硬脆性泥頁巖井壁穩定研究進展

趙凱樊勇杰于波韓繼勇許永華高詩惠

1. 西安石油大學石油工程學院；2. 長慶油田公司第三采油廠采油工藝研究所

鉆井完井

硬脆性泥頁巖井壁穩定研究進展

趙凱1樊勇杰2于波2韓繼勇1許永華1高詩惠1

1. 西安石油大學石油工程學院；2. 長慶油田公司第三采油廠采油工藝研究所

硬脆性泥頁巖的井壁失穩是制約深層油氣資源和頁巖氣等非常規油氣資源有效開發的關鍵問題。基于此，從硬脆性泥頁巖的基本特征出發，根據其組成成分和結構特征的差異，總結了純力學、滲流-應力耦合和滲流-應力-化學耦合3種井壁穩定基本分析方法及各自適用條件。研究了硬脆性泥頁巖4種力學失穩機制、鉆井液侵入裂縫的驅動作用、存在和不存在活性黏土礦物情況下強度弱化機制以及不同裂縫形式下的井壁穩定計算模型。指出硬脆性泥頁巖基質和裂縫充填物中是否含活性黏土礦物及裂縫的分布規律是影響井壁穩定分析的關鍵因素，從微觀角度描述多場耦合作用下硬脆性泥頁巖裂縫擴展連通導致井壁失穩的漸進過程將成為未來研究的熱點和難點。

硬脆性；泥頁巖；井壁穩定；研究進展

近年來，世界經濟迅猛發展，全球油氣資源需求大幅度增加，能源供求危機日益增大，深層油氣資源和頁巖氣等非常規油氣資源的開發成為解決能源供求矛盾的有效途徑［1-4］。但是由于深層復雜的地質

1　基本特征

Basic features

Darley［9］（1969）曾根據硬脆性泥頁巖與水作用前后的表觀特征對其硬脆性泥頁巖作了定義，認為“硬脆性泥頁巖是這樣一種頁巖，當從巖心筒中取出時，顯得相當堅固和完整，但置于水中時則散為碎片，而這些碎片在水中既不變軟，也不膨脹”。單純從這種角度來定義硬脆性泥頁巖顯然不夠充分，有學者根據巖石的變形破壞特征對硬脆性進行了評價，《巖土工程勘察規范》（GB 50021—2001）中規定巖石的飽和單軸抗壓強度大于30 MPa時為硬巖，脆性則是指材料在外力作用下產生很小的變形即破壞斷裂的性質，一般認為巖石的不可恢復應變小于3%時具有脆性特征［10］，頁巖氣的開發使脆性的研究逐漸受到重視，目前已形成全應力-應變曲線評價法、礦物組分三元圖評價法、硬度評價法、抗拉抗壓強度比值評價法等多種方法對頁巖脆性定量評價［11-15］。由于硬脆性泥頁巖的脆性斷裂特征，加之地下復雜的地質運動、沉積作用及脫水收縮等作用的共同影響，導致其內部發育宏觀層理及微觀裂縫等不同尺度的弱面結構，雖然弱面本身可能不會直接造成井壁失穩，但其通常成為井壁表面的一些物理力學過程和物理化學過程的誘因，對井壁穩定產生不利的影響［16］。

泥頁巖的宏觀力學性質與其本身的礦物組成及結構特征密切相關。雷又層和向興金［17］（2007）對已有的泥頁巖分類方法進行了總結，最終根據黏土礦物的種類、含量及定向度的不同將泥頁巖分成軟泥頁巖和硬脆性泥頁巖兩大類，在此基礎上又細分為5小類，并對各類泥頁巖的理化性質進行了定量解釋，根據分類結果可知，軟泥巖中蒙脫石含量多、伊利石含量少、強度低、脆性低、水化能力強，而硬脆性泥頁巖中蒙脫石含量少、伊利石含量多、強度高、脆性大、水化能力弱。這也從側面反映了硬脆性泥頁巖不僅具有硬、脆性的力學性質，還隱含了化學性質等其他含義，需從多角度對其進行綜合評價。

筆者認為，對于硬脆性泥頁巖井壁穩定基本特征的相關描述應該從其礦物組成、理化性質、結構特征以及變形破壞規律等方面綜合表征。硬脆性泥頁巖應當是這樣一種泥頁巖，其礦物成分中不含純蒙脫石，無伊蒙混層或含量較少，與鉆井液接觸時水化膨脹率低、滾動回收率高，水化膨脹和水化分散對井壁穩定的影響較小，內部微觀裂縫發育，部分宏觀上有明顯的層理結構，單軸抗壓強度在30 MPa以上，峰值應變不超過3%，在極小應變下就會發生破壞。

