趙凱樊勇杰于波韓繼勇許永華高詩(shī)惠

1. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院；2. 長(zhǎng)慶油田公司第三采油廠采油工藝研究所

鉆井完井

硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定研究進(jìn)展

趙凱1樊勇杰2于波2韓繼勇1許永華1高詩(shī)惠1

1. 西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院；2. 長(zhǎng)慶油田公司第三采油廠采油工藝研究所

硬脆性泥頁(yè)巖的井壁失穩(wěn)是制約深層油氣資源和頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源有效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題。基于此，從硬脆性泥頁(yè)巖的基本特征出發(fā)，根據(jù)其組成成分和結(jié)構(gòu)特征的差異，總結(jié)了純力學(xué)、滲流-應(yīng)力耦合和滲流-應(yīng)力-化學(xué)耦合3種井壁穩(wěn)定基本分析方法及各自適用條件。研究了硬脆性泥頁(yè)巖4種力學(xué)失穩(wěn)機(jī)制、鉆井液侵入裂縫的驅(qū)動(dòng)作用、存在和不存在活性黏土礦物情況下強(qiáng)度弱化機(jī)制以及不同裂縫形式下的井壁穩(wěn)定計(jì)算模型。指出硬脆性泥頁(yè)巖基質(zhì)和裂縫充填物中是否含活性黏土礦物及裂縫的分布規(guī)律是影響井壁穩(wěn)定分析的關(guān)鍵因素，從微觀角度描述多場(chǎng)耦合作用下硬脆性泥頁(yè)巖裂縫擴(kuò)展連通導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的漸進(jìn)過(guò)程將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

硬脆性；泥頁(yè)巖；井壁穩(wěn)定；研究進(jìn)展

近年來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，全球油氣資源需求大幅度增加，能源供求危機(jī)日益增大，深層油氣資源和頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源的開(kāi)發(fā)成為解決能源供求矛盾的有效途徑［1-4］。但是由于深層復(fù)雜的地質(zhì)

1　基本特征

Basic features

Darley［9］（1969）曾根據(jù)硬脆性泥頁(yè)巖與水作用前后的表觀特征對(duì)其硬脆性泥頁(yè)巖作了定義，認(rèn)為“硬脆性泥頁(yè)巖是這樣一種頁(yè)巖，當(dāng)從巖心筒中取出時(shí)，顯得相當(dāng)堅(jiān)固和完整，但置于水中時(shí)則散為碎片，而這些碎片在水中既不變軟，也不膨脹”。單純從這種角度來(lái)定義硬脆性泥頁(yè)巖顯然不夠充分，有學(xué)者根據(jù)巖石的變形破壞特征對(duì)硬脆性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）中規(guī)定巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度大于30 MPa時(shí)為硬巖，脆性則是指材料在外力作用下產(chǎn)生很小的變形即破壞斷裂的性質(zhì)，一般認(rèn)為巖石的不可恢復(fù)應(yīng)變小于3%時(shí)具有脆性特征［10］，頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)使脆性的研究逐漸受到重視，目前已形成全應(yīng)力-應(yīng)變曲線評(píng)價(jià)法、礦物組分三元圖評(píng)價(jià)法、硬度評(píng)價(jià)法、抗拉抗壓強(qiáng)度比值評(píng)價(jià)法等多種方法對(duì)頁(yè)巖脆性定量評(píng)價(jià)［11-15］。由于硬脆性泥頁(yè)巖的脆性斷裂特征，加之地下復(fù)雜的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、沉積作用及脫水收縮等作用的共同影響，導(dǎo)致其內(nèi)部發(fā)育宏觀層理及微觀裂縫等不同尺度的弱面結(jié)構(gòu)，雖然弱面本身可能不會(huì)直接造成井壁失穩(wěn)，但其通常成為井壁表面的一些物理力學(xué)過(guò)程和物理化學(xué)過(guò)程的誘因，對(duì)井壁穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響［16］。

泥頁(yè)巖的宏觀力學(xué)性質(zhì)與其本身的礦物組成及結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。雷又層和向興金［17］（2007）對(duì)已有的泥頁(yè)巖分類(lèi)方法進(jìn)行了總結(jié)，最終根據(jù)黏土礦物的種類(lèi)、含量及定向度的不同將泥頁(yè)巖分成軟泥頁(yè)巖和硬脆性泥頁(yè)巖兩大類(lèi)，在此基礎(chǔ)上又細(xì)分為5小類(lèi)，并對(duì)各類(lèi)泥頁(yè)巖的理化性質(zhì)進(jìn)行了定量解釋?zhuān)鶕?jù)分類(lèi)結(jié)果可知，軟泥巖中蒙脫石含量多、伊利石含量少、強(qiáng)度低、脆性低、水化能力強(qiáng)，而硬脆性泥頁(yè)巖中蒙脫石含量少、伊利石含量多、強(qiáng)度高、脆性大、水化能力弱。這也從側(cè)面反映了硬脆性泥頁(yè)巖不僅具有硬、脆性的力學(xué)性質(zhì)，還隱含了化學(xué)性質(zhì)等其他含義，需從多角度對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

