劉向君，熊健，梁利喜

1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都610500 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610500

龍馬溪組硬脆性頁(yè)巖水化實(shí)驗(yàn)研究

劉向君1，2*，熊健2，梁利喜1

1.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都610500 2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610500

硬脆性頁(yè)巖水化對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井壁穩(wěn)定有重要的影響，為此，對(duì)龍馬溪組硬脆性頁(yè)巖進(jìn)行水化實(shí)驗(yàn)研究，包括礦物組成、微觀結(jié)構(gòu)、水化應(yīng)力、自吸吸水率及巖芯浸泡等方面實(shí)驗(yàn)研究，探討分析了硬脆性頁(yè)巖水化過(guò)程與機(jī)理。研究結(jié)果表明，頁(yè)巖黏土礦物以伊利石為主，黏土礦物呈片狀且定向排列，層理和微裂紋發(fā)育，為水化提供作用空間和流動(dòng)通道；頁(yè)巖水化應(yīng)力和自吸吸水率隨浸泡時(shí)間增加而先上升后趨于穩(wěn)定，頁(yè)巖組構(gòu)對(duì)上升速率或幅度有重要影響；浸泡過(guò)程中，巖樣表面主要形成平行層里面的裂縫，隨著浸泡時(shí)間增加，巖樣保持完整性或水化剝落成碎塊，頁(yè)巖組構(gòu)和膠結(jié)程度對(duì)頁(yè)巖水化程度有重要影響；頁(yè)巖水化是物理化學(xué)作用和力學(xué)作用相互耦合結(jié)果，前者使巖石斷裂韌性下降，后者使I型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于巖石斷裂韌性時(shí)，裂紋將擴(kuò)展或增寬，逐漸形成宏觀裂紋，可進(jìn)一步擴(kuò)展成裂縫。

硬脆性頁(yè)巖；龍馬溪組頁(yè)巖；水化作用；自吸吸水率；物理化學(xué)作用；力學(xué)作用

引言

隨著中國(guó)非常規(guī)能源開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到重視，特別是非常規(guī)能源中的頁(yè)巖氣［1］，而頁(yè)巖氣井井壁穩(wěn)定問(wèn)題是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要的課題［2-8］。硬脆性頁(yè)巖的黏土礦物以伊利石為主，這類地層井壁失穩(wěn)主要是因?yàn)榘l(fā)生水化剝落和掉塊現(xiàn)象，其與水化膨脹性泥頁(yè)巖的井壁失穩(wěn)機(jī)理有明顯的不同［3，7］。因此，硬脆性頁(yè)巖水化的研究對(duì)頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)機(jī)理研究有重要意義。目前針對(duì)泥頁(yè)巖水化實(shí)驗(yàn)研究主要從宏觀和微觀兩個(gè)角度開(kāi)展，宏觀角度上，黃榮樽等［9-16］研究了不同溫度、不同圍壓及不同活度的水溶液等因素對(duì)泥頁(yè)巖水化過(guò)程和水化實(shí)質(zhì)的影響，建立了泥頁(yè)巖巖石力學(xué)參數(shù)與含水量之間關(guān)系；微觀角度上，岳前升等［17-20］利用掃描電鏡（SEM）、壓汞、X-衍射等測(cè)試手段對(duì)泥頁(yè)巖進(jìn)行分析，研究泥頁(yè)巖中黏土礦物組成和含量、微觀結(jié)構(gòu)、水化作用對(duì)頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)的影響等，分析了黏土礦物組構(gòu)對(duì)水化過(guò)程影響，石秉忠等［21-22］利用CT成像技術(shù)研究了硬脆性頁(yè)巖水化過(guò)程。泥頁(yè)巖中的黏土礦物組成和含量及其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其水化影響較大［19-20］，泥頁(yè)巖水化過(guò)程存在物理化學(xué)效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)［23］，而對(duì)硬脆性頁(yè)巖水化作用研究較少。針對(duì)硬脆性頁(yè)巖黏土礦物以伊利石為主，含有少量伊/蒙混層的特點(diǎn)，其水化作用不同于膨脹性泥頁(yè)巖，因此，以龍馬溪組硬脆性頁(yè)巖為研究對(duì)象，開(kāi)展硬脆性頁(yè)巖水化實(shí)驗(yàn)研究，探討硬脆性頁(yè)巖水化作用，進(jìn)一步探討分析了硬脆性頁(yè)巖水化機(jī)理。

