王 萍 ，屈 展

（1.西北工业大学 航空学院，陕西 西安 710072；2.西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065）

1 引 言

井壁失稳问题是石油钻井过程中普遍存在并一直困扰石油工业界的一个复杂问题。石油钻井过程中所遇到的井壁失稳大致可分为破碎体失稳、塑性体失稳和泥页岩失稳，其中泥页岩失稳就占90%以上，因此，有些研究者认为井壁稳定问题就是泥页岩稳定问题。一方面脆硬性泥页岩中微裂缝发育是导致井壁失稳的重要原因，较高的钻井液压力会把钻井液压进裂缝，从而加速页岩水化，不利于井壁稳定[1]；另一方面硬脆性泥页岩与入井流体相互作用，在其内部将会产生一系列的微观物理化学变化，改变岩石物质内部结构与力学性能，使岩石内部裂纹扩张，物理化学和力学效应两种作用相互耦合[2]，进而影响地层的稳定性。

泥页岩孔隙、颗粒等细观结构遇水后发生了改变，促使裂纹的萌生、扩展直至最终破裂的整个变化过程，对泥页岩的力学特性以及工程特性产生了重要的影响。为了观察和研究岩石内部结构的损伤演化直至完全破裂的过程，国内外学者通过各种岩石细观力学试验进行了研究。Wu Xiang-yang[3]利用光学显微镜和扫描电镜来研究在压缩破坏中砂岩微裂纹的损伤演化过程，得到了微裂纹密度和应变之间的关系。Prikryl[4]通过岩相图像分析法，观测单轴压缩下岩石试样的微细观结构，发现对岩石抗压强度影响最大的是岩石颗粒尺寸。冯夏庭等[5-8]使用专门的岩石细观力学试验系统，对水、化学溶液作用下，岩石在受压状态中表面细观破裂破坏过程进行了研究。任建喜等[9]利用自主研发的CT 三轴加载系统，首次观测到了三轴压缩荷载作用下，岩石破坏的全过程，得到了岩石损伤演化的初步规律。石秉忠等[10]采用CT 成像技术，从微观揭示硬脆性泥页岩水化过程中裂缝的发展规律及其对岩石的破坏。

核磁共振技术(NMR)作为研究岩石细观结构的新型检测方式，具有无损、反复和快速等优点[11]。NMR 通过对核磁共振弛豫时间的分析来获取岩石孔隙度及孔隙结构特征、流体含量等信息，核磁共振成像可直观地观测岩石内部孔隙损伤的发展情况。目前核磁共振技术在石油工程领域，主要通过对岩石孔隙结构、储层岩石孔隙流体特性等方面的研究[12]，来进行储层评价及录井测井方面的应用。目前还未见将其应用于分析泥页岩水化损伤机制的研究。本文对长7 层泥页岩岩芯试样进行水化浸泡试验，利用核磁共振技术对不同浸泡时间的试样进行了横向弛豫时间和核磁成像的测试，通过分析试样质量变化、横向弛豫时间T2谱分布、T2谱面积的变化及核磁成像，对泥页岩水化后内部裂纹损伤演化过程进行了分析和讨论。

2 试验仪器及方案

2.1 试验试样及试验设备

试验岩样采自某油田长7 层的泥页岩，该岩石呈水平层理状，有明显条纹存在。现场钻取的岩芯，经试验室加工制备成标准圆柱形试样，试样的直径为25 mm，长为50 mm。由于脆硬性岩石的层理结构和内部裂纹使岩样钻取困难，最后得到达到试验要求的有6个试样。

表1 泥页岩矿物含量表Table 1 Mineral components of shale

从表中可以看出，岩芯石英和斜长石含量较高，而黏土矿物伊利石、伊蒙混层含量较低，表现出明显的脆硬性。

试验中使用的主要仪器是核磁共振采用上海纽迈电子科技有限公司生产的 MiniMR-60 核磁共振成像分析系统，见图1。该设备的主磁场为0.51 T，试验温度为室温18～22℃。