筆者認(rèn)為，對(duì)于硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定基本特征的相關(guān)描述應(yīng)該從其礦物組成、理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征以及變形破壞規(guī)律等方面綜合表征。硬脆性泥頁(yè)巖應(yīng)當(dāng)是這樣一種泥頁(yè)巖，其礦物成分中不含純蒙脫石，無(wú)伊蒙混層或含量較少，與鉆井液接觸時(shí)水化膨脹率低、滾動(dòng)回收率高，水化膨脹和水化分散對(duì)井壁穩(wěn)定的影響較小，內(nèi)部微觀裂縫發(fā)育，部分宏觀上有明顯的層理結(jié)構(gòu)，單軸抗壓強(qiáng)度在30 MPa以上，峰值應(yīng)變不超過(guò)3%，在極小應(yīng)變下就會(huì)發(fā)生破壞。

硬脆性泥頁(yè)巖復(fù)雜的組構(gòu)（組成成分和結(jié)構(gòu)）特征及理化力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致其與傳統(tǒng)的各向同性孔隙彈性完整性地層的井壁失穩(wěn)機(jī)理存在較大差異。

目前，對(duì)于這類(lèi)地層的井壁穩(wěn)定問(wèn)題研究，根據(jù)作用因素的不同，大體可分為3類(lèi)：純力學(xué)坍塌、滲流-應(yīng)力耦合作用下的井壁失穩(wěn)和滲流-應(yīng)力-化學(xué)多場(chǎng)耦合作用下的井壁失穩(wěn)。

2　純力學(xué)作用

Mechanics

純力學(xué)坍塌一般認(rèn)為硬脆性泥頁(yè)巖中的弱面在深部高應(yīng)力作用下呈閉合狀態(tài)或弱面沿切向分布、與井眼不連通，巖石的基質(zhì)滲透率極低，且泥頁(yè)巖中沒(méi)有膨脹性黏土礦物，分析中不考慮鉆井液滲流和化學(xué)作用的影響。根據(jù)破壞機(jī)制的不同，主要分為剪切破壞機(jī)制、拉伸剝落機(jī)制、剪切滑移機(jī)制和應(yīng)力損傷機(jī)制。

2.1剪切破壞機(jī)制

Shear failure mechanism

（1）各向同性地層。最早的井壁穩(wěn)定研究主要基于各向同性線彈性假設(shè)，認(rèn)為井壁坍塌是由于井壁巖石所受應(yīng)力超過(guò)其本身的強(qiáng)度，使其發(fā)生剪切破壞而造成的井徑擴(kuò)大現(xiàn)象。研究中應(yīng)用摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則判斷脆性地層中的井眼何處發(fā)生了破壞，并指出井周巖石交叉的剪切破壞產(chǎn)生“貓耳”，最終形成穩(wěn)定的橢圓形狀［18-19］。根據(jù)此理論，后來(lái)的許多學(xué)者利用井眼坍塌形狀的信息對(duì)地應(yīng)力等信息進(jìn)行反演，并且利用反演信息對(duì)井壁穩(wěn)定進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)［20-23］。

（2）各向異性地層。對(duì)于含單一層理弱面的硬脆性泥頁(yè)巖，其強(qiáng)度和變形表現(xiàn)出顯著的各向異性特征。早在1965年，M. E. Chenevert［24］就通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了層狀沉積巖力學(xué)性質(zhì)的各向異性。采用三軸實(shí)驗(yàn)裝置，在0～82.7 MPa的圍壓下，平行層理面取心高于垂直層理面方向取心測(cè)定的彈性模量，當(dāng)巖心軸線與層理面的夾角為20～30o，巖心強(qiáng)度與垂直層理面取心測(cè)定的強(qiáng)度相比降低了40%。

對(duì)于此類(lèi)地層的井壁穩(wěn)定分析，目前的分析模型主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是僅考慮巖石強(qiáng)度各向異性特征，采用單一弱面剪切破壞準(zhǔn)則評(píng)價(jià)井壁失穩(wěn)情況［25］；另一類(lèi)則綜合考慮泥頁(yè)巖強(qiáng)度和變形的各向異性，假設(shè)地層為橫觀各向同性介質(zhì)，并結(jié)合廣義三維各向異性破壞準(zhǔn)則評(píng)價(jià)地層剪切破壞引起的井壁坍塌［26-27］。根據(jù)理論與實(shí)踐的研究發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)地層鉆進(jìn)大斜度井問(wèn)題尤為突出，存在最佳鉆入角（井眼方向與層理面夾角），現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)盡量沿強(qiáng)度較高的方向鉆進(jìn)。且由于弱面的存在，某些情況下井眼坍塌會(huì)形成“四貓耳”，不再是簡(jiǎn)單的橢圓形井眼［28］。

