硬脆性泥页岩井壁稳定研究进展

赵凯樊勇杰于波韩继勇许永华高诗惠

1. 西安石油大学石油工程学院；2. 长庆油田公司第三采油厂采油工艺研究所

钻井完井

硬脆性泥页岩井壁稳定研究进展

赵凯1樊勇杰2于波2韩继勇1许永华1高诗惠1

1. 西安石油大学石油工程学院；2. 长庆油田公司第三采油厂采油工艺研究所

硬脆性泥页岩的井壁失稳是制约深层油气资源和页岩气等非常规油气资源有效开发的关键问题。基于此，从硬脆性泥页岩的基本特征出发，根据其组成成分和结构特征的差异，总结了纯力学、渗流-应力耦合和渗流-应力-化学耦合3种井壁稳定基本分析方法及各自适用条件。研究了硬脆性泥页岩4种力学失稳机制、钻井液侵入裂缝的驱动作用、存在和不存在活性黏土矿物情况下强度弱化机制以及不同裂缝形式下的井壁稳定计算模型。指出硬脆性泥页岩基质和裂缝充填物中是否含活性黏土矿物及裂缝的分布规律是影响井壁稳定分析的关键因素，从微观角度描述多场耦合作用下硬脆性泥页岩裂缝扩展连通导致井壁失稳的渐进过程将成为未来研究的热点和难点。

硬脆性；泥页岩；井壁稳定；研究进展

近年来，世界经济迅猛发展，全球油气资源需求大幅度增加，能源供求危机日益增大，深层油气资源和页岩气等非常规油气资源的开发成为解决能源供求矛盾的有效途径［1-4］。但是由于深层复杂的地质

1　基本特征

Basic features

Darley［9］（1969）曾根据硬脆性泥页岩与水作用前后的表观特征对其硬脆性泥页岩作了定义，认为“硬脆性泥页岩是这样一种页岩，当从岩心筒中取出时，显得相当坚固和完整，但置于水中时则散为碎片，而这些碎片在水中既不变软，也不膨胀”。单纯从这种角度来定义硬脆性泥页岩显然不够充分，有学者根据岩石的变形破坏特征对硬脆性进行了评价，《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）中规定岩石的饱和单轴抗压强度大于30 MPa时为硬岩，脆性则是指材料在外力作用下产生很小的变形即破坏断裂的性质，一般认为岩石的不可恢复应变小于3%时具有脆性特征［10］，页岩气的开发使脆性的研究逐渐受到重视，目前已形成全应力-应变曲线评价法、矿物组分三元图评价法、硬度评价法、抗拉抗压强度比值评价法等多种方法对页岩脆性定量评价［11-15］。由于硬脆性泥页岩的脆性断裂特征，加之地下复杂的地质运动、沉积作用及脱水收缩等作用的共同影响，导致其内部发育宏观层理及微观裂缝等不同尺度的弱面结构，虽然弱面本身可能不会直接造成井壁失稳，但其通常成为井壁表面的一些物理力学过程和物理化学过程的诱因，对井壁稳定产生不利的影响［16］。

泥页岩的宏观力学性质与其本身的矿物组成及结构特征密切相关。雷又层和向兴金［17］（2007）对已有的泥页岩分类方法进行了总结，最终根据黏土矿物的种类、含量及定向度的不同将泥页岩分成软泥页岩和硬脆性泥页岩两大类，在此基础上又细分为5小类，并对各类泥页岩的理化性质进行了定量解释，根据分类结果可知，软泥岩中蒙脱石含量多、伊利石含量少、强度低、脆性低、水化能力强，而硬脆性泥页岩中蒙脱石含量少、伊利石含量多、强度高、脆性大、水化能力弱。这也从侧面反映了硬脆性泥页岩不仅具有硬、脆性的力学性质，还隐含了化学性质等其他含义，需从多角度对其进行综合评价。

笔者认为，对于硬脆性泥页岩井壁稳定基本特征的相关描述应该从其矿物组成、理化性质、结构特征以及变形破坏规律等方面综合表征。硬脆性泥页岩应当是这样一种泥页岩，其矿物成分中不含纯蒙脱石，无伊蒙混层或含量较少，与钻井液接触时水化膨胀率低、滚动回收率高，水化膨胀和水化分散对井壁稳定的影响较小，内部微观裂缝发育，部分宏观上有明显的层理结构，单轴抗压强度在30 MPa以上，峰值应变不超过3%，在极小应变下就会发生破坏。

