文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

深层硬脆性泥页岩地层普遍存在着水敏性、脆性矿物含量高、地层压力系数低和强水敏性泥页岩段岩性复杂的问题，导致深层硬脆性泥页岩井壁失稳机理极其复杂。泥页岩化学组成复杂，主要由有机质、粘土矿物以及岩石矿物构成。

在高温高压条件下，它们的结构会发生显著变化，形成复杂的孔隙网络，造成孔喉堵塞，严重影响井壁稳定性。

同时，由于这些化学组成及矿物结构的复杂性，其力学性质也受到温度、压力、流体等多种因素影响。

因此，如何正确认识和评价深层硬脆性泥页岩井壁稳定性及其力学化学耦合机理，是指导深层硬脆性泥页岩钻井的关键。国外学者在井壁稳定力学化学耦合方面进行了大量的研究工作，并取得了一定成果。

建立了一种新方法来评价深埋硬脆性泥页岩的井壁稳定性，该方法考虑了流体流动及应力-渗透等多场耦合作用，可以更准确地描述深层硬脆性泥页岩的井壁失稳机理。

硬脆性泥页岩的岩石化学特征

硬脆性泥页岩主要包括铁页岩、钙页岩、硅质页岩等，这些岩类的岩石矿物成分主要由粘土矿物、石英、方解石和白云石组成。

粘土矿物在成岩过程中经历了从伊利石向蒙藻石或绿泥石转化的过程，并在成岩后成为硬脆性泥页岩的主要组成部分，其含量通常可以达到90%以上。

在成岩转化过程中，伊利石向蒙藻石或绿泥石向绿藻石或高岭石转化，当温度升高到一定程度时，由于硅质页岩的发育而形成硅质页岩，其在成岩后可进一步向绿泥石转化。

泥页岩在成岩过程中经历了两次膨胀、收缩变形，第一次膨胀变形是由粘土矿物膨胀变形引起的；第二次膨胀是由于绿泥石和高岭石向蒙藻石或绿泥石向绿泥石转化引起的。

在这两次膨胀变形中，由于粘土矿物具有较高的膨胀能力和抗张强度，因此造成了泥页岩的高强度变形。

同时，由于粘土矿物之间存在着相互作用和相互影响，因此在粘土矿物和成岩转化过程中产生了大量的次生孔隙。由于粘土矿物组成复杂，使得泥页岩具有较高的孔隙度和渗透率。

地质力学环境下硬脆性泥页岩水化损伤机制

硬脆性泥页岩在钻井过程中会受到地质力学环境的影响，受到水化、应力和温度等因素的作用，导致矿物晶体结构发生变化，进而改变矿物化学成分。

在力学作用下，硬脆性泥页岩的矿物组分和结构发生变化，岩石强度降低；在水化作用下，硬脆性泥页岩中的矿物晶体结构发生变化，导致岩石强度降低。

在不同因素影响下，硬脆性泥页岩的水化损伤机制不同：在应力作用下，硬脆性泥页岩中的矿物晶体结构发生改变，主要是由于机械应力作用下矿物颗粒受到压缩变形造成的；

在温度作用下，硬脆性泥页岩中矿物晶体结构发生变化，主要是由于温度升高造成矿物结晶膨胀造成。

硬脆性泥页岩的水化损伤机制主要包括两方面：

矿物组成、晶体结构和化学成分的变化，矿物组成和晶体结构的变化主要是由于机械应力作用下引起矿物颗粒表面损伤和晶格畸变，导致矿物颗粒强度降低。

在应力作用下，硬脆性泥页岩中的粘土、石英、云母、长石等粘土矿物受机械应力压缩变形时会产生不同程度的晶体缺陷。

当受力变形达到一定程度时，粘土中会形成大量缺陷，并且伴随着大量孔隙和微裂缝的出现。大量缺陷和微裂缝的存在使得硬脆性泥页岩中的孔隙和微裂缝数量增多、尺寸增大并相互连通。

当应力超过粘土表面屈服应力时，粘土颗粒会产生塑性流动，导致硬脆性泥页岩中出现许多细微裂隙，粘土中存在大量晶体缺陷和微裂缝使得硬脆性泥页岩中孔隙体积增大、孔隙度增加。

化学损伤对硬脆性泥页岩力学性能的影响

前，针对深部硬脆性泥页岩损伤演化的力学-化学耦合模型研究尚处于起步阶段，在这方面主要有以下3个方面：

缺少考虑化学损伤对硬脆性泥页岩力学性能影响的本构模型。对于硬脆性泥页岩的力学性能研究，通常是基于一维应力状态下的应力-应变曲线，进行力学计算分析。对于应力-应变曲线的分析，目前主要采用单轴压缩试验和三轴压缩试验两种方法。

单轴压缩试验由于试样尺寸小、破坏形态直观、能较真实地反映岩石真实力学状态，因此得到了广泛应用。

但是，在岩石实际受力状态下，其力学响应具有多维性，且力学参数往往是随时间变化的，因此进行单轴压缩试验不能真实反映岩石的真实应力-应变曲线。

岩石属于脆性材料，在受到外界扰动时往往会产生微裂纹和微破裂等损伤破坏现象。对于硬脆性泥页岩而言，其微观结构特征以及矿物组成决定了其微裂纹和微破裂等损伤破坏模式，同时也决定了其力学强度特性。

