深層硬脆性泥頁巖井壁穩定力學化學耦合研究進展與思考

金 衍，薄克浩，張亞洲，盧運虎

（1.中國石油大學（北京）石油工程學院,北京 102249；2.油氣資源與探測國家重點實驗室（中國石油大學（北京））,北京 102249）

深層鉆井鉆遇硬脆性泥頁巖地質體時，井壁易發生坍塌、掉塊，引起阻卡等井下復雜，嚴重時甚至導致井眼報廢，而90%的井壁失穩問題都與硬脆性泥頁巖地層有關，研究硬脆性泥頁巖地層井壁穩定顯得尤為重要[1–5]。硬脆性泥頁巖地層井壁失穩不能徹底解決的根本原因在于2 個方面：鉆遇未知的地層和井壁圍巖不同尺度不同階段變形—破壞—失穩的發展過程難以定量描述。與傳統砂泥巖相比，硬脆性泥頁巖具有獨特的礦物組成和微觀結構，并耦合深層高溫、高應力、高孔隙壓力、鉆井流體等復雜環境，導致深層硬脆性泥頁巖地層井壁穩定性問題是一個涉及力學、化學多學科交叉和微觀、細觀及宏觀跨尺度演化的復雜問題。針對力學化學耦合作用下泥頁巖井壁穩定問題，國內外學者分別從微觀、細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理、描述細觀損傷及評價宏觀強度劣化規律，構建鉆井流體化學性能與巖石力學參數間的本質關系橋梁，建立井壁穩定預測理論和控制模型，以期有效控制泥頁巖地層井壁失穩。筆者對深層硬脆性泥頁巖力學化學耦合作用下井壁穩定問題的多尺度研究進行了梳理與總結，并從考慮化學效應的脆性斷裂力學角度，提出了探索硬脆性泥頁巖井壁穩定性問題的新思路。

1 深層硬脆性泥頁巖井壁失穩基本原理

隨著深層及超深層油氣資源的勘探開發，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，由于其復雜的地質環境條件（高溫、高壓及高地應力等），與淺層水敏性泥頁巖相比，其組構特征存在本質區別。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，內部層理和微裂紋十分發育，各向異性及非均質性特征明顯。

當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部的微裂紋或弱結構面后，首先與微觀尺度上流體內的水分子、活性成分、巖石礦物發生復雜的物理化學反應，影響礦物表面間的微觀相互作用；同時，在耦合力學作用的影響下，細觀尺度上微裂紋發生起裂、擴展乃至貫通，逐步導致宏觀尺度上硬脆性泥頁巖強度參數劣化及應力狀態發生改變，最終影響硬脆性泥頁巖井壁穩定狀態，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定力學化學耦合研究進展

硬脆性泥頁巖井壁力學化學耦合失穩呈現累進性和周期性特征，其本質是鉆井液濾液進入地層，井壁圍巖內部微裂縫在微觀–細觀–宏觀尺度動態演化，是導致深層硬脆性泥頁巖井壁失穩的關鍵誘因?？刂粕顚佑泊嘈阅囗搸r井壁失穩，需要探究流體與硬脆性泥頁巖礦物之間的微觀作用機理，明確流體–巖石間的相互作用與硬脆性泥頁巖內部缺陷的細觀損傷演化乃至宏觀強度劣化間的本質關系，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定性的影響。

目前，國內外學者對于力學化學耦合作用下硬脆性泥頁巖井壁失穩的研究主要分為3 部分，即硬脆性泥頁巖水化微觀作用機理揭示、細觀結構損傷表征、宏觀強度劣化效應描述及井筒穩定性預測分析。

2.1 微觀尺度（作用機理）

當鉆井流體侵入泥頁巖地層后，流體內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，是誘使泥頁巖細觀結構損傷、宏觀強度劣化乃至井壁失穩復雜情況發生的主要影響因素。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制，對于明確流體–巖石相互作用下井壁失穩機理，進而合理調控流體性能（優選作用效果更好的抑制劑及合理的加量）維持井壁穩定具有十分重要的意義。

