深層硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定力學(xué)化學(xué)耦合研究進(jìn)展與思考

金 衍，薄克浩，張亞洲，盧運(yùn)虎

（1.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院,北京 102249；2.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國石油大學(xué)（北京））,北京 102249）

深層鉆井鉆遇硬脆性泥頁巖地質(zhì)體時(shí)，井壁易發(fā)生坍塌、掉塊，引起阻卡等井下復(fù)雜，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致井眼報(bào)廢，而90%的井壁失穩(wěn)問題都與硬脆性泥頁巖地層有關(guān)，研究硬脆性泥頁巖地層井壁穩(wěn)定顯得尤為重要[1–5]。硬脆性泥頁巖地層井壁失穩(wěn)不能徹底解決的根本原因在于2 個(gè)方面：鉆遇未知的地層和井壁圍巖不同尺度不同階段變形—破壞—失穩(wěn)的發(fā)展過程難以定量描述。與傳統(tǒng)砂泥巖相比，硬脆性泥頁巖具有獨(dú)特的礦物組成和微觀結(jié)構(gòu)，并耦合深層高溫、高應(yīng)力、高孔隙壓力、鉆井流體等復(fù)雜環(huán)境，導(dǎo)致深層硬脆性泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性問題是一個(gè)涉及力學(xué)、化學(xué)多學(xué)科交叉和微觀、細(xì)觀及宏觀跨尺度演化的復(fù)雜問題。針對力學(xué)化學(xué)耦合作用下泥頁巖井壁穩(wěn)定問題，國內(nèi)外學(xué)者分別從微觀、細(xì)觀和宏觀多尺度角度開展了大量研究工作，通過揭示鉆井液與硬脆性泥頁巖耦合微觀機(jī)理、描述細(xì)觀損傷及評價(jià)宏觀強(qiáng)度劣化規(guī)律，構(gòu)建鉆井流體化學(xué)性能與巖石力學(xué)參數(shù)間的本質(zhì)關(guān)系橋梁，建立井壁穩(wěn)定預(yù)測理論和控制模型，以期有效控制泥頁巖地層井壁失穩(wěn)。筆者對深層硬脆性泥頁巖力學(xué)化學(xué)耦合作用下井壁穩(wěn)定問題的多尺度研究進(jìn)行了梳理與總結(jié)，并從考慮化學(xué)效應(yīng)的脆性斷裂力學(xué)角度，提出了探索硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定性問題的新思路。

1 深層硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)基本原理

隨著深層及超深層油氣資源的勘探開發(fā)，鉆井過程中所遇到泥頁巖地層的埋深更深。對于深層硬脆性泥頁巖，由于其復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件（高溫、高壓及高地應(yīng)力等），與淺層水敏性泥頁巖相比，其組構(gòu)特征存在本質(zhì)區(qū)別。深層硬脆性泥頁巖脆性礦物含量高，黏土礦物以伊利石、伊/蒙混層和高嶺石為主，內(nèi)部層理和微裂紋十分發(fā)育，各向異性及非均質(zhì)性特征明顯。

當(dāng)深層硬脆性泥頁巖地層被鉆開后，鉆井流體侵入硬脆性泥頁巖內(nèi)部的微裂紋或弱結(jié)構(gòu)面后，首先與微觀尺度上流體內(nèi)的水分子、活性成分、巖石礦物發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，影響礦物表面間的微觀相互作用；同時(shí)，在耦合力學(xué)作用的影響下，細(xì)觀尺度上微裂紋發(fā)生起裂、擴(kuò)展乃至貫通，逐步導(dǎo)致宏觀尺度上硬脆性泥頁巖強(qiáng)度參數(shù)劣化及應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，最終影響硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定狀態(tài)，如圖1 所示。

圖1 硬脆性泥頁巖微裂紋等缺陷多尺度演化誘導(dǎo)的井壁垮塌示意Fig. 1 Wellbore collapse induced by multi-scale evolution of microcracks and other defects in hard brittle shale

2 硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定力學(xué)化學(xué)耦合研究進(jìn)展