2.2拉伸剝落機(jī)制

Tensile scaling mechanism

利用剪切破壞準(zhǔn)則進(jìn)行井壁穩(wěn)定分析的方法僅能反映巖石的宏觀破壞特征，無(wú)法有效地反映脆性巖石裂縫擴(kuò)展貫通導(dǎo)致失穩(wěn)的漸進(jìn)過(guò)程。針對(duì)此問(wèn)題，Gennanovich［29］（1994）采用裂縫-井筒耦合模型作為井周巖石受壓縮應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生拉伸剝落的基本微觀機(jī)理。研究認(rèn)為，脆性頁(yè)巖的井壁坍塌是由于在井周周向壓縮應(yīng)力作用下頁(yè)巖層中的天然裂縫沿切向發(fā)生不穩(wěn)定擴(kuò)展，使得井周巖石發(fā)生拉伸剝落造成的。研究采用斷裂力學(xué)的方法分析頁(yè)巖中裂縫的擴(kuò)展，認(rèn)為裂縫擴(kuò)展是與井筒耦合作用的結(jié)果。根據(jù)此模型可知，拉伸破壞是由于裂縫不斷擴(kuò)展而發(fā)生的，而這些裂縫來(lái)源于泥頁(yè)巖中的天然裂縫，并且這些裂縫在最大壓應(yīng)力方向上擴(kuò)展。在低于巖石極限強(qiáng)度應(yīng)力下，尤其是在沒(méi)有圍壓的情況下，拉伸破壞就開(kāi)始了。眾多的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明，在單軸壓縮的條件下，拉伸破壞的確導(dǎo)致了巖石破碎的發(fā)生。拉伸破裂適用于靠近井壁處出現(xiàn)連續(xù)剝落而使井眼發(fā)生破壞這一微觀力學(xué)模型。井眼發(fā)生拉伸破壞受?chē)鷫旱囊种谱饔煤軓?qiáng)，除了圍壓極小的情況外，在其他各種條件下，剪切破壞比拉伸破壞更有可能發(fā)生。因此拉伸破裂或破碎很有可能只是在靠近井眼自由表面處發(fā)生。后來(lái)，有許多學(xué)者采用斷裂力學(xué)的方法分析井周脆性巖石由于裂縫擴(kuò)展導(dǎo)致坍塌失穩(wěn)的機(jī)理［30-31］。

2.3剪切滑移機(jī)制

Shear-slip mechanism

Elf Aquitaite公司的地質(zhì)學(xué)家Maury等［32］（1996）在研究法國(guó)南部的氣田套管破損機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，在鉆井過(guò)程中當(dāng)鉆井液液柱壓力足以使地層中和井眼交叉的天然裂縫重新張開(kāi)時(shí)，沿裂縫面分布的應(yīng)力釋放，將產(chǎn)生一個(gè)較小的但具有潛在危害的井眼錯(cuò)動(dòng)，即沿裂縫面的剪切位移，是裂縫性地層井壁失穩(wěn)的主要原因。

A. Younessi等人［33］（2010）通過(guò)對(duì)裂縫的滑移勢(shì)進(jìn)行研究，研究了裂縫性地層的井壁失穩(wěn)機(jī)理。研究認(rèn)為，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則是一種較為常用的破壞準(zhǔn)則，但是，由于裂縫性地層破壞的復(fù)雜性，該方法只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，無(wú)法真實(shí)反映該類(lèi)地層的破壞機(jī)理。A. Younessi等人認(rèn)為，裂縫性地層的破壞除了剪切破壞和拉伸破壞外，沿裂縫的滑移是一種重要的破壞形式?；诖?，提出了裂縫性地層的滑移勢(shì)指標(biāo)（FSPI）用于評(píng)價(jià)裂縫性地層的穩(wěn)定性，認(rèn)為該類(lèi)地層的失穩(wěn)破壞是裂縫性質(zhì)、原地應(yīng)力和工程活動(dòng)相互影響、共同作用的結(jié)果。

2.4應(yīng)力損傷機(jī)制

Stress damage mechanism

損傷是指在環(huán)境或外載的作用下工程材料中各種非設(shè)計(jì)缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展。損傷力學(xué)認(rèn)為，材料在受到外界因素作用時(shí)會(huì)因?yàn)閮?nèi)部微裂紋等缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展而發(fā)生劣化，且這種劣化是不可逆的，材料的破壞就是這種劣化發(fā)展和累積的過(guò)程，當(dāng)材料的劣化累積到一定程度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生宏觀裂紋，發(fā)生破壞。由于硬脆性泥頁(yè)巖內(nèi)部微裂縫發(fā)育，采用傳統(tǒng)的方法無(wú)法描述其復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)特征，損傷力學(xué)建立了巖石微觀結(jié)構(gòu)和宏觀表現(xiàn)的關(guān)系，可表述脆性頁(yè)巖微裂縫擴(kuò)展連通導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的漸進(jìn)過(guò)程。將損傷力學(xué)理論應(yīng)用在井壁穩(wěn)定分析中，最早是由著名學(xué)者Dusseault完成的，Dusseault［34］（1992）基于損傷力學(xué)的基本概念分析了石油鉆井和生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)力損傷對(duì)井周地層的影響，分析了井眼鉆開(kāi)后井周硬脆性泥頁(yè)巖地層微觀結(jié)構(gòu)、應(yīng)力場(chǎng)和滲透壓力隨時(shí)間的演變過(guò)程。他指出損傷會(huì)增大近井地帶的滲透率，造成泥巖地層鉆井過(guò)程的井壁失穩(wěn)，但在低滲儲(chǔ)層損傷可能對(duì)油田生產(chǎn)有利。