圖1 頁(yè)巖的礦物組成Fig.1 Them ineralogical com positionsof the shales

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

不同地區(qū)硬脆性頁(yè)巖中黏土礦物含量與微觀結(jié)構(gòu)差異較大，造成硬脆性頁(yè)巖水化作用存在較大差異，因此選擇四川盆地不同地區(qū)龍馬溪組硬脆性頁(yè)巖（簡(jiǎn)稱龍馬溪組頁(yè)巖）開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，其中取自四川省長(zhǎng)寧縣雙河鎮(zhèn)燕子村龍馬溪組露頭頁(yè)巖為地區(qū)1，取自四川省長(zhǎng)寧縣雙河鎮(zhèn)荷葉村龍馬溪組露頭頁(yè)巖為地區(qū)2，取自重慶市石柱縣漆遼鎮(zhèn)六塘村龍馬溪組露頭頁(yè)巖為地區(qū)3，還包括取自四川盆地長(zhǎng)寧地區(qū)某井的井下龍馬溪組頁(yè)巖樣品。對(duì)4組的頁(yè)巖樣品分別進(jìn)行XRD衍射測(cè)試、SEM測(cè)試、頁(yè)巖水化應(yīng)力膨脹測(cè)試、頁(yè)巖自吸測(cè)試和頁(yè)巖浸泡測(cè)試，所有測(cè)試在西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

1.1 礦物組成

XRD衍射分析結(jié)果見(jiàn)圖1和表1，其中地區(qū)1樣品測(cè)試數(shù)為14份，地區(qū)2樣品測(cè)試數(shù)為16份，地區(qū)3樣品測(cè)試數(shù)為20份，井下樣品測(cè)試數(shù)為8份。從圖1和表1中可知，3個(gè)地區(qū)露頭巖樣和井下巖樣的礦物組成包括黏土礦物、石英、長(zhǎng)石（正長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石）、碳酸鹽巖（方解石和白云巖）及黃鐵礦，每種礦物組成含量差異比較明顯，樣品的礦物組成以石英和黏土礦物為主，地區(qū)1、地區(qū)3和井下巖樣樣品的兩者含量之和相差較小，其中地區(qū)1巖樣石英含量最大，地區(qū)2巖樣黏土礦物含量最大；4組樣品中的黏土礦物以伊利石為主，平均相對(duì)含量超過(guò)70%，其中4組樣品的黏土礦物中的伊利石、伊/蒙混層和高嶺石的相對(duì)含量相差較小。

表1 頁(yè)巖黏土礦物組成相對(duì)含量和CEC含量Tab.1_ The claym ineral contentsand CEC contents in shales

4組龍馬溪組頁(yè)巖陽(yáng)離子交換容量（CEC）測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，其中地區(qū)1樣品測(cè)試數(shù)為14份，地區(qū)2樣品測(cè)試數(shù)為16份，地區(qū)3樣品測(cè)試數(shù)為12份，井下樣品測(cè)試數(shù)為6份。

從表1中可看出，4組龍馬溪組頁(yè)巖陽(yáng)離子交換容量（CEC）平均值均小于100mmol/kg，總體上說(shuō)明龍馬溪組頁(yè)巖水化膨脹能力較低，其中地區(qū)2的CEC值較高，平均值為92mmol/kg，其水化膨脹能力最大，而地區(qū)1的CEC較低，平均值為45mmol/kg，其水化膨脹能力最小。

