康毅力，楊斌，李相臣，楊建，游利軍，陳強(qiáng)（. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)，成都 60500；. 中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院，四川廣漢 68300）

頁(yè)巖水化微觀作用力定量表征及工程應(yīng)用

康毅力1，楊斌1，李相臣1，楊建2，游利軍1，陳強(qiáng)1
（1. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西南石油大學(xué)，成都 610500；2. 中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院，四川廣漢 618300）

以四川盆地志留系龍馬溪組和鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組頁(yè)巖為研究對(duì)象，從微觀作用力的角度分析頁(yè)巖水化機(jī)理，進(jìn)行水合力的定量表征，并開展礦場(chǎng)應(yīng)用。選取了與伊利石組成和性質(zhì)都極為相似的白云母進(jìn)行微觀作用力測(cè)試。結(jié)果顯示云母片在電解質(zhì)溶液中的微觀作用力主要包括DLVO（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）力和水合力。當(dāng)電解質(zhì)濃度較低時(shí)，測(cè)試曲線符合DLVO理論；但當(dāng)電解質(zhì)濃度大于臨界值且云母片間距小于5 nm左右時(shí)，測(cè)試曲線完全偏離DLVO理論曲線，水合力開始占據(jù)主導(dǎo)作用。定量計(jì)算表明水合力強(qiáng)度隨作用距離增加呈雙指數(shù)型衰減。礦場(chǎng)應(yīng)用表明，嚴(yán)格控制水相侵入并降低水合力強(qiáng)度是防塌鉆井液體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；壓后燜井過(guò)程中充分利用頁(yè)巖水化致微裂縫萌生、擴(kuò)展可進(jìn)一步改造頁(yè)巖儲(chǔ)集層。圖9表1參30

頁(yè)巖；水化作用；水合力；伊利石；井壁失穩(wěn)；燜井

引用：康毅力, 楊斌, 李相臣, 等. 頁(yè)巖水化微觀作用力定量表征及工程應(yīng)用[J]. 石油勘探與開發(fā), 2017, 44(2): 301-308.

KANG Yili, YANG Bin, LI Xiangchen, et al. Quantitative characterization of micro forces in shale hydration and field applications[J]. Petroleum Exploration and Development, 2017, 44(2): 301-308.

0 引言

泥頁(yè)巖的水化過(guò)程包含巖石與流體間的微觀物理化學(xué)作用，微觀作用力屬表面力，包括：DLVO力（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）和非 DLVO 力[1-3]。DLVO力包括范德華力和雙電層斥力。非DLVO力主要指短程溶劑化力，若溶劑為水，即為排斥性的水合力[4]（Hydration force）。

泥頁(yè)巖水化的核心是黏土礦物水化，經(jīng)典的水化機(jī)理研究通過(guò)改變電解質(zhì)濃度和類型調(diào)節(jié)黏土礦物表面電勢(shì)和雙電層厚度，實(shí)現(xiàn)對(duì)水化和鉆完井液性能的控制[2]。對(duì)于以膨脹性黏土礦物（蒙脫石和伊/蒙間層）為主的泥頁(yè)巖，DLVO理論在水化機(jī)理分析和鉆井液抑制性調(diào)節(jié)等方面取得了顯著成果[5-6]，而水合力的影響常被忽略。對(duì)于以非膨脹性黏土礦物（伊利石等）為主的硬脆性泥頁(yè)巖，DLVO理論并不能很好地解釋其在水化膨脹程度、水化應(yīng)力和吸水量等方面與膨脹性泥頁(yè)巖的差異，水合力的作用機(jī)理則能對(duì)硬脆性泥頁(yè)巖的水化行為做出合理解釋[1,7]。Israelachvili等[4,8]在水合力產(chǎn)生機(jī)理、實(shí)驗(yàn)測(cè)量和應(yīng)用等方面完成了許多開創(chuàng)性的工作，并指出水合力具有典型短程作用力特征，強(qiáng)度高但隨距離增長(zhǎng)急劇衰減。

礦場(chǎng)實(shí)踐顯示，頁(yè)巖儲(chǔ)集層發(fā)生的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象具有典型的硬脆性泥頁(yè)巖水化破壞特征[9-10]。因此，本文以四川盆地志留系龍馬溪組和鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組頁(yè)巖為研究對(duì)象，從微觀作用力的角度分析頁(yè)巖水化機(jī)理，重點(diǎn)研究水合力的定量表征，同時(shí)結(jié)合宏觀巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)闡釋水合力在頁(yè)巖水化破壞過(guò)程中的作用機(jī)理，最后應(yīng)用水化特征分析礦場(chǎng)問(wèn)題。