劉玉石等［35］（1998）應(yīng)用損傷力學(xué)理論，從巖體的變形能出發(fā)，建立了節(jié)理裂隙巖體的彈性損傷-斷裂力學(xué)模型，來(lái)研究硬脆性地層井壁穩(wěn)定性問(wèn)題。節(jié)理裂隙巖體的特點(diǎn)是巖體內(nèi)存在大量的節(jié)理裂隙，且節(jié)理裂隙多成組分布，引入等效彈性-損傷柔度本構(gòu)方程，采用有限元法計(jì)算井眼周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)。研究結(jié)果表明，節(jié)理裂隙的存在使有效承載面減少，井壁圍巖切向應(yīng)力增加，因此維持井壁穩(wěn)定的鉆井液密度要較無(wú)損傷時(shí)高。由于較高的鉆井液液柱壓力會(huì)加速頁(yè)巖水化和把鉆井液壓入裂縫，不利于井壁穩(wěn)定，因此需要改善鉆井液的性能，既要較好的抑制頁(yè)巖水化，又要有較強(qiáng)的封堵裂縫的能力，保證高鉆井液密度下硬脆性泥頁(yè)巖的井壁穩(wěn)定性。

鄭貴［36］（2005）、唐立強(qiáng)［37］（2007）等應(yīng)用細(xì)觀損傷力學(xué)與斷裂力學(xué)理論建立了鉆井過(guò)程中坍塌、破裂壓力的計(jì)算模型，從損傷力學(xué)的角度分析了井周微裂紋的起裂條件和擴(kuò)展方向，分析了脆性地層的變形機(jī)理，建立了初始損傷的井筒壓力條件，分析了井周地層的損傷場(chǎng)，得出了損傷區(qū)范圍和損傷區(qū)內(nèi)應(yīng)力分布與地質(zhì)力學(xué)特征的關(guān)系。

3　滲流-應(yīng)力耦合作用

Seepage-stress coupling

滲流-應(yīng)力耦合作用下的井壁失穩(wěn)機(jī)理認(rèn)為層理、裂縫是硬脆性泥頁(yè)巖地層的高滲通道，鉆井過(guò)程中鉆井液易沿層理、裂縫滲流，滲流過(guò)程是滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)相互耦合作用的結(jié)果，即裂縫的滲透性取決于裂縫的變形與位移，同時(shí)又影響裂縫內(nèi)的流體流動(dòng)［38］。研究認(rèn)為，硬脆性泥頁(yè)巖地層基質(zhì)和裂縫充填物中均不含活性黏土礦物，可忽略化學(xué)作用的影響，雖無(wú)化學(xué)作用影響，但是由于鉆井液沿層理、裂縫侵入，一方面導(dǎo)致裂縫面上的有效正應(yīng)力下降，另一方面產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，同樣會(huì)造成地層強(qiáng)度降低，誘發(fā)失穩(wěn)。

目前滲流-應(yīng)力耦合井壁穩(wěn)定研究主要集中在鉆井液侵入泥頁(yè)巖裂縫的驅(qū)動(dòng)作用、鉆井液及其濾液侵入裂縫后地層強(qiáng)度的弱化機(jī)制和井壁穩(wěn)定理論計(jì)算模型三方面。根據(jù)裂縫存在形式的不同，井壁穩(wěn)定理論計(jì)算模型主要可分為單一裂縫、兩組正交裂縫、多組隨機(jī)裂縫和雙重孔隙介質(zhì)4類(lèi)。采用的方法主要包括離散元、有限元和邊界元等多種數(shù)值計(jì)算方法。

3.1鉆井液侵入弱面的驅(qū)動(dòng)作用

Driving action on drilling fluid invading into weak plane

井眼鉆開(kāi)后，鉆井液與井周泥頁(yè)巖接觸，在各種物理化學(xué)作用下發(fā)生物質(zhì)交換，導(dǎo)致鉆井液侵入泥頁(yè)巖裂縫和基質(zhì)內(nèi)部。M. E. Chenevert［39］（1970）通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)泥頁(yè)巖與鉆井液接觸后會(huì)發(fā)生吸水現(xiàn)象，泥頁(yè)巖含水量增加導(dǎo)致地層強(qiáng)度性質(zhì)發(fā)生變化，從而影響井壁穩(wěn)定性，Chenevert認(rèn)為泥頁(yè)巖吸水是由于其與環(huán)境之間存在濕度差引起的。

Fonseca［40］（1998）認(rèn)為即使地層孔隙壓力與鉆井液液柱壓力相等，鉆井過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)流體進(jìn)出地層的現(xiàn)象，影響井壁穩(wěn)定性，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象的發(fā)生主要是由于地層水活度和鉆井液水活度的不同造成的。

E. Van Oort［41］（2003）總結(jié)和發(fā)展了泥頁(yè)巖與鉆井液之間的物理化學(xué)作用對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響機(jī)理，他認(rèn)為泥頁(yè)巖與鉆井液之間發(fā)生物質(zhì)交換主要是由水動(dòng)力學(xué)壓差梯度、化學(xué)勢(shì)梯度、電勢(shì)能梯度和溫度梯度4種作用共同驅(qū)動(dòng)的。

石秉忠等［42］（2012）通過(guò)CT成像技術(shù)研究了硬脆性泥頁(yè)巖自吸水后裂縫的擴(kuò)展貫通規(guī)律以及巖石破壞過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，硬脆性泥頁(yè)巖中的微裂縫在毛細(xì)管作用下自吸水使得裂縫擴(kuò)展連通是造成硬脆性泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的主要原因之一。

