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第 36 卷 第 1 期 2014 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering, Beijing 100101, China） Abstract The failure mechanism ed under the action of circular medium fluid around the wellbore of brittle shale has been a hot issue in recent years. The water activity difference between the drilling fluid and shale will directly affect the ation mechanism brittle shale fracture. The model of activity-inflation-hydration is set up firstly through revising generalized Usher model. For this model, it states that the wellbore is in non-osmotic hydration stage within the critical expansion ratio, and thus puts forward the concept of ac- tivity window according to the drilling fluid activity range, and this is verified by indoor test. Results show that the different activity of drilling fluid brings difference in rock strength in macro and time sensitive effect for internal structure of rock in micro. This mechanism can provide a more accurate range design for drilling fluid activity and strong guarantee for wellbore stability. Key words drilling fluid activity window; brittle shale; activity-inflation model; critical expansion ratio; failure mechanism 基金项目国家重点基础研究发展计划（973 计划） “深井复杂地层安全高效钻井基础研究” （编号2010CB226701；国家科技重大专 项“力学与化学耦合井眼稳定技术研究” （编号2011ZX05031-004-001-001） 。 作者简介 温航， 1984 年生。在读博士研究生， 主要从事油气井岩石力学与工程方面的研究。电话010-89732209。E-mail wenhang6024。 钻井液活度指钻井液中水相的活度值， 是其中 盐浓度与纯水的逸度比， 能够反映钻井液的抑制性 能［1］。关于钻井液活度的研究， 应追根溯源到英国 物理化学家唐南（Donnan） 于 1911 年提出的半透膜 平衡理论， 即唐南平衡理论［2］。这一理论指出， 半透 膜的存在会引起离子不平衡， 由此产生的渗透压导 致水分子有向扩散。20 年后， 钻井液领域开始应用 此理论尝试在配制过程中加入溶解性盐以降低与页 岩内部液体之间的渗透压， 阻止水分子自钻井液向 页岩扩散［3］。1966 年， Mondshine 和 Kercheville 在 实验中发现油基钻井液和页岩中水活度的相对高低 对页岩水化有直接影响［4］。1969 年， Chenevert 首次 石油钻采工艺 2014 年 1 月（第 36 卷） 第 1 期58 进行了系统的泥页岩水化实验， 建立了泥页岩水活 度和膨胀压关系模型， 但膨胀压的测量难度较大［5］。 一年后， Chenevert 又提出了油包水乳化钻井液平衡 活度理论， 同时发现油基钻井液中水活度越高， 页岩 膨胀率越大， 当钻井液中水活度低于页岩水活度时， 页岩负膨胀， 即体积收缩， 但并未对这一现象建立定 量分析模型［6-7］。直至在 1993 年 Mody 和 Hale 建 立的基于钻井液和泥页岩间水分子自由能差的热动 力学理论的力学化学耦合定量计算模型中， 也未对 水活度差与膨胀率和水化程度之间的关系做出定量 描述［8］， 包括后来的关于活度的相关文献中也未有 提及［9-13］。 