分子模擬技術可以從分子尺度直觀描述流體內水分子和活性粒子在黏土礦物晶層內的微觀形態及分布特征（如圖2 所示），表征流體作用下泥頁巖黏土礦物晶體結構及微觀力學性質的變化，是揭示流體作用下泥頁巖強度劣化微觀動力學機制的有效手段。目前，國內外相關學者已利用分子模擬技術，研究了不同因素影響下黏土礦物的水化特征（黏土礦物晶體結構及微觀力學性質的變化），包括作用流體組分及濃度、外部環境條件（溫度和壓力）和黏土礦物晶層結構特征（晶層表面電荷密度及電荷分布特征）。

圖2 蒙脫石層間域內吸附不同數量水分子后的微觀構象[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 等人研究的基礎上，利用蒙特卡洛模擬方法研究了蒙脫石層間域內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力學模擬相結合的方法，研究了不同水化程度條件下蒙脫石層間域內水分子、K+、Li+和Na+的分布特征及擴散性能。徐加放等人[12]利用分子力學和分子動力學模擬，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]利用分子動力學模擬方法，通過研究蒙脫石層間域內Cs+、Na+和Sr2+等3 種離子的水化特性，認為黏土礦物層間域內離子尺寸和離子所帶電荷會影響黏土礦物的水化膨脹行為。王進等人[14]利用分子力學和分子動力學模擬方法，通過分析不同含水量條件下蒙脫石層間K+和水分子的動力學特征（層間擴散能力），揭示了K+對蒙脫石水化膨脹的抑制作用機理。K.Yotsuji 等人[15]研究了單價陽離子（Cs+、Na+和K+）和雙價陽離子（Ca2+和Sr2+）對蒙脫石晶體膨脹特性的影響及其作用機理。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。除了關注層間金屬陽離子對蒙脫石水化膨脹行為的影響機理，也有不少學者利用分子模擬方法，去探究層間非金屬陽離子（如NH4+）乃至有機類抑制劑抑制蒙脫石水化膨脹的機理[17–21]。

蒙脫石的水化作用不僅會導致其微觀晶體結構發生變化，也會導致礦物微觀力學參數發生變化。徐加放等人[22]利用分子動力學模擬方法，研究了蒙脫石的水化特性和無機鹽（NaCl、KCl、NH4Cl、MgCl2和CaCl2）種類及其質量分數對礦物晶體彈性力學參數（彈性模量、泊松比、體積彈性模量和切變模量）的影響，嘗試從微觀角度實現井壁穩定化學和力學的耦合研究。黃小娟等人[17]研究了甲酰胺和尿素等小分子有機胺類抑制劑對蒙脫石水化的抑制作用機理，分析了有機胺類抑制劑種類及其質量分數對Na-蒙脫石彈性力學性能的影響。Han Zongfang 等人[23]在進行分子動力學模擬時，選用CLAYFF 力場模型，研究了Na-蒙脫石晶體在無機鹽溶液作用下其彈性力學性能的變化。

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，很多學者也逐漸開始從微觀角度關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，發現了伊利石的順式（1M-tv）和反式（1M-cv）結構，給出了化學式及分子晶胞數據。王冠等人[25]利用蒙特卡洛和分子力學模擬方法，模擬了1M-cv 和1M-tv 2 種結構伊利石的水分子吸附，分析了伊利石的水化機理及膨脹特性，發現伊利石水化膨脹并不明顯。劉勇等人[26]利用分子動力學模擬方法，研究了常溫條件下伊利石的水化性能，發現水化初期伊利石層間距增大，隨著吸附水分子數量增多，伊利石吸水飽和，不再進行膨脹。劉梅全等人[27]針對伊/蒙混層水化導致的井壁失穩問題，利用分子動力學模擬方法，著重研究了伊利石的水化機理和無機鹽（NaCl、KCl、NH4Cl、CaCl2、MgCl2、AlCl3及FeCl3）對伊利石水化膨脹特性及晶體力學性能的影響，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]利用分子動力學模擬方法，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力學模擬相結合的方法，分析了高嶺石表面的水化機理，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]利用經典分子動力學模擬方法，研究了流體濃度對于Cs+離子在高嶺石層間域內的吸附和擴散行為。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行了分子動力模擬，指出高嶺石的水化強度與層間陽離子的化合價和濃度相關。