從上面分析可看出，不同地區(qū)的露頭頁(yè)巖樣品和井下樣品的礦物組成含量和CEC存在差異，這主要是與取樣地區(qū)的沉積環(huán)境有關(guān)，說(shuō)明了龍馬溪組頁(yè)巖橫向分布非均質(zhì)性較強(qiáng)。露頭頁(yè)巖樣品的礦物組成和CEC與井下頁(yè)巖樣品的礦物組成和CEC存在差異，這種差異屬于含量范圍變化差異。雖然這種差異導(dǎo)致露頭頁(yè)巖樣品不能完全代替井下頁(yè)巖樣品，但是露頭頁(yè)巖樣品理化性能在一定程度上也能反映出井下頁(yè)巖樣品理化性能。不同地區(qū)頁(yè)巖樣品礦物組成的差異將造成頁(yè)巖樣品水化過(guò)程的差異，可對(duì)比研究硬脆性頁(yè)巖水化作用差異。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)

為了觀察到龍馬溪組頁(yè)巖中黏土礦物產(chǎn)狀、排列方式及其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)觀察頁(yè)巖在浸泡水前后微觀結(jié)構(gòu)變化，研究水化對(duì)龍馬溪組頁(yè)巖微觀結(jié)構(gòu)影響，采用掃描電鏡進(jìn)行觀察。頁(yè)巖巖樣浸泡時(shí)間分別為10，20，30 d，與對(duì)應(yīng)干燥原巖巖樣進(jìn)行對(duì)比分析。

巖樣微觀結(jié)構(gòu)可見(jiàn)圖2。從圖2a、圖2e和圖2j中可看出，3個(gè)地區(qū)巖樣黏土礦物顆粒呈片狀，巖樣中片狀黏土顆粒沿層理方向趨于定向排列，宏觀上表現(xiàn)為層理較發(fā)育，巖樣中微裂紋較發(fā)育。從圖2b、圖2f和圖2k中可看出，巖樣黏土礦物中明顯夾雜著非黏土礦物顆粒如石英、長(zhǎng)石等，這些礦物分布不均勻，地區(qū)1巖樣中溶蝕孔發(fā)育，地區(qū)3巖樣中局部發(fā)育溶蝕孔和微裂紋，地區(qū)2巖樣中黏土礦物顆粒和非黏土礦物顆粒無(wú)序堆積在一起，礦物顆粒之間膠結(jié)程度較差，礦物顆粒之間較松散，巖樣中微裂紋發(fā)育。巖樣中微孔隙和微裂紋為水進(jìn)入巖樣內(nèi)部提供流動(dòng)通道，同時(shí)也提供水化作用空間，因毛細(xì)管效應(yīng)產(chǎn)生的自吸吸水作用，將在巖樣內(nèi)部產(chǎn)生局部水化作用。巖樣浸泡水后微觀結(jié)構(gòu)照片（圖2d、圖2h和圖2m）與干燥巖樣微觀結(jié)構(gòu)照片（圖2c、圖2g和圖2l）對(duì)比可看出，巖樣中存在水化現(xiàn)象，片狀黏土礦物輪廓邊緣產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，黏土礦物顆粒表面吸水發(fā)生水化，隨著浸泡時(shí)間增加，顆粒體積逐漸膨脹，片狀輪廓邊緣存在加厚現(xiàn)象，但膨脹現(xiàn)象總體不明顯。

1.3 水化應(yīng)力實(shí)驗(yàn)