1 頁(yè)巖水化過(guò)程的微觀作用力

頁(yè)巖水化本質(zhì)上是指黏土礦物晶層間的水化作用，主要受到范德華力、雙電層斥力和水合力控制。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(jiǎn)化為帶電平板間相互作用[3]：

其中平板間的范德華作用能為：

在假定黏土礦物晶層電荷相等且恒定的條件下，晶層間的雙電層作用能：

范德華力和雙電層斥力均屬長(zhǎng)程作用力，范德華力存在于任何表面間，對(duì)水相電解質(zhì)濃度和pH值均不敏感，而雙電層斥力則嚴(yán)重依賴于表面帶電情況、電解質(zhì)濃度和pH值等參數(shù)。這兩種力的共同作用可以通過(guò)DLVO理論定量表征。然而，當(dāng)表面間距極小時(shí)，DLVO理論出現(xiàn)偏差：一方面，范德華力/雙電層斥力在小間距下不再完全符合連續(xù)介質(zhì)理論假設(shè)；另一方面，非DLVO力，即水合力的短程排斥作用開始變得顯著[3,8]。由于水合力成因復(fù)雜，對(duì)其認(rèn)識(shí)尚不完全明確，此處給出其水合能的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚11-12]：

（4）式右端第1項(xiàng)為初級(jí)水合能，與表面附近水分子層或水合陽(yáng)離子的吸附焓相關(guān)；第 2項(xiàng)為結(jié)構(gòu)水合能，主要來(lái)源于受限體積內(nèi)的溶劑化熵。

2 樣品

本文以四川盆地志留系龍馬溪組和鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組頁(yè)巖為研究對(duì)象。X射線衍射分析顯示（見表1），龍馬溪組和延長(zhǎng)組頁(yè)巖均具有脆性礦物和黏土礦物含量高的特點(diǎn)，其中黏土礦物以非膨脹性伊利石、綠泥石和高嶺石為主，含少量伊/蒙間層礦物，間層比5%～20%。本文以伊利石為特征黏土礦物，分析頁(yè)巖儲(chǔ)集層水化過(guò)程中黏土礦物晶層間的微觀作用力。

表1 四川盆地龍馬溪組和鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組頁(yè)巖礦物組分分析

選用白云母代替伊利石分析其在電解質(zhì)溶液中的水化微觀作用力。首先，伊利石曾稱水云母，與白云母具有極為相似的元素組成和晶層結(jié)構(gòu)，兩者在物理化學(xué)性能上具有近似等價(jià)性[13]。其次，白云母薄片易制樣，且表面可達(dá)到分子級(jí)光滑，是理想的表面力測(cè)試材料。

表面力測(cè)量采用表面力儀，由 Israelachvili等[3-4]最早設(shè)計(jì)成型。測(cè)試首先將2片厚度為2 μm的云母片背面鍍約50 nm厚的高反射率銀膜，再將云母片粘貼在呈90°交叉的2根半徑為1 cm的玻璃圓柱上，云母片間充滿電解質(zhì)溶液。采用多光束干涉輔助系統(tǒng)，儀器的間距測(cè)量精度可達(dá)0.1 nm。云母片間測(cè)力計(jì)為可變剛度測(cè)力彈簧，最低靈敏度為10-8N，最大測(cè)試壓力可達(dá) 500 MPa。測(cè)試中云母片的相互作用面為曲面，結(jié)合 Derjaguin近似方程（F/R=2×106πW）[3]可轉(zhuǎn)化為兩平面間的相互作用。

3 結(jié)果分析

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)描述

分析頁(yè)巖水化作用，需要確定電解質(zhì)溶液類型。Zolfaghari等[14]通過(guò)壓裂液的返排液和井下頁(yè)巖淋濾液分析指出，頁(yè)巖儲(chǔ)集層中可溶鹽陽(yáng)離子以 Na+、K+和Ca2+為主，陰離子以Cl-為主。外來(lái)水相進(jìn)入頁(yè)巖儲(chǔ)集層，由于可溶鹽溶解和頁(yè)巖的半滲透膜效應(yīng)，平均水相離子濃度為50 000～80 000 mg/L（電解質(zhì)濃度0.67～1.35 mol/L）[15]。以 NaCl、KCl溶液為例，Pashley[8]測(cè)試了不同濃度電解質(zhì)溶液中云母片間作用力隨作用距離變化曲線（見圖1中實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線）。