毛細(xì)管作用與介質(zhì)潤(rùn)濕特性有關(guān)，盧運(yùn)虎［26］（2012）建立了介質(zhì)潤(rùn)濕特性控制的裂縫擴(kuò)展模型，提出了基于潤(rùn)濕理論的頁(yè)巖井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法。研究結(jié)果表明，頁(yè)巖地層鉆井時(shí)水基鉆井液應(yīng)減小鉆井液界面張力和增大鉆井液與巖石的潤(rùn)濕角；油基鉆井液應(yīng)減小鉆井液界面張力和潤(rùn)濕角，從而強(qiáng)化井壁圍巖強(qiáng)度、防止頁(yè)巖井壁發(fā)生垮塌。

3.2鉆井液侵入對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響

Influence of drilling fluid invasion on mechanical properties

以往鉆井液對(duì)泥頁(yè)巖力學(xué)性質(zhì)的影響研究主要集中于水敏性黏土礦物與鉆井液的化學(xué)反應(yīng)對(duì)泥頁(yè)巖本身強(qiáng)度的影響。對(duì)于不含水敏性黏土礦物的硬脆性泥頁(yè)巖而言，其浸泡在鉆井液中的強(qiáng)度弱化程度主要與鉆井液類(lèi)型和其本身裂縫的粗糙程度有關(guān)。WAN等人［43］（1998）通過(guò)直剪實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同性質(zhì)（光滑與粗糙）裂縫面強(qiáng)度隨不同類(lèi)型鉆井液浸泡時(shí)間的變化規(guī)律。

研究結(jié)果表明，蒸餾水、油基鉆井液和膠質(zhì)化學(xué)鉆井液對(duì)光滑裂縫面的內(nèi)摩擦角沒(méi)有影響，但對(duì)粗糙裂縫面內(nèi)摩擦角影響較大，隨著浸泡時(shí)間的增加，粗糙裂縫面的內(nèi)摩擦角顯著減小，由于這3種鉆井液只對(duì)粗糙裂縫面有影響，因此鉆井液可能只對(duì)裂縫內(nèi)的粗糙體有影響，鉆井液對(duì)該類(lèi)硬脆性泥頁(yè)巖強(qiáng)度影響的機(jī)理主要可歸結(jié)為潤(rùn)滑和粗糙體退化。

閆傳梁［8］（2013）、袁和義等人［44］（2015）采用同樣的方法測(cè)試了不同類(lèi)型的鉆井液對(duì)頁(yè)巖黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)單一弱面剪切破壞準(zhǔn)則分析了頁(yè)巖強(qiáng)度的弱化機(jī)制及對(duì)井壁穩(wěn)定的影響。

3.3井壁穩(wěn)定理論研究模型

Theoretical model of wellbore stability

（1）單一徑向裂縫。P. J. Mclellan等人［45］（1996）研究了加拿大Northeastern British Columbia山前構(gòu)造硬脆性泥頁(yè)巖地層的井壁穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)對(duì)層理裂縫發(fā)育泥頁(yè)巖巖心的X-射線衍射分析表明，巖心的主要成分為石英（47%），同時(shí)還含有少量的斜長(zhǎng)石、白云石和菱鐵礦，黏土礦物則主要以伊利石為主，同時(shí)含有少量的高利石和綠泥石，不含有活性黏土礦物。但是，通過(guò)觀察巖心的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，該巖心層理裂縫發(fā)育，呈現(xiàn)顯著的非連續(xù)特性，弱面間距在0.01～0.40 m之間不等，平均間距0.11 m，由于巖心的層理裂縫發(fā)育，即使不存在活性的黏土礦物，巖石基體和弱面的強(qiáng)度也會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低。

P. J. Mclellan等假設(shè)地層中存在一組優(yōu)勢(shì)弱面，且弱面沿徑向分布，與井眼聯(lián)通?？紤]弱面強(qiáng)度弱化及各向異性的影響，假設(shè)弱面的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為0.1 MPa和25°，采用3D邊界元模型，根據(jù)非線性Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則對(duì)含單一弱面地層的井壁穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果與超聲波成像數(shù)據(jù)取得了較好的一致。研究認(rèn)為對(duì)于裂縫地層而言，鉆井液密度過(guò)低或過(guò)高都容易引發(fā)井壁失穩(wěn)：當(dāng)鉆井液密度過(guò)低時(shí)，井周應(yīng)力超過(guò)地層強(qiáng)度，引起坍塌；鉆井液密度過(guò)高則可能在裂縫性地層中無(wú)法形成有效濾餅，壓力沿層理面或裂縫面?zhèn)鬟f，裂開(kāi)的泥頁(yè)巖沿弱面剝落，最終井眼周?chē)貙拥膹?qiáng)度和硬度隨時(shí)間降低，造成進(jìn)一步坍塌。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬結(jié)果等進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，鉆井液及其濾液沿微裂縫和層理面的滲流是引起井下復(fù)雜的根本原因。