硬脆性泥页岩复杂的组构（组成成分和结构）特征及理化力学性质导致其与传统的各向同性孔隙弹性完整性地层的井壁失稳机理存在较大差异。

目前，对于这类地层的井壁稳定问题研究，根据作用因素的不同，大体可分为3类：纯力学坍塌、渗流-应力耦合作用下的井壁失稳和渗流-应力-化学多场耦合作用下的井壁失稳。

2　纯力学作用

Mechanics

纯力学坍塌一般认为硬脆性泥页岩中的弱面在深部高应力作用下呈闭合状态或弱面沿切向分布、与井眼不连通，岩石的基质渗透率极低，且泥页岩中没有膨胀性黏土矿物，分析中不考虑钻井液渗流和化学作用的影响。根据破坏机制的不同，主要分为剪切破坏机制、拉伸剥落机制、剪切滑移机制和应力损伤机制。

2.1剪切破坏机制

Shear failure mechanism

（1）各向同性地层。最早的井壁稳定研究主要基于各向同性线弹性假设，认为井壁坍塌是由于井壁岩石所受应力超过其本身的强度，使其发生剪切破坏而造成的井径扩大现象。研究中应用摩尔-库仑破坏准则判断脆性地层中的井眼何处发生了破坏，并指出井周岩石交叉的剪切破坏产生“猫耳”，最终形成稳定的椭圆形状［18-19］。根据此理论，后来的许多学者利用井眼坍塌形状的信息对地应力等信息进行反演，并且利用反演信息对井壁稳定进行实时预测［20-23］。

（2）各向异性地层。对于含单一层理弱面的硬脆性泥页岩，其强度和变形表现出显著的各向异性特征。早在1965年，M. E. Chenevert［24］就通过实验研究了层状沉积岩力学性质的各向异性。采用三轴实验装置，在0～82.7 MPa的围压下，平行层理面取心高于垂直层理面方向取心测定的弹性模量，当岩心轴线与层理面的夹角为20～30º，岩心强度与垂直层理面取心测定的强度相比降低了40%。

对于此类地层的井壁稳定分析，目前的分析模型主要分为两类：一类是仅考虑岩石强度各向异性特征，采用单一弱面剪切破坏准则评价井壁失稳情况［25］；另一类则综合考虑泥页岩强度和变形的各向异性，假设地层为横观各向同性介质，并结合广义三维各向异性破坏准则评价地层剪切破坏引起的井壁坍塌［26-27］。根据理论与实践的研究发现，这类地层钻进大斜度井问题尤为突出，存在最佳钻入角（井眼方向与层理面夹角），现场应尽量沿强度较高的方向钻进。且由于弱面的存在，某些情况下井眼坍塌会形成“四猫耳”，不再是简单的椭圆形井眼［28］。

2.2拉伸剥落机制

Tensile scaling mechanism

利用剪切破坏准则进行井壁稳定分析的方法仅能反映岩石的宏观破坏特征，无法有效地反映脆性岩石裂缝扩展贯通导致失稳的渐进过程。针对此问题，Gennanovich［29］（1994）采用裂缝-井筒耦合模型作为井周岩石受压缩应力时产生拉伸剥落的基本微观机理。研究认为，脆性页岩的井壁坍塌是由于在井周周向压缩应力作用下页岩层中的天然裂缝沿切向发生不稳定扩展，使得井周岩石发生拉伸剥落造成的。研究采用断裂力学的方法分析页岩中裂缝的扩展，认为裂缝扩展是与井筒耦合作用的结果。根据此模型可知，拉伸破坏是由于裂缝不断扩展而发生的，而这些裂缝来源于泥页岩中的天然裂缝，并且这些裂缝在最大压应力方向上扩展。在低于岩石极限强度应力下，尤其是在没有围压的情况下，拉伸破坏就开始了。众多的室内实验观测结果表明，在单轴压缩的条件下，拉伸破坏的确导致了岩石破碎的发生。拉伸破裂适用于靠近井壁处出现连续剥落而使井眼发生破坏这一微观力学模型。井眼发生拉伸破坏受围压的抑制作用很强，除了围压极小的情况外，在其他各种条件下，剪切破坏比拉伸破坏更有可能发生。因此拉伸破裂或破碎很有可能只是在靠近井眼自由表面处发生。后来，有许多学者采用断裂力学的方法分析井周脆性岩石由于裂缝扩展导致坍塌失稳的机理［30-31］。

