硬脆性泥頁巖水化過程的微觀結構變化

石秉忠， 夏柏如

( 1. 中國地質大學(北京) 工程技術學院，北京 100083； 2. 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101 )

0 引言

硬脆性泥頁巖主要分布在侏羅系、三疊系、二疊系和石炭系等中深部地層，受上覆地層的壓實作用以及地溫的增高、復雜的結構和成分變化導致其井壁失穩，是目前井壁穩定性研究的重點和難點.巖石本身的礦物組成、理化性能及結構是井壁穩定最基本的控制因素，是鉆井液體系選擇和制定相應技術措施的主要依據.準確測定并分析泥頁巖的成分、結構、理化性能，研究探討其內在關系，以及遇水水化過程中內部微觀結構的變化機理，對于研究硬脆性泥頁巖井壁穩定的機理具有重要意義.鄧虎等從不同角度研究水化作用對泥頁巖強度等影響[1-3].趙峰等利用掃描電子顯微鏡、壓汞、X線衍射分析、比表面分析儀等巖礦測試手段，研究硬脆性泥頁巖的微觀地質特征、礦物成分、結構等方面對硬脆性泥頁巖井壁失穩的影響[4-10].隨著CT成像技術的發展，CT成像數字巖石分析儀被逐漸應用到巖石微觀結構變化的二維和三維成像分析中，探索巖石內部的微觀結構變化和宏觀力學變化的內在相互關系等[11-16]，促進相關研究的不斷深入.目前，采用CT成像技術進行硬脆性泥頁巖井壁穩定性研究還未見報道.

筆者采用CT成像數字巖心分析設備，結合X線衍射儀和掃描電子顯微鏡等設備，對川西地區須家河組三段的巖樣進行測試，研究硬脆性泥頁巖水化過程中微觀結構及次生裂縫演變規律，以及對巖石宏觀結構和力學性能影響，對正確認識泥頁巖水化過程中微觀結構變化規律及制定井壁穩定技術對策具有指導作用.

1 礦物組分及理化性能

X線衍射分析結果表明，川西地區須家河組三段泥頁巖巖樣中，非黏土礦物以石英為主(平均質量分數為28.17%)，斜長石、方解石次之(分別平均為7.39%和3.93%)，含少量白云巖及菱鐵礦.

黏土礦物質量分數平均占53.37%，其中以伊利石為主，平均為52.45%；伊蒙間層次之，平均為23.33%；含少量綠泥石及高嶺石，分別平均為13.54%和10.68%；伊蒙間層黏土的間層比較低，平均為16.67%.按照泥巖分類方法，黏土巖礦物成分中伊利石所占比例大于50%，巖樣屬于伊利石泥頁巖.水化膨脹性弱，性硬脆，細化分散性差，易剝落.

2 內部微觀結構

2.1 掃描電鏡(SEM)分析

黏土礦物有其特殊的形態，通過掃描電鏡(SEM)進行泥頁巖的微觀結構分析，可確定巖石的微觀結構，接觸狀態，黏土礦物的類型、產狀等，揭示構成黏土礦物晶體的定向排列及膠結結構等特征.

泥頁巖中黏土片的產狀與其剝裂性有密切關系，呈近于完全平行排列的具有較強的剝裂性，可剝裂成具有光滑表面的紙片狀；具有中等-弱剝裂性的泥頁巖中的黏土片雖大體呈定向排列，但有相當數量的黏土片呈與層理面不同角度的相交排列；非剝裂性泥頁巖的黏土片呈隨機排列. 另外，孔喉橋接狀、分散質點狀黏土礦物易與流體作用.