圖1 不同濃度和類型的電解質(zhì)溶液中DLVO力預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

當(dāng)電解質(zhì)溶液濃度較低時(shí)，云母片間的作用力隨作用距離的減小先穩(wěn)定增加后快速降低（見圖 1a、圖1b、圖1d中實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線），且曲線存在明顯的勢(shì)壘。當(dāng)晶層間間距較大時(shí)，雙電層斥力占主導(dǎo)，作用力隨間距減小而增大；當(dāng)間距減小時(shí)，范德華吸引力占主導(dǎo)，作用力隨間距減小而降低，均符合DLVO力控制的特征曲線。

當(dāng)電解質(zhì)濃度大于某一臨界值時(shí)，測(cè)試曲線偏離DLVO理論曲線（見圖1c、圖1e、圖1f中實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線），此時(shí)排斥性的水合力已變得顯著起來(lái)，云母片間作用力受DLVO力和水合力共同控制。當(dāng)間距較大時(shí)，雙電層斥力仍占主導(dǎo)作用；當(dāng)間距小于5 nm左右時(shí)，水合力隨間距減小而急劇增大，完全掩蓋了范德華力的影響，占據(jù)主導(dǎo)地位，測(cè)試曲線偏離 DLVO理論曲線。這正是經(jīng)典DLVO理論模型并未考慮水合力影響的結(jié)果。

3.2 DLVO力與水合力計(jì)算

圖1中DLVO力預(yù)測(cè)曲線由下式計(jì)算[3]：

由圖1a、圖1b、圖1d可知，電解質(zhì)濃度較低時(shí)，水合力未產(chǎn)生，（5）式的DLVO力預(yù)測(cè)曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線擬合較好，偏差主要發(fā)生在凸起的勢(shì)壘區(qū)間?？赡苁且?yàn)槿芤郝云嵝?，H+對(duì)表面電荷和電勢(shì)的影響比較顯著，使實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與理論預(yù)測(cè)值產(chǎn)生偏移[8,16]。

當(dāng)電解質(zhì)濃度達(dá)到臨界水合濃度，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的表面作用力則為DLVO力和水合力疊加（見圖1c、圖1e、圖1f中實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線）。水合力為總作用力與DLVO力的差值：

圖 2實(shí)線由（6）式計(jì)算得到，虛線由（4）式擬合得到，可見擬合效果較好，說(shuō)明（6）式計(jì)算結(jié)果符合水合力的作用特征。

關(guān)于水合力這種只在溶液電解質(zhì)濃度達(dá)到臨界水合濃度才突變式產(chǎn)生的現(xiàn)象，Pashley等[8,17]從吸附自由能的角度進(jìn)行了詳細(xì)探討。即增加電解質(zhì)濃度能增大金屬陽(yáng)離子能量，進(jìn)而能夠克服臨界吸附能量勢(shì)壘，使陽(yáng)離子及其水合分子吸附于表面，產(chǎn)生水合力。具體講，NaCl溶液在云母片間產(chǎn)生水合力的臨界電解質(zhì)濃度遠(yuǎn)高于KCl溶液（見圖1c、圖1e），主要是因?yàn)镹a+的離子半徑更小，水合分子數(shù)更大，需要更多的能量（更高的濃度）來(lái)克服吸附勢(shì)壘。

圖2 不同濃度電解質(zhì)溶液中水合力作用曲線（圖中實(shí)線由（6）式計(jì)算得到，虛線由（4）式計(jì)算得到）

3.3 水合排斥壓力定量表征

為了定量化表征水合力的大小，將測(cè)得的水合力轉(zhuǎn)化為等效的排斥壓力，根據(jù)壓力與表面能的導(dǎo)數(shù)關(guān)系和Derjaguin近似方程[3]可得：