2.3剪切滑移机制

Shear-slip mechanism

Elf Aquitaite公司的地质学家Maury等［32］（1996）在研究法国南部的气田套管破损机理时发现，在钻井过程中当钻井液液柱压力足以使地层中和井眼交叉的天然裂缝重新张开时，沿裂缝面分布的应力释放，将产生一个较小的但具有潜在危害的井眼错动，即沿裂缝面的剪切位移，是裂缝性地层井壁失稳的主要原因。

A. Younessi等人［33］（2010）通过对裂缝的滑移势进行研究，研究了裂缝性地层的井壁失稳机理。研究认为，Mohr-Coulomb准则是一种较为常用的破坏准则，但是，由于裂缝性地层破坏的复杂性，该方法只能进行简单的分析，无法真实反映该类地层的破坏机理。A. Younessi等人认为，裂缝性地层的破坏除了剪切破坏和拉伸破坏外，沿裂缝的滑移是一种重要的破坏形式。基于此，提出了裂缝性地层的滑移势指标（FSPI）用于评价裂缝性地层的稳定性，认为该类地层的失稳破坏是裂缝性质、原地应力和工程活动相互影响、共同作用的结果。

2.4应力损伤机制

Stress damage mechanism

损伤是指在环境或外载的作用下工程材料中各种非设计缺陷的产生和发展。损伤力学认为，材料在受到外界因素作用时会因为内部微裂纹等缺陷的产生和扩展而发生劣化，且这种劣化是不可逆的，材料的破坏就是这种劣化发展和累积的过程，当材料的劣化累积到一定程度时就会产生宏观裂纹，发生破坏。由于硬脆性泥页岩内部微裂缝发育，采用传统的方法无法描述其复杂的微观结构特征，损伤力学建立了岩石微观结构和宏观表现的关系，可表述脆性页岩微裂缝扩展连通导致井壁失稳的渐进过程。将损伤力学理论应用在井壁稳定分析中，最早是由著名学者Dusseault完成的，Dusseault［34］（1992）基于损伤力学的基本概念分析了石油钻井和生产过程中应力损伤对井周地层的影响，分析了井眼钻开后井周硬脆性泥页岩地层微观结构、应力场和渗透压力随时间的演变过程。他指出损伤会增大近井地带的渗透率，造成泥岩地层钻井过程的井壁失稳，但在低渗储层损伤可能对油田生产有利。

刘玉石等［35］（1998）应用损伤力学理论，从岩体的变形能出发，建立了节理裂隙岩体的弹性损伤-断裂力学模型，来研究硬脆性地层井壁稳定性问题。节理裂隙岩体的特点是岩体内存在大量的节理裂隙，且节理裂隙多成组分布，引入等效弹性-损伤柔度本构方程，采用有限元法计算井眼周围的应力场。研究结果表明，节理裂隙的存在使有效承载面减少，井壁围岩切向应力增加，因此维持井壁稳定的钻井液密度要较无损伤时高。由于较高的钻井液液柱压力会加速页岩水化和把钻井液压入裂缝，不利于井壁稳定，因此需要改善钻井液的性能，既要较好的抑制页岩水化，又要有较强的封堵裂缝的能力，保证高钻井液密度下硬脆性泥页岩的井壁稳定性。

郑贵［36］（2005）、唐立强［37］（2007）等应用细观损伤力学与断裂力学理论建立了钻井过程中坍塌、破裂压力的计算模型，从损伤力学的角度分析了井周微裂纹的起裂条件和扩展方向，分析了脆性地层的变形机理，建立了初始损伤的井筒压力条件，分析了井周地层的损伤场，得出了损伤区范围和损伤区内应力分布与地质力学特征的关系。

