耿殿棟，亓憲寅,2，付 鵬，王勝偉，柯 婷

（1.長江大學 城市建設(shè)學院,湖北 荊州 434023；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071）

0 引言

近年來隨著我國非常規(guī)油氣開采規(guī)模和商業(yè)化程度的提高，在油氣藏開發(fā)領(lǐng)域中基礎(chǔ)理論的研究愈發(fā)受到重視。泥頁巖作為非常規(guī)油氣的重要儲層，其物理力學性質(zhì)的研究一直是研究的熱點問題之一[1]。泥頁巖是一種沉積巖，有結(jié)構(gòu)復雜、微裂縫發(fā)育等特點[2-3]。在油氣鉆探過程中，鉆井液的侵入會對泥頁巖造成一定的弱化作用，促使微裂縫沿地層繼續(xù)延伸和擴張，形成復雜的裂縫網(wǎng)絡，降低巖體強度，影響泥頁巖井壁的穩(wěn)定性，甚至出現(xiàn)井眼坍塌裂解或漏失等鉆井事故，給油氣工業(yè)造成了大量的經(jīng)濟損失[4-5]。

關(guān)于鉆井液對巖石的弱化影響，有學者[6-9]針對水基鉆井液進行了分析研究：如劉向君等[6]研究了水基鉆井液對泥頁巖的弱化效應，分析了水化對地層井周應力分布狀態(tài)的影響；DOKHANI 等[7]指出弱面的存在是導致頁巖井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，黏土礦物與水基鉆井液的作用影響頁巖井壁的早期穩(wěn)定性；盧運虎等[8]通過對水基鉆井液浸泡下深部泥巖進行室內(nèi)試驗分析得出鉆井液濾液的滲入會影響巖石裂縫的縫尖應力強度因子及臨界斷裂韌性，從而弱化巖石強度；閆傳梁等[9]采用三軸試驗和直剪試驗分別研究了鉆井液對頁巖基質(zhì)和層理面強度的影響，得出水基鉆井液主要影響層理面強度。也有部分學者[10-12]針對油基鉆井液進行了深入研究：ZHEN等[10]從化學侵蝕及力學損傷的角度分析了油基鉆井液對巖石力學特性的影響；康毅力等[11]開展了油基鉆井完井液與頁巖強度的力學試驗，利用脆性指數(shù)模型表征了頁巖的脆性變化機制，指出油基鉆井液對頁巖的脆性影響更大。梁大川等[12]通過研究油基鉆井液和泥頁巖間的傳遞和相互作用及其對井眼穩(wěn)定性的影響，得出水力壓差和化學勢差是泥頁巖弱化的主要因素。以上分析表明，國內(nèi)外針對鉆井液對巖石弱化機理的研究多是在單一浸泡體系下進行的；目前不同鉆井液浸泡下巖石力學特性的對比試驗研究還較為欠缺，適用于不同鉆井液浸泡環(huán)境下的巖石損傷本構(gòu)模型還有待總結(jié)。

針對以上問題，筆者以南堡泥頁巖為研究對象，通過控制浸泡體系，浸泡時長等條件，對泥頁巖進行室內(nèi)力學試驗，研究不同鉆井液弱化作用對泥頁巖抗壓強度及其相應參數(shù)的影響，分析得出泥頁巖在鉆井液浸泡情況下的力學特性；基于試驗力學參數(shù)提出了在不同鉆井液弱化作用下泥頁巖的彈性模量隨浸泡時間演化的預測模型；以此為基礎(chǔ)進一步得出了泥頁巖在鉆井液弱化作用下的損傷本構(gòu)模型，此模型對石油鉆井與開采過程中鉆井液的設(shè)計及井壁穩(wěn)定問題具有一定的指導意義。