為了探索龍馬溪組頁(yè)巖水化應(yīng)力隨接觸時(shí)間變化規(guī)律，進(jìn)行水化應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析不同地區(qū)頁(yè)巖水化應(yīng)力。圖3為頁(yè)巖的水化應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖3看出，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間增加，頁(yè)巖巖樣的線水化應(yīng)力先呈上升后趨于穩(wěn)定，三個(gè)地區(qū)中的地區(qū)1頁(yè)巖巖樣的線水化應(yīng)力相對(duì)較小，地區(qū)2和地區(qū)3巖樣線水化應(yīng)力相對(duì)較大。地區(qū)3頁(yè)巖巖樣在與水接觸最初1 h時(shí)間內(nèi)，頁(yè)巖巖樣的線水化應(yīng)力存在階梯上升的變化趨勢(shì)，而地區(qū)2頁(yè)巖巖樣線水化應(yīng)力存在更明顯階梯上升的變化趨勢(shì)，隨著接觸時(shí)間增加，線水化應(yīng)力呈階梯上升幅度減小，直到水化應(yīng)力隨時(shí)間增加而趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖4（實(shí)驗(yàn)后地區(qū)2和地區(qū)3巖芯表面裂縫分布）分析頁(yè)巖巖樣與水接觸，因毛細(xì)管效應(yīng)作用，水沿著層理面或裂紋進(jìn)入頁(yè)巖巖樣內(nèi)部，水與粘土礦物顆粒接觸后發(fā)生一系列的物理化學(xué)作用，黏土礦物顆粒吸水形成表面水化膜，產(chǎn)生水化應(yīng)力，在裂紋尖端造成應(yīng)力集中，易造成裂紋產(chǎn)生或擴(kuò)展；隨著吸水量增加，黏土礦物顆粒表面水化膜增厚，水化應(yīng)力增加，裂紋尖端應(yīng)力更集中，更易造成裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致頁(yè)巖巖樣表面形成比較明顯的宏觀裂縫，從而使水沿著裂縫進(jìn)入頁(yè)巖內(nèi)部，造成頁(yè)巖巖樣表現(xiàn)為宏觀的體積膨脹，頁(yè)巖巖樣的水化應(yīng)力隨之增加。同時(shí)觀察到3個(gè)地區(qū)巖樣實(shí)驗(yàn)后沒(méi)有明顯體積膨脹，說(shuō)明3個(gè)地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖體積膨脹率低，屬于弱膨脹性頁(yè)巖。

圖3 頁(yè)巖的水化應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 The hydration swelling experiment resu ltsof shale sam p les

圖2 3個(gè)地區(qū)巖樣SEMFig.2 The SEM of shales in three differentareas

圖4 水化應(yīng)力實(shí)驗(yàn)后巖芯對(duì)比Fig.4 Corepicturesof shale samplesafter experiment

1.4 自吸吸水率

為了探索龍馬溪組頁(yè)巖的自吸吸水率隨時(shí)間變化規(guī)律，進(jìn)行了自吸吸水實(shí)驗(yàn)，測(cè)定自吸吸水率，分析巖樣自吸吸水率隨時(shí)間變化規(guī)律。自吸吸水率隨時(shí)間變化見(jiàn)圖5，從圖中可看出，巖樣自吸吸水率隨時(shí)間增加先增加后趨于穩(wěn)定，其中地區(qū)2巖樣自吸吸水率最高，且吸水率增長(zhǎng)很快，很快達(dá)到飽和狀態(tài)，從圖2f中可知地區(qū)2巖樣中微裂紋較發(fā)育，同時(shí)浸泡水后，頁(yè)巖巖樣表面上有多條宏觀裂縫，水可沿著宏觀裂縫進(jìn)入巖樣內(nèi)部，這樣增加了水與巖樣接觸的面積，造成巖樣的自吸速度增加；地區(qū)1巖樣的自吸吸水率次之，吸水率上升較慢，從圖2b中可知地區(qū)1中頁(yè)巖巖樣的溶蝕孔發(fā)育，使巖樣的吸水率較高，同時(shí)因巖樣較致密而造成其達(dá)到吸水飽和狀態(tài)較慢；地區(qū)3巖樣自吸吸水率最小，吸水率上升較快，較快達(dá)到飽和狀態(tài)，從圖2k中可知地區(qū)3巖樣中局部分布有溶蝕孔和微裂紋，孔隙度大，造成吸水率高，達(dá)到飽和狀態(tài)較快。

圖5 頁(yè)巖自吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Resultsof spontaneous imbibition experimentsof shale sam p les

1.5 浸泡水實(shí)驗(yàn)

為了探索龍馬溪組頁(yè)巖吸水水化程度，進(jìn)行巖樣浸泡水實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中觀察記錄巖樣浸泡前后的裂縫分布，分析硬脆性頁(yè)巖巖樣水化現(xiàn)象，揭示頁(yè)巖自吸吸水水化破裂過(guò)程。地區(qū)1頁(yè)巖巖樣在浸泡水前后巖樣保存完整，巖樣表面未發(fā)現(xiàn)裂縫，其他2個(gè)地區(qū)頁(yè)巖巖樣浸泡前后裂縫分布見(jiàn)圖6。