3　渗流-应力耦合作用

Seepage-stress coupling

渗流-应力耦合作用下的井壁失稳机理认为层理、裂缝是硬脆性泥页岩地层的高渗通道，钻井过程中钻井液易沿层理、裂缝渗流，渗流过程是渗流场和应力场相互耦合作用的结果，即裂缝的渗透性取决于裂缝的变形与位移，同时又影响裂缝内的流体流动［38］。研究认为，硬脆性泥页岩地层基质和裂缝充填物中均不含活性黏土矿物，可忽略化学作用的影响，虽无化学作用影响，但是由于钻井液沿层理、裂缝侵入，一方面导致裂缝面上的有效正应力下降，另一方面产生润滑作用，同样会造成地层强度降低，诱发失稳。

目前渗流-应力耦合井壁稳定研究主要集中在钻井液侵入泥页岩裂缝的驱动作用、钻井液及其滤液侵入裂缝后地层强度的弱化机制和井壁稳定理论计算模型三方面。根据裂缝存在形式的不同，井壁稳定理论计算模型主要可分为单一裂缝、两组正交裂缝、多组随机裂缝和双重孔隙介质4类。采用的方法主要包括离散元、有限元和边界元等多种数值计算方法。

3.1钻井液侵入弱面的驱动作用

Driving action on drilling fluid invading into weak plane

井眼钻开后，钻井液与井周泥页岩接触，在各种物理化学作用下发生物质交换，导致钻井液侵入泥页岩裂缝和基质内部。M. E. Chenevert［39］（1970）通过室内实验发现泥页岩与钻井液接触后会发生吸水现象，泥页岩含水量增加导致地层强度性质发生变化，从而影响井壁稳定性，Chenevert认为泥页岩吸水是由于其与环境之间存在湿度差引起的。

Fonseca［40］（1998）认为即使地层孔隙压力与钻井液液柱压力相等，钻井过程中也会出现流体进出地层的现象，影响井壁稳定性，通过研究发现，这种现象的发生主要是由于地层水活度和钻井液水活度的不同造成的。

E. Van Oort［41］（2003）总结和发展了泥页岩与钻井液之间的物理化学作用对井壁稳定性的影响机理，他认为泥页岩与钻井液之间发生物质交换主要是由水动力学压差梯度、化学势梯度、电势能梯度和温度梯度4种作用共同驱动的。

石秉忠等［42］（2012）通过CT成像技术研究了硬脆性泥页岩自吸水后裂缝的扩展贯通规律以及岩石破坏过程。研究发现，硬脆性泥页岩中的微裂缝在毛细管作用下自吸水使得裂缝扩展连通是造成硬脆性泥页岩井壁失稳的主要原因之一。

毛细管作用与介质润湿特性有关，卢运虎［26］（2012）建立了介质润湿特性控制的裂缝扩展模型，提出了基于润湿理论的页岩井壁稳定评价方法。研究结果表明，页岩地层钻井时水基钻井液应减小钻井液界面张力和增大钻井液与岩石的润湿角；油基钻井液应减小钻井液界面张力和润湿角，从而强化井壁围岩强度、防止页岩井壁发生垮塌。

3.2钻井液侵入对力学性质的影响

Influence of drilling fluid invasion on mechanical properties

以往钻井液对泥页岩力学性质的影响研究主要集中于水敏性黏土矿物与钻井液的化学反应对泥页岩本身强度的影响。对于不含水敏性黏土矿物的硬脆性泥页岩而言，其浸泡在钻井液中的强度弱化程度主要与钻井液类型和其本身裂缝的粗糙程度有关。WAN等人［43］（1998）通过直剪实验测试了不同性质（光滑与粗糙）裂缝面强度随不同类型钻井液浸泡时间的变化规律。

研究结果表明，蒸馏水、油基钻井液和胶质化学钻井液对光滑裂缝面的内摩擦角没有影响，但对粗糙裂缝面内摩擦角影响较大，随着浸泡时间的增加，粗糙裂缝面的内摩擦角显著减小，由于这3种钻井液只对粗糙裂缝面有影响，因此钻井液可能只对裂缝内的粗糙体有影响，钻井液对该类硬脆性泥页岩强度影响的机理主要可归结为润滑和粗糙体退化。

闫传梁［8］（2013）、袁和义等人［44］（2015）采用同样的方法测试了不同类型的钻井液对页岩黏聚力和内摩擦角的影响规律，在此基础上，根据单一弱面剪切破坏准则分析了页岩强度的弱化机制及对井壁稳定的影响。