將（4）式帶入（7）式，得：

根據(jù)（8）式，云母片間的排斥壓力仍服從雙指數(shù)型衰減曲線（見圖3）。當(dāng)間距小于0.6 nm時(shí)，主要是結(jié)構(gòu)水合力作貢獻(xiàn)，此階段極強(qiáng)的排斥壓力主要來(lái)源于金屬陽(yáng)離子及其水合分子在云母表面的吸附和有序排列，其特點(diǎn)是水合分子層?。?～2個(gè)水分子直徑），但強(qiáng)度極大，受壓不易變形。當(dāng)間距為0.6～3.0 nm時(shí)，則以初級(jí)水合力為主，排斥壓力已顯著降低，曲線形態(tài)受電解質(zhì)類型和濃度的影響顯著。此時(shí)，外層水合分子與吸附的陽(yáng)離子相互作用弱，受壓易變形或脫離。當(dāng)間距大于3.0 nm時(shí)，水合排斥壓力可以忽略。Pashley等[8,17]、Kjellander等[18]和Horn[19]測(cè)試的云母片在常見1價(jià)、2價(jià)金屬陽(yáng)離子水溶液中水合力大小、曲線變化趨勢(shì)與圖3相近，但強(qiáng)度關(guān)系滿足Ca2+＞Li+（Na+）＞K+＞Cs+。

圖3 不同電解質(zhì)濃度溶液中水合排斥壓力曲線

4 討論

4.1 頁(yè)巖水化應(yīng)力應(yīng)變特征

頁(yè)巖儲(chǔ)集層的水化主要是黏土礦物伊利石（見表1）的水化。頁(yè)巖儲(chǔ)集層具有超低含水飽和度特征，且孔隙中可溶鹽含量高，外來(lái)水侵入后，通?？尚纬梢訬a+、K+等金屬陽(yáng)離子為主的較高電解質(zhì)濃度的溶液[15]，達(dá)到產(chǎn)生顯著水合力的臨界電解質(zhì)濃度。

據(jù)文獻(xiàn)[13]，伊利石晶層結(jié)構(gòu)單元層厚度為 0.995 nm，層間域?yàn)?.34 nm。根據(jù)（8）式，當(dāng)初始作用距離為 0.34 nm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)。然而，由于水合力衰減極快，當(dāng)晶層間距增加到1nm左右，水合力僅有1.5～3.6 MPa時(shí)，不足以繼續(xù)克服晶層間的相互吸引作用。并且伊利石屬非膨脹性黏土礦物，陽(yáng)離子交換能力弱，當(dāng)水合力變?nèi)鹾螅p電層斥力的強(qiáng)度不足以引起伊利石晶層繼續(xù)膨脹[1-2]。因此，伊利石的水化主要是短程水合斥力導(dǎo)致的，整個(gè)水化過(guò)程晶層間的膨脹十分有限，水化所需的水分子也較少。宏觀上就表現(xiàn)出伊利石的水化應(yīng)力高，但應(yīng)變小、誘發(fā)水化所需的臨界含水量低。

對(duì)比蒙脫石可進(jìn)一步說(shuō)明伊利石的水化特征。蒙脫石的結(jié)構(gòu)單元層厚度為1.27～1.70 nm，其層間域約0.62～1.05 nm[13]。Viani等[20]研究表明，蒙脫石的水合排斥壓力低于伊利石，并且其晶層間吸引力弱，陽(yáng)離子交換能力強(qiáng)，雙電層斥力強(qiáng)度和作用范圍更大，能導(dǎo)致蒙脫石吸水發(fā)生最高達(dá)數(shù)十倍層間域的長(zhǎng)程膨脹。

Chenevert[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試指出應(yīng)力條件下硬脆性泥頁(yè)巖的徑向水化膨脹應(yīng)力可達(dá)35 MPa（見圖4），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(yè)巖。Yuan等[21]測(cè)試了龍馬溪組頁(yè)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(méi)于蒸餾水中，垂直于層理方向的應(yīng)變也小于0.25%（見圖5），平行層理方向的應(yīng)變則更低。

圖4 硬脆性泥頁(yè)巖吸水后的徑向水化應(yīng)力[1]

4.2 水化引起的頁(yè)巖強(qiáng)度弱化

頁(yè)巖在微觀晶層結(jié)構(gòu)尺度上的水化破壞反映到細(xì)觀尺度上，體現(xiàn)在頁(yè)巖層理面等弱面膠結(jié)強(qiáng)度的降低，以及層理面的起裂破壞。圖6a、圖6b為龍馬溪組頁(yè)巖蒸餾水浸泡前后層理端面的掃面電鏡圖片。由圖6a可見，頁(yè)巖黏土礦物具顯著的沿層理方向定向排列的特征。蒸餾水浸泡后，在層理面間產(chǎn)生了可觀測(cè)的水化微裂縫，證實(shí)水化作用能夠破壞伊利石等的層間結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生微裂縫。圖6c、圖6d則在巖心尺度上證實(shí)了水化作用促使頁(yè)巖中裂縫沿層理面起裂、擴(kuò)展和破壞的特征[10, 22]。