图1 MiniMR-60 核磁共振分析试验仪Fig.1 MiniMR-60 NMR analysis tester

2.2 试验方案

通过核磁共振试验，可以直观地看出泥页岩在不同浸泡水时间时，其细观微孔隙结构及微裂缝的动态变化过程。本文细观试验方案为：①对所取岩样洗油烘干处理，将其进行编号N1～N6；②测量试样质量，观察外观并进行记录；③将试样浸泡在蒸馏水中，浸泡10 min 后取出试样称重，并记录外观行貌；④对试样进行核磁共振检测；⑤对完整试样继续浸泡；⑥分别在10、30 min，1、2、4、6、8 h，1、3、5 d 时取出称重，进行核磁试验，并记录外观形貌。

3 试验结果分析

3.1 岩样质量变化

吸水率的计算公式为

式中：w为吸水率；mw为泡水后质量；m为烘干后的质量。

试验结果如表2 所示，可以得出浸泡前、后试样的质量总体呈增长的趋势，岩石的自然吸水率在0.1 %～0.9 %之间。试样吸水率在最初的8 h 内变化较大，水通过微裂缝进入岩石，在毛管力和物理化学的作用下沿着微裂缝迅速推进，使裂缝逐渐扩展加大并连通成次生微裂纹，导致试样的吸水率提高，质量增加。1 d 后接近相对稳定，之后变化不明显。

表2 不同浸泡时间下泥页岩岩样质量的变化Table 2 Quality changes of shale samples at different soaking times

这是由于随着时间的延长，部分裂缝贯通，试样局部破坏，试样表面出现了明显的裂缝，有的甚至出现落片、剥蚀等现象，导致试样的质量和吸水率后期变化不大。由于脆硬性泥页岩是一种低渗透储层孔隙结构的岩石，其孔隙度和渗透率都很小，对于脆硬性泥页岩而言，质量和含水率的变化主要受岩石内层理和微裂缝的分布密度的影响。

3.2 横向弛豫时间T2分布

根据核磁共振原理，对于岩石孔隙中的流体有3种不同的驰豫机制：自由弛豫、表面弛豫和扩散弛豫，核磁共振总的横向弛豫速率1/T2[13]可以表示为

式中：T2自由为足够大的容器测到的孔隙流体的T2驰豫时间；T2表面为表面驰豫引起的孔隙流体弛豫时间T2；T2扩散为梯度磁场下扩散引起的孔隙流体的T2驰豫时间。

自由弛豫和扩散弛豫与表面弛豫相比非常小，岩石的T2弛豫由表面弛豫决定。因此，式（2）可以简化为[13]

表面驰豫与介质表面面积有关，介质比表面（多孔介质孔隙表面积S 与孔隙体积V 之比）越大，则驰豫越强，反之亦然。T2表面表示为

将式（4）代入式（3）得

式中：ρ2为T2表面驰豫强度；S/V孔隙为孔隙表面积与孔隙体积之比。

由式（5）可以看出，弛豫的速率取决于质子与表面碰撞的频繁程度，即取决于孔隙的表面与体积之比S/V[13]，因此，T2谱分布反映了岩样的孔隙大小及分布，孔径大小与谱峰的位置有关，对应孔径的孔隙数量与峰面积的大小有关。因此，核磁共振T2谱分布能反映岩石的孔隙结构，小孔隙组分别对应较小的T2值，大孔隙组分别对应较大的T2值。本文中孔隙的概念可理解为所有大小裂缝和孔隙的集合，其总体积与岩石体积的百分比，宏观上是描述岩石致密程度，微观上则表征岩石的组织结构形式与微裂隙发育情况[14]。对不同浸泡时间的试样进行了核磁共振测试，得到了横向弛豫时间T2分布。