硬脆性泥頁巖井壁力學(xué)化學(xué)耦合失穩(wěn)呈現(xiàn)累進(jìn)性和周期性特征，其本質(zhì)是鉆井液濾液進(jìn)入地層，井壁圍巖內(nèi)部微裂縫在微觀–細(xì)觀–宏觀尺度動(dòng)態(tài)演化，是導(dǎo)致深層硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵誘因。控制深層硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)，需要探究流體與硬脆性泥頁巖礦物之間的微觀作用機(jī)理，明確流體–巖石間的相互作用與硬脆性泥頁巖內(nèi)部缺陷的細(xì)觀損傷演化乃至宏觀強(qiáng)度劣化間的本質(zhì)關(guān)系，量化描述流體–巖石間的相互作用對深層硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定性的影響。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于力學(xué)化學(xué)耦合作用下硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)的研究主要分為3 部分，即硬脆性泥頁巖水化微觀作用機(jī)理揭示、細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷表征、宏觀強(qiáng)度劣化效應(yīng)描述及井筒穩(wěn)定性預(yù)測分析。

2.1 微觀尺度（作用機(jī)理）

當(dāng)鉆井流體侵入泥頁巖地層后，流體內(nèi)的水分子和活性粒子與泥頁巖黏土礦物間的微觀相互作用，是誘使泥頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷、宏觀強(qiáng)度劣化乃至井壁失穩(wěn)復(fù)雜情況發(fā)生的主要影響因素。從微觀層面探究不同流體與泥頁巖不同黏土礦物間的作用機(jī)制，對于明確流體–巖石相互作用下井壁失穩(wěn)機(jī)理，進(jìn)而合理調(diào)控流體性能（優(yōu)選作用效果更好的抑制劑及合理的加量）維持井壁穩(wěn)定具有十分重要的意義。

分子模擬技術(shù)可以從分子尺度直觀描述流體內(nèi)水分子和活性粒子在黏土礦物晶層內(nèi)的微觀形態(tài)及分布特征（如圖2 所示），表征流體作用下泥頁巖黏土礦物晶體結(jié)構(gòu)及微觀力學(xué)性質(zhì)的變化，是揭示流體作用下泥頁巖強(qiáng)度劣化微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)制的有效手段。目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已利用分子模擬技術(shù)，研究了不同因素影響下黏土礦物的水化特征（黏土礦物晶體結(jié)構(gòu)及微觀力學(xué)性質(zhì)的變化），包括作用流體組分及濃度、外部環(huán)境條件（溫度和壓力）和黏土礦物晶層結(jié)構(gòu)特征（晶層表面電荷密度及電荷分布特征）。

圖2 蒙脫石層間域內(nèi)吸附不同數(shù)量水分子后的微觀構(gòu)象[6]Fig. 2 Microscopic conformation of montmorillonite absorbing different amounts of water molecules in the interlaminar domain[6]

2.1.1 流體組分及濃度對黏土礦物微觀水化特征的影響

N.T.Skipper 等人[7]利用蒙特卡洛分子模擬方法研究了2∶1 型黏土礦物層間域內(nèi)水分子對于Na-蒙脫石和Mg-蒙脫石層間膨脹性能的影響。E.S.Boek 等人[8]在Skipper 等人研究的基礎(chǔ)上，利用蒙特卡洛模擬方法研究了蒙脫石層間域內(nèi)Li+、Na+和K+等3 種離子的水化特性，從微觀層面解釋了Na-蒙脫石和Li-蒙脫石比K-蒙脫石宏觀水化膨脹更明顯的原因。F.R.C.Chang 等人[9–11]利用蒙特卡洛和分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合的方法，研究了不同水化程度條件下蒙脫石層間域內(nèi)水分子、K+、Li+和Na+的分布特征及擴(kuò)散性能。徐加放等人[12]利用分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了不同水化程度條件下Na-蒙脫石的層間距和體積的變化。D.A.Young 等人[13]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，通過研究蒙脫石層間域內(nèi)Cs+、Na+和Sr2+等3 種離子的水化特性，認(rèn)為黏土礦物層間域內(nèi)離子尺寸和離子所帶電荷會(huì)影響?zhàn)ね恋V物的水化膨脹行為。王進(jìn)等人[14]利用分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，通過分析不同含水量條件下蒙脫石層間K+和水分子的動(dòng)力學(xué)特征（層間擴(kuò)散能力），揭示了K+對蒙脫石水化膨脹的抑制作用機(jī)理。K.Yotsuji 等人[15]研究了單價(jià)陽離子（Cs+、Na+和K+）和雙價(jià)陽離子（Ca2+和Sr2+）對蒙脫石晶體膨脹特性的影響及其作用機(jī)理。B.Akinwunmi 等人[16]研究了不同濃度NaCl 和CaCl2混合溶液對于Na-蒙脫石微觀水化膨脹行為的影響。除了關(guān)注層間金屬陽離子對蒙脫石水化膨脹行為的影響機(jī)理，也有不少學(xué)者利用分子模擬方法，去探究層間非金屬陽離子（如NH4+）乃至有機(jī)類抑制劑抑制蒙脫石水化膨脹的機(jī)理[17–21]。