硬脆性泥頁巖復雜的組構（組成成分和結構）特征及理化力學性質導致其與傳統的各向同性孔隙彈性完整性地層的井壁失穩機理存在較大差異。

目前，對于這類地層的井壁穩定問題研究，根據作用因素的不同，大體可分為3類：純力學坍塌、滲流-應力耦合作用下的井壁失穩和滲流-應力-化學多場耦合作用下的井壁失穩。

2　純力學作用

Mechanics

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

2.1剪切破壞機制

Shear failure mechanism

（1）各向同性地層。最早的井壁穩定研究主要基于各向同性線彈性假設，認為井壁坍塌是由于井壁巖石所受應力超過其本身的強度，使其發生剪切破壞而造成的井徑擴大現象。研究中應用摩爾-庫侖破壞準則判斷脆性地層中的井眼何處發生了破壞，并指出井周巖石交叉的剪切破壞產生“貓耳”，最終形成穩定的橢圓形狀［18-19］。根據此理論，后來的許多學者利用井眼坍塌形狀的信息對地應力等信息進行反演，并且利用反演信息對井壁穩定進行實時預測［20-23］。

（2）各向異性地層。對于含單一層理弱面的硬脆性泥頁巖，其強度和變形表現出顯著的各向異性特征。早在1965年，M. E. Chenevert［24］就通過實驗研究了層狀沉積巖力學性質的各向異性。采用三軸實驗裝置，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定的彈性模量，當巖心軸線與層理面的夾角為20～30o，巖心強度與垂直層理面取心測定的強度相比降低了40%。

對于此類地層的井壁穩定分析，目前的分析模型主要分為兩類：一類是僅考慮巖石強度各向異性特征，采用單一弱面剪切破壞準則評價井壁失穩情況［25］；另一類則綜合考慮泥頁巖強度和變形的各向異性，假設地層為橫觀各向同性介質，并結合廣義三維各向異性破壞準則評價地層剪切破壞引起的井壁坍塌［26-27］。根據理論與實踐的研究發現，這類地層鉆進大斜度井問題尤為突出，存在最佳鉆入角（井眼方向與層理面夾角），現場應盡量沿強度較高的方向鉆進。且由于弱面的存在，某些情況下井眼坍塌會形成“四貓耳”，不再是簡單的橢圓形井眼［28］。

2.2拉伸剝落機制

Tensile scaling mechanism

利用剪切破壞準則進行井壁穩定分析的方法僅能反映巖石的宏觀破壞特征，無法有效地反映脆性巖石裂縫擴展貫通導致失穩的漸進過程。針對此問題，Gennanovich［29］（1994）采用裂縫-井筒耦合模型作為井周巖石受壓縮應力時產生拉伸剝落的基本微觀機理。研究認為，脆性頁巖的井壁坍塌是由于在井周周向壓縮應力作用下頁巖層中的天然裂縫沿切向發生不穩定擴展，使得井周巖石發生拉伸剝落造成的。研究采用斷裂力學的方法分析頁巖中裂縫的擴展，認為裂縫擴展是與井筒耦合作用的結果。根據此模型可知，拉伸破壞是由于裂縫不斷擴展而發生的，而這些裂縫來源于泥頁巖中的天然裂縫，并且這些裂縫在最大壓應力方向上擴展。在低于巖石極限強度應力下，尤其是在沒有圍壓的情況下，拉伸破壞就開始了。眾多的室內實驗觀測結果表明，在單軸壓縮的條件下，拉伸破壞的確導致了巖石破碎的發生。拉伸破裂適用于靠近井壁處出現連續剝落而使井眼發生破壞這一微觀力學模型。井眼發生拉伸破壞受圍壓的抑制作用很強，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生。后來，有許多學者采用斷裂力學的方法分析井周脆性巖石由于裂縫擴展導致坍塌失穩的機理［30-31］。

2.3剪切滑移機制

Shear-slip mechanism

Elf Aquitaite公司的地質學家Maury等［32］（1996）在研究法國南部的氣田套管破損機理時發現，在鉆井過程中當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時，沿裂縫面分布的應力釋放，將產生一個較小的但具有潛在危害的井眼錯動，即沿裂縫面的剪切位移，是裂縫性地層井壁失穩的主要原因。