2.1.2 外部環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，對應環境溫度和壓力也會增高。復雜溫度壓力環境下黏土礦物的水化作用，也是影響硬脆性泥頁巖井壁穩定性的重要因素之一。Y.Zheng 等人[32]利用分子動力學模擬方法，研究了不同溫度（260～400 K）條件下水分子和單價陽離子（Li+、Na+、K+、Rb+和Cs+）在蒙脫石層間域內的擴散行，認為環境溫度升高會使水分子和陽離子在層間域內的擴散能力增強。M.Camara 等人[33]利用分子動力學模擬法分析了高溫（200～600 K）、高壓（6 GPa）條件下Na-蒙脫石經無機鹽溶液作用后的水化行為，認為溫度升高會使蒙脫石層間水分子和陽離子的流動能力增強，從而加劇蒙脫石的水化膨脹。劉勇等人[26]利用分子動力學模擬方法，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力學模擬（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參數的影響規律，認為溫度升高會使巖石強度參數的劣化加劇，壓力升高會降低黏土水化導致強度參數劣化的效應。

2.1.3 晶層結構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境有關，也與黏土礦物同晶置換作用所導致的不同晶層電荷密度及晶層電荷分布相關。況聯飛等人[35]在進行鈉蒙脫石晶層間水分子結構分子動力學模擬時發現，層間補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。Peng Chenliang 等人[20,36]利用分子動力學模擬方法，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理，雖然國內外學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觀損傷及宏觀強度劣化間的內在關系橋梁，無法量化描述流體與泥頁巖間物理化學作用對于宏觀尺度泥頁巖井壁穩定性的影響。

2.2 細觀尺度（損傷描述）

由于深層硬脆性泥頁巖自身微裂紋發育，鉆井流體極易侵入泥頁巖內部并與其發生相互作用，誘發硬脆性泥頁巖內部微裂紋起裂擴展，進而導致硬脆性泥頁巖宏觀強度劣化及井壁失穩。國內外學者利用各種先進的無損探傷實驗技術手段（CT 掃描成像法、環境掃描電鏡觀察法、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展行為進行了描述與表征，嘗試探索流體作用下硬脆性泥頁巖內部細觀結構損傷與宏觀力學行為的內在相互關系。

1）CT 掃描成像法。石秉忠等人[37–38]采用CT成像數字巖心分析設備，分析了川西地區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、擴展、分叉、歸并、重分叉、再擴展、貫通、宏觀破壞），認為自吸水化作用下微裂紋的擴展是導致硬脆性泥頁巖微觀結構變化直至宏觀破壞的主要原因之一。馬天壽等人[39]以威遠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微裂隙的演化情況，并以水化過程中頁巖內衍生的微裂隙面積為損傷變量，提出了頁巖水化細觀損傷特性定量評價方法，定量描述了水化過程中頁巖損傷變量與浸泡時間的關系。林永學等人[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間下微觀結構的變化情況，認為流體侵入頁巖后在前期就會誘發新裂紋起裂擴展，頁巖經不同流體浸泡內部變化具有明顯的差異。Zhang Shifeng 等人[41]將CT 掃描成像法與數字圖像處理技術結合，描述了不同水化作用時間、不同空間位置下Mancos 頁巖細觀結構損傷情況，并通過三維裂縫面重構，詳細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觀結構損傷演化規律，利用損傷面積和分形維數定量描述了頁巖水化損傷程度和裂紋擴展的復雜程度。高書陽等人[43]認為滾動回收、線性膨脹等常規試驗方法不能有效評價不同鉆井液條件下龍馬溪組頁巖井壁的穩定性，提出利用CT 層析成像技術表征裂縫擴展的方法來評價頁巖經流體作用后的水化特征。對于壓裂液作用下硬脆性頁巖細觀結構的變化情況，也有不少學者利用CT 掃描成像法進行了描述與探究。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，描述了長寧區塊硬脆性頁巖在壓裂液作用后的細觀結構，分析了不同自吸時間下頁巖裂縫起裂擴展的情況。