蒙脫石的水化作用不僅會(huì)導(dǎo)致其微觀晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致礦物微觀力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。徐加放等人[22]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了蒙脫石的水化特性和無機(jī)鹽（NaCl、KCl、NH4Cl、MgCl2和CaCl2）種類及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對礦物晶體彈性力學(xué)參數(shù)（彈性模量、泊松比、體積彈性模量和切變模量）的影響，嘗試從微觀角度實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定化學(xué)和力學(xué)的耦合研究。黃小娟等人[17]研究了甲酰胺和尿素等小分子有機(jī)胺類抑制劑對蒙脫石水化的抑制作用機(jī)理，分析了有機(jī)胺類抑制劑種類及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對Na-蒙脫石彈性力學(xué)性能的影響。Han Zongfang 等人[23]在進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)，選用CLAYFF 力場模型，研究了Na-蒙脫石晶體在無機(jī)鹽溶液作用下其彈性力學(xué)性能的變化。

蒙脫石是水敏性泥頁巖中的主要黏土礦物，但是對硬脆性泥頁巖而言，蒙脫石的含量往往比較少甚至沒有，其黏土礦物主要以伊利石、高嶺石和伊/蒙混層為主。因此，很多學(xué)者也逐漸開始從微觀角度關(guān)注流體作用下伊利石、高嶺石和伊/蒙混層的水化特性。V.S.Drits 等人[24]在分析伊/蒙混層時(shí)，發(fā)現(xiàn)了伊利石的順式（1M-tv）和反式（1M-cv）結(jié)構(gòu)，給出了化學(xué)式及分子晶胞數(shù)據(jù)。王冠等人[25]利用蒙特卡洛和分子力學(xué)模擬方法，模擬了1M-cv 和1M-tv 2 種結(jié)構(gòu)伊利石的水分子吸附，分析了伊利石的水化機(jī)理及膨脹特性，發(fā)現(xiàn)伊利石水化膨脹并不明顯。劉勇等人[26]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了常溫條件下伊利石的水化性能，發(fā)現(xiàn)水化初期伊利石層間距增大，隨著吸附水分子數(shù)量增多，伊利石吸水飽和，不再進(jìn)行膨脹。劉梅全等人[27]針對伊/蒙混層水化導(dǎo)致的井壁失穩(wěn)問題，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，著重研究了伊利石的水化機(jī)理和無機(jī)鹽（NaCl、KCl、NH4Cl、CaCl2、MgCl2、AlCl3及FeCl3）對伊利石水化膨脹特性及晶體力學(xué)性能的影響，指出KCl 和CaCl2溶液對伊利石的水化膨脹具有良好的抑制性。M.Ghasemi 等人[28]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，探究了不同含水量條件下伊/蒙混層的水化膨脹行為。Chen Jun 等人[29]利用密度泛理論和分子動(dòng)力學(xué)模擬相結(jié)合的方法，分析了高嶺石表面的水化機(jī)理，指出水分子在高嶺石層間的吸附主要依靠氫鍵的作用。Chen Zhongcun 等人[30]利用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了流體濃度對于Cs+離子在高嶺石層間域內(nèi)的吸附和擴(kuò)散行為。Chang Ming 等人[31]對不同濃度金屬陽離子（Na+、Mg2+及Al3+）在高嶺石表面的吸附行為進(jìn)行了分子動(dòng)力模擬，指出高嶺石的水化強(qiáng)度與層間陽離子的化合價(jià)和濃度相關(guān)。

2.1.2 外部環(huán)境條件對黏土礦物微觀水化特征的影響

深層硬脆性泥頁巖的埋藏深度更深，對應(yīng)環(huán)境溫度和壓力也會(huì)增高。復(fù)雜溫度壓力環(huán)境下黏土礦物的水化作用，也是影響硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定性的重要因素之一。Y.Zheng 等人[32]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了不同溫度（260～400 K）條件下水分子和單價(jià)陽離子（Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+）在蒙脫石層間域內(nèi)的擴(kuò)散行，認(rèn)為環(huán)境溫度升高會(huì)使水分子和陽離子在層間域內(nèi)的擴(kuò)散能力增強(qiáng)。M.Camara 等人[33]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬法分析了高溫（200～600 K）、高壓（6 GPa）條件下Na-蒙脫石經(jīng)無機(jī)鹽溶液作用后的水化行為，認(rèn)為溫度升高會(huì)使蒙脫石層間水分子和陽離子的流動(dòng)能力增強(qiáng)，從而加劇蒙脫石的水化膨脹。劉勇等人[26]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了常溫（298 K）與低溫（243 K）下伊利石的水化性能。張亞云等人[6，34]開展了不同溫度壓力條件下蒙脫石水化過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬（溫度25～250 ℃，壓力0.1～90.0 MPa），分析了溫度、壓力對蒙脫石水化后晶體力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，認(rèn)為溫度升高會(huì)使巖石強(qiáng)度參數(shù)的劣化加劇，壓力升高會(huì)降低黏土水化導(dǎo)致強(qiáng)度參數(shù)劣化的效應(yīng)。