笔者受 1966 年 Mondshine 和 Kercheville 以及 1970 年 Chenevert 实验的启发， 认为钻井液和页岩 之间水活度差会通过对页岩膨胀率和水化程度的影 响， 间接影响硬脆性页岩裂缝的形成机制， 希望从钻 井液和页岩之间水活度差膨胀率水化程度的定 量分析模型的角度， 解释硬脆性页岩裂缝形成的机 制问题。 1 实验方法 1.1 实验设备 无锡市碧波电子设备厂生产的 AW-1 型水分活 度测定仪， 利用气体热传导的湿度传感器来检测物 质在很小的密闭容器内与周围空间达到平衡时的相对 湿度， 测量范围为 0.0000.999， 测量精度为 0.02。 美国Grace Instrument 公司生产的M4600 HPHT 线性膨胀仪（工作条件温度≤ 260 ℃， 压力≤ 13 MPa） ， 利用自带软件 M4600daq， 可以自定义数据收 集方式， 评估各个时间段内岩心体积的变化情况， 同 时， 实时显示数据采集情况， 并自动导出测试结果。 1.2 实验材料 取自塔中地区顺托果勒区块顺 903H 井志留系 柯坪塔格组中段泥岩段的岩心柱， 来自同口井的油 基、 水基钻井液和常温下已知标准活度值的饱和溶 液（表 1） 。 表 1 常温下饱和溶液标准活度值 溶质预计活度值 H2O0.99 KCl0.84 KI0.69 Mg（NO3）20.53 CaCl20.35 1.3 实验步骤 （1） 测定岩心柱活度值； （2） 制取油基、 水基钻井液滤液， 测定其活度值， 将表 1 中与滤液活度值相似的饱和溶液替换掉， 保 持膨胀实验中所选液体活度值尽量具有均匀梯度； （3） 在 150 ℃、 6.9 MPa 条件下， 测定岩心与不同 活度饱和溶液接触的膨胀率。 2 实验结果分析与讨论 活度测试和膨胀率测试结果见表 2。可以看出， 与高于岩心柱活度值的溶液接触后， 地层膨胀率随 二者之间活度差值增大而增加；与岩心柱活度值相 当的 Mg（NO3）2饱和溶液接触后， 地层膨胀不明显； 与低于岩心柱活度值的溶液接触后， 地层膨胀率为 负， 即体积收缩。这是因为外界滤液活度高于地层 活度时， 在渗透压的作用下， 滤液中的水分子会侵入 地层岩石， 向地层黏土表面运移且形成定向水膜， 产 生双电层斥力， 推开相互作用的黏土片层， 使黏土体 积变大， 产生渗透膨胀， 即发生渗透水化；外界滤液 活度在一定范围低于地层活度时， 水分子以配位、 静 电作用和氢键等方式被吸附在黏土矿物的层间和黏 土表面， 但一般不超过 4 层吸附层， 不会引起明显的 黏土矿物膨胀， 即发生表面水化；当外界滤液活度 低于地层活度超过某一范围时， 同样在渗透压的作 用下， 地层岩石中的水分子会反过来进入外界滤液 中， 即发生去水化。由此可知， 外界滤液和地层活度 值与地层膨胀性存在某种定量关系外界滤液活度 值上限为 1， 在地层本身性质的束缚下， 虽然膨胀率 会随活度差值变化， 但不会无限增大， 故而认为活度 与膨胀率之间存在“S” 型关系。 表 2 活度膨胀率测试结果数据对比 样品活度值 膨胀率 / 膨胀时间测试时长 自制水基钻井液滤液0.98326.720 h 6 min 48 s KCl0.87714.924 h 4 min 22 s KI0.7007.323 h 37 min 55 s Mg（NO3）20.5002.724 h 5 min 16 s 自制油基钻井液滤液0.280–0.216 h 18 min 27 s 岩心柱0.503 2.1 数学模型 “S” 型曲线通常用来描述某一生命总量有限的 体系， 这种体系都存在一个完整的成长、 成熟直至消 亡的过程［14-15］。地层膨胀率随外界滤液活度值从与 地层活度相当到上限 1 的变化过程正好符合该体系 的发展进程。因此， 引入广泛应用于经济和资源预 测的广义Usher模型对活度膨胀率进行定量分析， 需要注意的是， 由于模型本身性质决定， 其中参数不 应出现负值， 为适用于实验中的数理意义， 需要对模 型进行适当修正。 59温 航等钻井液活度对硬脆性页岩破坏机理的实验研究 y abxc d 1 1 （1） xSe （2） 式中， y 为外界滤液活度值；a、 b、 d 为待定系数；c 为 0 附近的某个实参数， x 的某个修正因子， 当其大 于 0 时， 整个函数为增函数， 否则为减函数；S 为与 外界滤液接触后地层岩石膨胀率；e 为对膨胀实验 中出现的负膨胀率的修正值， 一般取负膨胀率绝对 值加 0.1。 上式中 c 值的求得， 也可从某种意义上证明所 选模型的合理性， 因所研究指标的物理性质， 整个函 数应为增函数， 即 c 值必大于 0。 2.2 模型应用 用 2.1 节中的数学模型， 可得到一条地层岩石标 准膨胀率活度曲线， 如图 1。地层活度（As） 在曲线 上对应的膨胀率称为临界膨胀率 Sc（点 E） ， 以此值 作为表面水化和渗透水化分界点当 SSc时， 地层 进入渗透水化阶段， 膨胀现象明显， 极易引发岩石破 坏， 弱化井壁强度；当 0SSc时， 地层保持在表面 水化状态， 虽仍有膨胀现象发生但程度不明显， 一般 在井壁强度可承受范围内；当 S0 时， 地层发生去 水化， 即地层脱水、 体积收缩， 这种情况同样会破坏 井壁稳定性。