3.3井壁稳定理论研究模型

Theoretical model of wellbore stability

（1）单一径向裂缝。P. J. Mclellan等人［45］（1996）研究了加拿大Northeastern British Columbia山前构造硬脆性泥页岩地层的井壁稳定性问题。通过对层理裂缝发育泥页岩岩心的X-射线衍射分析表明，岩心的主要成分为石英（47%），同时还含有少量的斜长石、白云石和菱铁矿，黏土矿物则主要以伊利石为主，同时含有少量的高利石和绿泥石，不含有活性黏土矿物。但是，通过观察岩心的微观结构发现，该岩心层理裂缝发育，呈现显著的非连续特性，弱面间距在0.01～0.40 m之间不等，平均间距0.11 m，由于岩心的层理裂缝发育，即使不存在活性的黏土矿物，岩石基体和弱面的强度也会随着时间的推移而降低。

P. J. Mclellan等假设地层中存在一组优势弱面，且弱面沿径向分布，与井眼联通。考虑弱面强度弱化及各向异性的影响，假设弱面的黏聚力和内摩擦角分别为0.1 MPa和25°，采用3D边界元模型，根据非线性Hoek-Brown破坏准则对含单一弱面地层的井壁稳定性进行了数值模拟，其结果与超声波成像数据取得了较好的一致。研究认为对于裂缝地层而言，钻井液密度过低或过高都容易引发井壁失稳：当钻井液密度过低时，井周应力超过地层强度，引起坍塌；钻井液密度过高则可能在裂缝性地层中无法形成有效滤饼，压力沿层理面或裂缝面传递，裂开的泥页岩沿弱面剥落，最终井眼周围地层的强度和硬度随时间降低，造成进一步坍塌。通过对现场实例、室内实验以及数值模拟结果等进行分析发现，钻井液及其滤液沿微裂缝和层理面的渗流是引起井下复杂的根本原因。

（2）两组正交裂缝。F. J. Santarelli等［46］（1992）对现场井壁失稳最为严重井段的泥页岩岩心分析发现，该井段地层岩心裂缝发育，且存在两组裂缝，平均间距为2.5 cm×4 cm，裂缝或为空隙或被石英和方解石填充，几乎不含膨胀性黏土矿物，井壁失稳的化学因素可以忽略。通过观察岩心可以清晰地发现钻井液沿裂缝侵入的痕迹，但岩石基体几乎不可渗透，应用UDEC离散元程序研究了该类地层的井壁稳定问题。

该模型假设井周地层被一组间距为2.5 cm×4 cm的正交裂缝分割，克服了有限元、边界元和有限差分等方法只能模拟小变形和非贯穿缝的缺陷，可定量计入岩石基体和裂缝的变形行为以及流体通过裂缝流动的影响。但是，该模型只能模拟二维情况，且只能反映井壁失稳初期的情况，对于模拟真实条件下3D裂缝性地层的井壁失稳尚有一段距离。

通过数值模拟研究结果可知，钻井液密度较小情况下，井周应力集中造成径向裂缝闭合，切向裂缝张开，有效防止钻井液沿裂缝的渗流，保持井壁稳定，反之，钻井液密度较高，径向裂缝张开，钻井液沿正交裂缝流动，裂缝中压力变大，岩体变得松散，容易受循环的钻井液冲蚀和底部钻具组合扰动的影响，加剧井壁失稳。因此，对于裂缝性地层，提高钻井液密度反而对维持井壁稳定起到反作用，而降低钻井液滤失以及增大钻井液黏度能够起到稳定井壁的作用，另外通过建立滤饼，提高钻井液的有效封堵，也有利于维持该类地层的井壁稳定。

（3）多组随机裂缝。Xing Zhang［47］等（1999）假设地层中的裂缝分别为随机龟裂裂缝和两组排列裂缝，通过UDEC离散元方法建立了裂缝性岩体井壁稳定数值计算模型。模型中考虑了裂缝性岩体的弹塑性变形。