圖6 浸泡實(shí)驗(yàn)前后巖芯對(duì)比Fig.6 Comparison of shale samplesbeforeand after soaking

從圖6中可看出浸泡水后，巖樣表面可見(jiàn)分布著裂縫（圖中紅色線條表示巖樣表面裂縫），其中地區(qū)2巖樣水化現(xiàn)象較明顯和吸水水化程度較嚴(yán)重（1號(hào)巖芯取芯方向與層理呈45°，2號(hào)巖芯取芯方向與層理成60°，3號(hào)巖芯取芯方向與層理平行）。結(jié)合觀察記錄，地區(qū)2巖樣表面松散顆粒脫落，浸泡幾分鐘便形成裂縫；地區(qū)2巖樣在巖樣端面邊緣處易形成裂縫，隨著浸泡時(shí)間增加，裂縫貫通后剝落成碎塊；地區(qū)2的3個(gè)巖樣表面形成多條與層理方向近似平行的主裂縫，隨著浸泡時(shí)間增加，1號(hào)巖樣的主裂縫貫穿后，巖樣沿著層理面劈開(kāi)成兩半，劈裂縫兩邊伴生有多條裂縫，3號(hào)巖樣表面逐漸生成多條與層理面平行的裂縫，向著巖樣端面擴(kuò)展和延伸，裂縫逐漸增寬，裂縫貫通后剝落成碎塊，4號(hào)巖樣表面繼續(xù)生成多條與層理方向近似平行的宏觀裂縫，裂縫貫通后巖樣破裂成碎塊；地區(qū)3巖樣浸泡數(shù)小時(shí)后才出現(xiàn)少量裂縫，巖樣雖出現(xiàn)裂縫，但保持完整性未出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，說(shuō)明地區(qū)3巖樣吸水水化作用不足以使裂縫繼續(xù)擴(kuò)展及使巖石破裂。地區(qū)1頁(yè)巖較致密，吸水水化程度相對(duì)較小，而地區(qū)2頁(yè)巖的黏土礦物顆粒和非黏土礦物顆粒無(wú)序堆積在一起，膠結(jié)性差，顆粒間聯(lián)結(jié)性差、較松散，微裂紋發(fā)育，巖樣吸水削弱顆粒間膠結(jié)作用，水化程度較嚴(yán)重，易導(dǎo)致巖樣剝落或破裂。不同地區(qū)的頁(yè)巖樣品的組構(gòu)和膠結(jié)程度的差異造成了頁(yè)巖樣品的水化過(guò)程和水化程度不同，說(shuō)明頁(yè)巖組構(gòu)和膠結(jié)程度對(duì)頁(yè)巖水化程度有重要影響。

2 討論

龍馬溪組硬脆性頁(yè)巖層理明顯及微裂紋發(fā)育，其為水進(jìn)入巖樣內(nèi)部提供流動(dòng)通道及為水化作用提供空間。硬脆性頁(yè)巖與水相互作用后，其內(nèi)部發(fā)生物理化學(xué)變化，使原有黏土礦物組成或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生力學(xué)變化將影響其內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和延伸，反過(guò)來(lái)會(huì)促進(jìn)巖石與水之間物理化學(xué)變化［23］，硬脆性頁(yè)巖水化是物理化學(xué)作用和力學(xué)作用相互耦合結(jié)果。

2.1 物理化學(xué)作用

硬脆性頁(yè)巖與水接觸時(shí)，因毛細(xì)管效應(yīng)自吸作用，水沿著層理面或微裂紋進(jìn)入巖石內(nèi)部，黏土顆粒與水發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)黏土顆粒表面水化引起黏土顆粒體積膨脹，使顆粒間相互作用和膠結(jié)作用減弱，使顆粒間黏結(jié)力降低，隨著吸水量增大，使顆粒間的黏結(jié)力進(jìn)一步下降，宏觀上表現(xiàn)為巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的下降幅度增大，造成巖樣的強(qiáng)度值和I型裂紋的斷裂韌性（簡(jiǎn)稱斷裂韌性）值降低，嚴(yán)重導(dǎo)致巖石破壞。因此，物理化學(xué)作用將使巖石強(qiáng)度降低或使巖石斷裂韌性或抵抗裂紋擴(kuò)展能力下降，使巖石內(nèi)部裂紋更易起裂或擴(kuò)展。