反过来看， 上述两个标志性的膨胀率 0 和 Sc对应的外界滤液活度值（点 D 和 As） 即为控制 页岩井壁稳定的又一新特性参数， 分别称为外界滤 液活度下限和活度上限， 期间的变化范围称为活度 窗口。 图 1 地层岩石标准膨胀率活度曲线形态示意图 结合表 2 中数据， 利用广义 Usher 模型可获得 顺 903H 井取心地层的标准膨胀率活度曲线， 如 图2， 其中待定系数a1.465 0， b0. 636 2， c0.675 2， d1.613 9。可以看出， 顺 903H 井取心地层与水基 钻井液接触时， 应处于渗透水化状态， 而与油基钻井 液接触时， 则处于去水化阶段。根据广义 Usher 曲 线公式可算出活度下限为 0.301， 临界膨胀率 Sc为 3.3， 考虑到作为活度上限的地层活度值的测定是 在岩屑样品经过长距离运输和长时间离开地层环境 的条件下测得， 故对活度值波动范围进行调整， 认为 合理的活度窗口为 0.300.56。 图 2 顺 903H 井取心地层标准膨胀率活度曲线 2.3 模型验证 将取自顺 903H 井的标准岩心柱按时间做不同 活度的滤液浸泡处理， 对处理后的岩心柱进行围压 25 MPa 的强度测试和 SEM 实验， 方案如表 3。 表 3 浸泡处理实验方案 编号滤液类型浸泡时间 /h 1 水基钻井液 0 22.5 水基钻井液 35.5 水基钻井液 410 水基钻井液 524 6油基钻井液24 经浸泡处理后的标准岩心柱宏观描述情况见图 3， 随浸泡时间延长， 活度为 0.983 的水基钻井液接触 的岩心柱从横向、 纵向天然裂缝的展开（图 3b、 c、 d） 发展到裂缝纵向贯穿（图 3e） ；反观浸泡时间最长、 活度为 0.280 的油基钻井液接触的岩心柱外表几乎 无变化。 图 3 浸泡实验岩心宏观结果 上述宏观现象也可以从 SEM 结果图像中得到 进一步佐证， 如图 4， 低活度的油基滤液作用下岩石 并未发生细微结构上的变化， 而高活度的水基滤液 使岩石在一定时间内膨胀剧烈， 膨胀程度远超过临 界膨胀率值， 这种体积上的变化是岩石内部微裂缝 张开并延伸后， 在长度和宽度上均具有时间敏感性 的结果。 石油钻采工艺 2014 年 1 月（第 36 卷） 第 1 期60 图 4 浸泡实验电镜扫描结果 由活度差引起的膨胀表现在岩石破坏程度上则 是强度的降低， 如图 5， 在水基滤液条件下， 地层岩石 强度总体随时间逐渐弱化， 5.5 h 之内弱化程度比较 剧烈， 之后变化趋于稳定。值得一提的是， 在 10 h 这 个时间上， 岩石抗压强度和泊松比出现奇异点， 这可 能是地层极速膨胀时导致的短暂不稳定期。相同浸 泡时间下， 油基滤液和水基滤液对岩石的破坏作用 差异明显， 如表 4， 岩石在水基滤液中的弱化程度比 油基中高 63.4， 结合图 5 中数据可知， 油基滤液浸 泡24 h后地层岩石强度状况与水基浸泡5.5 h时相当。 图 5 水基滤液条件下地层岩石强度变化 表 4 油基滤液、 水基滤液破坏时效对比 接触滤液 类型 浸泡时间 / h 抗压强度 / MPa 弹性模量 / GPa 泊松比 未浸泡0227.54328.094 30.191 水基24127.3723.119 40.409 油基24166.2324.785 50.144 综上所述， 硬脆性页岩活度膨胀率之间的定 量关系模型能够直接说明其微裂缝产生机制问题， 揭示硬脆性页岩破坏机理。 3 结论 （1） 钻井液和硬脆性页岩之间水活度差通过对页 岩膨胀率和水化程度的影响， 间接影响硬脆性页岩 微裂缝的形成机制；根据修正后的广义 Usher 模型 得到的活度膨胀率水化程度模型可以明确说明 硬脆性页岩破坏机理；活度差的增加会导致页岩膨 胀率偏离零值， 其中膨胀率正向的增大对硬脆性页 岩的破坏尤其明显， 只有合理的钻井液活度才能将 膨胀率控制在临界膨胀率以内， 从而控制硬脆性页 岩微裂缝的延伸和扩展。 （2） 不同活度外界滤液对地层性质的弱化程度有 很大差异， 这种差异性除体现在最终结果上， 也在时 间敏感性上有所表现短时间内变化剧烈， 到达一 定时间后趋于稳定， 中间时间段可能由于变化的剧 烈程度导致不符合整体趋势的奇异点出现。 （3） 下一步的研究工作可以从长井段的活度预测 和控制入手， 建立单井活度剖面， 达到控制整个井筒 井壁稳定的目的。 参考文献 ［1］ 鄢捷年 . 钻井液工艺学［M］. 东营中国石油大学出 版社， 2006. ［2］ 天津大学物理化学教研室 . 物理化学（下册） ［M］. 北 京高等教育出版社， 2001. ［3］ STRAUSS U P, LEUNG Y P. 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