Xing Zhang等人认为裂缝岩体的变形是由岩石基体的变形和平行、垂直于裂缝的变形共同组成。破坏准则上，岩块采用弹塑性莫尔-库仑准则进行分析，裂缝采用弹塑性库仑滑动准则进行分析。模型中将裂缝作为岩块之间的边界条件，完全耦合岩体的力学与水力学行为，即裂缝渗透性取决于变形与位移，同时又影响流体压力。对于裂缝岩体的流动规律根据其接触关系采用两种模型，对于点接触（点对点、点线接触）和线-线接触分别采用不同的渗流模型，且裂缝张开度是无正应力作用下裂缝张开度和正应力作用下裂缝位移的函数。

刘志远等［48］（2014）、陈平等［49］（2014）以多弱面地层剪切破坏准则为基础，建立了含多组弱面结构泥页岩的井壁稳定分析模型，模型中忽略了渗流作用的影响，得出了弱面产状、数量及相对位置等因素对坍塌压力的影响规律。

（4）双重孔隙介质。Jincai Zhang等［50］（2003）将裂缝性地层等效成双重孔隙介质，并编制了有限元程序研究了裂缝性地层井壁稳定性问题。在双重孔隙模型中，裂缝性岩体被认为是由随机分布的裂缝分割而成的许多多孔岩块，因此，在裂缝岩体中，裂缝体系和基质体系具有明显不同的孔隙度和渗透率。总体的流体流动主要在基质周围的高渗透率、低孔隙度的裂缝体系中进行。在双重孔隙介质模型中，基质与裂缝中的变形和流体流动是完全耦合的，可建立双重孔隙公式，采用有限元方法对耦合方程进行求解。

V. Nguyen等［51］（2004）也采用双重孔隙多孔介质力学方法研究裂缝性地层中的井壁稳定问题。他们认为裂缝性地层具有高度的不均一性，裂缝是一种低孔高渗的通道，传统的单一孔隙方法无法模拟裂缝性地层中流体流动与变形等复杂的关系。模型中假设岩石基质和裂缝都是均质、各向同性介质，裂缝性地层的变形受有效应力控制，但与单一孔隙不同，裂缝地层有2个不同的孔隙压力场，因此具有2个不同的有效应力。

4　渗流-应力-化学耦合作用

Seepage-stress-chemical coupling

渗流-应力-化学耦合作用下的井壁失稳机理认为，硬脆性泥页岩基质或裂缝充填物中含有活性黏土矿物，钻井液及其滤液侵入裂缝，会与地层及裂隙填充物发生化学作用，在多场耦合作用下发生井壁失稳。目前的研究主要通过实验和数值模拟手段，以两组裂缝和双重孔隙介质井壁稳定数值分析模型为基础，研究渗流-应力-化学耦合作用下硬脆性泥页岩井壁失稳机理。

（1）两组正交裂缝。X. Chen等人［52］（2003）应用离散元（UDEC）程序研究了二维情况下，井壁渗流对裂缝性地层井壁稳定性的影响，其建立的模型与Santarelli等建立的模型相似。X. Chen等人认为，对于裂缝性岩体，钻井液及其滤液侵入裂缝，一方面可能与地层及裂隙填充物发生化学作用，另一方面可能对裂缝起到润滑作用，两方面共同作用造成裂缝内摩擦角减少，井周地层更容易沿裂缝面发生破坏，恶化井壁稳定。该模型假设裂缝性岩体的变形是由两方面组成，一方面是岩体的变形，另一方面是平行于和垂直于裂缝的变形，岩石基体为坚硬可变性介质。

X. Chen等人利用UDEC程序进行力学-水动力学的全耦合计算，即孔隙压力和裂缝的传导率受裂缝变形的影响，反过来，裂缝的变形受裂缝中孔隙压力的影响，同时，通过自定义的函数确定裂缝内摩擦角随钻井液渗流的变化。对于裂缝中钻井液及滤液的流动，X. Chen等人认为应同时定量计入力学变形和孔隙压力传递。对于给定的时间，裂缝中钻井液及滤液的侵入程度由其流动速率控制，假设其符合平板间黏性流体层流流动。

钻井液渗流对裂缝内摩擦角的影响程度由钻井液类型和裂缝填充物的性质决定，由于未获得研究区域的实验测试数据，X. Chen等人假设裂缝内摩擦角降低幅度分别为不同的值，分析其对井壁稳定性的影响。

