第３Ｏ卷第３期 ２００２年６月 石 油 钻 探 技 术 Ｖｏ１．３０，ＮＯ．３ ＰＥＴＲ（）Ｉ ＥＵＭ ＤＲＩＩ Ｉ ＩＮＧ ＦＥＣＨＮＩＱＵＥＳ Ｊｕｎ．，２００２ ．．Ｉ教授专家专栏 页岩在水溶液中膨胀规律的实验研究 李天太 ，高德利 （１．石油大学（北京）石油与天然气工程学院．北京昌平 １０２２００：２．西安石油学院石油工程系．陕西西安 ７ｉ００６５） 摘 要：采用Ａｒｃｏ页岩和Ｔｏｕｒｎｅｍｉｒｅ页岩在不同活度的水溶液中进行实验，定量分析水溶液活度对页岩膨胀的影 响．同时还研究了页岩沉积面（层面）的方位和水溶液体积对页岩膨胀的影响。实验结果表明，水溶液的活度对页岩膨 胀程度的影响较大，水溶液的体积对页岩膨胀程度的影响很小，页岩沉积面方位对页岩膨胀程度影响较大，与页岩沉积 面其它方位相比．沿垂直于沉积面方位的膨胀量最大，稳定性最差。 关键词：井眼稳定；页岩；钻井液；渗透；膨胀；实验室试验 中图分类号：ＴＥ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ００１—０８９０（２００２）０３—０００１ Ｏ３ 引 言 井壁失稳问题是钻井工程中经常遇到的一个十分 复杂的问题，一般都发生在泥页岩、盐岩、弱胶结或 １．２ 实验仪器 采用数字式ＩＤ一１１０Ｅ型膨胀仪 （见图１）进行 实验。该仪器的测量精度为０．００１ｍｍ．量程为１０ｒａｍ， 未胶结的砂岩及其它破碎性岩石的地层，最常见且影 响严重的是泥页岩地层。导致泥页岩地层失稳的原因， 数值再现性很好．可以满足本实验研究的精度要求。根 据岩样原始长度的不同，下部螺栓可以自由调整。 从诱发机理上可以分为两大类，即力学原因和物理化 学原因。力学原因包括泥页岩塑性变形，硬脆性泥页 岩沿滑动面（层理、节理、裂缝等）的滑动及钻井液 密度不能平衡构造应力或泥页岩沉积压实过程中所形 成的异常压力等引起的泥页岩破裂或剥落坍塌。物理 化学原因是指钻井液与泥页岩地层发生物理化学作用 引起水化膨胀和分散、导致岩石强度下降等。但最重 要的原因是泥页岩的水化 。 只要泥页岩与水溶液接触，表面水化就不可避免。 泥页岩在水溶液中的水化程度取决于水溶液的活度 Ａｗ（Ｗａｔｅｒ Ａｃｔｉｖｉｔｙ）。当Ａｗ高于岩样本身活度时，两 种水化作用方向一致，相互加强。当Ａｗ低于岩样本 身活度时，两种水化作用方向相反，相互制约。因此， 定量分析Ａｗ与泥页岩水化膨胀的相互关系，对防止 图１ 数字式ＩＤ一１１０Ｅ型膨胀仪 １．３ 岩样制备 实验所用的Ａｒｃｏ页岩和Ｔｏｕｒｎｅｍｉｒｅ页岩是天 然岩样，岩心从取心筒取出后迅速用蜡封包，原始地 泥页岩井壁失稳是非常重要的。为此，笔者采用Ａｒｃｏ 页岩和Ｔｏｕｒｎｅｍｉｒｅ页岩在不同活度的水溶液中进行 下状态保存很好。在实验室内，蜡封开启后，将岩心 沿沉积面（层面）迅速破裂成厚６Ｏ～７０ｒａｍ的小块，并 实验，定量研究Ａｗ对页岩膨胀的影响，并考虑页岩 沉积面的方位和水溶液体积对页岩膨胀的影响。 迅速浸泡在矿物油中。然后将这些小块岩心在专用切 割机上切割成１２．７ｍｍ×】２．７ｍｍ×２５．４ｍｍ的长方 柱体，作为实验用的岩样（加工成的岩样也要迅速浸 １ 实验设计与方法 １．１ 实验设计 泡在矿物油中，以保证岩样的原始地层水份不变）。在 收稿日期：２００１ ｉ２ ｉ２ 采用Ａｒｃｏ页岩和Ｔｏｕｒｎｅｍｉｒｅ页岩，通过实验确 定：水溶液体积对页岩膨胀程度的定量影响；Ａｗ对页 基金项目：国家杰出青年科学基金项目．Ｎｏ、５９８２５１１ ５ 作者简介：李天太（１９６２ ）．男．宁夏人．西安石油学院石油工程 系副教授．石油大学（北京）石油工程系博士生。 联系电话：（０２９）８３８２６７１ 岩膨胀程度的定量影响；页岩层面方位对页岩膨胀程 度的定量影响。 