马克思劳动价值论
温航;陈勉;金衍;招军;叶西安;杨顺辉
【摘 要】硬脆性页岩作为井壁围岩时，在循环介质流体作用下其裂缝形成的机理一直是近年来研究的热点。钻井液和页岩之间水活度差会间接影响硬脆性页岩裂缝的形成机制。通过对广义Usher模型修正，建立了活度-膨胀率-水化程度分析模型，认为岩石膨胀率低于“临界膨胀率”时处于井壁稳定性良好的非渗透水化阶段，根据其内部对应的钻井液活度范围，提出活度窗口的概念，并利用室内实验对模型进行了验证。实验结果表明，不同活度的钻井液在宏观上使页岩强度发生差异性变化，微观上对页岩内部结构具有时间敏感性影响。这一机理的提出，可以为钻井液活度设计提供更准确的配制范围，为井壁稳定提供有力保障。%The failure mechanism formed under the action of circular medium lfuid around the wellbore of brittle shale has been a hot issue in recent years. The water activity difference between the drilling lfuid and shale will directly affect the formation mechanism brittle shale fracture. The model of activity-inlfation-hydration is set up ifrstly through revising generalized Usher model. For this model, it states that the wellbore is in non-osmotic hydration stage within th e critical expansion ratio, and thus puts forward the concept of ac-tivity window according to the drilling lfuid activity range, and this is veriifed by indoor test. Results show that the different activity of drilling lfuid 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 lfuid activity and strong guarantee for wellbore stability.
axl【期刊名称】《石油钻采工艺》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】4页(P57-60)
【关键词】钻井液活度窗口;硬脆性页岩;活度-膨胀率模型;临界膨胀率;破坏机理
【作 者】温航;陈勉;金衍;招军;叶西安;杨顺辉
【作者单位】中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实
验室，北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;中国石化石油工程技术研究院，北京 100101
【正文语种】中 文
【中图分类】TE254
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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。
1.1 实验设备
线膨胀系数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0.000～0.999，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）。
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。
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。
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。
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S＞Sc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0＜S＜Sc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S＜0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。
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a=1.465 0，b=0.636 2，c=0.675 2，d=1.613 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0.30～0.56。
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。
局面 江歌
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。
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。
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。
乳化硅油综上所述，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。
（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。
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