2.1.3 晶層結(jié)構(gòu)特征對黏土礦物微觀水化特征的影響

黏土礦物的水化作用不僅與流體的組分及濃度和外部環(huán)境有關(guān)，也與黏土礦物同晶置換作用所導(dǎo)致的不同晶層電荷密度及晶層電荷分布相關(guān)。況聯(lián)飛等人[35]在進(jìn)行鈉蒙脫石晶層間水分子結(jié)構(gòu)分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，層間補(bǔ)償陽離子的吸附受蒙脫礦物同晶置換位置的影響，即蒙脫土的水化作用與晶層電荷分布相關(guān)。Peng Chenliang 等人[20,36]利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了礦物晶層電荷密度和分布位置對NH4+-蒙脫石水化膨脹行為的影響，認(rèn)為晶層電荷密度越大，蒙脫石水化膨脹程度越小。M.Ghasemi 等人[28]研究了伊利石或蒙脫石礦物晶層電荷密度和分布位置對伊/蒙混層水化膨脹行為的影響。

綜上可知，對于不同影響因素下泥頁巖黏土礦物的水化特性及作用機(jī)理，雖然國內(nèi)外學(xué)者基于分子模擬手段，從微觀層面開展了較為全面的研究，但并沒有建立流體–巖石間的微觀相互作用與硬脆性泥頁巖微缺陷的細(xì)觀損傷及宏觀強(qiáng)度劣化間的內(nèi)在關(guān)系橋梁，無法量化描述流體與泥頁巖間物理化學(xué)作用對于宏觀尺度泥頁巖井壁穩(wěn)定性的影響。

2.2 細(xì)觀尺度（損傷描述）

由于深層硬脆性泥頁巖自身微裂紋發(fā)育，鉆井流體極易侵入泥頁巖內(nèi)部并與其發(fā)生相互作用，誘發(fā)硬脆性泥頁巖內(nèi)部微裂紋起裂擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致硬脆性泥頁巖宏觀強(qiáng)度劣化及井壁失穩(wěn)。國內(nèi)外學(xué)者利用各種先進(jìn)的無損探傷實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段（CT 掃描成像法、環(huán)境掃描電鏡觀察法、超聲波透射法和核磁共振法），對流體作用下硬脆性泥頁巖微裂紋的起裂擴(kuò)展行為進(jìn)行了描述與表征，嘗試探索流體作用下硬脆性泥頁巖內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷與宏觀力學(xué)行為的內(nèi)在相互關(guān)系。

