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[摘 要]泥页岩井壁失稳问题一直是钻井工程中一个复杂且带有世界性的难题，井眼不稳定给钻井工程造成的困难是巨大的，主要表现为缩径、坍塌卡钻、井眼扩大、电测遇阻、固井质量低下等。这些事故不但会延误钻井周期，而且还会给保护油气层技术的实施带来困难。影响井壁稳定的因素有两方面：一方面是钻井液和岩石的化学因素，另一方面是地层力学因素。当前对井壁稳定性研究主要集中在力学和化学的耦合研究。
[关键词]弹塑性 耦合 井壁稳定
中图分类号：TE21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）08-232-01
井眼不稳定给钻井工程造成的困难是巨大的，主要表现为缩径、坍塌卡钻、井眼扩大、电测遇阻、固井质量低下等。井眼不稳定多数发生在泥页岩井段。钻井地层大约75%以上是由泥页岩构成，约有90%的井眼垮塌问题都与泥页岩不稳定性有关。因此，开展泥页岩的稳定性研究对更好地解决井眼不稳定问题尤为重要。这些工程问题和研究主要包括页岩的综合性质如：与环境有关的强度和变形特性、孔隙度、含水量、粘土含量、组成、压实速率等。钻井液的综合性质如化学组成、泥浆连续相的集度、内部相的组成和类型（如果存在的话）、与连续相相关的添加剂类型、系统的维护等也是非常重要的工程因素。
研究表明，井眼内钻井液对泥页岩的化学作用，最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力状态的改变，人们逐渐将力学与化学两个方面结合起来研究。目前，泥页岩井壁失稳的力学与化学耦合研究仍是井壁稳定性研究中较为关注的研究方向。
1泥页岩概述
沉积岩是地球表面分布最广的一种岩石类型，沉积岩中70%是泥页岩。因为泥页岩的主要成分是粘土矿物，所以泥页岩也称为粘土岩。对泥页岩的深入了解是研究泥页岩井壁稳定的基础，包括泥页岩的矿物组成、成岩机理、强度、水化机理等。泥页岩含有各种粘土矿物，泥页岩最显著的特性就是粘土矿物含量高，渗透率极低。其极低的渗透率是由不良的小孔狭口的连通性造成的，且与水和热膨胀性有很大的关系。粘土含量的多少，决定了泥页岩的亲合力，当泥页岩中含蒙脱石比伊利石或高岭土高时，泥页岩对水就具有更多的亲和力。粘土与水接触就会发生水化膨胀，只是水化膨胀的程度不同。粘土水化有两种机理：表面水化作用和渗透水化作用。表面水化作用是粘土水化的第一个阶段，它是粘土晶体表面上吸附水分子的作用，也称为晶格膨胀。引起粘土表面水化作用的力是表面水化能。交换性阳离子以两种方式影响粘土表面的吸附水：一是许多阳离子本身是水化的，即它们本身有水分子的外壳；二是它们与水分子竞争，键接到粘土晶体的表面上，并且倾向于破坏水的结构。
渗透水化作用是粘土水化作用的第二阶段，即完成了离子水化与粘土表面层水化后才进行的。当粘土暴露在自由水中，由于粘土表面的阳离子浓度小于溶液内部的浓度，因此，水发生浓度差扩散，形成了扩散双电层。
2井壁稳定性机理研究
井眼围岩应力的计算，主要依赖于应力—应变特性。根据均质、各向同性和线弹性地层的假定及广义平面应变的假设，可以求出井壁围岩应力场的分布。通常岩石中存在大量的孔隙，由于这些孔隙的存在，改变了岩石的力学特性，因此提出了多孔弹性模型。起先是将线弹性方程加以扩展，来分析多孔各向同性固体的固结情况，后来又用有关混合物的连续力学理论扩展了Biot的理论，提出了描述可压缩多孔介质的模型。对于多孔弹性模型，在进行井壁稳定性分析时做了两种假设：完全渗透性井壁和非渗透性井壁。这是因为传统的理论中，井眼周围的孔隙压力不能精确的测量。