1 泥頁巖組分及微觀結(jié)構(gòu)分析

1.1 XRD 組分結(jié)構(gòu)分析

試驗所用巖心取自南堡L 號構(gòu)造的東二街組，取樣位置為渤海灣盆地黃驊坳陷北部的南堡凹陷。采用X 射線衍射法對不同層位試樣進行X-Ray Diffraction（XRD）礦物組分分析測試，結(jié)果如圖1 所示。由圖1a 可知，該段泥頁巖所含礦物組分以黏土、石英 為主，同時不同程度發(fā)育有長石、白云石、方解石等。其中作為該段主要的脆性礦物，石英相對含量為27.27%～41.40%，平均值為33.79%，脆性礦物會使巖石在外力作用下，更易形成天然裂隙和誘導裂隙，是影響泥頁巖孔隙、微裂縫發(fā)育程度的重要因素之一。與此同時該段泥頁巖中黏土相對含量為37.64%～52.03%，平均值為44.41%，黏土礦物遇水易水化膨脹，是巖石劣化損傷的關(guān)鍵因素之一，易誘發(fā)井壁失穩(wěn)。由于不同黏土礦物的水化膨脹性不同，因此需針對黏土礦物做進一步的分析，結(jié)果如圖1b所示。

圖1 XRD 全巖礦物組分Fig.1 XRD analysis of whole rock mineral composition

結(jié)果表明巖樣中黏土礦物以伊利石為主，并混有一定伊/蒙夾層，其中伊利石相對含量為40.32%～64.77%，平均值為56.83%。在浸泡條件下，鉆井液中的水分子會與伊利石結(jié)合，在其表面形成一層水化膜，使其表面水化，導致泥頁巖中的孔隙、裂縫膨脹延伸，進而誘發(fā)井壁失穩(wěn)。因此，對該地層進行鉆井液設(shè)計及井壁性能優(yōu)化時，需要考慮鉆井液對井壁巖石的弱化作用。

1.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

除組分結(jié)構(gòu)外，泥頁巖中微裂縫的發(fā)育程度、開度大小同樣會誘發(fā)水力劈裂作用，加劇地層巖石破碎，進而影響到泥頁巖井壁的穩(wěn)定性[13]。采用環(huán)境掃描電鏡可有效觀察研究泥頁巖內(nèi)部黏土礦物的定向排列、膠結(jié)結(jié)構(gòu)及微裂縫分布等微觀結(jié)構(gòu)。經(jīng)掃描電鏡分析L 號構(gòu)造東二街組泥頁巖黏土礦物的微觀結(jié)構(gòu)、賦存形態(tài)及孔喉發(fā)育特征，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 L-55 井泥頁巖掃描電鏡圖Fig.2 Scanning Electron Microscope image of mud shale in Well L-55

由圖2 可知：該段泥頁巖層理和微裂隙發(fā)育，泥頁巖易沿微裂縫、層理面發(fā)生破壞；尤其是在微裂隙發(fā)育程度高、構(gòu)造應力集中的部位，更為鉆井液的侵入提供了通道條件，在外界作用下極易發(fā)生泥頁巖的破裂和剝落，導致井壁失穩(wěn)破壞。同時，分析微觀結(jié)構(gòu)可知該段泥頁巖結(jié)構(gòu)較為致密，滲透率較低，這使得鉆井液經(jīng)微裂縫侵入地層的過程相對緩慢，泥頁巖不會快速軟化膨脹。因此有必要就鉆井液浸泡條件下，浸泡時間對泥頁巖結(jié)構(gòu)及強度特性的影響進行深入研究。

2 不同鉆井液浸泡作用下泥頁巖的力學特性試驗

2.1 巖樣制備及試驗方案

由泥頁巖組分結(jié)構(gòu)分析可知，該巖層主體黏土含量較高，具有水敏性；脆性礦物豐富，微裂縫分布密集。因此，針對該段泥頁巖的理化特性，取芯的鉆頭采用液氮冷卻，成功取心后將其兩端切片，在液氮條件下將巖芯柱斷面打磨平整。

在試樣制備時，為了降低各向異性對巖樣軸向變形的影響，結(jié)合原巖層實際應力情況，需沿層理面鉆取?50 mm×100 mm 的標準圓柱試樣[14]，試件兩端面不平整度誤差不超過0.5 mm，直徑誤差不超過0.3 mm，巖樣制備流程如圖3a 所示。

圖3 巖樣制備及單軸壓縮試驗設(shè)備Fig.3 Rock sample preparation and uniaxial compression experimental equipment