巖樣掃描電鏡微觀結構見圖1.由圖1可見，石英、長石等構成泥頁巖中的骨架，與黏土顆粒相互交織大體定向排列，黏土顆粒充填在骨架顆粒之間，起到膠結作用，形成骨架-黏土顆粒疊片堆積狀結構，受長期上覆巖體的重力壓實作用，使礦物晶體定向排列形成較為有序的薄片狀微結構，片狀黏土顆粒多為伊利石，呈多邊形薄片狀結構，顆粒間呈面-面接觸或點-面接觸的結構，接觸相對較為緊密，微孔縫發育，尤其是黏土顆粒排列方向發生改變的地方易產生微裂縫，顆粒間的微孔縫成為水侵入的通道及水化面.礦物顆粒間的疊加膠結連接在水化及外力等作用下，容易發生破壞而導致顆粒間錯動，結構發生變化.當地層被鉆開時，鉆井液濾液沿層理和微裂隙滲入地層內部，使黏土礦物發生物理和化學變化.

圖1 巖樣掃描電鏡微觀結構圖像

2.2 CT成像分析

CT數字圖像處理技術是巖石微觀結構特征及破壞行為分析研究的一種方便而有效的方法.

實驗采用德國菲尼克斯公司生產的nanotom型納米/微米X線層析CT成像的數字巖心分析設備(見圖2).由計算機層析CT三維掃描設備和數字巖心數據處理與分析軟件組成，用于巖石在不被破壞狀態下的微米/納米級別的結構和物理特性描述分析，細節分辨能力為200～300 nm，最大分辨率<500 nm.

圖2 CT成像數字巖心分析設備外觀

(1)CT成像原理.樣品放置在X線管和數字探測器之間(見圖3)，X線管發射X線穿透樣品，數字探測器接收數據.通過360°步進旋轉進行錐束CT掃描，采集物體每一個角度的包含物體位置和密度信息的二維X線圖像，用于三維重建；通過垂直步進旋轉進行扇束CT掃描，得到每一層包含被測物體位置信息和密度信息的斷層圖像；再通過圖像重建、軟件處理得到物體內部清晰的二維、三維圖像.

圖3 CT成像原理

(2)測試方法.測試時，將制備好的巖樣先進行掃描得到原始內部結構信息；然后讓巖樣端部剛好接觸試驗液體的液面并固定好，設定時間到后再次進行CT掃描得到新的內部結構信息；改變不同的時間，重復測試.全部完成后，在主控臺進行CT圖像計算機處理，獲取二維和三維圖像，進行對比分析.

巖樣經CT掃描后得到的層析圖像中，可以直觀觀察到內部微觀結構，條狀或線狀的深色區域是連續的低密度區即是裂紋或裂縫;孤立的黑色斑點低密度區，揭示的是孔隙或氣孔;淺色或白色區域為高密度物質區，是巖石的礦物顆粒.

泥頁巖天然狀態下CT二維層析截面微觀結構見圖4.由圖4可以看出，泥頁巖中礦物顆粒以及相互之間存在微孔或微縫，且相互之間基本沒有連通.經過取點測量，顆粒間微孔縫大小一般在10 μm以內.

3 微觀結構變化機理

3.1 演變過程

一般泥頁巖本身滲透率極低，滲透率為10-3～10-9μm2時不發生常見的鉆井液濾失現象，井壁很難形成泥餅.中深井段和深井段的泥頁巖因壓實脫水收縮成巖作用等，礦物顆粒間除微孔之外，還有開度小于10 μm的毛細裂縫.

將巖樣端部接觸水，采用CT成像進行掃描，泥頁巖存在較強的毛細管效應，水從巖樣底部通過礦物顆粒間微孔縫或層理等毛細管道發生明顯的自吸現象，并導致泥頁巖內部結構發生變化，產生裂縫并隨著時間的延長而演變發展，直至發生宏觀破壞.從CT成像橫切面觀察(見圖5-7)，巖樣內部出現明顯的微裂縫，以及裂縫起裂、擴展及破壞的演變全過程：微裂紋萌生、擴展、分叉、歸并、重分叉、再擴展、貫通、宏觀破壞.裂縫的擴展有3個階段：趨于結束區、快速擴展區和發展區.