从图2 可以看出，在最初的1 h 内，经过不同时间的浸泡，泥页岩的T2谱分布主要表现为2个峰，第1 峰信号强，第2 峰信号较弱，说明代表小孔隙的第1 峰占大多数。随着浸泡时间的延长，第1个峰的幅度变化不明显，表明在岩样中并没产生和扩展新的微孔隙；右侧对应的稍大尺寸微孔隙的第2个峰，变化明显，发生了右移，即向大孔隙的T2方向偏移[12]。表明在水率先进入内部微裂缝中，出现明显的裂纹扩展，致使大孔隙T2谱的核磁共振信号强度增加。

图2 浸泡1 h 内岩样的T2谱变化Fig.2 T2spectrum change of rock sample during one hour soaking

从图3 可以看出，经过8 h 的浸泡后，T2谱图上对应小尺寸微孔隙的第1个峰的幅度明显增大，不断产生和扩展的新孔隙，使得孔隙尺寸和体积在不断的变大，因此，核磁共振信号强度增大。随着浸泡时间的延长，部分T2谱为3个峰图，右侧对应的大尺寸微裂隙的第2个峰，继续向右侧移动，说明微裂缝在水化作用下不断的扩展、分叉，形成了更多的微裂缝，表明岩石已出现较严重的水化损伤[15]。

图3 浸泡1 d 内岩样的T2谱变化Fig.3 T2spectrum change of rock sample during one day soaking

从图4 可以看出，经过1 d 的浸泡后，在以后几天时间内，T2分布图上的第1个峰对应的小尺寸微孔隙，峰的变化幅度进一步增大，说明新的微孔隙还在不断地产生和扩展。右侧的第2、3个峰所对应的大尺寸裂隙，这时变化不大，有的甚至合成一个峰，说明大尺寸孔隙裂纹已经完成了微裂纹萌生—扩展—分叉—归并—贯通—宏观破坏的过程[10]。图5 所示为试样浸泡5 d 的情况，可以看出：试样后表面出现了宏观可见的裂纹。

图4 浸泡5 d 内岩样的T2谱变化Fig.4 T2spectrum change of rock sample during five days soaking

图5 试样浸泡后出现裂纹Fig.5 Cracks in specimen after soaking

综合分析，可以得出：在水化作用下,随着浸泡时间的延长，岩石中的微孔隙和微裂缝的发展阶段不同。在水化的初期阶段，主要表现为微裂缝的扩展；随着浸泡时间的延长，微孔隙产生和微裂缝扩展的趋势得到快速发展，导致岩石内部出现颗粒剥落或塌孔情况。在水化后期，微孔隙的产生和扩展趋势继续发展，裂缝归并贯通形成了大尺寸裂纹。整个水化损伤分成了3个阶段：大尺寸孔隙裂纹发展阶段；小孔隙产生、大尺寸孔隙裂纹加剧扩展；小孔隙加剧产生扩展、大尺寸孔隙裂纹归并贯通至水化破坏阶段。

3.3 T2谱面积分析

核磁共振横向弛豫时间T2谱的积分面积正比于岩石中所含流体的多少，它等于或略小于岩石的有效孔隙度。对应孔径的孔隙数量与峰面积的大小有关。因此岩样在经历不同浸泡时间后，T2谱分布积分面积的变化，反映了岩石孔隙体积、数量的变化[13]。岩样在不同浸泡时间后，T2谱面积的变化及每个峰所占比例，如表3 所示。

表3 不同浸泡时间下泥页岩核磁共振谱面积Table 3 NMR spectrum area of shale at different soaking times

从表可以看出，T2谱面积增大，表明随着浸泡时间的延长，岩石孔隙体积增大。对应小尺寸微孔隙的第1个峰占总面积的90%左右，表明小尺寸的微孔隙占绝大多数。1 h 浸泡后，孔隙总体积增大了4.4%，其中第1 峰变化不大，而第2 峰相对变化较大，表明岩样内部大尺寸孔隙增长较快，即岩样内部出现明显的微裂纹损伤扩展。浸泡时间超过8 h以后，T2谱面积又发生明显的变化，孔隙体积变化率增大了21.9%，并且出现了第3个峰，说明同时并伴随微裂纹的扩展，又诱发和产生了一些新的分叉性微裂纹，此时泥页岩中的裂纹数量较多且长，致使岩石内部损伤加大。1 d 之后随着浸泡时间的延长，T2谱面积的继续变大。对应小尺寸微孔隙的第1个峰占峰总面积也明显增加，但对应大尺寸孔隙第2 峰占峰总面积变小，第3 峰甚至消失，说明微孔隙还在不断的产生和扩展，大尺寸孔隙裂纹已经归并贯通到宏观破坏。说明泥页岩的水化损伤前期变化较大，后期变化缓慢。