試驗前先將制備的標準巖樣進行烘干處理，避免巖樣本身的含水率對試驗結(jié)果造成影響。依據(jù)外觀、尺寸、密度等條件把巖樣分為6 組，每組8 個。將6 組巖樣分別置于水基鉆井液（SH-1,2,3 組）和油基鉆井液（UH-1,2,3 組）環(huán)境中浸泡，對每組的8 個巖樣分別進行8 種時間梯度（0、2、4、8、12、16、20、24 d）的浸泡處理，并及時在單軸應力測試系統(tǒng)設(shè)備（圖3b）下通過位移控制加載模式進行試驗，通過分析深層泥頁巖的力學特性及水化特征，探究不同鉆井液對泥頁巖水化作用的影響。

2.2 不同鉆井液浸泡作用下泥頁巖力學特性分析

觀察在不同浸泡體系、不同浸泡時間下的巖樣外觀特征（圖4）并進一步分析得：在試驗浸泡初期，油基鉆井液中浸泡的巖樣在宏觀上無明顯變化；浸泡至第12 天，部分巖樣表面開始出現(xiàn)少量裂紋，并隨著浸泡時間的延長巖樣表面的裂紋略有擴張。而水基鉆井液中浸泡的巖樣在浸泡初期就表現(xiàn)出輕微的膨脹軟化現(xiàn)象，巖樣質(zhì)量略有增加，表面的細小裂紋不斷發(fā)育分叉、擴張；浸泡至24 d 后，表面巖層剝落嚴重，但依舊保留有一定強度。

圖4 不同浸泡條件下的巖樣對比Fig.4 Comparison of samples under different drilling fluids immersion

對不同浸泡體系下的巖樣進行單軸壓縮試驗，其應力-應變曲線如圖5 所示。在加載初期應力-應變曲線斜率較小，巖樣所受軸向應力隨應變增長緩慢，曲線由孔隙壓縮階段逐漸過渡到彈性變形階段，之后曲線整體呈“彈-塑型”，這說明泥頁巖含有的孔隙、裂隙較多，巖樣結(jié)構(gòu)較為松散。在同一浸泡體系下，隨著浸泡時間的增加巖樣的應力-應變曲線表現(xiàn)出孔隙壓縮段的延長，峰值強度降低，峰后強度跌落速度放緩等一系列延性特征，這說明泥頁巖在鉆井液弱化作用下其力學特性由脆性逐漸向延性演化[15]。在不同浸泡體系下，經(jīng)水基鉆井液浸泡后的巖樣抗壓強度明顯降低，應力-應變曲線中的孔隙壓縮階段、屈服階段顯著延長，這是由于在水化作用下巖樣內(nèi)部的孔隙、裂隙、微裂紋在不斷擴展，孔隙率增大，導致巖樣致密程度降低，脆性減弱，延性增強，因此曲線表現(xiàn)出了明顯的塑性特征。而經(jīng)油基鉆井液浸泡的巖樣其應力-應變曲線走勢更偏向于未浸泡巖樣，其孔隙壓縮段更短，曲線峰后跌落趨勢更快。

圖5 不同鉆井液浸泡下泥頁巖的應力-應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of shale soaked under different drilling fluids immersion

通過泥頁巖的單軸壓縮試驗可以得到峰值強度、彈性模量、泊松比等一系列力學參數(shù)，各組數(shù)據(jù)如圖6—圖8 所示。在浸泡條件下，巖樣的峰值強度和彈性模量均呈下降趨勢，且在水基鉆井液中浸泡的巖樣下降速率更快，在24 d 內(nèi)其彈性模量和峰值強度分別降低了41.45%和56.51%；而經(jīng)油基鉆井液浸泡的巖樣下降幅度一開始較為平緩，15 d 后下降幅度逐漸變快，在24 d 內(nèi)其彈性模量和峰值強度分別降低了28.29%和45.91%。巖樣的泊松比隨浸泡時間的延長略有增長，但在不同鉆井液浸泡下巖樣的泊松比區(qū)別并不明顯。