研究發(fā)現(xiàn)含水量對(duì)硬脆性頁(yè)巖巖石力學(xué)參數(shù)影響較大，表現(xiàn)在巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨含水量增加而下降［13-15］，其與含水量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式［14］為

式中：C0，C 含水量為w0，w時(shí)巖石內(nèi)聚力，MPa；

?0，?-含水量為w0，w時(shí)內(nèi)摩擦角，（°）；

w0初始含水量，%；

Ka，Kb，Kc擬合系數(shù)。

已知巖石含水量，據(jù)式（1）計(jì)算巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，依據(jù)公式可計(jì)算巖石抗壓強(qiáng)度，繼而可得巖石抗拉強(qiáng)度與含水量之間關(guān)系曲線見(jiàn)圖7，從圖中可看出，隨著含水量增加，巖石抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。陳治喜等［24］研究了泥頁(yè)巖斷裂韌性，并建立斷裂韌性與巖石力學(xué)參數(shù)關(guān)系，泥頁(yè)巖斷裂韌性與抗拉強(qiáng)度存在如下關(guān)系

式中：KIC巖石I型斷裂韌性，MPa·m1/2；

St巖石抗拉強(qiáng)度，MPa。

已知巖石抗拉強(qiáng)度，計(jì)算巖石斷裂韌性與抗拉強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖8，從圖中看出巖石斷裂韌性隨抗拉強(qiáng)度降低而降低。結(jié)合圖7和圖8分析得，隨著含水量增加，巖石抗拉強(qiáng)度降低，巖石抗拉強(qiáng)度降低導(dǎo)致巖石斷裂韌性下降，因此，硬脆性頁(yè)巖吸水水化引起物理化學(xué)反應(yīng)，將導(dǎo)致巖石斷裂韌性下降，隨著水化程度加重，巖石斷裂韌性下降趨勢(shì)更明顯。

圖7 含水量與巖石抗拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.7 Relationship between themoisture contentand tensile strength

圖8 抗拉強(qiáng)度與斷裂韌性的關(guān)系Fig.8 Relationship between the fracture toughnessand tensile strength

2.2 力學(xué)作用

硬脆性頁(yè)巖中黏土顆粒表面吸附水分子，顆粒表面水化膜增厚將使裂紋增寬，黏土顆粒表面水化產(chǎn)生水化應(yīng)力，作用于裂紋表面，對(duì)裂紋有拉應(yīng)力作用，造成裂紋的尖端應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的增大，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于斷裂韌性時(shí)，裂紋將擴(kuò)展。在水化過(guò)程中，力學(xué)效應(yīng)主要是水化應(yīng)力對(duì)裂紋起到拉應(yīng)力作用，造成裂紋尖端應(yīng)力更集中，應(yīng)力強(qiáng)度因子增加。因此，為了研究力學(xué)效應(yīng)，進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度因子求解。將圓柱體巖樣簡(jiǎn)化為有限體板模型巖樣，以寬度為2w（m），高度為2h（m），厚度為2t（m）板為研究對(duì)象，裂紋為長(zhǎng)軸2a（m）、短軸2b（m）橢圓，裂紋可在板內(nèi)部或表面即為內(nèi)部裂紋或表面裂紋（橢圓長(zhǎng)軸在板表面，且位于板高的中心）。假設(shè)巖樣裂紋面受到均勻水化應(yīng)力作用，有限板內(nèi)部裂紋和表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子［25］表達(dá)式