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 區塊龍馬溪組頁巖水化前后的情況，發現硬脆性頁巖經水浸泡后孔、縫明顯增多。劉向君等人[49–51]以多個地區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間下微觀結構的變化過程。盧運虎等人[52–53]利用熱場發射環境掃描電子顯微鏡，系統探究了不同溫度、壓力和浸泡時間下龍馬溪組硬脆性頁巖平行層理和垂直層理面微觀結構的變化特征（如圖4 所示），指出龍馬溪組頁巖細觀尺度的各向異性引起的頁巖水化特征存在明顯區別；另外，環境溫度升高，會使頁巖細觀結構的水化損傷加劇。薛華慶等人[54]利用場發射掃描電鏡，描述了水化作用對硬脆性頁巖無機礦物和有機質微觀結構的影響。隋微波等人[55]以四川彭水、自貢及涪陵和長慶地區硬脆性頁巖為研究對象，利用場發射掃描電鏡對頁巖水化前后的微觀結構進行了定點觀測，研究了黏土礦物類型及含量、有機質發育程度和平行及垂直層理差異性對頁巖水化后微觀結構變化的影響。

圖4 平行層理取心頁巖水化的細觀過程（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，利用聲波時差和衰減系數描述了頁巖水化動態變化的過程，利用時域信號及頻域信號，定性分析了頁巖水化結構的變化特征。

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間下的硬脆性泥頁巖試樣，根據不同浸泡時間試樣的橫向弛豫時間T2譜分布及核磁共振成像，研究了水化對頁巖結構的損傷。錢斌等人[59]利用核磁共振和CT 掃描成像相結合的技術手段，研究了水化作用對頁巖孔、縫結構的影響。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定量評價水化作用下頁巖結構損傷程度的方法。

除了利用無損檢測方法對硬脆性泥頁巖水化細觀結構損傷程度進行描述和表征外，也有學者嘗試定量描述硬脆性泥頁巖水化細觀結構損傷與其力學行為間的關系。Ma Tianshou 等人[62]結合損傷力學理論和CT 掃描試驗，以水化作用誘導產生的微裂隙面積為損傷變量，建立了考慮頁巖水化結構損傷的本構模型，定量描述了水化作用對硬脆性頁巖力學行為的影響。

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觀損傷程度的定量評價，已經開展了大量系統且深入的研究，并基于損傷力學理論，建立了硬脆性泥頁巖細觀結構損傷程度與宏觀力學行為的量化關系，為后續深入分析硬脆性泥頁巖宏觀尺度的井壁穩定性奠定了有利條件，但未清晰揭示誘導硬脆性泥頁巖內微裂紋起裂擴展乃至細觀結構損傷的物理化學和力學耦合作用機制（考慮化學效應的微裂紋演化），關于環境流體化學因素（濃度及組分等）對硬脆性泥頁巖細觀結構損傷影響的量化描述也鮮有涉及。