圖5 龍馬溪組頁(yè)巖垂直層理方向水化應(yīng)變曲線[21]

圖6 蒸餾水浸泡前后頁(yè)巖層理水化作用圖像對(duì)比

巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示，蒸餾水浸泡后頁(yè)巖的三軸抗壓強(qiáng)度小幅下降（見圖 7），而頁(yè)巖的抗拉強(qiáng)度卻隨著含水量的增加而顯著降低[23]（見圖 8）。與水作用后，頁(yè)巖抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的弱化程度具有顯著差異，原因主要有兩點(diǎn)：①雖然頁(yè)巖水化能降低層理面等弱結(jié)構(gòu)面的連接強(qiáng)度，但三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，頁(yè)巖的破壞以剪切滑移為主，剪切面摩擦系數(shù)、角度、顆粒強(qiáng)度等才是影響頁(yè)巖的抗壓強(qiáng)度的主要因素[24]，因而，總體上呈現(xiàn)出頁(yè)巖水化后三軸應(yīng)力峰值降幅較小的特點(diǎn)（見圖7）；②頁(yè)巖具有明顯的層理結(jié)構(gòu)，抗拉強(qiáng)度主要反映層理面的抗拉強(qiáng)度。頁(yè)巖水化后，層理面上黏土礦物晶層間的連接強(qiáng)度降幅最顯著，宏觀表現(xiàn)為頁(yè)巖抗拉強(qiáng)度隨含水量增加快速下降（見圖8）。因此，頁(yè)巖水化破壞主要是弱化頁(yè)巖的抗拉強(qiáng)度。

圖7 延長(zhǎng)組頁(yè)巖蒸餾水浸泡前后三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4.3 礦場(chǎng)應(yīng)用

頁(yè)巖儲(chǔ)集層的水化破壞與膨脹性泥頁(yè)巖在機(jī)理和工程響應(yīng)上存在顯著差異。因此，工程實(shí)踐中應(yīng)充分利用其水化特征。

圖8 龍馬溪組頁(yè)巖抗拉強(qiáng)度隨含水量的變化曲線[23]

4.3.1 井壁失穩(wěn)控制

在中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)初期，威201-H1等井采用油基鉆井液（含水10%～20%）抑制頁(yè)巖儲(chǔ)集層水化，但井壁掉塊、垮塌失穩(wěn)嚴(yán)重[9]。分析認(rèn)為該鉆井液體系封堵性能不佳，濾失量較高是導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的重要原因。其次，鉆井液的化學(xué)抑制性設(shè)計(jì)并未考慮非膨脹性黏土礦物的水化特征。后來(lái)，通過(guò)嚴(yán)格控制油基鉆井液的濾失量（小于2～3 mL），較好地解決了四川盆地頁(yè)巖儲(chǔ)集層鉆井的井壁失穩(wěn)問(wèn)題。

基于濾失量控制和化學(xué)抑制性的改善，水基鉆井液在頁(yè)巖儲(chǔ)集層段鉆井的應(yīng)用取得重大進(jìn)展。鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組某井采用多硅基鉆井液順利完成了 557 m水平段進(jìn)尺，耗時(shí)僅6.7 d[25]；四川盆地龍馬溪組某區(qū)塊采用 SDRP-I型水基鉆井液順利完成了多口頁(yè)巖氣井的水平段鉆進(jìn)試驗(yàn)，且井壁失穩(wěn)控制良好。取現(xiàn)場(chǎng)鉆井液進(jìn)行室內(nèi)浸泡實(shí)驗(yàn)（見圖9，巖心直徑均為2.5 cm），與蒸餾水相比，油基鉆井液、硅基鉆井液和SDRP-I水基鉆井液均能有效控制頁(yè)巖水化，抑制裂縫的萌生和擴(kuò)展。