圖6 不同鉆井液浸泡下泥頁巖的峰值強度變化規(guī)律Fig.6 Rule of peak strength of mud shale under different drilling fluids immersion

圖7 不同鉆井液浸泡下泥頁巖的彈性模量變化規(guī)律Fig.7 Rule of elastic modulus of mud shale under different drilling fluids immersion

圖8 不同鉆井液浸泡下泥頁巖的泊松比變化規(guī)律Fig.8 Rule of Poisson's ratio of mud shale under different drilling fluids immersion

不同鉆井液浸泡下巖樣力學參數(shù)的差異表明，經(jīng)油基鉆井液浸泡后的泥頁巖強度損失更小。這是由于水基鉆井液含水率高，水化作用會直接影響到巖樣強度，使得力學參數(shù)整體呈現(xiàn)快速下降趨勢[16]。而油基鉆井液密度大，且連續(xù)相為油相，對水化作用具有抑制性，僅有小部分內(nèi)相鹽水中的自由水會向泥頁巖內(nèi)部遷移，造成少量黏土礦物的水化運移，輕微影響到巖樣強度，因此油基鉆井液可以有效降低水化作用對泥頁巖層的影響。但隨著浸泡時間的延長，在水力壓差、毛細管作用、化學滲透壓等作用下，油基鉆井液同樣會沿泥頁巖層理或微裂縫發(fā)育部位侵入巖樣內(nèi)部，造成孔隙壓力的上升；同時油相的滲入作用會導致孔隙及微裂縫的開裂、擴展、分叉、再擴展，同樣會對巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，最終表現(xiàn)為浸泡后期泥頁巖力學參數(shù)的削弱[17]。通過對上述試驗數(shù)據(jù)的分析可知，彈性模量、峰值強度等力學參數(shù)與浸泡時間之間存在相應的量化關(guān)系，這可為后續(xù)的數(shù)值模擬提供理論支持。

2.3 基于不同鉆井液弱化作用下泥頁巖的力學參數(shù)預測模型

關(guān)于巖石浸泡時間與力學參數(shù)關(guān)系的擬合，黃智剛等[18]采用線性函數(shù)得出了頁巖彈性模量與浸水時間的關(guān)系；凌斯祥等[19]以指數(shù)型函數(shù)來擬合巖石模量與浸泡時間之間的關(guān)系。鑒于此，筆者基于圖7的各組數(shù)據(jù)，選用不同方程對巖樣彈性模量隨浸泡時間的變化規(guī)律進行擬合總結(jié)，結(jié)果見表1。

表1 不同擬合曲線方程分析Table 1 Analysis of different fitting curve equations

由擬合方程分析得，表1 中方程3 與試驗數(shù)據(jù)擬合度高，所含參數(shù)少且有明確的物理意義。因此選用方程3 對水基鉆井液浸泡下泥頁巖的彈性模量變化規(guī)律進行擬合，擬合結(jié)果如圖9 所示。在水基鉆井液浸泡下巖樣彈性模量與浸泡時間關(guān)系的預測模型為

圖9 泥頁巖彈性模量隨浸泡時間的演化Fig.9 Evolution of elastic modulus of mud shale with immersion time

式中：t為浸泡時間，d；Et為浸泡t天時泥頁巖的彈性模量，MPa；E0為未浸泡狀態(tài)下泥頁巖的彈性模量，MPa；a為水基鉆井液浸泡對巖樣的弱化系數(shù)。

由于泥頁巖在不同鉆井液浸泡下的變化規(guī)律存在差異[20]，因此在擬合油基鉆井液浸泡下巖樣彈性模量與浸泡時間關(guān)系曲線時，在式(1)的基礎(chǔ)上結(jié)合油基鉆井液浸泡下巖樣彈性模量的變化趨勢特征，得出類似的預測模型為

式中：b為油基鉆井液浸泡對巖樣的弱化系數(shù)。

如圖10 所示，為進一步驗證預測模型的合理性，采用了賈利春等[21]對不同鉆井液浸泡的頁巖單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果顯示頁巖的彈性模量隨浸泡時間的增加而減小，且在不同鉆井液浸泡下巖樣彈性模量的變化趨勢與上文試驗的分析結(jié)果一致。擬合結(jié)果顯示本文所提出的模型具備相當?shù)暮侠硇裕蔀椴煌@井液浸泡下巖樣的彈性模量演化預測提供可靠的理論依據(jù)。

