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泥页岩水化机理研究现状

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页岩 水化 机理 研究 现状
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© 1994 , 包 括泥 页 岩 的 水 化 过 粗 、 级 弱 给 合 水 的 区 分 , 泥 页 岩 中 文 换 性 阳离 子 仲 类 及 含 黄 、 介 质 中 电 解 质 种 类 及 浓 度 对 泥 页 岩 水 化 的影 响 , 滋 度 、 压 力 对 钻 土 脚 胀 的 影 响 , 泥 页 宕 强 度 与 其 含 水的 关 系 。 建 议 以 后 应 重 点 研 究 泥 页 岩 中 各 种 纽 分 和 徽 观 结构 、 温 度 、 压 力 及 钻 井 液 添 加 荆 对 泥 页 岩 水 化 的 影 响 及 泥 页岩 水 化 对 其 力 学 特 性 的 影 响 , 注 重 泥 页 岩 水 化 同 力 学 的 栩 合研 究 及 泥 页 宕 分 类 的 研 究 。主 肠 词 粘 土 稳 定 页 岩 粘 土 矿 物 机 理 综 述粘 土 水 化负 荷 对 彬 胀 的 影 响 , 水 化 对 其 力 学 、 电 学 、 声 学 特 性的 影 响 等 另 一 类 是 从 微 观 方 面 测 定 水 化 对 其 组 构的 影 响 , 如 粘 土 矿 物 组 成 及 微 观 结 构 分 析 测 试 、 枯 土矿 物 单 位 晶 层 层 间 距 的 变 化 、 束 缚 水 的 结 构 及 特 性 ,粘 土 中 补 偿 性 阳 离 子 种 类 及 含 量 、 水 化 对 粘 土 矿 物微 观 结 构 及 晶 体 结 构 的 影 响 等 。 对 应 这 些 研 究 内 容有 相 应 的 实 验 研 究 方 法 , 在 此 不 再 详 述 。当 前 的 认 识泥 页 岩 是 从 粘 土 到 板 岩 的 一 大 类 海 相 或 湖 相 沉积 岩 的 总 称 , 由 粘 土 矿 物 和 非 粘 土 矿 物 组 成 不 同 地区 、 不 同 层 位 的 泥 页 岩 组 成 差 别 很 大 , 泥 页 岩 的 微 观结 构 微 裂 隙 及 层 理 发 育 情 况 、 粘 土 矿 物 外 形 结 构 、胶 结 状 态 等 也 是 非 常 复 杂 的 。 钻 井 所 遇 地 层为 泥 页 岩 , 约 的 井 壁 不 稳 定 问 题 发 生 在 泥 页 岩井 段 。 因 此 , 研 究 泥 页 岩 水 化 机 理 意 义 重 大 , 具 体 地说 , 体 现 在 下 述 几 方 面 。有 利 于 从 理 论 上 加 深 对 泥 页 岩 水 化 过 程 、 水化 程 度 及 水 化 实 质 的 认 识 。有 助 于 泥 页 岩 分 类 , 从 而 有 针 对 性 地 采 取 相应 的 工 程 技 术 对 策 , 解 决 由 泥 页 岩 水 化 带 李 卯 祠 题 ,避 免 盲 目 性 。研 究 泥 页 岩 水 化 对 力 学 特 性 的 影 响 , 这 在 钻井 工 程 、 土 质 学 、 工 程 地 质 学 等 方 面 都 很 有 意 义 。在 钻 井 液 工 艺 方 面 , 研 究 钻 井 液 处 理 剂 及 钻井 液 体 系 抑 制 泥 页 岩 水 化 的 程 度 及 机 理 , 指 导 研 制新 型 抑 制 剂 及 钻 井 液 体 系 , 是 以 深 人 研 究 泥 页 岩 水化 机 理 为 前 提 的 。本 文 就 泥 页 岩 水 化 的 研 究 内 容 、 观 点 及 存 在 问题 等 作 一 简 要 分 析 。