富有机质硬脆性页岩水化机理基础研究

Hydration is main cause of wellbore instability for horizontal borehole in shale formation, extremely impairing shale gas development under low cost, safety, environmental protection. Compared to traditional clay shale with high water sensitivity, organic-rich hard brittle shale has different hydration mechanism and hydration damage due to composition, micro-structure and mechanical property. Hence, in this paper, in combination with experiment and micro-simulation, adsorption mechanism and adsorption law of shale has been investigated. Based on that, hydration mechanism and mechanical damage has been analyzed. Additionally, for organic-rich hard brittle shale, the model of hydration stress and mechanical damage has been established. These results offer systematical and deep theory of water-rock interaction, improve the development of wellbore stability in shale formation, give guidance and reference for horizontal drilling in shale reservoir, and is also meaningful for forming fracture network and fracture control in reservoir stimulation.

目前关于富有机质硬脆性页岩水化相关研究，主要从宏观角度研究了页岩理化特性以及其水化作用，且从微观角度研究了页岩水化损伤演化特征，但并没有揭示页岩的水化机理及水化诱导缝形成的内在机制，同时页岩水化作用程度的定量描述也不够清晰。为此，本项目以富有机质硬脆性页岩为研究对象，拟采用宏观实验和微观模拟手段，通过页岩润湿性研究，提出页岩润湿性的评价新方法；通过页岩自吸实验、微观模拟自吸过程研究，揭示页岩渗吸规律；通过页岩水化实验研究，揭示页岩-水相互作用机制，同时模拟伊利石的水化过程，揭示伊利石的水化膨胀机制，在此基础上研究页岩的水化作用程度及其影响因素，揭示页岩的水化机理；建立页岩水化诱导缝微观量化模型，揭示页岩水化诱导缝的形成机制。本项目研究成果为富有机质硬脆性页岩地层井壁稳定技术措施的制定提供必要理论支撑，对我国页岩气藏的开发具有重要意义。

针对富有机质硬脆性页岩水化相关研究，从宏观角度研究了硬脆性页岩的理化特性以及其水化作用，且从微观角度研究了硬脆性页岩的水化损伤演化特征，但并没有揭示富有机质硬脆性页岩的水化机理及富有机质硬脆性页岩水化诱导缝形成的内在机制，同时富有机质硬脆性页岩水化作用程度的定量描述也不够清晰。本项目以四川盆地下志留统龙马溪组页岩为研究对象，以宏观实验和微观模拟等为手段开展相关研究工作。研究结果表明：基于XRD、等离子体发射光谱仪、氩离子抛光-场发射扫描电镜等实验，明确了矿物组成、有机质特征及其分布特征和二维、三维孔隙结构特征；综合宏观实验和微观模拟明确了页岩润湿性特征并建立了微尺度下的固体表面接触角计算方法；综合渗透压、水化结构损伤及纳米尺度流动特征，建立了一种适用于页岩的自吸模型；从微观到宏观研究揭示了页岩与水相互作用后水化动态过程，揭示了页岩与水相互作用的内部微观变化过程与机理、破坏方式；依据断裂力学、损伤力学、颗粒摩擦学建立了页岩水化诱导缝微观量化模型，揭示了富有机质硬脆性页岩的水化诱导缝的形成机制；明确了水化作用下的页岩宏观力学特征，构建了页岩水化损伤本构模型，实现了水化损伤下的页岩力学表征。该研究成果将是解决富有机质硬脆性页岩地层井壁失稳的关键基础，可为井壁稳定技术措施的制定提供必要理论支撑，具有重要的研究及应用价值。