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大 庆 石 油 学 院 学 报 第 34卷 第3期 2010年 6月 JOURNALOFDAQINGPETROIEUM INSTITUTE Vo1．34 No．3 Jun． 2Oi0 泥页岩水化应力模拟 徐加放 ，邱正松 (中国石油大学 (华东)石油工程学院，山东 青岛 266555) 摘 要 ：基于传统岩石力学测定实验方法和泥页岩特性 ，分析泥页岩水化应力产生机理及其影响因素 ，建立泥页岩 水化应力测试方法 ，并通过对原有实验仪器的改进 ，建立泥页岩水化应力定量测定模拟实验装置，实现泥页岩水化应力 的定量测定．结果表明，该实验方法得 当，实验仪器平行性好 ．最大误 差为 1 ，完全 可以满足泥 页岩水化应力 的定量测 定，为泥页岩水化应力定量测定和深入研究泥页岩井壁稳定机理提供一种室内实验研究手段和方法 ；证 明水化应力 的存 在，其最大值 出现在泥页岩与水作用一定时间后 ，为井壁周期性坍塌提供解释依据． 关 键 词 ：泥页岩 ；井壁稳定 ；水化应力 ；实验模拟 中图分类号 ：TE256 文献标识码 ：A 文章编号 ：l000—1891(20i0)03—000l—O4 由于泥页岩井壁失稳给世界石油工业造成的经济损失高达 (5～10)亿美元 ／a，因此成为世界石油工业 难 以克服 的技术难题之一．泥页岩井壁不稳定 的主要原 因是黏土矿物 易吸水膨胀 ，一方面造成岩石强度 的下降，另一方面在井壁 围岩的作用下产生水化应力．该水化应力是造成井壁失稳的主要原 因．关于泥 页岩水化应力的理论模型和预测 已有较多报道，但多数过于复杂 ，且部分参数难 以定量 ，很难准确计算． 有关泥页岩水化应力的实验测定一直未见报道 ，其主要原因是泥页岩水化应力测定的复杂性、实验设备和 实验手段的局限性 ，以及影响因素的多样性等．笔者基于传统岩石力学测定实验方法和泥页岩特性，对泥 页岩水化应力实验方法进行优选 ，在原有泥页岩化学与力学耦合模拟实验装置基础上对仪器进行改进 ，实 现了泥页岩水化应力的定量测定． 1 水化应力机理 泥页岩通常指黏土矿物质量分数超过 50 的土岩．黏土矿物在生成的过程 中，由于硅氧四面体和铝 氧八面体的晶格取代作用而带电，通常带负电．根据表面能趋于最小原理，黏土矿物表面能趋于最小化 的 主要途径是吸附阳离子和极性的水分子．泥页岩水化应力产生过程 ，实质上是泥页岩中黏土吸水膨胀 、泥 页岩与水作用力微观叠加的宏观体现 ，因此研究泥页岩水化的机理必须从黏土水化机理做起． 水在黏土表面上的吸附既有物理吸附，又有化学吸附．初期，以化学吸附为主 ；后期 ，以物理 吸附为 主．目前关于黏土水化方面的观点可 以归纳为 4点 ： (1)各种黏土矿物遇水时，均会引起不同程度 的水化．水化包括表面水化 、离子水化和渗透水化． (2)黏土水化是黏土膨胀的最根本原因，其膨胀性与水化程度密切相关．膨胀力初期来源于表面水化 能 ，后期来源于渗透压力和双 电层斥力． (3)黏土的水化取决于黏土矿物的种类 、比表面积和阳离子交换容量等，而与表面电荷密度无关． (4)强极性水分子与黏土晶层上的氧形成氢键，加上层间补偿阳离子的水化能和单位层间负电荷的排 斥力，因而水分子易进入单位层问，引起单位层间距增大．对于蒙脱石在表面水化阶段单位层间最多可吸 附4个水分子层，可使体积增加 1倍 ，产生相 当大的膨胀压． 页岩吸水是与环境的湿度差所引起 的一种化学反应 ，并假定泥页岩的水化应力是一种静水压力_l2 ]， 收稿 日期 ：2010—01—08；审稿人 ：艾 池 ；编辑 ：关开澄 基金项 目：山东省 自然科学基金项 目(Y2006F66) 作者简介 ：徐加放(1973一)，男 ，博士 ，副教授 ，主要从事井壁稳定 、钻井液体系与处理剂开发等方面的研 究 大 庆 石 油 学 院 学 报 第34卷 2O10年 根据化学势平衡原理，得出水化应力P 为 p一 嚷，