（2）兩組正交裂縫。F. J. Santarelli等［46］（1992）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)井壁失穩(wěn)最為嚴(yán)重井段的泥頁(yè)巖巖心分析發(fā)現(xiàn)，該井段地層巖心裂縫發(fā)育，且存在兩組裂縫，平均間距為2.5 cm×4 cm，裂縫或?yàn)榭障痘虮皇⒑头浇馐畛洌瑤缀醪缓蛎浶责ね恋V物，井壁失穩(wěn)的化學(xué)因素可以忽略。通過(guò)觀察巖心可以清晰地發(fā)現(xiàn)鉆井液沿裂縫侵入的痕跡，但巖石基體幾乎不可滲透，應(yīng)用UDEC離散元程序研究了該類(lèi)地層的井壁穩(wěn)定問(wèn)題。

該模型假設(shè)井周地層被一組間距為2.5 cm×4 cm的正交裂縫分割，克服了有限元、邊界元和有限差分等方法只能模擬小變形和非貫穿縫的缺陷，可定量計(jì)入巖石基體和裂縫的變形行為以及流體通過(guò)裂縫流動(dòng)的影響。但是，該模型只能模擬二維情況，且只能反映井壁失穩(wěn)初期的情況，對(duì)于模擬真實(shí)條件下3D裂縫性地層的井壁失穩(wěn)尚有一段距離。

通過(guò)數(shù)值模擬研究結(jié)果可知，鉆井液密度較小情況下，井周應(yīng)力集中造成徑向裂縫閉合，切向裂縫張開(kāi)，有效防止鉆井液沿裂縫的滲流，保持井壁穩(wěn)定，反之，鉆井液密度較高，徑向裂縫張開(kāi)，鉆井液沿正交裂縫流動(dòng)，裂縫中壓力變大，巖體變得松散，容易受循環(huán)的鉆井液沖蝕和底部鉆具組合擾動(dòng)的影響，加劇井壁失穩(wěn)。因此，對(duì)于裂縫性地層，提高鉆井液密度反而對(duì)維持井壁穩(wěn)定起到反作用，而降低鉆井液濾失以及增大鉆井液黏度能夠起到穩(wěn)定井壁的作用，另外通過(guò)建立濾餅，提高鉆井液的有效封堵，也有利于維持該類(lèi)地層的井壁穩(wěn)定。

（3）多組隨機(jī)裂縫。Xing Zhang［47］等（1999）假設(shè)地層中的裂縫分別為隨機(jī)龜裂裂縫和兩組排列裂縫，通過(guò)UDEC離散元方法建立了裂縫性巖體井壁穩(wěn)定數(shù)值計(jì)算模型。模型中考慮了裂縫性巖體的彈塑性變形。

Xing Zhang等人認(rèn)為裂縫巖體的變形是由巖石基體的變形和平行、垂直于裂縫的變形共同組成。破壞準(zhǔn)則上，巖塊采用彈塑性莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則進(jìn)行分析，裂縫采用彈塑性庫(kù)侖滑動(dòng)準(zhǔn)則進(jìn)行分析。模型中將裂縫作為巖塊之間的邊界條件，完全耦合巖體的力學(xué)與水力學(xué)行為，即裂縫滲透性取決于變形與位移，同時(shí)又影響流體壓力。對(duì)于裂縫巖體的流動(dòng)規(guī)律根據(jù)其接觸關(guān)系采用兩種模型，對(duì)于點(diǎn)接觸（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)線接觸）和線-線接觸分別采用不同的滲流模型，且裂縫張開(kāi)度是無(wú)正應(yīng)力作用下裂縫張開(kāi)度和正應(yīng)力作用下裂縫位移的函數(shù)。

劉志遠(yuǎn)等［48］（2014）、陳平等［49］（2014）以多弱面地層剪切破壞準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，建立了含多組弱面結(jié)構(gòu)泥頁(yè)巖的井壁穩(wěn)定分析模型，模型中忽略了滲流作用的影響，得出了弱面產(chǎn)狀、數(shù)量及相對(duì)位置等因素對(duì)坍塌壓力的影響規(guī)律。

（4）雙重孔隙介質(zhì)。Jincai Zhang等［50］（2003）將裂縫性地層等效成雙重孔隙介質(zhì)，并編制了有限元程序研究了裂縫性地層井壁穩(wěn)定性問(wèn)題。在雙重孔隙模型中，裂縫性巖體被認(rèn)為是由隨機(jī)分布的裂縫分割而成的許多多孔巖塊，因此，在裂縫巖體中，裂縫體系和基質(zhì)體系具有明顯不同的孔隙度和滲透率。總體的流體流動(dòng)主要在基質(zhì)周?chē)母邼B透率、低孔隙度的裂縫體系中進(jìn)行。在雙重孔隙介質(zhì)模型中，基質(zhì)與裂縫中的變形和流體流動(dòng)是完全耦合的，可建立雙重孔隙公式，采用有限元方法對(duì)耦合方程進(jìn)行求解。

V. Nguyen等［51］（2004）也采用雙重孔隙多孔介質(zhì)力學(xué)方法研究裂縫性地層中的井壁穩(wěn)定問(wèn)題。他們認(rèn)為裂縫性地層具有高度的不均一性，裂縫是一種低孔高滲的通道，傳統(tǒng)的單一孔隙方法無(wú)法模擬裂縫性地層中流體流動(dòng)與變形等復(fù)雜的關(guān)系。模型中假設(shè)巖石基質(zhì)和裂縫都是均質(zhì)、各向同性介質(zhì)，裂縫性地層的變形受有效應(yīng)力控制，但與單一孔隙不同，裂縫地層有2個(gè)不同的孔隙壓力場(chǎng)，因此具有2個(gè)不同的有效應(yīng)力。