4 核磁共振成像分析

对不同浸泡时间的试样行了核磁共振成像测量，截取与试样轴向垂直的截面进行成像，如图6所示。图像中黑色为底色，发白的区域为水分子所在区域，代表的是孔隙范围，图像的亮度反映了岩石中含水率的多少，白色亮斑越多，意味着岩石孔隙越大，反之，则孔隙越小[14]。

图6 不同浸泡时间岩样的核磁成像图Fig.6 NMR images of rock samples at different soaking times

图6(a)为浸泡1 h 的岩样，图中白色亮点不均匀且少，截面孔隙数量少，且以小尺寸孔隙为主，孔隙中含水多为束缚水。图中部分区域的图像较暗，表明该区域的岩石结构致密。在截面右侧并隐约可见一条贯穿截面的大孔隙结构（微裂缝），说明岩样不均匀性明显，含有初始微裂纹损伤。图6(b)为经过8 h 的浸泡后的岩样图像，图像亮度明显增大，原有大孔隙结构（微裂纹）亮度增大，裂缝的形状大小隐约可见。图6(c)为经过1 d 的浸泡后的岩样图像，图像亮度变强，可以明显看出孔隙裂缝的大小和形状，而且裂缝沿岩样的径向方向延伸。说明水化使岩样截面孔隙数量和尺寸均有一定程度提高。图6(d)、6(e)表明，分别为经过3、5 d 浸泡后的岩样图像，两张图片具有相似的孔隙结构信息。图像亮暗不均，孔隙分布非常不均匀，在岩芯的内部、周边都出现了较大的孔隙，而且孔隙连通。由图6(d)、6(e)可知，大孔隙结构主要出现在试件的周边和内部。由于岩石为多孔介质材料，内部有存在初始大孔隙结构（微裂缝），所以大孔隙出现在试件的内部。试件表面存在微裂隙（尤其是肉眼可辨的微裂纹），外部水分会优先进入这些孔隙中，使试样表面裂隙向内扩展，因此，在水化过程中，试件表面受水化的影响最大，而水化是影响泥页岩井壁不稳定的重要因素之一，因此，也会导致大孔隙先出现在试件周边[15]。

5 结 论

（1）由于脆硬性泥页岩是一种低渗透储层孔隙结构的岩石，其孔隙度和渗透率都很小，质量和含水率的变化主要受岩石内层理和微裂缝的分布密度的影响。试样吸水率在最初的8 h 内变化相对较大，1 d 后接近相对稳定，之后变化不明显。前期微裂缝在水化的作用逐渐扩展加大并连通成次生微裂纹，导致试样的吸水率提高，质量增加。随着时间的延长，部分裂缝贯通，试样表面出现了明显的裂缝，试样局部破坏，导致试样的质量和吸水率后期变化不大。

（2）经过不同时间的浸泡，泥页岩的T2谱分布主要表现为2个峰图，然后发展为3个峰图，第1个峰占峰总面积的90%左右，表明小尺寸的微孔隙占绝大多数。随着浸泡时间的延长，第2、3 峰的谱面积逐渐增大，表明岩样内部大尺寸孔隙增长较快，即岩样内部出现明显的微裂纹损伤扩展。之后第2、3 峰消失，大尺寸孔隙裂纹归并、贯通到宏观破坏。

（3）核磁共振成像结果直观地展现了岩石水化后的内部微观损伤变化趋势，从而推断出岩石的水化损伤程度和范围，为分析泥页岩水化损伤过程提供了一种新的无损检测手段。

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