石 油 钻 探 技 术 岩样切割加工时，要记录好长轴方位与沉积面垂直的 岩样和长轴方位与沉积面平行的岩样。 选择合适的天然岩心用于实验是很关键的。因为， 岩心太硬，很难测出膨胀量，而岩心太软，则往往在 ０．４５，０．３５，０．１０的水溶液８０ｍＩ （ＣａＣ１ 和ＺｎＣ１ ２溶 液），按上述实验方法进行实验。再分别取Ａｗ为 ０．８７５的水溶液（ＣａＣ１ 溶液）４０ｍＩ 和８０ｍＩ ，按同样 方法进行实验。其结果见图３ａ、３ｂ、３ｃ。由此可以看 出，Ａｒｃｏ页岩在不同Ａｗ的水溶液中的膨胀量是不同 实验过程中发生破碎，使实验无法进行下去。经过实 验测定，实验用的Ａｒｃｏ页岩的活度是０．７５， Ｔｏｕｒｎｅｍｉｒｅ页岩的活度是０．８４。 １．４ 实验方法 将岩样从矿物油中取出，用乙烷迅速冲去岩样表 面的油污（乙烷约１～２ｍｉｎ即可挥发干净）。然后用细 砂纸打磨岩样两端，使其平整且相互平行（ｉｇ是一项 细致的工作，有时会因岩样发生破裂而失败）。用游标 卡尺测量岩样长度后，将岩样放入塑料袋中。将膨胀 仪归零，用测头将岩样夹紧。为使每次实验岩样受力 一致并能测出岩样的收缩值，调整下部螺栓，使膨胀 仪读值为０．０５０ｍｍ后，再次归零（此时，如果页岩发 生收缩，则膨胀仪读值以负数显示）。然后将要实验的 水溶液倒入塑料袋中，立即封闭塑料袋口并开始计时， 每隔一定时间读值并记录。由于通常情况下页岩的线 膨胀量大致与时间的对数成线性关系，因此，实验刚 开始时，记录的时间间隔很小（３ｍｉｎ），以后逐渐增大。 按上述方法可重复进行每一个岩样的膨胀实验。 ２ 实验结果及分析 ２．１ 水溶液体积对页岩膨胀程度的影响 取长轴方位与岩样沉积面垂直的岩样４块（这样 在线膨胀实验中可获得最大膨胀量），分别取Ａｗ为 １．００的水溶液４０ｍＩ 和８０ｍＩ ，按上述实验方法进行 实验。再分别取Ａｗ为０．８５的水溶液４０ｍＩ 和８０ｍＬ， 按同样方法进行实验，其结果见图２。由图２可以看 出，Ａｒｃｏ页岩在Ａｗ为１．００的水溶液中的膨胀量大 于在Ａｗ为０．８５的水溶液中的膨胀量，但水溶液体积 （分别为４０ｍＩ 和８０ｍＩ ）对膨胀量的影响较小。 ｌ ０ ０ ８ 塞。。 萋 Ｏ ２ ０ ＬＪ Ｉ ｌ Ｕ Ｉ Ｉ ｌｏ ｌｏｏ ｌＵＵＵ 时！Ｎ／ｈ 图２水溶液体积对页岩膨胀程度的影响 ２．２ 水溶液活度Ａｗ对页岩膨胀程度的影响 取长轴方位与岩样沉积面垂直的Ａｒｃｏ岩样１０ 块，取Ａｗ分别为１．Ｏ０，０．９５，０．８５，０．７５，０．６５，０．５５， 的，Ａｗ值越大，岩样的膨胀量越大。当Ａｗ约为０．６５ 和０．７５时，岩样在最初的几十分钟或几个小时内没有 明显膨胀，但随后岩样随时间的对数几乎成线性膨胀。 当Ａｗ小于０．６５时．岩样在最初的一段时间不是膨胀 而是收缩。Ａｗ不同，岩样收缩的程度和收缩持续的时 间不同，Ａｗ越低，岩样收缩的程度越大，收缩持续的 时间越长（可达几小时或几十小时）。Ａｒｃｏ页岩的活度 为０．７５，这说明，当Ａｗ低于岩样活度的一定值时，岩 样就开始收缩。这是因为，岩样与水溶液一接触．表 面水化就开始进行。一方面，水溶液在岩样表面直接 产生表面水化，另一方面，水溶液中的离子带着水化 膜进入页岩而使页岩产生水化膨胀。当Ａｗ高于岩样 活度时，两种水化作用方向一致，当Ａｗ低于岩样活 度时，两种水化作用方向相反。实验测得的曲线实际 上是一种综合效应，即两种曲线的叠加，见图４。其机 理是，随着实验的进行，越来越多的离子扩散到岩样 内部，这种扩散有双重效应：（１）离子总是带有水化 膜，这些束缚水会进入岩样使之膨胀；（２）离子扩散 加速了页岩内外活度趋于一致，使渗透势消失。 川ｌ，ｈ 图３ｂ Ａｗ对页岩膨胀的影响 ２．３ 沉积面方位对页岩水化程度的影响 取长轴平行于岩样沉积面和垂直于岩样沉积面的 岩样各２块，在Ａｗ分别为１．Ｏ０和０．３５的两种水溶 液中按上述实验方法进行实验。