泥 页 岩 水 化 的 实 验 研 究 方 法 很 多 , 可 分 为 两 大类 。 一 类 是 测 定 水 化 过 程 及 水 化 达 平 衡 后 宏 观 特 性的 变 化 , 如 水 化 膨 胀 速 度 、 平 衡 膨 胀 量 、 膨 胀 压 及 膨胀 热 、 吸 水 量 、 温 度 及 其 交 替 变 化 对 膨 胀 的 影 响 , 预对 于 泥 页 岩 粘 土 矿 物 的 水 化 已 进 行 过 大 量 的研 究 , 得 到 了 一 些 有 价 值 的 认 识 。关 于 水 化 过 程大 多 数 文 献 〔 ‘ 一 “ 二 认 为 泥 页 岩 存 在 两 种 水 化 机理 , 即 表 面 水 化 和 渗 透 水 化 。 而 有 些 文 献 〔 卜 〕 认 为 存在 表 面 水 化 、 离 子 水 化 和 渗 透 水 化 三 种 机 理 。表 面 水 化 是 由 粘 土 矿 物 表 面 膨 胀 性 矿 物 包 括外 表 面 和 内 表 面 上 的 水 分 子 吸 收 作 用 而 引 起 的 , 其主 要 驱 动 力 为 表 面 水 化 能 。 在 这 一 阶 段 , 水 化 产 生 的膨 胀 压 大 , 体 积 膨 胀 小 , 随 着 水 化 作 用 的 进 行 膨 胀 压快 速 下 降 。 所 有 粘 土 矿 物 都 会 发 生 表 面 水 化 , 在 这 一阶 段 大 约 吸 附 个 分 子 层 厚 的 水 , 作 用 距 离 为。 。 在 表 面 水 化 阶 段 , 蒙 脱 石 大 约 结 合 。 ,水 , 层 间 距 从 拌 增 加 到 拌 。 表 面 水 化 导 致结 晶 膨 胀 , 结 晶 膨 胀 的 大 小 一 般 与 粘 土 矿 物 的 比 表面 积 成 正 比 。离 子 水 化 是 指 粘 土 所 含 硅 酸 盐 晶 片 上 的 补 偿 性阳 离 子 周 围 形 成 水 化 壳 。 离 子 水 化 一 方 面 给 粘 土 带来 水 化 膜 , 同 时 水 化 离 子 与 水 分 子 争 夺 粘 土 晶 面 的联 接 位 置 。渗 透 水 化 是 某 些 粘 土 在 完 成 了 表 面 水 化 和 离 子水 化 过 程 之 后 开 始 的 。 水 化 的 离 子 在 液 体 中 离 解 , 远离 粘 土 矿 物 表 面 , 粘 土 矿 物 间 形 成 扩 散 双 电 层 , 双 电层 斥 力 和 渗 透 压 由 于 离 子 浓 度 差 及 半 透 膜 的 存 在共 同 作 用 而 产 生 的 水 化 作 用 为 渗 透 水 化 。 因 此 只 有钻 井 液 与 完 井 液 · 年 第 森 第 期 · ·© 1994 ,也 只 有 阳 离 子 交 换 容 量 大 的 粘 土 矿 物 才 会 发 生 明 显的 渗 透 水 化 。 渗 透 水 化 作 用 距 离 可 达 以 上 , 体积 膨 胀 大 , 膨 胀 压 小 , 达 到 平 衡 速 度 慢 。 这 一 阶 段蒙 脱 石 可 吸 收 。 “ 水 , 体 积 增 加 近 倍 , 晶 层 间距 可 增 至 拌 。通 过 计 算 指 出 , 欲 将 最 后 几 个 水 分子 从 粘 土 表 面 挤 出 需 要 一 的 压 力 〔 〕 因此 在 埋 藏 不 是 很 深 时 , 泥 页 岩 中 粘 土 矿 物 含 有 部 分表 面 水 化 水 。 当 泥 页 岩 与 钻 井 液 滤 液 接 触 时 , 首 先 产生 表 面 水 化 , 在 表 面 水 化 的 过 程 中 会 产 生 离 子 水 化 ,在 表 面 水 化 和 离 子 水 化 完 成 后 才 发 生 渗 透 水 化 。泥 页 岩 强 弱 结 合 水 的 区 分粘 土 矿 物 在 不 同 水 化 阶 段 所 结 合 的 水 有 不 同 的结 构 和 特 性 。 