A. Younessi等人［33］（2010）通過對裂縫的滑移勢進行研究，研究了裂縫性地層的井壁失穩機理。研究認為，Mohr-Coulomb準則是一種較為常用的破壞準則，但是，由于裂縫性地層破壞的復雜性，該方法只能進行簡單的分析，無法真實反映該類地層的破壞機理。A. Younessi等人認為，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。基于此，提出了裂縫性地層的滑移勢指標（FSPI）用于評價裂縫性地層的穩定性，認為該類地層的失穩破壞是裂縫性質、原地應力和工程活動相互影響、共同作用的結果。

2.4應力損傷機制

Stress damage mechanism

損傷是指在環境或外載的作用下工程材料中各種非設計缺陷的產生和發展。損傷力學認為，材料在受到外界因素作用時會因為內部微裂紋等缺陷的產生和擴展而發生劣化，且這種劣化是不可逆的，材料的破壞就是這種劣化發展和累積的過程，當材料的劣化累積到一定程度時就會產生宏觀裂紋，發生破壞。由于硬脆性泥頁巖內部微裂縫發育，采用傳統的方法無法描述其復雜的微觀結構特征，損傷力學建立了巖石微觀結構和宏觀表現的關系，可表述脆性頁巖微裂縫擴展連通導致井壁失穩的漸進過程。將損傷力學理論應用在井壁穩定分析中，最早是由著名學者Dusseault完成的，Dusseault［34］（1992）基于損傷力學的基本概念分析了石油鉆井和生產過程中應力損傷對井周地層的影響，分析了井眼鉆開后井周硬脆性泥頁巖地層微觀結構、應力場和滲透壓力隨時間的演變過程。他指出損傷會增大近井地帶的滲透率，造成泥巖地層鉆井過程的井壁失穩，但在低滲儲層損傷可能對油田生產有利。

劉玉石等［35］（1998）應用損傷力學理論，從巖體的變形能出發，建立了節理裂隙巖體的彈性損傷-斷裂力學模型，來研究硬脆性地層井壁穩定性問題。節理裂隙巖體的特點是巖體內存在大量的節理裂隙，且節理裂隙多成組分布，引入等效彈性-損傷柔度本構方程，采用有限元法計算井眼周圍的應力場。研究結果表明，節理裂隙的存在使有效承載面減少，井壁圍巖切向應力增加，因此維持井壁穩定的鉆井液密度要較無損傷時高。由于較高的鉆井液液柱壓力會加速頁巖水化和把鉆井液壓入裂縫，不利于井壁穩定，因此需要改善鉆井液的性能，既要較好的抑制頁巖水化，又要有較強的封堵裂縫的能力，保證高鉆井液密度下硬脆性泥頁巖的井壁穩定性。

鄭貴［36］（2005）、唐立強［37］（2007）等應用細觀損傷力學與斷裂力學理論建立了鉆井過程中坍塌、破裂壓力的計算模型，從損傷力學的角度分析了井周微裂紋的起裂條件和擴展方向，分析了脆性地層的變形機理，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，得出了損傷區范圍和損傷區內應力分布與地質力學特征的關系。

3　滲流-應力耦合作用

Seepage-stress coupling

滲流-應力耦合作用下的井壁失穩機理認為層理、裂縫是硬脆性泥頁巖地層的高滲通道，鉆井過程中鉆井液易沿層理、裂縫滲流，滲流過程是滲流場和應力場相互耦合作用的結果，即裂縫的滲透性取決于裂縫的變形與位移，同時又影響裂縫內的流體流動［38］。研究認為，硬脆性泥頁巖地層基質和裂縫充填物中均不含活性黏土礦物，可忽略化學作用的影響，雖無化學作用影響，但是由于鉆井液沿層理、裂縫侵入，一方面導致裂縫面上的有效正應力下降，另一方面產生潤滑作用，同樣會造成地層強度降低，誘發失穩。

目前滲流-應力耦合井壁穩定研究主要集中在鉆井液侵入泥頁巖裂縫的驅動作用、鉆井液及其濾液侵入裂縫后地層強度的弱化機制和井壁穩定理論計算模型三方面。根據裂縫存在形式的不同，井壁穩定理論計算模型主要可分為單一裂縫、兩組正交裂縫、多組隨機裂縫和雙重孔隙介質4類。采用的方法主要包括離散元、有限元和邊界元等多種數值計算方法。