实验结果见图５ａ、５ｂ。 由此可以看出，无论在高活度还是低活度的水溶液中， 第３Ｏ卷第３期 李天太等：页岩在水溶液中膨胀规律的实验研究 ０ ４ ０ ３ ・ ・ １ ７ ２ ０ ２ 删０ 毽０ ２ 岱 墨 道０ ０ ｌ ０ １ ０ ３ ０ ８ ０ ｉ ０ ０１ ０ １ １ １Ｏ １００ １００１ｌ Ｕ ＵＩ ｕ １ １ ｌ０ ｌ Ｕｌ＿ １ ０００ 时间，ｈ 时Ｉ８】 ｈ 图３ｃ Ａｗ对页岩膨胀的影响 １ ２ ０ ８ ０。 一图５ｂ 沉积面方位对页岩膨胀的影响 定时，水溶液的体积对页岩膨胀程度的影响很 ２）Ａｗ对页岩膨胀程度的影响较大，Ａｗ越高，页 小。 蒌 。 岩膨胀程度越大，当Ａｗ小于页岩孔隙内原始水的活 度时，在最初的一段时间（根据Ａｗ值不同．时间持 ０．１ ｌ １０ ｌ００ ０ ４ ０ ８ ０ ０１ 续约几分钟到几十小时不等），页岩不是膨胀而是收 缩。 时间，ｈ 圈４ 低活度溶液中页岩膨胀机理解释 沿垂直于页岩沉积面方位的水化变形（膨胀或收缩）量 ３）页岩沉积面方位对页岩膨胀程度影响较大，沿 垂直于页岩沉积面方位的膨胀程度远远大于沿平行于 沉积面方位，这表明，页岩沿垂直于沉积面方位更不 稳定。 均大于沿平行于页岩沉积面方位的水化变形。在高活 度的水溶液中，沿垂直于页岩沉积面方位的膨胀量大， 在低活度的水溶液中，沿垂直于页岩沉积面方位的收 缩量大。这表明，页岩沿垂直于沉积面方位的水化膨 胀量更大，其稳定性更差。 ０ ０ ８ ４）页岩膨胀实际上包括表面水化和渗透水化两 个过程，页岩最终的膨胀量是表面水化和渗透水化的 综合效果。 参 考 文 献 １ Ｂａ¨ａｒｄ Ｔ ｊ．Ｂｅａｒｅ Ｓ Ｐ．ＩＪａｗｌｅｓｓ Ｔ Ａ．ＦｕｎｄａｍｅｎｔａＩｓ ｏｆ ＳｈａＩｅ ０ ６ 警０ ４ ０ ２ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ：Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｈａｌｅ［Ｒ］．ＳＰＥ ２４９７，１．１９９２ ２徐同台．井塌原因与防塌措施探讨（ＩＩ）ＥＪ］．钻井液与完井液．１９８８． ０ ０ ０１ ０ Ｌ １ ０ ｌ００ １ ０００ ５（２） ３（＇ｈｅｎｅｖｅｒｌ Ｍ Ｅ．Ｓｈａｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ Ｂａｌａｎｃｅｄ——Ａｃｔｉｖｉｔｙ Ｏｉｌ—— 酬问，ｈ 图５ａ 沉积面方位对页岩膨胀的影响 ３ Ｃｏｕｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｍｕｄｓ［Ｊ］．ＪＰＴ，Ｏｃｔ．１ ９７０ ４杜德林．樊世忠．页岩在不同活度水溶液中的膨胀规律［Ａ］．见： 徐同台．崔茂荣．王允良．等．钻井工程井壁稳定新技术［（’］．北 京：石油工业出版社．１９９９ 结 论 １）页岩在水溶液中易发生膨胀，当水溶液的活度 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｈａｌｅ Ｓｗｅｌｌｉｎｇ ｉｎ Ｖａｒｉｏｕｓ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｌｉ Ｔｉａｎｔａｉ 。。，Ｇａｏ Ｄｅｌｉ （１．Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｃｈａｎｇｐｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０２２００。Ｃｈｉｎａ．２．Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ， ｆ’ ｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， ’ｇｉｎ。