库 里 契 茨 基 〔 , 将 粘 土 结 合 水 分 为 强 结合 水 有 些 文 献 称 为 吸 附 结 合 水 和 弱 结 合 水 又 称渗 透 结 合 水 , 并 以 等 于 为 界 限 。 粘 土 强结 合 水 是 和 粘 土 矿 物 表 面 的 氧 以 氢 键 联 接 的 , 具 有六 角 形 岛 状 结 构 , 具 有 部 分 晶 体 性 质 , 其 比 容 要 比 自由 水 小 , 粘 度 比 自 由 水 大 。 粘 土 结 合 强 结 合 水的 多 少 与 其 比 表 面 积 成 正 比 。 在 时 , 由于 毛 细 凝 结 等 作 用 出 现 液 相 水 , 粘 土 表 面 交 换 性 阳离 子 开 始 水 化 , 进 而 导 致 渗 透 水 化 , 这 部 分 结 合 水 称为 弱 结 合 水 。强 结 合 水 属 粘 土 固 相 范 围 , 因 此 在 计 算 粘 土 的孔 隙 度 和 其 它 特 性 时 , 应 从 粘 土 的 总 含 水 量 中 除 去这 部 分 。 粘 土 矿 物 的 弱 结 合 水 按 其 实 质 属 粘 土 胶 粒扩 散 层 中 的 水 。 正 因 为 强 、 弱 结 合 水 具 有 不 同 结 构 和特 性 , 区 分 强 、 弱 结 合 水 是 有 意 义 的 。 大 量 实 验 证 明 ,强 、 弱 结 合 水 的 区 分 是 以 尸 , 等 于 。 为 界 的 ’ ‘ ’ 。阳 离 子 种 类 、 含 量 对 泥 页 岩 水 化 的 影 响钙 蒙 脱 石 水 化 后 层 间 距 最 大 为 , 钠 蒙 脱石 水 化 后 层 间 距 可 达 一 。 不 同 交 换 性 阳离 子 引 起 水 化 程 度 不 同 的 原 因 是 粘 土 矿 物 单 位 晶 层之 间 存 在 两 种 力 。 一 种 是 使 单 位 晶 层 分 开 的 排 斥 力包 括 表 面 水 化 能 、 双 电 层 排 斥 力 及 水 化 离 子 和 晶 格电 荷 排 斥 力 另 一 种 是 阻 卜 单 位 品 层 分 开 的 吸 引 力 ,包 括 范 德 华 力 、 阳 离 子 与 负 电 荷 粘 土 晶 格 间 的 静 电吸 引 力 及 外 加 载 荷 “ 」 。 不 同 种 类 阳 不 同 含 量 的 交 换比 阳 离 子 使 单 位 晶 层 间 的 净 作 用 力 不 同 , 此 产 生不 同 程 度 的 水 化 。电 解 质 种 类 及 浓 度 对 泥 页 岩 水 化 的 影 响介 质 中 电 解 质 通 过 离 子 交 换 吸 附 , 压 缩 双 电 层· · 钻 井 液 与 完 井 液 · 年 第 春 弟 期并 产 生 渗 透 作 用 , 影 响 泥 页 岩 的 水 化 , 已 有 很 多 实 验证 明 了 这 点 , 并 可 用 相 关 理 论 解 释 在 钻 井 液 中 加 入无 机 盐 抑 制 剂 如 、 、 、 等抑 制 泥 页 岩 的 水 化 就 是 一 具 体 实 例 。 但 需 要 明 确 的是 , 介 质 中 电 解 质 浓 度 及 种 类 对 非 膨 胀 性 粘 土 的 水化 没 有 什 么 影 响 , 高 岭 石 的 膨 胀 含 水 量 几 乎 与 接 触溶 液 的 浓 度 无 关 ’ 。温 度 对 粘 土 序 胀 的 影 响饱 和 水 粘 土 在 温 度 升 高 时 结 合 水 的 量 及 性 质 会发 生 变 化 。 温 度 为 一 ℃ 时 , 可 使 部 分 吸 附 结 合水 转 化 为 自 由 水 温 度 升 至 一 ℃ 时 , 绝 大 部 分单 层 吸 附 水 可 被 排 除 温 度 升 至 一 ℃ , 甚 至高 于 ℃ 时 , 可 排 除 紧 靠 颗 粒 表 面 的 吸 附 结 合 水 。