1）CT 掃描成像法。石秉忠等人[37–38]采用CT成像數(shù)字巖心分析設(shè)備，分析了川西地區(qū)須家河組三段硬脆性泥頁巖水化過程中微裂紋的演變過程（萌生、擴(kuò)展、分叉、歸并、重分叉、再擴(kuò)展、貫通、宏觀破壞），認(rèn)為自吸水化作用下微裂紋的擴(kuò)展是導(dǎo)致硬脆性泥頁巖微觀結(jié)構(gòu)變化直至宏觀破壞的主要原因之一。馬天壽等人[39]以威遠(yuǎn)氣田龍馬溪組硬脆性頁巖為研究對象，利用CT 掃描成像法，分析了不同水化階段下硬脆性頁巖內(nèi)微裂隙的演化情況，并以水化過程中頁巖內(nèi)衍生的微裂隙面積為損傷變量，提出了頁巖水化細(xì)觀損傷特性定量評價(jià)方法，定量描述了水化過程中頁巖損傷變量與浸泡時(shí)間的關(guān)系。林永學(xué)等人[40]利用CT 掃描成像法，研究了龍馬溪組頁巖在不同流體相同浸泡時(shí)間下微觀結(jié)構(gòu)的變化情況，認(rèn)為流體侵入頁巖后在前期就會(huì)誘發(fā)新裂紋起裂擴(kuò)展，頁巖經(jīng)不同流體浸泡內(nèi)部變化具有明顯的差異。Zhang Shifeng 等人[41]將CT 掃描成像法與數(shù)字圖像處理技術(shù)結(jié)合，描述了不同水化作用時(shí)間、不同空間位置下Mancos 頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷情況，并通過三維裂縫面重構(gòu)，詳細(xì)分析了頁巖水化裂紋演化過程。賈利春等人[42]基于CT 掃描成像研究了龍馬溪組頁巖水化細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化規(guī)律，利用損傷面積和分形維數(shù)定量描述了頁巖水化損傷程度和裂紋擴(kuò)展的復(fù)雜程度。高書陽等人[43]認(rèn)為滾動(dòng)回收、線性膨脹等常規(guī)試驗(yàn)方法不能有效評價(jià)不同鉆井液條件下龍馬溪組頁巖井壁的穩(wěn)定性，提出利用CT 層析成像技術(shù)表征裂縫擴(kuò)展的方法來評價(jià)頁巖經(jīng)流體作用后的水化特征。對于壓裂液作用下硬脆性頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化情況，也有不少學(xué)者利用CT 掃描成像法進(jìn)行了描述與探究。Wang Qing 等人[44]利用CT 掃描成像法，分析了不同圍壓條件下龍馬溪組頁巖在壓裂液作用前后微裂紋的演化情況（見圖3）。王良等人[45–46]利用CT 掃描成像法，描述了長寧區(qū)塊硬脆性頁巖在壓裂液作用后的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，分析了不同自吸時(shí)間下頁巖裂縫起裂擴(kuò)展的情況。

圖3 龍馬溪組硬脆性頁巖水化前后二維和三維CT 成像[44]Fig. 3 2D and 3D CT images of hard brittle shale in Longmaxi Formation before and after hydration [44]

2）掃描電鏡觀察法。朱寶龍等人[47]利用掃描電鏡觀察法研究了水井沱組黑色頁巖水化膨脹的微觀特征。劉敬平等人[48]通過掃描電鏡觀察云南昭通108 區(qū)塊龍馬溪組頁巖水化前后的情況，發(fā)現(xiàn)硬脆性頁巖經(jīng)水浸泡后孔、縫明顯增多。劉向君等人[49–51]以多個(gè)地區(qū)的龍馬溪組硬脆性頁巖為研究對象，利用掃描電鏡觀察了頁巖不同水化時(shí)間下微觀結(jié)構(gòu)的變化過程。盧運(yùn)虎等人[52–53]利用熱場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡，系統(tǒng)探究了不同溫度、壓力和浸泡時(shí)間下龍馬溪組硬脆性頁巖平行層理和垂直層理面微觀結(jié)構(gòu)的變化特征（如圖4 所示），指出龍馬溪組頁巖細(xì)觀尺度的各向異性引起的頁巖水化特征存在明顯區(qū)別；另外，環(huán)境溫度升高，會(huì)使頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的水化損傷加劇。薛華慶等人[54]利用場發(fā)射掃描電鏡，描述了水化作用對硬脆性頁巖無機(jī)礦物和有機(jī)質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的影響。隋微波等人[55]以四川彭水、自貢及涪陵和長慶地區(qū)硬脆性頁巖為研究對象，利用場發(fā)射掃描電鏡對頁巖水化前后的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定點(diǎn)觀測，研究了黏土礦物類型及含量、有機(jī)質(zhì)發(fā)育程度和平行及垂直層理差異性對頁巖水化后微觀結(jié)構(gòu)變化的影響。

圖4 平行層理取心頁巖水化的細(xì)觀過程（120 ℃，3.5 MPa）[53]Fig. 4 Mesoscopic process of hydration of shale core with parallel bedding (120 ℃，3.5 MPa) [53]

3）超聲波透射法。吳小林等人[56]率先利用超聲波透射法探索了泥頁巖的水化過程。王光兵等人[57]以鄂爾多斯盆地井下石盒子組硬脆性頁巖為研究對象，基于超聲波透射法，利用聲波時(shí)差和衰減系數(shù)描述了頁巖水化動(dòng)態(tài)變化的過程，利用時(shí)域信號(hào)及頻域信號(hào)，定性分析了頁巖水化結(jié)構(gòu)的變化特征。