Ｓｈａｎｘｉ。７１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｈａｌｅ ｗｉｌｌ ｓｗｅｌｌ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ＳＯｌｕｔｉｏｎｓ．Ｗｈａｔ ａｒｅ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔ ｓｈａｌｅ ｓｗｅｌｌｉｎｇ？ＨＯＷ ｄｏ ｔｈｏｓｅ ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔ ｓｈａｌｅ ｓｗｅｌｌｉｎｇ？Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｌｌ ｇｉｖｅ ｓｏｍｅ ａｎｓｗｅｒｓ ｔＯ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ Ａｒｃｏ Ｓｈａｌｅ ａｎｄ Ｔｏｕｒｎｅｍｉｒｅ Ｓｈａｌｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ Ｗａｔｅｒ ａｃｔｉｖｉｔｙ（Ａｗ）ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔｓ ｓｈａｌｅ ｓｗｅｌｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｈａｓ ｌｉｔｔｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｓｈａｌｅ ｓｗｅｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ａ ｇｉｖｅｎ Ａｗ．Ｔｈｅ Ａｗ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｓｈａｌｅ ｓｗｅｌｌｉｎｇ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ Ａｗ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｓｈａｌｅ，ｔｈｅ ｓｈａｌｅ ｗｉｌｌ ｓｈｒｉｎｋ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅｎ，ｓｈａｌｅ ｗｉｌｌ ｃｏｎｔｉｎｕｅ ｔＯ ｓｗｅｌ１．Ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｌｅ ｂｅｄｄｉｎｇ ｉｓ ｍｕｃｈ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｐａｒａｌｌｅｌ ｔＯ ｓｈａｌｅ ｂｅｄｄｉｎｇ．Ａｎｄ ｗｅｌｌ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｍｏｒｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔＯ ｓｈａｌｅ ｂｅｄｄｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｏｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ｓｈａｌｅ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｌｕｉｄ；ｐｅｒｍｅａｂｌｅｎｅｓｓ；ｅｘｐａｎｓｉｏｎ；ｌａｂ ｔｅｓｔ