2.3 宏觀尺度

評價水化作用對硬脆性泥頁巖宏觀強度性能的影響，是分析硬脆性泥頁巖井壁穩定性的重要前提。目前，多位學者聚焦泥頁巖水化宏觀強度參數劣化問題，開展了大量試驗研究。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，并測試了巖樣水化后的單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比、內摩擦角和內聚力等強度參數。黃進軍等人[64–65]測試了庫車組泥巖經不同種類鉆井液處理劑浸泡前后的強度參數，探究了鉆井液組分對泥巖抗壓強度和力學變形行為的影響。盧運虎等人[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、不同鉆井液浸泡時間下的深層泥巖強度參數評價試驗。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蒸餾水和飽和KCl 溶液浸泡前后的單軸抗壓強度。向朝綱等人[68]進行了硬脆性頁巖經蒸餾水、油基鉆井液及水基鉆井液高溫高壓浸泡后的強度評價試驗，探究了頁巖強度參數隨浸泡時間的變化規律。Lyu Qiao 等人[69]評價了彭水硬脆性頁巖經不同質量分數的NaCl、KCl 和CaCl2溶液作用后的膨脹行為和單軸抗壓強度，探究了無機鹽溶液質量分數對于硬脆性頁巖水化特征的影響。Zhang Qiangui 等人[70–71]系統研究了各向異性和水化作用對硬脆性頁巖力學性能的影響規律。

國內外學者從20 世紀90 年代開始研究入井流體與泥頁巖間物理化學和力學耦合作用下的井筒尺度穩定性問題。C.H.Yew 等人[72]根據熱彈性力學理論，構建了泥頁巖吸水量與水化膨脹應變及彈性參數間的經驗關系，并考慮泥頁巖水化作用對其力學效應的影響，首次形成了泥頁巖流–固–化多場耦合井壁穩定理論模型。黃榮樽等人[73]在C.H.Yew等人研究的基礎上，考慮了水化作用對泥頁巖剪切強度參數的劣化效應，分析了力學化學耦合作用下的泥頁巖井壁穩定性問題。F.K.Mody 等人[74]認為鉆井液與泥頁巖之間的流動具有半透膜特征，將鉆井液與泥頁巖孔隙流體間化學勢差所產生的滲透壓等效為孔隙壓力，直接與力學作用下的井周應力分布狀態相結合，建立了泥頁巖力–化耦合井壁穩定模型。Yu Mengjiao 等人[75]在前人研究的基礎上，考慮了鉆井液中水與溶質在泥頁巖中的流動行為對地層孔隙壓力的影響，建立了考慮化學效應的泥頁巖井壁穩定理論模型。金衍等人[76]利用考慮泥頁巖水化強度劣化效應的井壁穩定模型，預測了不同鉆井液密度和濾失條件下地層的臨界坍塌時間。V.X.Nguyen 等人[77]利用雙孔雙滲流–固–化多場耦合井壁穩定模型，研究了硬脆性頁巖井壁穩定的時間效應。溫航等人[78]建立了考慮結構特點和弱面水化的硬脆性泥頁巖斜井段井壁穩定力–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構水化特征，建立了適用于頁巖氣藏的力學化學耦合井壁穩定模型。Cheng Wan 等人[80]考慮陸相頁巖基質及弱面的水化時間效應，建立了流–固–熱–化多場耦合井壁穩定模型。Zhang Shifeng等人[81]采用Weibull 統計模型定量描述泥頁巖水化強度損傷變量，將損傷力學理論與井壁穩定模型相結合，構建了考慮鉆井液抑制（水化損傷）–封堵–擴散耦合作用的泥頁巖井壁穩定理論模型。

綜合來看，目前已經比較全面地研究了水化作用對于硬脆性泥頁巖宏觀強度劣化效應表征及對井壁穩定性的影響，但是單純在宏觀尺度上很難揭示環境介質化學因素（流體濃度及組分等）與硬脆性泥頁巖力學參數乃至井壁穩定狀態間的內在聯系，環境流體介質與硬脆性泥頁巖間的復雜反應（流體中各種活性成分與泥頁巖間的物理化學反應）對于井壁穩定性的影響無法實現定量化描述，這對于通過調整流體化學性能（組分及濃度等）維持井壁穩定仍存在較大局限性。

3 深層硬脆性泥頁巖井壁穩定性研究的幾點思考

對于硬脆性泥頁巖力學化學耦合作用下的井壁穩定問題，目前國內外學者分別從微觀作用機理的揭示、細觀損傷的表征、宏觀力學劣化效應及井壁穩定性定量分析等方面開展了大量深入且系統的研究，但是微觀作用機理–細觀結構損傷–宏觀劣化效應–井壁穩定性這幾者之間的關系橋梁一直沒有真正建立起來，入井流體化學因素（流體組分及濃度等）與硬脆性泥頁巖井壁穩定狀態間的內在關系仍沒有得到有效揭示，在對鉆井流體抑制性–封堵性–密度間進行科學合理協調控制時很難提供有力的理論依據。