4）核磁共振法。王萍等人[58]利用核磁共振法測試不同浸泡時(shí)間下的硬脆性泥頁巖試樣，根據(jù)不同浸泡時(shí)間試樣的橫向弛豫時(shí)間T2譜分布及核磁共振成像，研究了水化對頁巖結(jié)構(gòu)的損傷。錢斌等人[59]利用核磁共振和CT 掃描成像相結(jié)合的技術(shù)手段，研究了水化作用對頁巖孔、縫結(jié)構(gòu)的影響。Wang Ping 等人[60–61]基于核磁共振T2譜分布，建立了頁巖水化損傷變量模型，形成了利用核磁共振技術(shù)定量評價(jià)水化作用下頁巖結(jié)構(gòu)損傷程度的方法。

除了利用無損檢測方法對硬脆性泥頁巖水化細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷程度進(jìn)行描述和表征外，也有學(xué)者嘗試定量描述硬脆性泥頁巖水化細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷與其力學(xué)行為間的關(guān)系。Ma Tianshou 等人[62]結(jié)合損傷力學(xué)理論和CT 掃描試驗(yàn)，以水化作用誘導(dǎo)產(chǎn)生的微裂隙面積為損傷變量，建立了考慮頁巖水化結(jié)構(gòu)損傷的本構(gòu)模型，定量描述了水化作用對硬脆性頁巖力學(xué)行為的影響。

目前，對于硬脆性泥頁巖水化微裂紋演化過程的定性描述及細(xì)觀損傷程度的定量評價(jià)，已經(jīng)開展了大量系統(tǒng)且深入的研究，并基于損傷力學(xué)理論，建立了硬脆性泥頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷程度與宏觀力學(xué)行為的量化關(guān)系，為后續(xù)深入分析硬脆性泥頁巖宏觀尺度的井壁穩(wěn)定性奠定了有利條件，但未清晰揭示誘導(dǎo)硬脆性泥頁巖內(nèi)微裂紋起裂擴(kuò)展乃至細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷的物理化學(xué)和力學(xué)耦合作用機(jī)制（考慮化學(xué)效應(yīng)的微裂紋演化），關(guān)于環(huán)境流體化學(xué)因素（濃度及組分等）對硬脆性泥頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷影響的量化描述也鮮有涉及。

2.3 宏觀尺度

評價(jià)水化作用對硬脆性泥頁巖宏觀強(qiáng)度性能的影響，是分析硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定性的重要前提。目前，多位學(xué)者聚焦泥頁巖水化宏觀強(qiáng)度參數(shù)劣化問題，開展了大量試驗(yàn)研究。路保平等人[63]采用4 種類型的鉆井液，開展了高溫高壓條件下志留系頁巖水化試驗(yàn)，并測試了巖樣水化后的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力等強(qiáng)度參數(shù)。黃進(jìn)軍等人[64–65]測試了庫車組泥巖經(jīng)不同種類鉆井液處理劑浸泡前后的強(qiáng)度參數(shù)，探究了鉆井液組分對泥巖抗壓強(qiáng)度和力學(xué)變形行為的影響。盧運(yùn)虎等人[66]以不同取心夾角的桑塔木組泥巖為研究對象，開展了不同圍壓、不同鉆井液浸泡時(shí)間下的深層泥巖強(qiáng)度參數(shù)評價(jià)試驗(yàn)。曹園等人[67]以渤海、塔里木、南海、四川盆地等深層泥頁巖為研究對象，對比分析了泥頁巖在常溫常壓條件下經(jīng)蒸餾水和飽和KCl 溶液浸泡前后的單軸抗壓強(qiáng)度。向朝綱等人[68]進(jìn)行了硬脆性頁巖經(jīng)蒸餾水、油基鉆井液及水基鉆井液高溫高壓浸泡后的強(qiáng)度評價(jià)試驗(yàn)，探究了頁巖強(qiáng)度參數(shù)隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律。Lyu Qiao 等人[69]評價(jià)了彭水硬脆性頁巖經(jīng)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl、KCl 和CaCl2溶液作用后的膨脹行為和單軸抗壓強(qiáng)度，探究了無機(jī)鹽溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對于硬脆性頁巖水化特征的影響。Zhang Qiangui 等人[70–71]系統(tǒng)研究了各向異性和水化作用對硬脆性頁巖力學(xué)性能的影響規(guī)律。