4　滲流-應(yīng)力-化學(xué)耦合作用

Seepage-stress-chemical coupling

滲流-應(yīng)力-化學(xué)耦合作用下的井壁失穩(wěn)機(jī)理認(rèn)為，硬脆性泥頁(yè)巖基質(zhì)或裂縫充填物中含有活性黏土礦物，鉆井液及其濾液侵入裂縫，會(huì)與地層及裂隙填充物發(fā)生化學(xué)作用，在多場(chǎng)耦合作用下發(fā)生井壁失穩(wěn)。目前的研究主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段，以兩組裂縫和雙重孔隙介質(zhì)井壁穩(wěn)定數(shù)值分析模型為基礎(chǔ)，研究滲流-應(yīng)力-化學(xué)耦合作用下硬脆性泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)機(jī)理。

（1）兩組正交裂縫。X. Chen等人［52］（2003）應(yīng)用離散元（UDEC）程序研究了二維情況下，井壁滲流對(duì)裂縫性地層井壁穩(wěn)定性的影響，其建立的模型與Santarelli等建立的模型相似。X. Chen等人認(rèn)為，對(duì)于裂縫性巖體，鉆井液及其濾液侵入裂縫，一方面可能與地層及裂隙填充物發(fā)生化學(xué)作用，另一方面可能對(duì)裂縫起到潤(rùn)滑作用，兩方面共同作用造成裂縫內(nèi)摩擦角減少，井周地層更容易沿裂縫面發(fā)生破壞，惡化井壁穩(wěn)定。該模型假設(shè)裂縫性巖體的變形是由兩方面組成，一方面是巖體的變形，另一方面是平行于和垂直于裂縫的變形，巖石基體為堅(jiān)硬可變性介質(zhì)。

X. Chen等人利用UDEC程序進(jìn)行力學(xué)-水動(dòng)力學(xué)的全耦合計(jì)算，即孔隙壓力和裂縫的傳導(dǎo)率受裂縫變形的影響，反過(guò)來(lái)，裂縫的變形受裂縫中孔隙壓力的影響，同時(shí)，通過(guò)自定義的函數(shù)確定裂縫內(nèi)摩擦角隨鉆井液滲流的變化。對(duì)于裂縫中鉆井液及濾液的流動(dòng)，X. Chen等人認(rèn)為應(yīng)同時(shí)定量計(jì)入力學(xué)變形和孔隙壓力傳遞。對(duì)于給定的時(shí)間，裂縫中鉆井液及濾液的侵入程度由其流動(dòng)速率控制，假設(shè)其符合平板間黏性流體層流流動(dòng)。

鉆井液滲流對(duì)裂縫內(nèi)摩擦角的影響程度由鉆井液類(lèi)型和裂縫填充物的性質(zhì)決定，由于未獲得研究區(qū)域的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，X. Chen等人假設(shè)裂縫內(nèi)摩擦角降低幅度分別為不同的值，分析其對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響。

（2）雙重孔隙介質(zhì)。Nguyen等人［53］（2009）利用雙重孔隙模型研究了化學(xué)活性裂縫性泥頁(yè)巖的井壁穩(wěn)定性，計(jì)算中綜合考慮了時(shí)間相關(guān)性、基質(zhì)孔隙度和滲透率、裂縫孔隙度和滲透率及化學(xué)效應(yīng)的影響。通過(guò)在Arabian Gulf的鉆井實(shí)踐表明，鉆進(jìn)化學(xué)活性裂縫性地層時(shí)往往發(fā)生與時(shí)間相關(guān)的井壁穩(wěn)定問(wèn)題。該類(lèi)地層不僅存在宏觀層理面而且有大量自然存在的微觀裂縫賦存其中。裂縫的存在不僅造成地層強(qiáng)度弱化，而且還為低滲透巖石提供了高滲透率的流動(dòng)通道。

由于化學(xué)活性裂縫性泥頁(yè)巖無(wú)法取得常規(guī)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)所需要的巖心，Nguyen等應(yīng)用Oklahoma大學(xué)新設(shè)計(jì)的一種室內(nèi)巖石力學(xué)性能測(cè)試裝置Inclined Direct Shear Testing Device（IDSTD）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。與常規(guī)裝置要求的標(biāo)準(zhǔn)巖心為25.4 mm×50.8 mm或50.8 mm×101.6 mm不同，該裝置可對(duì)小巖樣進(jìn)行測(cè)試，而且還可將巖心與不同的鉆井液接觸，測(cè)試不同循環(huán)時(shí)間下活性裂縫性泥頁(yè)巖強(qiáng)度參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。