礦場(chǎng)實(shí)踐表明，與膨脹性泥頁(yè)巖相比，誘發(fā)頁(yè)巖水化破壞的臨界濾失量更低[26]，強(qiáng)化封堵和控制濾失均是從阻止水相侵入的角度控制頁(yè)巖水化。增強(qiáng)化學(xué)抑制性則是從水化機(jī)理著手。SDRP-I型水基鉆井液中添加了一定量的甲酸銫，其具有降低損害、提高密度和熱穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[27]。此外，Cs+在黏土礦物晶層表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附中處于優(yōu)勢(shì)地位，能夠置換已吸附的Na+、K+、Ca2+等。Cs+具有最低的水合數(shù)和水合強(qiáng)度，產(chǎn)生的水合斥力不到 Na+、K+、Ca2+等的 30%[8,17]。當(dāng) Cs+競(jìng)爭(zhēng)吸附于晶層表面時(shí)，水合斥力小，水化作用也更弱。在多硅基鉆井液中，含硅基團(tuán)不僅具有很好的封堵性能[28]，并且硅基基團(tuán)具有疏水性，當(dāng)附著于黏土礦物時(shí)，能削弱甚至消除水合斥力，從而抑制頁(yè)巖水化[3]。

圖9 流體浸泡下頁(yè)巖宏觀裂縫萌生與擴(kuò)展過(guò)程

4.3.2 壓后燜井

頁(yè)巖氣井水力壓裂過(guò)程中入地液量巨大，壓裂液返排率低，大量壓裂液滯留儲(chǔ)集層。“壓后燜井”排采制度的出發(fā)點(diǎn)就是在降低壓裂液返排量和污水處理成本的同時(shí)，基于頁(yè)巖吸水水化起裂原理，將可能產(chǎn)生儲(chǔ)集層損害的滯留壓裂液轉(zhuǎn)化為進(jìn)一步改造儲(chǔ)集層的動(dòng)力，達(dá)到增大儲(chǔ)集層有效泄氣面積的作用[29-30]。圖6和圖9a顯示，實(shí)驗(yàn)室條件下水化作用能誘發(fā)微裂縫的萌生和擴(kuò)展。在地層條件下，水化作用不僅能促進(jìn)微裂縫萌生，更能導(dǎo)致頁(yè)巖強(qiáng)度降低，尤其是頁(yè)巖抗拉強(qiáng)度大幅度降低（見圖8），裂縫尖端流體壓力與地應(yīng)力和巖石強(qiáng)度間的平衡被打破，燜井所維持的流體超壓條件就能促進(jìn)裂縫擴(kuò)展延伸。并且，隨著裂縫擴(kuò)展和壓裂液濾失，裂縫流體壓力逐漸降低，裂縫擴(kuò)展更依賴于水化對(duì)頁(yè)巖強(qiáng)度的弱化作用。考慮頁(yè)巖水化機(jī)理及動(dòng)力學(xué)過(guò)程，對(duì)于分析和預(yù)測(cè)燜井過(guò)程水力裂縫的擴(kuò)展行為，輔助確定合理的燜井時(shí)間具有現(xiàn)實(shí)工程意義。

5 結(jié)論

泥頁(yè)巖水化過(guò)程的微觀作用力主要包括DLVO力和水合力，對(duì)于頁(yè)巖這類硬脆性泥頁(yè)巖，水合力是水化過(guò)程的主控因素，具體體現(xiàn)在頁(yè)巖中非膨脹性黏土礦物伊利石的水化過(guò)程。

白云母/伊利石在不同電解質(zhì)溶液中的相互作用力曲線存在顯著差異。當(dāng)電解質(zhì)濃度較低時(shí)，測(cè)試曲線符合DLVO理論；當(dāng)電解質(zhì)濃度達(dá)到產(chǎn)生水合力的臨界濃度時(shí)，測(cè)試曲線偏離DLVO理論曲線，水合力強(qiáng)度隨距離增加呈雙指數(shù)型衰減。

伊利石晶層水化初期的水合排斥壓力大于50 MPa，但隨晶層膨脹迅速衰減，難以產(chǎn)生長(zhǎng)程膨脹，所以微觀上伊利石水化時(shí)晶層的膨脹程度很低，所需的水分子也較少；宏觀上，以伊利石為主要黏土礦物的頁(yè)巖水化應(yīng)力大、應(yīng)變小，誘發(fā)水化破壞的臨界含水量低。