國內(nèi)外學(xué)者從20 世紀(jì)90 年代開始研究入井流體與泥頁巖間物理化學(xué)和力學(xué)耦合作用下的井筒尺度穩(wěn)定性問題。C.H.Yew 等人[72]根據(jù)熱彈性力學(xué)理論，構(gòu)建了泥頁巖吸水量與水化膨脹應(yīng)變及彈性參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并考慮泥頁巖水化作用對其力學(xué)效應(yīng)的影響，首次形成了泥頁巖流–固–化多場耦合井壁穩(wěn)定理論模型。黃榮樽等人[73]在C.H.Yew等人研究的基礎(chǔ)上，考慮了水化作用對泥頁巖剪切強(qiáng)度參數(shù)的劣化效應(yīng)，分析了力學(xué)化學(xué)耦合作用下的泥頁巖井壁穩(wěn)定性問題。F.K.Mody 等人[74]認(rèn)為鉆井液與泥頁巖之間的流動(dòng)具有半透膜特征，將鉆井液與泥頁巖孔隙流體間化學(xué)勢差所產(chǎn)生的滲透壓等效為孔隙壓力，直接與力學(xué)作用下的井周應(yīng)力分布狀態(tài)相結(jié)合，建立了泥頁巖力–化耦合井壁穩(wěn)定模型。Yu Mengjiao 等人[75]在前人研究的基礎(chǔ)上，考慮了鉆井液中水與溶質(zhì)在泥頁巖中的流動(dòng)行為對地層孔隙壓力的影響，建立了考慮化學(xué)效應(yīng)的泥頁巖井壁穩(wěn)定理論模型。金衍等人[76]利用考慮泥頁巖水化強(qiáng)度劣化效應(yīng)的井壁穩(wěn)定模型，預(yù)測了不同鉆井液密度和濾失條件下地層的臨界坍塌時(shí)間。V.X.Nguyen 等人[77]利用雙孔雙滲流–固–化多場耦合井壁穩(wěn)定模型，研究了硬脆性頁巖井壁穩(wěn)定的時(shí)間效應(yīng)。溫航等人[78]建立了考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和弱面水化的硬脆性泥頁巖斜井段井壁穩(wěn)定力–化耦合模型。Ma Tianshou 等人[79]考慮硬脆性頁巖的各向異性及多弱面結(jié)構(gòu)水化特征，建立了適用于頁巖氣藏的力學(xué)化學(xué)耦合井壁穩(wěn)定模型。Cheng Wan 等人[80]考慮陸相頁巖基質(zhì)及弱面的水化時(shí)間效應(yīng)，建立了流–固–熱–化多場耦合井壁穩(wěn)定模型。Zhang Shifeng等人[81]采用Weibull 統(tǒng)計(jì)模型定量描述泥頁巖水化強(qiáng)度損傷變量，將損傷力學(xué)理論與井壁穩(wěn)定模型相結(jié)合，構(gòu)建了考慮鉆井液抑制（水化損傷）–封堵–擴(kuò)散耦合作用的泥頁巖井壁穩(wěn)定理論模型。

綜合來看，目前已經(jīng)比較全面地研究了水化作用對于硬脆性泥頁巖宏觀強(qiáng)度劣化效應(yīng)表征及對井壁穩(wěn)定性的影響，但是單純在宏觀尺度上很難揭示環(huán)境介質(zhì)化學(xué)因素（流體濃度及組分等）與硬脆性泥頁巖力學(xué)參數(shù)乃至井壁穩(wěn)定狀態(tài)間的內(nèi)在聯(lián)系，環(huán)境流體介質(zhì)與硬脆性泥頁巖間的復(fù)雜反應(yīng)（流體中各種活性成分與泥頁巖間的物理化學(xué)反應(yīng)）對于井壁穩(wěn)定性的影響無法實(shí)現(xiàn)定量化描述，這對于通過調(diào)整流體化學(xué)性能（組分及濃度等）維持井壁穩(wěn)定仍存在較大局限性。

3 深層硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定性研究的幾點(diǎn)思考

對于硬脆性泥頁巖力學(xué)化學(xué)耦合作用下的井壁穩(wěn)定問題，目前國內(nèi)外學(xué)者分別從微觀作用機(jī)理的揭示、細(xì)觀損傷的表征、宏觀力學(xué)劣化效應(yīng)及井壁穩(wěn)定性定量分析等方面開展了大量深入且系統(tǒng)的研究，但是微觀作用機(jī)理–細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷–宏觀劣化效應(yīng)–井壁穩(wěn)定性這幾者之間的關(guān)系橋梁一直沒有真正建立起來，入井流體化學(xué)因素（流體組分及濃度等）與硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定狀態(tài)間的內(nèi)在關(guān)系仍沒有得到有效揭示，在對鉆井流體抑制性–封堵性–密度間進(jìn)行科學(xué)合理協(xié)調(diào)控制時(shí)很難提供有力的理論依據(jù)。