而近来发展的倾斜井眼的多孔弹性模式，精确考虑到了岩石基质和孔隙流体之间的相互作用。该模式指出，井壁周围的孔隙压力与原始地层压力大不相同，特别是岩石破碎效应和与钻井液接触后的一段时间内的变化[2]。尽管这些模型包含了特定形态下孔隙压力的扩散情况，但并不存在流体孔隙压力与岩石变形的联合作用。因此又提出了三维的多孔模型，用以研究斜井井壁处于渗透性地层和非渗透性地层条件下的情况。井壁稳定弹性分析方法认为：当井壁在线弹性条件下失稳时，井壁上的应力状态处于临界点。但是，在实际钻井过程中，由于孔隙流体迁移的粘滞效应，井壁出现裂缝并不会导致井眼出现大面积的垮塌。这样可能在井眼附近出现一个塑性屈服带，使临界破坏点发生在岩石内部而不是在井壁上。因而，又提出了弹塑性分析模型。
用柱面坐标中的应力函数来解决弹塑性问题，对于弹性区，利用Hook定律，而对塑性区，则采用Coulomb屈服准则，在这种屈服条件下，Mohr圆的屈服包络线是一条直线。由于此模型方法简单，因而经常应用。总的来说，一方面随着物体结构破坏而产生破裂，胶结逐渐消失；另一方面，随着塑性应变的增加，内摩擦角增大，导致物质变硬，最终达到一定的内摩擦角。
3井壁稳定泥浆化学研究
针对泥页岩的井壁稳定性研究，初期人们一直认为井壁失稳主要是由于岩石的原始强度不足以抵抗破坏应力所致，一直把井壁失稳问题看成是一个纯力学问题。但是，20世纪中期世界各地采用气体钻井维持了某些泥页岩地层井壁良好的稳定性，各方面详实的资料表明：空气钻井、泡沫钻井（尤其是干空气钻井）对某些泥页岩井壁稳定有很好效果，人们才开始分析，导致泥页岩井壁失稳的关键问题可能是泥页岩与泥浆的接触导致的泥页岩水化。从化学方面研究泥页岩井壁稳定，目的是筛选较理想的泥浆体系。泥浆中大量处理剂的存在，有效的抑制了泥页岩水化膨胀，有些钻井液体系或处理剂甚至会强化井壁稳定性。温度和压力对泥页岩水化膨胀性能的影响；泥页岩动态水化过程的研究；活度與半透膜对泥页岩水化膨胀的影响等。防塌处理剂研究主要包括：钾离子防塌机理研究；硅离子防塌机理研究[7]；聚合物防塌机理研究和沥青类产品防塌机理等。
4泥页岩井壁稳定的力学-化学耦合研究
岩石力学领域首先将力学-化学耦合理论应用于土壤力学领域，取得了一定成果，钻井领域借鉴了土壤力学的处理方法，开始了泥页岩水化力学与化学耦合研究。至90年代后期，将力学因素与化学因素耦合起来进行泥页岩井壁稳定性研究才开始进入定量化数学描述的阶段。Chenevert首先进行了泥页岩力学化学耦合方面的实验研究，所作的一系列实验具有一定的代表意义。1970年，他开始研究页岩吸水以后力学性质的变化：通过实验观察了页岩密度、屈服强度、吸水膨胀与吸水量之间的关系，并测量了页岩吸附水量与时间和距离的关系。由实验可以明确看出：页岩吸水会造成强度降低，且不同页岩降低程度不同：页岩吸水量与穿透距离是时间的函数，时间越长页岩吸水越多，侵入距离越深。
5结论
（1）泥页岩含有各种粘土矿物，粘土水化有两种机理：表面水化作用和渗透水化作用。（2）井眼围岩应力的计算，主要依赖于应力—应变特性，目前已有的理论模型有线弹性模型、孔隙弹性模型和弹塑性模型。（3）从泥页岩/钻井液力学-化学耦合角度综合分析泥页岩井壁失稳机理，目前主要理论研究包括：总吸附水量相关法、等效孔隙压力法、总水势的增量弹性理论。（4）泥页岩水化的力学与化学耦合研究虽然已经开始，但由于问题的高度复杂性，已有研究成果并不一致，可见，泥页岩水化问题的力学与化学耦合需要更为逼近真实的理论基础，也需要进一步深化机理研究。
参考文献：
[1] 梁大川，王林.钻井液和泥页岩间的传递作用对井壁稳定的影响.钻采工艺与装备，1995；19（3）.