另 一 方 面 , 干 粘 土 的 膨 胀 也 受 温 度 的 影 响 , 温 度 由℃ 升 至 ℃ , 粘 土 的 膨 胀 性 指 标 增 加 一, 当 然 其 绝 对 值 与 粘 土 成 分 、 细 度 、 交 换 性 阳 离子 种 类 等 有 关 ‘ 。 以 上 结 果 表 明 , 温 度 对 粘 土 水 化 膨胀 有 一 定 影 响 。 这 一 点 应 引 起 足 够 重 视 。 因 为 在 钻 井过 程 中 , 井 壁 岩 石 受 到 温 度 的 影 响 , 地 面 常 温 常 压 下的 膨 胀 试 验 不 足 以 反 映 井 下 岩 石 的 膨 胀 情 况 。“ 认 为 页 岩 在 井 下 条 件 下 未 必 有 膨 胀 现象 , 井 壁 不 稳 定 与 井 眼 周 围 的 运 移 现 象 及 页 岩 矿 物的 化 学 变 化 有 关 。压 力 对 泥 页 岩 膨 胀 的 影 响粘 土 的 水 化 膨 胀 易 被 机 械 负 荷 抑 制 。 在 压 力 小于 。 时 , 粘 土 膨 胀 率 随 压 力 的 增 加 急 剧 下降 当 压 力 大 于 后 , 随 着 压 力 增 加 膨 胀 率缓 慢 下 降 即 较 小 预 负 荷 就 能 抑 制 粘 土 的 膨 胀 ’ 。 另一 方 面 , 在 常 温 下 压 实 饱 和 水 粘 土 时 , 不 同 压 力 下 可压 出 不 同 性 质 的 水 。 当 压 力 小 于 。 时 , 可排 出 大 孔 中 的 自 由 水 。 压 力 达 时 , 渗 透 结合 水 被 排 除 当 压 力 达 时 可 排 除 部 分 吸附 结 合 水 ” 。 相 反 不 同 泥 页 岩 水 化 时 可 产 生 不 同 的膨 胀 压 , 文 献 「 」 中 介 绍 了 基 于 双 电 层 理 论 根 据 矿 物学 参 数 计 算 粘 土 矿 物 水 化 膨 胀 压 的 方 法 。泥 页 岩 强 度 与 其 含 水 量 的 关 系索 科 洛 夫 ’ 给 出 了 粘 土 体 系 的 极 限 剪 切 强度 与 含 水 量 的 关 系 曲 线 。 曲 线 分 段 分 别 对 应 强 结合 水 、 毛 细 管 水 、 渗 透 结 合 水 各 段 粘 休 系 极 限 剪切 强 度 变 化 情 况 不 同 。 随 着 强 结 合 水 含 从 的 增 加 强度 急 剧 下 降 随 着 渗 透 结 合 水 含 量 的 增 加 , 强 度 下 降平 缓 。 泥 页 岩 的 强 度 试 验 表 明 , 各 种 泥 页 岩 的 强 度 都随 含 水 量 的 增 加 而 降 低 , 弹 性 模 量 随 所 接 触 试 液 水© 1994 , 泊 松 比 随 活 度 增 加 而 增 钻 井 液 工 艺 技 术 的 制 定 和 实 施 。加 , 一 参 考 文 献建 议为 深 入 研 究 泥 页 岩 水 化 机 理 及 由 此 引 起 的 井 壁不 稳 定 问 题 , 建 议 开 展 下 面 的 工 作 。以 前 对 单 一 阳 离 子 饱 和 的 单 粘 土 矿 物 的 水 化研 究 较 多 , 理 论 也 较 深 入 , 而 对 组 成 复 杂 的 泥 页 岩 的水 化 研 究 并 不 深 入 , 有 些 实 验 是 定 性 或 半 定 量 的 , 离认 清 泥 页 岩 水 化 的 本 质 还 相 差 甚 远 。 因 此 , 应 深 入 研究 泥 页 岩 中 各 种 组 分 包 括 结 晶 质 粘 土 矿 物 、 非 晶 质粘 土 矿 物 和 非 粘 土 矿 物 和 微 观 结 构 对 水 化 的 影 响 ,温 度 、 压 力 及 钻 井 液 添 加 剂 对 泥 页 岩 水 化 的 影 响 。 