3.1鉆井液侵入弱面的驅動作用

Driving action on drilling fluid invading into weak plane

井眼鉆開后，鉆井液與井周泥頁巖接觸，在各種物理化學作用下發生物質交換，導致鉆井液侵入泥頁巖裂縫和基質內部。M. E. Chenevert［39］（1970）通過室內實驗發現泥頁巖與鉆井液接觸后會發生吸水現象，泥頁巖含水量增加導致地層強度性質發生變化，從而影響井壁穩定性，Chenevert認為泥頁巖吸水是由于其與環境之間存在濕度差引起的。

Fonseca［40］（1998）認為即使地層孔隙壓力與鉆井液液柱壓力相等，鉆井過程中也會出現流體進出地層的現象，影響井壁穩定性，通過研究發現，這種現象的發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）總結和發展了泥頁巖與鉆井液之間的物理化學作用對井壁穩定性的影響機理，他認為泥頁巖與鉆井液之間發生物質交換主要是由水動力學壓差梯度、化學勢梯度、電勢能梯度和溫度梯度4種作用共同驅動的。

石秉忠等［42］（2012）通過CT成像技術研究了硬脆性泥頁巖自吸水后裂縫的擴展貫通規律以及巖石破壞過程。研究發現，硬脆性泥頁巖中的微裂縫在毛細管作用下自吸水使得裂縫擴展連通是造成硬脆性泥頁巖井壁失穩的主要原因之一。

毛細管作用與介質潤濕特性有關，盧運虎［26］（2012）建立了介質潤濕特性控制的裂縫擴展模型，提出了基于潤濕理論的頁巖井壁穩定評價方法。研究結果表明，頁巖地層鉆井時水基鉆井液應減小鉆井液界面張力和增大鉆井液與巖石的潤濕角；油基鉆井液應減小鉆井液界面張力和潤濕角，從而強化井壁圍巖強度、防止頁巖井壁發生垮塌。

3.2鉆井液侵入對力學性質的影響

Influence of drilling fluid invasion on mechanical properties

以往鉆井液對泥頁巖力學性質的影響研究主要集中于水敏性黏土礦物與鉆井液的化學反應對泥頁巖本身強度的影響。對于不含水敏性黏土礦物的硬脆性泥頁巖而言，其浸泡在鉆井液中的強度弱化程度主要與鉆井液類型和其本身裂縫的粗糙程度有關。WAN等人［43］（1998）通過直剪實驗測試了不同性質（光滑與粗糙）裂縫面強度隨不同類型鉆井液浸泡時間的變化規律。

研究結果表明，蒸餾水、油基鉆井液和膠質化學鉆井液對光滑裂縫面的內摩擦角沒有影響，但對粗糙裂縫面內摩擦角影響較大，隨著浸泡時間的增加，粗糙裂縫面的內摩擦角顯著減小，由于這3種鉆井液只對粗糙裂縫面有影響，因此鉆井液可能只對裂縫內的粗糙體有影響，鉆井液對該類硬脆性泥頁巖強度影響的機理主要可歸結為潤滑和粗糙體退化。

閆傳梁［8］（2013）、袁和義等人［44］（2015）采用同樣的方法測試了不同類型的鉆井液對頁巖黏聚力和內摩擦角的影響規律，在此基礎上，根據單一弱面剪切破壞準則分析了頁巖強度的弱化機制及對井壁穩定的影響。

3.3井壁穩定理論研究模型

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山前構造硬脆性泥頁巖地層的井壁穩定性問題。通過對層理裂縫發育泥頁巖巖心的X-射線衍射分析表明，巖心的主要成分為石英（47%），同時還含有少量的斜長石、白云石和菱鐵礦，黏土礦物則主要以伊利石為主，同時含有少量的高利石和綠泥石，不含有活性黏土礦物。但是，通過觀察巖心的微觀結構發現，該巖心層理裂縫發育，呈現顯著的非連續特性，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育，即使不存在活性的黏土礦物，巖石基體和弱面的強度也會隨著時間的推移而降低。