（2）双重孔隙介质。Nguyen等人［53］（2009）利用双重孔隙模型研究了化学活性裂缝性泥页岩的井壁稳定性，计算中综合考虑了时间相关性、基质孔隙度和渗透率、裂缝孔隙度和渗透率及化学效应的影响。通过在Arabian Gulf的钻井实践表明，钻进化学活性裂缝性地层时往往发生与时间相关的井壁稳定问题。该类地层不仅存在宏观层理面而且有大量自然存在的微观裂缝赋存其中。裂缝的存在不仅造成地层强度弱化，而且还为低渗透岩石提供了高渗透率的流动通道。

由于化学活性裂缝性泥页岩无法取得常规岩石力学实验所需要的岩心，Nguyen等应用Oklahoma大学新设计的一种室内岩石力学性能测试装置Inclined Direct Shear Testing Device（IDSTD）进行实验研究。与常规装置要求的标准岩心为25.4 mm×50.8 mm或50.8 mm×101.6 mm不同，该装置可对小岩样进行测试，而且还可将岩心与不同的钻井液接触，测试不同循环时间下活性裂缝性泥页岩强度参数随时间的变化规律。

对于耦合化学作用影响的时间相关的双重孔隙、双重渗透率模型，即双重孔隙-化学-弹性模型，裂缝的存在对井壁稳定有较大影响。岩体中存在的裂缝，一方面造成岩石强度弱化，另一方面成为流体流动和扩散的主要通道。据估计，68 m3的岩石中大约有500万个微裂缝，由于其数量巨大，无法在计算中精确计入，因此双重孔隙模型中忽略单个裂缝的长度和宽度，而由次生孔隙连续介质取代，岩石基质和裂缝作为独立的两个系统，每个系统中流体的流动均符合达西定律，由于多孔介质中的达西流雷诺数较小，不需要考虑非线性流动，其流动规律可用线性达西定律表示。

对于双重孔隙介质的有效应力准则，需要定量计入裂缝和钻井液化学盐度的影响。基于此，Nguyen等建立了时间相关的井壁稳定计算方法，其主要参数是裂缝的渗透率和岩石整体的压缩系数，因为它控制着裂缝性岩石的流体流动和变形特征。

5　结论

Conclusions

（1）硬脆性泥页岩基质和裂缝充填物中是否含活性黏土矿物是影响井壁稳定分析的关键因素。不同活性黏土矿物含量条件下，钻井液及滤液侵入硬脆性泥页岩内部裂缝对其力学性质的影响规律认识不清，尚未获得定量研究结果。

（2）硬脆性泥页岩宏观层理、微观裂缝等弱面发育，弱面的描述和建模困难，目前仅可进行特定条件下的建模分析，无法真实反映其内部真实结构特征。

（3）硬脆性泥页岩完整岩心获取困难，围压条件下破坏机制复杂，从微观角度描述多场耦合作用下硬脆性泥页岩裂缝扩展连通导致井壁失稳的渐进过程，揭示井壁失稳机理及主控因素将成为未来研究的热点和难点。

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（修改稿收到日期 2016-03-30）

〔编辑 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

赵凯（1986-），2008年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，获学士学位，2013年毕业于中国石油大学（北京）油气井工程专业，获博士学位，主要从事井壁稳定方面的研究。通讯地址：（710065）陕西省西安市电子二路东段18号西安石油大学石油工程学院。E-mail：zkaiup@126.com构造运动及高温高压环境的影响，泥页岩中裂缝发育、性质硬脆，钻井过程中井筒失稳问题严重，传统的针对各向同性孔隙弹性完整性地层的井壁稳定研究方法已无法解决该类问题，严重制约了深层油气资源和页岩气等非常规油气资源的有效开发［5-8］。基于此，国内外众多学者从硬脆性泥页岩的基本力学特征出发，探索出了一系列有益的研究理论。

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.

陕西省教育厅科研计划项目“页岩气储层水平井井壁失稳机理研究” （编号：14JK1583）；西安石油大学博士科研启动项目“多结构面地层井筒失稳控制理论及方法研究” （编号：2014BS02）。

引用格式：赵凯，樊勇杰，于波，韩继勇，许永华，高诗惠. 硬脆性泥页岩井壁稳定研究进展［J］.石油钻采工艺，2016，38（3）：277-285.