圖10 JIA 試驗彈性模量隨浸泡時間的演化[21]Fig.10 Evolution of elastic modulus with immersion time in JIA’s experiments[21]

3 鉆井液弱化作用下泥頁巖的損傷本構(gòu)模型

3.1 鉆井液弱化作用下的泥頁巖損傷本構(gòu)關(guān)系

當巖石受鉆井液弱化作用影響時，由于水化等劣化因素的持續(xù)作用，巖石損傷會逐漸累積。而鉆井液弱化損傷主要通過影響巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)來影響巖石力學參數(shù)[22]。因此，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學中提出的彈性模量法，鉆井液弱化引起的損傷因子可定義為

式中：Dt為浸泡時間t天時的損傷變量。

基于等效應變原理，假設(shè)巖石內(nèi)部損傷是各向同性的[23]，材料在單軸加載下的損傷本構(gòu)方程基本形式為

式中：ε、D分別為巖石不同狀態(tài)下的應變變量和損傷變量；為巖石的有效應力，MPa；σ*、E*分別為未損傷巖石的應力和彈性模量，MPa。

根據(jù)ZHANG 等[24]對等效應變原理的推廣研究，當巖石受到外力作用或環(huán)境變化時，任意取兩種損傷狀態(tài)，第一損傷狀態(tài)的有效應力對第二損傷狀態(tài)引起的應變等效于第二損傷狀態(tài)的有效應力對第一損傷狀態(tài)引起的應變。將巖石的初始損傷狀態(tài)定義為第一損傷狀態(tài)，鉆井液弱化后的損傷狀態(tài)定義為第二損傷狀態(tài)，式(4)可以推廣為

式中：σt、εt分別為浸泡時間t天時的應力和應變。

同理，將鉆井液弱化后的損傷狀態(tài)定義為第一損傷狀態(tài)，鉆井液弱化后再經(jīng)過單軸加載的損傷狀態(tài)定義為第二損傷狀態(tài)，則等效應變原理可進一步推廣為

式中：Dm為單軸加載所引起的損傷變量；σ、ε為同時考慮鉆井液弱化作用和單軸加載作用的應力、應變。

類比式(5)、式(6)，依據(jù)等效應變原理對先經(jīng)過鉆井液浸泡，再進行單軸加載的巖樣進行全過程推廣，其本構(gòu)關(guān)系為

式中：Dw為同時考慮鉆井液弱化作用和單軸加載的損傷變量。

根據(jù)式(3)、式(6)和式(7)得，泥頁巖在鉆井液弱化作用和單軸加載的耦合作用下的損傷變量Dw可定義為

由式(8)可知，巖石的整體損傷變量由鉆井液弱化損傷和單軸加載的損傷以及兩者之間的耦合作用組成。因此，損傷變量呈現(xiàn)典型的非線性特征[25]。此外，由于耦合項前存在負號，鉆井液弱化與單軸加載的耦合作用實際上削弱了巖石的總損傷。

3.2 鉆井液弱化作用下的泥頁巖損傷演化模型

公式(8)是在假設(shè)巖石內(nèi)部損傷是各向同性的基礎(chǔ)上推導得出的。但事實上，巖石作為一種非均質(zhì)材料是各向異性的，其內(nèi)部的微裂紋、孔隙等微觀缺陷的產(chǎn)生都是隨機分布的[26]。而不同缺陷對巖石力學特性的影響可能會有差異，這使得巖石強度的差異具有隨機性，為了從細觀尺度描述巖石的各向異性，采用Weibull 統(tǒng)計分布理論來描述隨機分布[27]。因此，巖石微單元破壞的概率密度函數(shù)可以表示為

式中：m、F為分布函數(shù)的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，可由試驗數(shù)據(jù)擬合得到。