板內(nèi)部橢圓裂紋

板表面半橢圓裂紋

式中：KI，內(nèi)部、表面應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPa·m1/2；

P-水化應(yīng)力，MPa；

2w-板的寬度，m；

2h-板的高度，m；

2t-板的厚度，m；

2a-裂紋長(zhǎng)軸，m；

2b-裂紋短軸，m；

M，M1，M2，M3，g，fθ，fw參數(shù)，具體見(jiàn)參考文獻(xiàn)［25］。

在板幾何特征不變的情況下，分別研究了裂紋長(zhǎng)度和水化應(yīng)力對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子影響，見(jiàn)圖9和圖10。從圖9和圖10中可看出，隨著裂紋長(zhǎng)度增加或水化應(yīng)力增加，表面和內(nèi)部裂紋尖端應(yīng)力集中程度較明顯，應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，造成裂紋易于擴(kuò)展，但表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子大于內(nèi)部裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子，說(shuō)明表面裂紋比內(nèi)部裂紋更易擴(kuò)展；隨著裂紋長(zhǎng)度增加，表面裂紋長(zhǎng)軸處應(yīng)力強(qiáng)度因子下降，而表面裂紋短軸處應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，說(shuō)明裂紋長(zhǎng)度越長(zhǎng)，表面裂紋向板內(nèi)擴(kuò)展，裂紋長(zhǎng)度越短，表面裂紋沿板面更易擴(kuò)展；隨著水化應(yīng)力增加，表面裂紋短軸處應(yīng)力強(qiáng)度因子上升幅度快于長(zhǎng)軸處應(yīng)力強(qiáng)度因子，說(shuō)明隨著水化應(yīng)力增加，表面裂紋更易向板內(nèi)擴(kuò)展。研究表明在其他條件不變的情況下，巖樣自吸水化作用越嚴(yán)重，表面裂紋比內(nèi)部裂紋更易擴(kuò)展，表面裂紋是向巖樣內(nèi)擴(kuò)展還是沿巖樣表面擴(kuò)展是綜合作用結(jié)果。

圖9 裂紋長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子影響Fig.9 The influenceof crack length on thestress intensity factor

圖10 水化應(yīng)力對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子影響Fig.10 The influence of hydration stresson the stress intensity factor

不同地區(qū)硬脆性頁(yè)巖水化過(guò)程差異明顯，但水化過(guò)程中都存在物理化學(xué)效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)，硬脆性頁(yè)巖水化機(jī)理主要是：硬脆性頁(yè)巖與水接觸后，因毛細(xì)管效應(yīng)自吸作用，水沿層理面或微裂紋進(jìn)入巖石內(nèi)部與黏土顆粒接觸，黏土顆粒與水發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使顆粒間的黏結(jié)力減小，宏觀上表現(xiàn)為巖石內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的減小，造成巖石強(qiáng)度和斷裂韌性的降低，物理化學(xué)效應(yīng)可認(rèn)為是使巖石斷裂韌性或抵抗裂紋擴(kuò)展能力下降；頁(yè)巖中黏土顆粒表面吸水，形成表面水化膜，表面水化產(chǎn)生水化應(yīng)力，對(duì)裂紋起拉應(yīng)力作用，造成裂紋尖端處應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力強(qiáng)度因子增加，力學(xué)效應(yīng)可認(rèn)為是使應(yīng)力強(qiáng)度因子增加；硬脆性頁(yè)巖與水接觸后，水化過(guò)程中物理化學(xué)作用使斷裂韌性下降，力學(xué)作用使裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子小于斷裂韌性時(shí)，裂紋不易擴(kuò)展；當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于斷裂韌性時(shí)，裂紋易于擴(kuò)展或延伸，隨著水化程度加重，表面水化膜增厚，水化應(yīng)力增大，巖石斷裂韌性繼續(xù)下降及裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子繼續(xù)增加，裂紋將繼續(xù)擴(kuò)展或延伸。當(dāng)巖石內(nèi)部的多條裂紋匯合貫通后將形成宏觀裂紋，其繼續(xù)可形成裂縫。

