页岩力化耦合实验

为观察和定量分析页岩与钻井液间的力化耦合作用，学者们多采用室内实验的方法，而压力传递实验是使用较多的方法，只是基于的理论模型存在差异，本文将基于多孔介质弹性理论的力化耦合模型对力化耦合实验结果进行分析和参数的反演。

图 3.1 为页岩压力传递实验示意图，将切割打磨平整的岩芯柱套上不具有渗透性的胶套之后置于岩芯腔中，岩芯腔上游连接压力泵和液罐后可进行循环流动，来模拟钻井液的循环过程，同时上游的压力可通过伺服装置进行人为的控制，岩芯腔下游连接压力表以测定液体压力，压力传递设备与电脑相连，上、下游压力数据可实时的显示在电脑屏幕上。实验所用设备与数据输出如图3.2 所示。

实验步骤

1) 岩芯装入完毕后施加围压3MPa，实验加载过程中保持围压不变；

2) 开通加热装置，将岩芯和溶液加热到 80℃，以模拟地层温度。

3) 使用 NaCl 溶液饱和页岩岩芯，方法：下游注入溶液，给定较小的初始压力，上游循环浓度为5%的NaCl 溶液，上游给定循环压力0p ，观测下游压力升高到循环压力0 p 即表明岩芯已饱和；

4) 保持溶液浓度不变，增加上游循环压力至m p ，待下游压力由0 p 增高至循环压力mp ，得出下游压力随时间变化曲线；

5) 保持上游循环压力 mp 不变，增大上游溶液浓度至20%，得出下游压力随时间变化曲线。

因此，页岩与钻井液的力化耦合作用过程分为三个阶段：岩芯饱和阶段，液力加载阶段，化学加载阶段。岩石内部与边界上的流体压力与溶质浓度分布可用图3.3 表示。

为研究流体在水力压差和化学势差下沿页岩层理方向和垂直层理方向的压力传递相关参数，实验所用页岩岩芯的角度取向分别沿层理方向和垂直层理方向，如图3.4 所示。实验所用岩芯数据如表3.1 所示。

分别对 1 号和2 号岩芯按照实验步骤进行饱和操作、水力压差压力传递和化学势差压力传递，导出实验数据绘制实验曲线，结果如图3.5 和图3.6 所示。