從本質上來講，硬脆性泥頁巖的井壁失穩是硬脆性泥頁巖與流體間物理化學和力學耦合作用下隨著微裂紋的跨尺度演化逐步導致的。因此，控制硬脆性泥頁巖井壁失穩，就要從根源上明確力學化學耦合作用下微裂紋的擴展演化與井壁穩定狀態間的內在關系。在硬脆性泥頁巖與流體間物理化學和力學的作用下，微裂紋尖端達到一定臨界條件會發生起裂，并以一定擴展速率延伸，硬脆性泥頁巖內微裂紋擴展延伸到某一程度才會導致細觀結構損傷，硬脆性泥頁巖細觀結構損傷達到一定程度才會表現出宏觀強度劣化乃至改變井壁穩定狀態。

基于以上分析，從考慮化學效應的微裂紋演化（化學斷裂）著手，搭建微觀作用機制–微裂紋演化–細觀結構損傷–宏觀強度劣化–井壁穩定狀態間的量化關系，不失為一種探究深層硬脆性泥頁巖力學化學耦合作用下井壁穩定性的新思路，而這需要解決以下關鍵問題：

1）考慮化學效應的硬脆性泥頁巖微裂紋起裂擴展力學模型的構建，揭示流體化學因素（組分及濃度等）與微裂紋起裂擴展力學參數間的內在關系，描述硬脆性泥頁巖與流體間復雜的物理化學反應（包括離子交換吸附、表面基團的解離等）對微裂紋起裂擴展行為的影響；

2）探究力學化學耦合作用下微裂紋擴展速率與細觀結構損傷變量間的關系，定量描述硬脆性泥頁巖微裂紋起裂擴展行為對細觀結構損傷的影響；

3）基于損傷力學理論構建硬脆性泥頁巖細觀結構損傷與宏觀力學行為間的關系；

4）結合統計損傷模型，形成考慮硬脆性泥頁巖水化強度損傷的井壁穩定控制模型，實現巖石與流體間的微觀反應對于硬脆性泥頁巖井壁穩定性影響的模型化描述，揭示入井流體化學因素（組分及濃度等）與硬脆性泥頁巖井壁穩定狀態間的內在關系，為通過調節入井流體性能維持硬脆性泥頁巖井壁穩定狀態提供理論依據。

4 結束語

針對硬脆性泥頁巖力學化學耦合作用下的井壁穩定性問題，系統闡述了鉆井流體作用下硬脆性泥頁巖微觀作用機制，可視化表征了鉆井流體與應力耦合下硬脆性泥頁巖細觀結構演化特征，建立了深層硬脆性泥頁巖井壁穩定力學化學耦合模型，并提出了坍塌壓力的預測方法，為硬脆性泥頁巖井壁穩定性控制提供了有效的技術手段，工程實踐也取得了較好的成效。然而，上述研究難以預測井壁坍塌程度與鉆井液性能的定量關系，導致深層硬脆性泥頁巖井壁失穩問題仍然存在，如何準確認識巖石的初始缺陷狀態，防止巖石缺陷跨越發展至上一個尺度顯得尤為重要。從這個角度出發，硬脆性泥頁巖井壁穩定力學化學耦合理論應更多關注鉆井流體作用下巖石內部微缺陷的斷裂與擴展，構建井壁穩定化學斷裂力學理論，定量表征井壁圍巖穩定性與鉆井流體離子類型、濃度間的內在關系，實現協同控制井壁穩定性力學與化學參數的定量預測，創新與發展深層硬脆性泥頁巖井壁穩定力學化學耦合理論，科學指導鉆井液密度與性能優化設計。