然而，目前关于化学损伤对硬脆性泥页岩微观结构影响的研究还比较少，即使有少量的研究也是针对于实验室条件下进行实验观测和分析。因此，为了深入认识化学损伤对硬脆性泥页岩强度影响机理，有必要建立考虑化学损伤的硬脆性泥页岩强度模型。

化学损伤对井壁稳定的影响规律及评价方法

通过室内试验发现，化学损伤对泥页岩力学性质的影响规律可以从以下几方面进行研究：

（1）化学损伤对泥页岩力学性质的影响规律：在实验条件下，随着盐浓度的增加，泥页岩的弹性模量呈现先增加后减少的趋势，而在盐浓度为2 mmol/L时，弹性模量达到最大值。

对于同一岩样而言，随着温度升高，泥页岩的弹性模量呈现增加趋势，但其变化速率却会有所降低；温度升高导致泥页岩孔隙度增大、渗透率降低。表明随着温度升高，化学损伤对泥页岩力学性质的影响更显著。

（2）化学损伤对泥页岩应力分布规律的影响：随着化学损伤程度的增加，泥页岩中初始剪应力逐渐增大，而初始剪应力与荷载之间的关系却是先减小后增大。

这是由于当围压升高时，岩石中孔隙度、渗透率都会发生变化，使得岩石内部结构发生变化，导致破坏顺序发生改变。因此在力学性能变化的同时，岩石内部结构也会发生变化。

（3）化学损伤对泥页岩力学强度参数及破坏模式的影响：随着化学损伤程度增加，泥页岩试样破坏时产生裂纹的数量越来越多且裂纹越来越宽。

同时随着盐浓度的增加，试样内部产生裂纹所需时间也会逐渐增长。此外，化学损伤对力学强度参数及破坏模式影响的结果会随着盐浓度增加而改变。

（4）化学损伤对泥页岩井壁稳定的影响规律：根据室内试验和现场试验结果分析得出，在盐溶液作用下，泥页岩中主要发生了两种破坏模式：①应力卸载型破坏；②应力加载型破坏。

化学损伤下井壁失稳力学模型与井壁稳定评价方法

深部页岩地层井壁失稳的力学机理复杂，特别是在化学损伤作用下，岩石的力学性质会发生较大变化，导致井壁的力学响应更加复杂，而现有的井壁失稳力学模型还不能有效描述化学损伤作用下岩石的力学响应。

从岩石的宏观特征和微观结构角度出发，首先考虑岩石在化学损伤作用下发生塑性破坏、剪切破坏等损伤效应，建立起基于有效应力原理的化学损伤下井壁失稳力学模型。

为了能够反映化学损伤作用对井壁稳定性的影响，有学者将化学损伤作用引起的应力、应变和位移等变化纳入到岩石弹性理论中。

根据地层岩石在化学损伤作用下随时间变化的应力应变曲线，可以看出其变化特征可将化学损伤作用划分为3个阶段：（1）初期（0~6h），弹性变形阶段；（2）中期（6~10h），弹性—塑性变形阶段；（3）后期（10~72h），弹性—脆性断裂阶段。

其中，在弹性阶段时，化学损伤会改变岩石的应力应变关系；在塑性阶段时，岩石受力状态改变，应力应变关系不再保持线性关系；在脆性断裂阶段时，应力与应变之间不存在线性关系，根据弹性—塑性变形之间的关系式可得到不同化学损伤程度下岩石的塑性屈服面。

化学损伤作用后，岩石的应变随着化学损伤程度的增大而减小，即随着化学损伤程度的增大，岩石的弹性应变逐渐减小，塑性应变逐渐增大；

当化学损伤程度大于30%时，岩石出现明显的塑性变形；当化学损伤程度达到50%时，岩石的塑性应变达到最大值；当化学损伤程度达到100%时，岩石产生脆性断裂。

上述基于有效应力原理建立起的化学损伤下井壁失稳力学模型，充分考虑了岩石在不同化学损伤作用下的力学响应规律。

笔者观点

泥页岩水化膨胀和化学损伤破坏是泥页岩工程性质的重要影响因素，但目前对两者之间的耦合关系及相互影响规律尚缺乏足够认识。

泥页岩工程性质表征方法和力学损伤评价方法的研究进展较为丰富，但对其物理、化学耦合作用机理研究仍较薄弱，化学损伤后的泥页岩力学强度、孔隙结构、水化特征及应力状态等定量表征方法仍需进一步研究。

化学损伤后的泥页岩微结构演变规律和宏观力学响应机制尚需进一步研究，应力状态及损伤程度对泥页岩力学性质变化影响规律尚需进一步研究，其作用机理和定量表征方法也有待进一步探索。

参考文献

1.朱维波：化学作用下硬脆性泥页岩的力学-化学耦合效应研究，《中国石油天然气技术》，2005年。

2.李军：基于平衡条件的钻井液体系的流变-化学耦合力学行为，《中国石油大学（北京）学报》，2014年1期。

3.张鹏，刘广林，罗志毅，黄新昌，等。基于化学动力学原理的井壁稳定模型研究。实验力学与岩石力学，2017 (10)：1399-1412。