圖4 泥頁巖天然狀態下CT二維層析截面微觀結構

圖5 不同時間內自吸水化后巖樣內部自下而上不同橫切面裂縫演變過程

圖6 水化后巖樣局部橫切面

圖7 橫切面巖樣外觀

3.2 演變機理

巖石內部結構為水化提供條件.硬脆性泥頁巖中顆粒間孔縫或層理極其微小，是產生毛細管效應的基礎，為液體侵入提供通道.在水或其他液體表面張力一定的情況下，毛細管半徑越小，毛細管力越大，自吸深度越高，且自吸速度越快，進入毛細管連通處時將會出現分流情況，在大小不同的毛細管之間形成相互連通的網絡.水相在推進過程中，小毛細管將從與其相連通的大毛細管中吸水， 半徑較大的毛細管中的水是先從邊緣部分上升，隨之帶動中間部分繼續前進，其最終的結果是大小毛細管中的水相幾乎同時向前推進，水化作用逐步全面發展，促使裂縫縱向和橫向不斷發展，原有微觀結構破壞.

CT成像結果表明，巖石內部微觀結構演變具有明顯的階段性，微裂紋萌生并穩定擴展，加速發展，匯合歸并貫通，出現大裂紋；大裂紋迅速增寬成裂縫(失去結合力的表面)，穩定發展直至破壞，其間裂紋的擴張即加寬與擴展相互交替，泥頁巖的變形與破壞本質上表現為微觀裂紋的擴張、延展、連通演變.將CT二維層析圖像進行著色處理成黑白圖(見圖8)，揭示硬脆性泥頁巖水化后內部微觀結構的演變機理.

顆粒邊界成為重要的初始微觀損傷點，裂紋的萌生首先發生在顆粒間微孔縫最為發育結合最為薄弱的地方.掃描電鏡及CT成像結果顯示，微小裂紋、微孔出現在顆粒邊界，顆粒與顆粒間或顆粒與各種膠結物間的結合較薄弱， 原始微孔縫被水充填.由于水的極性極強，水與巖石內部礦物顆粒表面上的羥基相作用，取代原來的顆粒間氫鍵，使相互間保持穩定結合的內聚力削弱或失去，顆粒顏色變暗即由高密度向低密度轉化，礦物顆粒表面發生水化呈現暗色水化膜，黏土礦物片狀結構發生面面錯動，接觸點面處黏土礦物水化膨脹分散成細小微粒或從基質顆粒上剝離開，落入較大孔縫中，或導致基質礦物或膠結物溶蝕等，使得礦物顆粒間接觸邊緣的鋸齒狀或不規則狀趨向變成圓滑規則狀，致使本不相通的原始微孔縫擴張、延展、連通，微裂紋萌生，原始微觀結構破壞.微裂紋發育階段，微裂紋數增多，裂紋方向呈現任意發展無明顯規律，寬度和長度也呈現非線性增長的特性(見圖9和圖10).

圖8 硬脆性泥頁巖水化微觀結構演變機理

圖9 橫切面局部放大

圖10 微裂紋萌生局部橫切面放大

外來水侵入后，巖石內部黏土礦物將發生表面(晶格)水化膨脹和化學滲透水化膨脹.礦物本性對黏土的水化膨脹強弱及水化分散能力起決定性的作用，水化膨脹越強，其水化分散能力越強；在水中顆粒越細，黏土顆粒間膠結越強，水化膨脹分散越弱.