对泥 页 岩 水 化 的 描 述 也 不 能 简 单 地 用 水 化 膨 胀 量 表示 , 还 应 研 究 其 水 化 速 度 、 吸 水 量 、 膨 胀 压 及 电 学 、 力学 和 声 学 特 性 的 变 化 等 。 只 有 定 量 地 研 究 了 上 述 内容 才 能 建 立 泥 页 岩 水 化 的 物 理 模 型 和 数 学 模 型 , 弄清 泥 页 岩 水 化 的 本 质进 一 步 研 究 泥 页 岩 水 化 对 其 力 学 特 性 的 影响 。 因 为 井 壁 不 稳 定 问 题 归 根 到 底 是 并 壁 岩 石 受 力不 平 衡 。 泥 页 岩 水 化 影 响 其 强 度 、 弹 性 模 量 、 泊 松 比等 力 学 特 性 , 同 时 产 生 膨 胀 压 , 这 些 均 影 响 井 壁 应 力分 布 状 态 及 井 壁 的 稳 定 。 研 究 井 下 条 件 下 的 泥 页 岩水 化 问 题 更 具 现 实 意 义 〔 ’ 」 。加 强 泥 页 岩 水 化 同 力 学 的 藕 合 研 究 。 在 这 方面 , 目 前 已 有 两 种 方 法 可 用 于 定 量 计 算 , 即 年由 和 等 人 提 出 的 热 弹 性比 拟 法 ‘ ’ 和 年 由 和 提 出的 水 分 子 自 由 能 热 动 力 理 论 法 , ’ ‘ 。 前 法 基 于 井 壁 含水 量 分 布 和 吸 水 膨 胀 系 数 以 及 弹 性 模 量 随 含 水 量 变化 关 系 的 确 定 后 法 基 于 地 层 水 活 度 的 确 定 。 要 准 确确 定 这 些 参 数 及 其 关 系 是 有 一 定 难 度 的 。 因 此 , 要 将这 方 面 研 究 成 果 真 正 用 于 现 场 实 践 还 需 做 一 些 工作 。加 强 泥 页 岩 分 类 的 研 究 。 尽 管 目 前 已 有 很 多种 泥 页 岩 分 类 方 法 , , ‘ · ’ ‘ 〕 , 各 种 分 类 方 法 和 依 据 也 各不 相 同 年 根 据 粘 土 矿 物 组 成 及 外 观 特性 将 泥 页 岩 分 为 类 , 年 根 据 外观 、 水 分 、 粘 土 含 量 等 将 泥 页 岩 分 为 类 。 还 有 按 比表 面 积 、 水 化 特 性 、 坍 塌 原 因 的 一 些 分 类 方 法 。 这 些方 法 各 有 优 缺 点 在 深 入 研 究 泥 页 岩 水 化 机 理 基 础上 , 也 许 能 根 据 少 量 特 征 参 数 分 类 , 从 而 指 导 钻 井 及李 生 林 等 编 译 土 中 结 合 水 译 文 集 地 质 出 版 社 ,奥 尔 芬 范 著 许 冀 泉 等 译 粘 土 胶 体 化 学 导 论 农 业出 版 社 ,赵 杏 援 等 编 · , 粘 土 矿 物 及 粘 土 矿 物 分 析 · 海 洋 出 版 社 ,, , 一, , 一卜一· 乙一, , ,, 一 一 飞,,徐 同 台 井 壁 不 稳 定 地 层 的 分 类 及 泥 浆 技 术 对 策 钻 井液 与 完 井 液 , 一 ,黄 汉 仁 等 泥 浆 工 艺 原 理 石 油 工 业 出 版 社 ,作 者 简 介 梁 大 川 , 讲 师 , 年 生 , 年 毕 业 于 西南 石 油 学 院 钻 并 工 程 专 业 年 获 该 院 硕 士 学 位 , 现 在 西南 石 油 学 院 泥 浆 研 究 室 从 事 教 学 和 井 壁 稳 定 方 面 的 科 研 工作 。 地 址 四 川 省 南 充 市 西 南 石 油 学 院 邮 政 编 码 。一 一 ,, ,,,,,,,收 稿 日 期 一 一 编 料 汪 桂 娟钻 井 液 与 完 井 液 · 年 第 春 第 期 · ·
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