礦場(chǎng)應(yīng)用表明，嚴(yán)格控制水相侵入并降低水合力強(qiáng)度是防塌鉆井液體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；壓后燜井過(guò)程中充分利用頁(yè)巖水化致微裂縫萌生、擴(kuò)展可進(jìn)一步改造頁(yè)巖儲(chǔ)集層。

符號(hào)注釋：

A——Hamaker常數(shù)，J，通常在 10-20J量級(jí)；A1，A2——初級(jí)和結(jié)構(gòu)水合能量級(jí)，J/m2；C1，C2——初級(jí)和結(jié)構(gòu)水合作用的壓力系數(shù)，MPa；D——黏土礦物晶層間的相互作用距離，m；e——電子電荷，1.6×10-19C；F——黏土礦物晶層間的相互作用力，N；（F/R）t——表面力儀測(cè)得的晶層間總相互作用強(qiáng)度，N/m；（F/R）DLVO——晶層間 DLVO力相互作用強(qiáng)度，N/m；（F/R）HY——晶層間水合力相互作用強(qiáng)度，N/m；kB——玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；nb——電子密度；PHY——云母片間水合排斥壓力，MPa；R——表面力測(cè)試儀中玻璃圓柱的曲率半徑，m；T——絕對(duì)溫度，本文為常溫298 K；W，WV，WDLR，WHY——黏土礦物晶層間的總作用能、范德華作用能、雙電層作用能和水合作用能，J/m2；z——金屬陽(yáng)離子的化合價(jià)，無(wú)因次；Z——雙電層相互作用常數(shù)，J/m；ε——室溫下水相的介電常數(shù)，6.95×10-10F/m；к——德拜長(zhǎng)度的倒數(shù)，m-1；λ1，λ2——初級(jí)和結(jié)構(gòu)水合能衰減長(zhǎng)度，m；φ0——晶層表面的電勢(shì)，V。

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（編輯 郭海莉）

Quantitative characterization of micro forces in shale hydration and field applications

KANG Yili1, YANG Bin1, LI Xiangchen1, YANG Jian2, YOU Lijun1, CHEN Qiang1
(1. State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation in Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. Engineering Technology Research Institute of CNPC Southwest Oil & Gas Field Company, Guanghan 618300, China)

Shales (illite was the dominant clay mineral) of Silurian Longmaxi Formation in Sichuan Basin and Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin were taken as subjects to examine the mechanisms of shale-water interaction, quantitative characterization of hydration force and potential field applications based on micro forces analyses. Mica sheet with composition and property very similar to illite was tested for micro forces between the crystal layers. In electrolyte solution, micro forces between mica-solution-mica system include DLVO (Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek) force and hydration force; when the electrolyte concentration was low, the tested curve agreed with the theoretical DLVO curve; when the electrolyte concentration was higher than the critical value and the distance between mica sheets was less than 5 nm, the tested curve deviated from the DLVO curve completely, and the hydration force became dominant. Quantitative analysis indicated that the hydration force decayed in a rapid double-exponential type with the growth of distance. Field applications indicate that strict control of water invasion and reducing the strength of hydration force are the keys in designing collapse-preventing drilling fluids; meanwhile, during the shut-in period of shale gas wells, shale-water interaction can induce and extend micro-cracks, further improving the stimulation effect of shale reservoirs.

hydration; hydration force; illite; wellbore collapse; well shut-in

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“彭水地區(qū)常壓頁(yè)巖氣勘探開發(fā)示范工程”（2016ZX05061）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51674209）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2013CB228003）

TE349

A

1000-0747(2017)02-0301-08

10.11698/PED.2017.02.17

康毅力（1964-），男，天津薊縣人，博士，西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院教授，主要從事儲(chǔ)集層保護(hù)理論及技術(shù)、非常規(guī)天然氣開發(fā)、油氣田開發(fā)地質(zhì)等方面的教學(xué)與研究工作。地址：四川省成都市新都區(qū)新都大道 8號(hào)，西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，郵政編碼：610500。E-mail: cwctkyl@163.com

聯(lián)系作者：楊斌（1989-），男，四川南充人，現(xiàn)為西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院博士研究生，主要從事頁(yè)巖氣藏開發(fā)與儲(chǔ)集層保護(hù)研究工作。地址：四川省成都市新都區(qū)新都大道8 號(hào)，西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 B310室，郵政編碼：610500。E-mail: cwct2012yb@sina.com

2016-08-25

2017-01-10