P. J. Mclellan等假設地層中存在一組優勢弱面，且弱面沿徑向分布，與井眼聯通。考慮弱面強度弱化及各向異性的影響，假設弱面的黏聚力和內摩擦角分別為0.1 MPa和25°，采用3D邊界元模型，根據非線性Hoek-Brown破壞準則對含單一弱面地層的井壁穩定性進行了數值模擬，其結果與超聲波成像數據取得了較好的一致。研究認為對于裂縫地層而言，鉆井液密度過低或過高都容易引發井壁失穩：當鉆井液密度過低時，井周應力超過地層強度，引起坍塌；鉆井液密度過高則可能在裂縫性地層中無法形成有效濾餅，壓力沿層理面或裂縫面傳遞，裂開的泥頁巖沿弱面剝落，最終井眼周圍地層的強度和硬度隨時間降低，造成進一步坍塌。通過對現場實例、室內實驗以及數值模擬結果等進行分析發現，鉆井液及其濾液沿微裂縫和層理面的滲流是引起井下復雜的根本原因。

（2）兩組正交裂縫。F. J. Santarelli等［46］（1992）對現場井壁失穩最為嚴重井段的泥頁巖巖心分析發現，該井段地層巖心裂縫發育，且存在兩組裂縫，平均間距為2.5 cm×4 cm，裂縫或為空隙或被石英和方解石填充，幾乎不含膨脹性黏土礦物，井壁失穩的化學因素可以忽略。通過觀察巖心可以清晰地發現鉆井液沿裂縫侵入的痕跡，但巖石基體幾乎不可滲透，應用UDEC離散元程序研究了該類地層的井壁穩定問題。

該模型假設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，可定量計入巖石基體和裂縫的變形行為以及流體通過裂縫流動的影響。但是，該模型只能模擬二維情況，且只能反映井壁失穩初期的情況，對于模擬真實條件下3D裂縫性地層的井壁失穩尚有一段距離。

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

（3）多組隨機裂縫。Xing Zhang［47］等（1999）假設地層中的裂縫分別為隨機龜裂裂縫和兩組排列裂縫，通過UDEC離散元方法建立了裂縫性巖體井壁穩定數值計算模型。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。破壞準則上，巖塊采用彈塑性莫爾-庫侖準則進行分析，裂縫采用彈塑性庫侖滑動準則進行分析。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與水力學行為，即裂縫滲透性取決于變形與位移，同時又影響流體壓力。對于裂縫巖體的流動規律根據其接觸關系采用兩種模型，對于點接觸（點對點、點線接觸）和線-線接觸分別采用不同的滲流模型，且裂縫張開度是無正應力作用下裂縫張開度和正應力作用下裂縫位移的函數。

劉志遠等［48］（2014）、陳平等［49］（2014）以多弱面地層剪切破壞準則為基礎，建立了含多組弱面結構泥頁巖的井壁穩定分析模型，模型中忽略了滲流作用的影響，得出了弱面產狀、數量及相對位置等因素對坍塌壓力的影響規律。

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

V. Nguyen等［51］（2004）也采用雙重孔隙多孔介質力學方法研究裂縫性地層中的井壁穩定問題。他們認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，傳統的單一孔隙方法無法模擬裂縫性地層中流體流動與變形等復雜的關系。模型中假設巖石基質和裂縫都是均質、各向同性介質，裂縫性地層的變形受有效應力控制，但與單一孔隙不同，裂縫地層有2個不同的孔隙壓力場，因此具有2個不同的有效應力。

4　滲流-應力-化學耦合作用

Seepage-stress-chemical coupling

滲流-應力-化學耦合作用下的井壁失穩機理認為，硬脆性泥頁巖基質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，會與地層及裂隙填充物發生化學作用，在多場耦合作用下發生井壁失穩。目前的研究主要通過實驗和數值模擬手段，以兩組裂縫和雙重孔隙介質井壁穩定數值分析模型為基礎，研究滲流-應力-化學耦合作用下硬脆性泥頁巖井壁失穩機理。

（1）兩組正交裂縫。X. Chen等人［52］（2003）應用離散元（UDEC）程序研究了二維情況下，井壁滲流對裂縫性地層井壁穩定性的影響，其建立的模型與Santarelli等建立的模型相似。X. Chen等人認為，對于裂縫性巖體，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生化學作用，另一方面可能對裂縫起到潤滑作用，兩方面共同作用造成裂縫內摩擦角減少，井周地層更容易沿裂縫面發生破壞，惡化井壁穩定。該模型假設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，巖石基體為堅硬可變性介質。

X. Chen等人利用UDEC程序進行力學-水動力學的全耦合計算，即孔隙壓力和裂縫的傳導率受裂縫變形的影響，反過來，裂縫的變形受裂縫中孔隙壓力的影響，同時，通過自定義的函數確定裂縫內摩擦角隨鉆井液滲流的變化。對于裂縫中鉆井液及濾液的流動，X. Chen等人認為應同時定量計入力學變形和孔隙壓力傳遞。對于給定的時間，裂縫中鉆井液及濾液的侵入程度由其流動速率控制，假設其符合平板間黏性流體層流流動。

