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硬脆性页岩地层一直是石油钻井过程中井下复杂情况的多发地质体,据统计90%以上的井壁坍塌发生在泥页岩地层,其中硬脆性页岩地层约占2/3。硬脆性页岩水化作用引起的岩石结构损伤和力学性能下降是硬脆性页岩井壁失稳的一个重要原因,严重地制约了该类地层中钻井、完井等工程活动的正常实施。因而硬脆性页岩的水化机理、控制方法等相关领域的研究已逐渐成为石油科研工作者关注的热点。本文以龙马溪组硬脆性页岩为研究对象,首先分析了硬脆性页岩的矿物组成和微观结构特点。在此基础上研究了硬脆性页岩所含黏土矿物的水化特征及相关机理；从宏观和微观角度研究了硬脆性页岩的水化行为特征,并结合硬脆性页岩的微观结构和黏土矿物的水化行为特点,分析了硬脆性页岩的水化机理。最后根据对硬脆性页岩水化机理的认识,合成了硬脆性页岩水化抑制剂,通过化学抑制的方法控制硬脆性页岩的水化作用。研究表明：硬脆性页岩的矿物组成主要以石英、长石等脆性矿物为主,脆性矿物总含量为50-80%,黏土矿物含量主要分布在15-40%之间。黏土矿物以伊利石为主,含量超过60%,并含有伊/蒙混层和绿泥石；受压实作用影响,硬脆性页岩矿物颗粒胶结致密,岩石内部发育有大量微孔隙和微裂缝；伊利石颗粒表面具有极强的物理化学活性,与膨胀性较强的蒙脱石相比伊利石虽然体积膨胀很小,但膨胀应力却与蒙脱石接近,并且伊利石的膨胀速度数倍于蒙脱石；伊/蒙混层中蒙脱石层晶层间距的膨胀非常迅速,大分子聚合物对晶层间距膨胀的抑制作用有限,晶层间距膨胀的大小主要受晶层内部与外部溶液之间的离子交换作用的影响。硬脆性页岩水化行为研究表明：硬脆性页岩存在明显的自吸效应,其水化特征主要表现为：在水的作用下岩石内部次生裂缝网络发育,造成岩石结构的破坏。结合黏土矿物的水化行为特点和硬脆性页岩的微观结构,对硬脆性页岩水化过程中裂缝产生、扩展的机理进行分析后认为：硬脆性页岩的自吸作用、伊利石的膨胀应力和伊/蒙混层中蒙脱石层晶层间距的膨胀是控制硬脆页岩水化的三个主要因素。根据对硬脆性页岩水化机理的认识,本文选择了化学抑制的方法对硬脆性页岩水化作用进行控制,并以丙烯酰胺、氯化1-烯丙基-1-甲基咪唑,烯丙醇聚氧乙烯醚和2-甲基-2丙烯酰胺基丙磺酸为原料,合成了两种水溶性聚合物硬脆性页岩水化抑制剂poly(AM/APEG/MAC)和poly(AM/APEG/MAC/AMPS),分别对它们的抑制效果进行了评价,结果表明：在两种聚合物水化抑制剂的作用下伊利石水化时的膨胀速度明显放缓,膨胀结束时膨胀应力分别下降了49%和52%,并且poly(AM/APEG/MAC)和poly(AM/APEG/MAC/AMPS)与KCl的复配溶液,使硬脆性页岩在水中的压入硬度保留率由35%分别提高至58%和69%,对硬脆性页岩的水化作用达到了一定的控制效果。本论文基于国家自然科学基金重点项目：页岩气低成本高效钻完井技术基础研究(U1262209)。