從本質(zhì)上來講，硬脆性泥頁巖的井壁失穩(wěn)是硬脆性泥頁巖與流體間物理化學(xué)和力學(xué)耦合作用下隨著微裂紋的跨尺度演化逐步導(dǎo)致的。因此，控制硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)，就要從根源上明確力學(xué)化學(xué)耦合作用下微裂紋的擴(kuò)展演化與井壁穩(wěn)定狀態(tài)間的內(nèi)在關(guān)系。在硬脆性泥頁巖與流體間物理化學(xué)和力學(xué)的作用下，微裂紋尖端達(dá)到一定臨界條件會(huì)發(fā)生起裂，并以一定擴(kuò)展速率延伸，硬脆性泥頁巖內(nèi)微裂紋擴(kuò)展延伸到某一程度才會(huì)導(dǎo)致細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷，硬脆性泥頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷達(dá)到一定程度才會(huì)表現(xiàn)出宏觀強(qiáng)度劣化乃至改變井壁穩(wěn)定狀態(tài)。

基于以上分析，從考慮化學(xué)效應(yīng)的微裂紋演化（化學(xué)斷裂）著手，搭建微觀作用機(jī)制–微裂紋演化–細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷–宏觀強(qiáng)度劣化–井壁穩(wěn)定狀態(tài)間的量化關(guān)系，不失為一種探究深層硬脆性泥頁巖力學(xué)化學(xué)耦合作用下井壁穩(wěn)定性的新思路，而這需要解決以下關(guān)鍵問題：

1）考慮化學(xué)效應(yīng)的硬脆性泥頁巖微裂紋起裂擴(kuò)展力學(xué)模型的構(gòu)建，揭示流體化學(xué)因素（組分及濃度等）與微裂紋起裂擴(kuò)展力學(xué)參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)系，描述硬脆性泥頁巖與流體間復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)（包括離子交換吸附、表面基團(tuán)的解離等）對微裂紋起裂擴(kuò)展行為的影響；

2）探究力學(xué)化學(xué)耦合作用下微裂紋擴(kuò)展速率與細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷變量間的關(guān)系，定量描述硬脆性泥頁巖微裂紋起裂擴(kuò)展行為對細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷的影響；

3）基于損傷力學(xué)理論構(gòu)建硬脆性泥頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷與宏觀力學(xué)行為間的關(guān)系；

4）結(jié)合統(tǒng)計(jì)損傷模型，形成考慮硬脆性泥頁巖水化強(qiáng)度損傷的井壁穩(wěn)定控制模型，實(shí)現(xiàn)巖石與流體間的微觀反應(yīng)對于硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定性影響的模型化描述，揭示入井流體化學(xué)因素（組分及濃度等）與硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定狀態(tài)間的內(nèi)在關(guān)系，為通過調(diào)節(jié)入井流體性能維持硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定狀態(tài)提供理論依據(jù)。

4 結(jié)束語

針對硬脆性泥頁巖力學(xué)化學(xué)耦合作用下的井壁穩(wěn)定性問題，系統(tǒng)闡述了鉆井流體作用下硬脆性泥頁巖微觀作用機(jī)制，可視化表征了鉆井流體與應(yīng)力耦合下硬脆性泥頁巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征，建立了深層硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定力學(xué)化學(xué)耦合模型，并提出了坍塌壓力的預(yù)測方法，為硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定性控制提供了有效的技術(shù)手段，工程實(shí)踐也取得了較好的成效。然而，上述研究難以預(yù)測井壁坍塌程度與鉆井液性能的定量關(guān)系，導(dǎo)致深層硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)問題仍然存在，如何準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)巖石的初始缺陷狀態(tài)，防止巖石缺陷跨越發(fā)展至上一個(gè)尺度顯得尤為重要。從這個(gè)角度出發(fā)，硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定力學(xué)化學(xué)耦合理論應(yīng)更多關(guān)注鉆井流體作用下巖石內(nèi)部微缺陷的斷裂與擴(kuò)展，構(gòu)建井壁穩(wěn)定化學(xué)斷裂力學(xué)理論，定量表征井壁圍巖穩(wěn)定性與鉆井流體離子類型、濃度間的內(nèi)在關(guān)系，實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制井壁穩(wěn)定性力學(xué)與化學(xué)參數(shù)的定量預(yù)測，創(chuàng)新與發(fā)展深層硬脆性泥頁巖井壁穩(wěn)定力學(xué)化學(xué)耦合理論，科學(xué)指導(dǎo)鉆井液密度與性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。