鉆井液滲流對裂縫內摩擦角的影響程度由鉆井液類型和裂縫填充物的性質決定，由于未獲得研究區域的實驗測試數據，X. Chen等人假設裂縫內摩擦角降低幅度分別為不同的值，分析其對井壁穩定性的影響。

（2）雙重孔隙介質。Nguyen等人［53］（2009）利用雙重孔隙模型研究了化學活性裂縫性泥頁巖的井壁穩定性，計算中綜合考慮了時間相關性、基質孔隙度和滲透率、裂縫孔隙度和滲透率及化學效應的影響。通過在Arabian Gulf的鉆井實踐表明，鉆進化學活性裂縫性地層時往往發生與時間相關的井壁穩定問題。該類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度弱化，而且還為低滲透巖石提供了高滲透率的流動通道。

由于化學活性裂縫性泥頁巖無法取得常規巖石力學實驗所需要的巖心，Nguyen等應用Oklahoma大學新設計的一種室內巖石力學性能測試裝置Inclined Direct Shear Testing Device（IDSTD）進行實驗研究。與常規裝置要求的標準巖心為25.4 mm×50.8 mm或50.8 mm×101.6 mm不同，該裝置可對小巖樣進行測試，而且還可將巖心與不同的鉆井液接觸，測試不同循環時間下活性裂縫性泥頁巖強度參數隨時間的變化規律。

對于耦合化學作用影響的時間相關的雙重孔隙、雙重滲透率模型，即雙重孔隙-化學-彈性模型，裂縫的存在對井壁穩定有較大影響。巖體中存在的裂縫，一方面造成巖石強度弱化，另一方面成為流體流動和擴散的主要通道。據估計，68 m3的巖石中大約有500萬個微裂縫，由于其數量巨大，無法在計算中精確計入，因此雙重孔隙模型中忽略單個裂縫的長度和寬度，而由次生孔隙連續介質取代，巖石基質和裂縫作為獨立的兩個系統，每個系統中流體的流動均符合達西定律，由于多孔介質中的達西流雷諾數較小，不需要考慮非線性流動，其流動規律可用線性達西定律表示。

對于雙重孔隙介質的有效應力準則，需要定量計入裂縫和鉆井液化學鹽度的影響。基于此，Nguyen等建立了時間相關的井壁穩定計算方法，其主要參數是裂縫的滲透率和巖石整體的壓縮系數，因為它控制著裂縫性巖石的流體流動和變形特征。

5　結論

Conclusions

（1）硬脆性泥頁巖基質和裂縫充填物中是否含活性黏土礦物是影響井壁穩定分析的關鍵因素。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巖內部裂縫對其力學性質的影響規律認識不清，尚未獲得定量研究結果。

（2）硬脆性泥頁巖宏觀層理、微觀裂縫等弱面發育，弱面的描述和建模困難，目前僅可進行特定條件下的建模分析，無法真實反映其內部真實結構特征。

（3）硬脆性泥頁巖完整巖心獲取困難，圍壓條件下破壞機制復雜，從微觀角度描述多場耦合作用下硬脆性泥頁巖裂縫擴展連通導致井壁失穩的漸進過程，揭示井壁失穩機理及主控因素將成為未來研究的熱點和難點。

References:

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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年畢業于中國石油大學（華東）石油工程專業，獲學士學位，2013年畢業于中國石油大學（北京）油氣井工程專業，獲博士學位，主要從事井壁穩定方面的研究。通訊地址：（710065）陜西省西安市電子二路東段18號西安石油大學石油工程學院。E-mail：zkaiup@126.com構造運動及高溫高壓環境的影響，泥頁巖中裂縫發育、性質硬脆，鉆井過程中井筒失穩問題嚴重，傳統的針對各向同性孔隙彈性完整性地層的井壁穩定研究方法已無法解決該類問題，嚴重制約了深層油氣資源和頁巖氣等非常規油氣資源的有效開發［5-8］。基于此，國內外眾多學者從硬脆性泥頁巖的基本力學特征出發，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劃項目“頁巖氣儲層水平井井壁失穩機理研究” （編號：14JK1583）；西安石油大學博士科研啟動項目“多結構面地層井筒失穩控制理論及方法研究” （編號：2014BS02）。

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