對(duì)于耦合化學(xué)作用影響的時(shí)間相關(guān)的雙重孔隙、雙重滲透率模型，即雙重孔隙-化學(xué)-彈性模型，裂縫的存在對(duì)井壁穩(wěn)定有較大影響。巖體中存在的裂縫，一方面造成巖石強(qiáng)度弱化，另一方面成為流體流動(dòng)和擴(kuò)散的主要通道。據(jù)估計(jì)，68 m3的巖石中大約有500萬(wàn)個(gè)微裂縫，由于其數(shù)量巨大，無(wú)法在計(jì)算中精確計(jì)入，因此雙重孔隙模型中忽略單個(gè)裂縫的長(zhǎng)度和寬度，而由次生孔隙連續(xù)介質(zhì)取代，巖石基質(zhì)和裂縫作為獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)中流體的流動(dòng)均符合達(dá)西定律，由于多孔介質(zhì)中的達(dá)西流雷諾數(shù)較小，不需要考慮非線性流動(dòng)，其流動(dòng)規(guī)律可用線性達(dá)西定律表示。

對(duì)于雙重孔隙介質(zhì)的有效應(yīng)力準(zhǔn)則，需要定量計(jì)入裂縫和鉆井液化學(xué)鹽度的影響?；诖耍琋guyen等建立了時(shí)間相關(guān)的井壁穩(wěn)定計(jì)算方法，其主要參數(shù)是裂縫的滲透率和巖石整體的壓縮系數(shù)，因?yàn)樗刂浦芽p性巖石的流體流動(dòng)和變形特征。

5　結(jié)論

Conclusions

（1）硬脆性泥頁(yè)巖基質(zhì)和裂縫充填物中是否含活性黏土礦物是影響井壁穩(wěn)定分析的關(guān)鍵因素。不同活性黏土礦物含量條件下，鉆井液及濾液侵入硬脆性泥頁(yè)巖內(nèi)部裂縫對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律認(rèn)識(shí)不清，尚未獲得定量研究結(jié)果。

（2）硬脆性泥頁(yè)巖宏觀層理、微觀裂縫等弱面發(fā)育，弱面的描述和建模困難，目前僅可進(jìn)行特定條件下的建模分析，無(wú)法真實(shí)反映其內(nèi)部真實(shí)結(jié)構(gòu)特征。

（3）硬脆性泥頁(yè)巖完整巖心獲取困難，圍壓條件下破壞機(jī)制復(fù)雜，從微觀角度描述多場(chǎng)耦合作用下硬脆性泥頁(yè)巖裂縫擴(kuò)展連通導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的漸進(jìn)過(guò)程，揭示井壁失穩(wěn)機(jī)理及主控因素將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

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（修改稿收到日期 2016-03-30）

〔編輯 薛改珍〕

Research progress of wellbore stability in hard brittle shale

ZHAO Kai1， FAN Yongjie2， YU Bo2， HAN Jiyong1， XU Yonghua1， GAO Shihui1
1. College of Petroleum Engineering， Xi’an Shiyou Uniνersity， Xi’an， Shaanxi 710065， China； 2. Oil Production Technology Research Department，No.3 Oil Production Plant， Changqing Oilfield Company， CNPC， Yinchuan， Ningxia 750006， China

Wellbore instability in hard brittle shale is a key problem restricting the effective development of deep resources and unconventional resources （e.g. shale gas）. In this regard， this paper presents the basic analysis methods of wellbore stability under three scenarios （i.e. mechanics， stress-seepage coupling and seepage-stress-chemical coupling） and their application conditions， with consideration to the features， composition and structure of hard brittle shale. This paper also discusses four mechanical instability mechanisms of hard brittle shale， the driving action for drilling fluid invading into fractures， the strength weakening mechanism with and without active clay mineral， and the calculation model for wellbore stability with different forms of fractures. It is concluded that the key factors influencing wellbore stability analysis are the existence of active clay minerals in hard brittle shale matrix and fracture fillings and the fracture distribution laws. Microscopic description of the progressive wellbore instability process which is induced by propagation and connection of fractures in hard brittle shale under the action of multiple-field coupling will become a hotspot and difficulty in future research.

hard brittle； shale； wellbore stability； research progress

趙凱（1986-），2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，2013年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣井工程專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位，主要從事井壁穩(wěn)定方面的研究。通訊地址：（710065）陜西省西安市電子二路東段18號(hào)西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院。E-mail：zkaiup@126.com構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及高溫高壓環(huán)境的影響，泥頁(yè)巖中裂縫發(fā)育、性質(zhì)硬脆，鉆井過(guò)程中井筒失穩(wěn)問(wèn)題嚴(yán)重，傳統(tǒng)的針對(duì)各向同性孔隙彈性完整性地層的井壁穩(wěn)定研究方法已無(wú)法解決該類(lèi)問(wèn)題，嚴(yán)重制約了深層油氣資源和頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源的有效開(kāi)發(fā)［5-8］。基于此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從硬脆性泥頁(yè)巖的基本力學(xué)特征出發(fā)，探索出了一系列有益的研究理論。

TE21

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0277- 09

10.13639/j.odpt.2016.03.001

ZHAO Kai， FAN Yongjie， YU Bo， HAN Jiyong， XU Yonghua， GAO Shihui. Research progress of wellbore stability in hard brittle shale［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（3）: 277-285.

陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目“頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水平井井壁失穩(wěn)機(jī)理研究” （編號(hào)：14JK1583）；西安石油大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目“多結(jié)構(gòu)面地層井筒失穩(wěn)控制理論及方法研究” （編號(hào)：2014BS02）。

引用格式：趙凱，樊勇杰，于波，韓繼勇，許永華，高詩(shī)惠. 硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定研究進(jìn)展［J］.石油鉆采工藝，2016，38（3）：277-285.