3 結(jié)論

（1）龍馬溪組頁(yè)巖黏土礦物組成以伊利石為主，黏土礦物呈片狀且定向排列，頁(yè)巖層理和微裂紋發(fā)育，為水化提供作用空間和流動(dòng)通道。

（2）微觀結(jié)構(gòu)觀察顯示，在浸泡過(guò)程中，龍馬溪組頁(yè)巖水化使黏土顆粒體積膨脹；龍馬溪組頁(yè)巖水化應(yīng)力和自吸吸水率隨浸泡時(shí)間增加先上升后趨于穩(wěn)定，頁(yè)巖組構(gòu)對(duì)上升速率或幅度有重要影響。

（3）在浸泡過(guò)程中，頁(yè)巖巖樣表面形成近似于平行層理面的裂縫，隨著浸泡時(shí)間增加，巖樣保持完整性或水化剝落成碎塊，頁(yè)巖的組構(gòu)和膠結(jié)程度對(duì)頁(yè)巖水化程度有重要影響。

（4）硬脆性頁(yè)巖水化是物理化學(xué)作用和力學(xué)作用相互耦合的結(jié)果，前者使巖石斷裂韌性下降，后者使裂紋尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，當(dāng)裂紋尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子大于巖石斷裂韌性時(shí)，裂紋將擴(kuò)展或增寬。

（5）不同地區(qū)龍馬溪組硬脆性頁(yè)巖水化作用差異較大，說(shuō)明龍馬溪組硬脆性頁(yè)巖的橫向分布非均質(zhì)性較強(qiáng)，不同地區(qū)防止井壁失穩(wěn)采取措施不一樣。

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編輯：牛靜靜

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Hydration Experimentof Hard Brittle Shaleof the LongmaxiFormation

LIU Xiangjun1，2*，XIONG Jian2，LIANG Lixi1
1.State Key Laboratory of Oiland GasReservoirGeology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China 2.Schoolof Geosciencesand Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China

The hydration of hard brittle shale has an important influence on the borehole stability.Therefore，the hydration experimentswasdone for different typesof shale from the Longmaxi formation in the south region of Sichuan Basin，observationsweremade tom ineralcomposition，m icrostructure，hydration swelling stress，waterabsorption by self-prim ing and core immersion.And based on observations，the paper discusses the hard brittle shale hydration processand hydrationmechanism. The result shows that themain claym ineral of shale is illite，the shape of the claym ineral particles is flake and directional alignment.There are lots of bedding andmicro-crack in the shale，which provide the operation-space and flow channel for the hydration of shale.The hydration swelling stress and water absorption by self-prim ing of shale tend to ascent firstbefore becom ing stable.The fabric of the shale has an important influence on the ascend velocity or extent.The fractures in the surface of sample are parallel plane of bedding in the processof immersion.With the increaseof immersion time，the sample would keep its integrality or spall to pieces.The fabric and cementation type of the shale have an important influence on the hydration swelling.The hydration of the shale is a resultof coupling of physical-chem ical action andmechanical action，the formerdecreasing the rock fracture toughness，and the later increasing the stress intensity factor formode-Ifracture.When the stress intensity factor isgreater than the rock fracture toughness，the crackw illextend orbroaden.

hardbrittleshale；LongmaxiFormation shale；hydration swelling；spontaneousimbibition rateofwater；physicalchem icalaction；mechanicalaction

劉向君，1969年生，女，漢族，四川資中人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖石力學(xué)及巖石物理、井壁穩(wěn)定和防砂完井、測(cè)井交叉方面的教學(xué)與研究工作。E-mail：liuxiangjunswpi@163.com

熊健，1986年生，男，漢族，湖北荊州人，講師，博士，主要從事巖石物理及非常規(guī)頁(yè)巖氣等方面的研究。E-mail：361184163@qq.com

梁利喜，1976年生，男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，講師，博士（后），主要從事井壁穩(wěn)定技術(shù)、巖石物理與巖石力學(xué)、石油工程測(cè)井等相關(guān)研究。E-mail：liangzby@163.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2014.04.10.05

1674-5086（2016）03- 0178-09

TE21

A

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2014- 04-10網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016- 05-27

劉向君，E-mail：liuxiangjunswpi@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目（U1262209）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51274172）。