分布的4號(hào)巖心 （抗壓強(qiáng)度112.65MPa）與裂縫靠近柱面分布的5號(hào)巖心 （抗壓強(qiáng)度141.26MPa）的抗壓強(qiáng)度相比，4號(hào)強(qiáng)度降低得更為明顯。

圖9 浸泡條件下的泥頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度變化曲線

3 結(jié) 論

1）研究工區(qū)的硬脆性泥頁(yè)巖粘土礦物以伊利石為主，基本不含蒙脫石，具有低膨脹易分散的水化特性。

2）通過(guò)巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工作液沿裂縫侵入是導(dǎo)致泥頁(yè)巖強(qiáng)度降低的根本原因。

3）含裂縫系統(tǒng)的泥頁(yè)巖較少發(fā)生整體式劈裂或剪切破壞，而是容易沿著其中一組最不利的裂縫發(fā)生破壞，裂縫面在巖心端面的投影越靠近軸心，其對(duì)巖心整體強(qiáng)度的影響越顯著。

4）對(duì)于硬脆性泥頁(yè)巖地層的鉆井施工，需要考慮泥頁(yè)巖力學(xué)特性的時(shí)空效應(yīng)，合理地確定安全泥漿密度窗口，同時(shí)提高鉆井液的裂縫封堵能力以改善井筒流體侵入的不利影響，將有利于井筒的穩(wěn)定。

［1］田乃林，楊競(jìng)，程忠玲.塔里木盆地中央隆起井壁穩(wěn)定性影響因素及措施建議 ［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2010，32（1）：120～122.

［2］劉向君，葉仲斌，陳一健.巖石弱面結(jié)構(gòu)對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響 ［J］.天然氣工業(yè)，2002，22（2）：41～43.

［3］蔚寶華，王治中，郭彬.泥頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)理論研究及其進(jìn)展 ［J］.鉆采工藝，2007，30（5）：17～20.

［4］王炳印，鄧金根，宋念友.力學(xué)溫度和化學(xué)耦合作用下泥頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)研究 ［J］.鉆采工藝，2006，29（6）：1～4.

［5］Yu M，Chen G，Chenevert M E.Chemical and thermal effects on wellbore stability of shale formations［J］.SPE 71366，2001.

Chemical and Mechanical Properties of Brittle Fractured Mud Shale

WANG Yi，XU Jiang，MEI Chun－gui，OU Biao，LI Li（First Author's Address：Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing100101，China）

To study the chemical and mechanical characteristics of brittle fractured mud shale was important for solving problems of wellbore stability mechanism and drilling fluid leakage in deep mud shale formation.The physical，chemical and mechanical properties of brittle mud shale were systematically studied and analyzed by slurry chemical，microstructure scanning and rock mechanic experiments.The results show that mud shale in the area is brittle and cracked，and its clay minerals mainly contain illite and montmorillonite bsically is free.Microstructure scanning shows that micro fractures are developed in mud shale；its soaking in fluid results in crack propagation，it reduce the strength as time increasing.

brittle fractured mud shale；crack；mechanical properties；water sensitivity

TE21

A

1000－9752（2011）06－0104－05

2011－02－22

國(guó)家 “973”規(guī)劃項(xiàng)目 （2010CB226700）；國(guó)家科技重大專項(xiàng) （2011ZX0500506）。

王怡 （1982－），女，2004年大學(xué)畢業(yè)，博士 （后），現(xiàn)主要從事巖石力學(xué)與井壁穩(wěn)定方向的研究工作。

［編輯］ 蕭 雨