若將巖石單軸加載引起的損傷變量Dm定義為失效微單元數(shù)Nf與總微單元數(shù)N的比值，則可以得到

結(jié)合式(3)、式(8)和(10)最終得到鉆井液弱化和單軸加載共同作用下泥頁巖的總損傷變量為

基于連續(xù)損傷力學，將公式(11)代入式(7)表示泥頁巖在鉆井液弱化和單軸加載共同作用下的應力-應變關(guān)系，則有

如圖5 所示，在試驗得到的泥頁巖應力-應變曲線中存在孔隙壓縮階段，尤其在長時間的鉆井液浸泡下更加明顯；在該階段隨著應變的增加曲線斜率也在增大，曲線呈下凹型。為更準確地模擬泥頁巖的應力-應變關(guān)系，需在模型中考慮孔隙壓縮階段。

在鉆井液弱化和單軸加載共同作用下，泥頁巖整體的應力-應變關(guān)系可以分為孔隙壓縮階段前后兩段進行描述，因此假設(shè)應力-應變曲線中孔隙壓縮階段終點的應力、應變分別為σc、εc，則：

式中：m1、F1分別為在孔隙壓縮階段，分布函數(shù)隨鉆井液浸泡時間t變化的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)；m2、F2分別為除孔隙壓縮階段外，分布函數(shù)隨鉆井液浸泡時間t變化的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)。

根據(jù)以往的研究，在單軸壓縮試驗的孔隙壓縮階段，巖樣內(nèi)部孔隙體積逐漸減小，原始微裂紋趨于閉合，導致該階段微裂紋擴展不明顯。此外，從統(tǒng)計損傷力學的角度認為巖石損傷是巖石內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生、擴展和合并的過程。因此，可以近似地認為在孔隙壓縮階段巖樣沒有損傷積累，在此階段損傷變量可以視為常數(shù)?？傻每倐ψ兞繛?/p>

式(14)即為鉆井液弱化和單軸加載共同作用下泥頁巖的損傷變量。但由于其中m1、F1、m2、F2等參數(shù)還未確定，該結(jié)果還無法應用于泥頁巖損傷的定量分析。已知在單軸壓縮過程中應力-應變曲線的峰值強度點處的斜率為0，因此可以引入峰值強度來確定這些參數(shù)。假設(shè)峰值強度點的應力、應變分別為σp、εp，則代入式(13)得：

在式(13)中兩應力-應變方程均通過孔隙壓縮階段終點(εp,σp)，且斜率相同。將該點分別代入兩方程，求導并聯(lián)立可得：

由式(13)和式(18)解得：

綜上可知，鉆井液弱化和單軸加載共同作用下泥頁巖的損傷變量與鉆井液經(jīng)時間t浸泡后的彈性模量Et、孔隙壓縮階段終點的應力σc和應變εc、峰值強度點的應力σp和應變εp有關(guān)。

3.3 損傷模型驗證及結(jié)果分析

為驗證式(14)中損傷模型的合理性，將模型通過程序嵌入到MATLAB 軟件中，擬合得出了不同浸泡時間下，巖樣在兩種鉆井液中的損傷-應變曲線，如圖11 所示。

圖11 不同鉆井液浸泡下泥頁巖的應變-損傷曲線Fig.11 Strain-damage curves of mud shale under different drilling fluids immersion

由圖11 可知由于浸泡環(huán)境及時間的影響，巖樣的初始損傷不同。泥頁巖在鉆井液中浸泡時間越長，巖樣的初始損傷值越大。在相同浸泡時間內(nèi)，水基鉆井液中的巖樣比油基鉆井液中的巖樣初始損傷積累的更快；同樣浸泡24 d 后，油基鉆井液中巖樣的初始損傷為0.265，而水基鉆井液中的巖樣初始損傷高達0.392，比油基鉆井液浸泡下的巖樣高出了32.40%；充分說明水基鉆井液對泥頁巖結(jié)構(gòu)的破壞作用更加明顯。對巖樣進行單軸壓縮試驗時，在孔隙壓縮階段泥頁巖內(nèi)部的微裂縫、孔隙逐漸減小至閉合，這一階段內(nèi)巖樣損傷很小，假設(shè)其恒定為常數(shù)；隨后在繼續(xù)單軸加載過程中，巖樣內(nèi)原始微裂縫開始擴張，新的微裂縫開始分裂，巖樣的損傷迅速積累和增長[28]；隨著孔隙及微裂縫的開裂、擴展、分叉、再擴展，直至宏觀裂紋出現(xiàn)，巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，當巖樣破壞完全時，其損傷變量接近1.0。