礦物成分分析結果表明，巖樣中黏土礦物成分以伊利石為主，伊蒙混層次之，含少量綠泥石及高嶺石，不含蒙脫石.伊利石是一種富鉀的硅酸鹽二八面體層狀結構的云母類黏土礦物，是介于云母和高嶺石及蒙脫石間的中間礦物、單斜晶系.晶體結構單元是由2層硅片中間夾1層鋁片組成的3層結構晶胞，在電子顯微鏡下常呈不規則的鱗片狀集合體(晶體).鱗片能剝開，性脆、易碎、無膨脹性和可塑性.伊利石晶層間聯接力是范氏引力和K+嵌力，未水化K+尺寸與六角環直徑相近，嵌入2個相鄰晶層的六角形之間，把兩晶層聯接起來，且晶格取代強，晶層表面電荷密度大，負電荷中心更靠近K+，晶層之間靜電引力也很強，晶層間聯接很緊.水化作用不能在晶層間進行，只能在顆粒外表面進行，極性水分子不能進入層間空隙，水化膨脹性弱；蒙脫石晶層間聯接力有很弱的范德華力，不足以抗衡黏土的水化能.水分子易進入晶層之間，蒙脫石晶層間及顆粒外表面均可進行水化作用，形成極化的水分子層.層間空間增加，水化膨脹分散性強，可分散到單個晶層的厚度，其水化分散很好；伊/蒙混層礦物是蒙脫石向伊利石過渡的礦物，呈蜂窩狀、半蜂窩狀、棉絮狀等，具有水化特性，其水化敏感性強于純的伊利石，弱于蒙脫石.因此，盡管巖樣中沒有蒙脫石，但存在伊蒙混層，導致黏土礦物間存在不同的水化膨脹分散性.不均勻的水化膨脹分散性，使得巖石內部產生不均勻的應力，從而產生大量的微孔隙.這些微孔隙進一步擴展，與原有微孔縫連通.另外，石英、長石等骨架顆粒與黏土礦物間的膠結連結在水化作用下也將逐漸破壞，進而破壞天然巖樣的內部結構體系，最終導致巖石顆粒的水化分散剝離(見圖11).微裂紋形成后逐步延展和擴張形成擴大的裂紋，縫內微粒逐步消失，裂紋逐步發展成裂縫.

通常，黏土顆粒的表面聚集有游離價的原子和離子，產生靜電引力，使顆粒表面形成靜電引力場，而水分子為偶極體，易被靜電引力吸引而使黏土顆粒表面的結合水膜增厚，從而使黏土顆粒體積產生宏觀上的膨脹. 另外，伊利石薄片狀顆粒結構，也使極性水分子更容易滲入，顆粒間的結合水膜增厚，分子間的結合力降低，從而使巖樣體積膨脹、力學性質變差，巖樣內部微觀結構在外力作用下將發生無法恢復的破壞.

巖樣顆粒間原始微孔縫是黏土顆粒與水之間真正接觸而相互作用的有效界面，微孔縫越發育，界面越大，表面自由能愈高，對水的吸附作用也愈強，而一旦吸水后，界面自由能將減小，吸附水分覆蓋整個微孔縫的表面，且還產生一種楔裂力，促使孔縫向縱深發展.再者，原始微孔縫的不斷發展，新的微孔縫不斷產生，提供更多的毛細管道，促進毛細管自吸效應和水化作用的推進.

各種因素相互促進疊加，隨著時間的延長，水化作用進一步縱橫發展，礦物之間的結合力減弱，內聚力和內摩擦角下降，顆粒的邊緣發生錯動，致使裂縫擴展、分叉、歸并、貫通，直至發生宏觀破壞(見圖12-16).

圖11 礦物顆粒水化剝離

圖12 裂縫逐步擴張

圖13 裂縫分叉

圖14 裂縫延展

圖15 裂縫間歸并

圖16 裂縫貫通破壞

4 結論

(1)硬脆性泥頁巖內部天然微觀結構中微孔縫產生的毛細管力促進內部礦物水化，水化作用又促進次生微孔縫的產生擴展，如此相互促進是導致結構發生變化直至宏觀破壞的主要原因之一.

(2)初始微觀結構破壞主要發生在礦物顆粒間面面或點面接觸結構界面.顆粒表面及晶層間發生的水化作用使顆粒間的結合力減弱或消失，且黏土礦物水化膨脹的差異產生不均勻應力，促使顆粒細化分散剝離、裂縫產生和發展變化.

(3)硬脆性泥頁巖內部天然微觀結構變化本質上表現為微觀裂紋的擴張、擴展演變.水化作用致使粒間微孔縫逐步變大而連通成微裂紋；微裂紋進一步擴張、擴展、匯合、貫通，形成宏觀裂紋；宏觀裂紋增寬延展成縫.裂縫發展直至破壞，其間裂紋的增寬與延展相互交替.