表2 為不同鉆井液浸泡下巖樣的試驗數(shù)據(jù)及模型參數(shù)。結(jié)合式(13)、式(14)分析，在孔隙壓縮階段，即(ε ≤ εc)時，形狀參數(shù)m1的范圍在1.146～1.318之間，總體變化不大，因此在該段巖石的力學性質(zhì)由參數(shù)Et主導，又由式(1)、式(2)可知Et是由鉆井液的種類及浸泡時間t所決定的，因此在孔隙壓縮階段更多表征出的是不同鉆井液、不同浸泡時間對泥頁巖力學特性的弱化規(guī)律，即初始損傷的影響；在其余階段，即(ε ＞ εc)時，形狀參數(shù)m2的變化范圍在1.684～8.097，變化幅度較大，因此該階段所表現(xiàn)出的力學特性受鉆井液弱化及單軸加載作用的耦合影響，而損傷的累積大部分由單軸加載提供，且形狀參數(shù)m2越大對應的應變-損傷曲線越陡，損傷累積越快。

表2 不同鉆井液浸泡下巖樣的試驗數(shù)據(jù)及模型參數(shù)Table 2 Experimental data and model parameters of rock samples under different drilling fluids immersion

圖12 為水基鉆井液和油基鉆井液弱化作用下泥頁巖損傷演化模型數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的應力-應變曲線對比，由圖可知本損傷本構(gòu)模型能夠有效描述在不同浸泡時間下巖樣單軸壓縮試驗曲線的特征，且還原精度高達90%以上；同時本損傷模型還考慮了初始孔隙壓縮階段，使得模型曲線在孔隙壓縮階段的應力-應變曲線更加符合試驗數(shù)據(jù)，大幅提高了模型的準確性。雖然損傷模型的擬合曲線在部分浸泡時間段內(nèi)其峰后破壞階段的跌落幅度與試驗數(shù)據(jù)存在一定的差異，但整體跌落趨勢一致，說明所建立的損傷模型對峰后破壞階段也可以進行較好的描述。所以，上文建立的損傷本構(gòu)模型較為全面的表征了泥頁巖在鉆井液弱化效應及單軸加載作用下巖樣的應力-應變曲線特征。

圖12 不同鉆井液浸泡下試驗與模擬結(jié)果的應力-應變曲線Fig.12 Stress-strain curves of experimental and simulated results under different drilling fluids immersion

4 結(jié)論

1）在不同鉆井液的浸泡作用下，泥頁巖的抗壓強度、彈性模量等力學特性均被削弱。與油基鉆井液相比水基鉆井液對巖樣強度的弱化作用更加顯著；經(jīng)過24 d 浸泡后水基鉆井液中巖樣抗壓強度降低了56.51%，而油基鉆井液中的巖樣抗壓強度降低了45.91%。在鉆井液浸泡作用下巖樣的力學特性由脆性向延性轉(zhuǎn)化。

2）通過擬合不同鉆井液弱化作用下泥頁巖的力學參數(shù)變化趨勢，分別得出了水基鉆井液和油基鉆井液浸泡后巖樣的彈性模量Et關(guān)于浸泡時間變化的預測模型。

3）提出的鉆井液弱化和單軸加載共同作用下泥頁巖的損傷變量演化模型，通過不同鉆井液浸泡下的彈性模量Et反映了不同鉆井液對于泥頁巖的損傷程度，同時結(jié)合Weibull 統(tǒng)計分布理論推導的泥頁巖損傷本構(gòu)模型較好的還原了鉆井液浸泡后單軸加載條件下的泥頁巖全應力應變變化曲線。由損傷曲線可知，油基鉆井液和水基鉆井液的弱化作用對巖樣的初始損傷隨浸泡時間的增加而增大，且水基鉆井液浸泡后的巖樣初始損傷更大。