[2] 徐同台.井壁稳定技术研究现状及发展方向.钻井液与完井液，1997；14（4）.
[3] 黄荣樽.泥页岩井壁稳定力学与化学耦合研究.钻井液与完井液，1995；12（3）.
[关键词]弹塑性 耦合 井壁稳定
中图分类号：TE21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）08-232-01
井眼不稳定给钻井工程造成的困难是巨大的，主要表现为缩径、坍塌卡钻、井眼扩大、电测遇阻、固井质量低下等。井眼不稳定多数发生在泥页岩井段。钻井地层大约75%以上是由泥页岩构成，约有90%的井眼垮塌问题都与泥页岩不稳定性有关。因此，开展泥页岩的稳定性研究对更好地解决井眼不稳定问题尤为重要。这些工程问题和研究主要包括页岩的综合性质如：与环境有关的强度和变形特性、孔隙度、含水量、粘土含量、组成、压实速率等。钻井液的综合性质如化学组成、泥浆连续相的集度、内部相的组成和类型（如果存在的话）、与连续相相关的添加剂类型、系统的维护等也是非常重要的工程因素。
研究表明，井眼内钻井液对泥页岩的化学作用，最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力状态的改变，人们逐渐将力学与化学两个方面结合起来研究。目前，泥页岩井壁失稳的力学与化学耦合研究仍是井壁稳定性研究中较为关注的研究方向。
1泥页岩概述
沉积岩是地球表面分布最广的一种岩石类型，沉积岩中70%是泥页岩。因为泥页岩的主要成分是粘土矿物，所以泥页岩也称为粘土岩。对泥页岩的深入了解是研究泥页岩井壁稳定的基础，包括泥页岩的矿物组成、成岩机理、强度、水化机理等。泥页岩含有各种粘土矿物，泥页岩最显著的特性就是粘土矿物含量高，渗透率极低。其极低的渗透率是由不良的小孔狭口的连通性造成的，且与水和热膨胀性有很大的关系。粘土含量的多少，决定了泥页岩的亲合力，当泥页岩中含蒙脱石比伊利石或高岭土高时，泥页岩对水就具有更多的亲和力。粘土与水接触就会发生水化膨胀，只是水化膨胀的程度不同。粘土水化有两种机理：表面水化作用和渗透水化作用。表面水化作用是粘土水化的第一个阶段，它是粘土晶体表面上吸附水分子的作用，也称为晶格膨胀。引起粘土表面水化作用的力是表面水化能。交换性阳离子以两种方式影响粘土表面的吸附水：一是许多阳离子本身是水化的，即它们本身有水分子的外壳；二是它们与水分子竞争，键接到粘土晶体的表面上，并且倾向于破坏水的结构。
渗透水化作用是粘土水化作用的第二阶段，即完成了离子水化与粘土表面层水化后才进行的。当粘土暴露在自由水中，由于粘土表面的阳离子浓度小于溶液内部的浓度，因此，水发生浓度差扩散，形成了扩散双电层。
2井壁稳定性机理研究
井眼围岩应力的计算，主要依赖于应力—应变特性。根据均质、各向同性和线弹性地层的假定及广义平面应变的假设，可以求出井壁围岩应力场的分布。通常岩石中存在大量的孔隙，由于这些孔隙的存在，改变了岩石的力学特性，因此提出了多孔弹性模型。起先是将线弹性方程加以扩展，来分析多孔各向同性固体的固结情况，后来又用有关混合物的连续力学理论扩展了Biot的理论，提出了描述可压缩多孔介质的模型。对于多孔弹性模型，在进行井壁稳定性分析时做了两种假设：完全渗透性井壁和非渗透性井壁。这是因为传统的理论中，井眼周围的孔隙压力不能精确的测量。而近来发展的倾斜井眼的多孔弹性模式，精确考虑到了岩石基质和孔隙流体之间的相互作用。该模式指出，井壁周围的孔隙压力与原始地层压力大不相同，特别是岩石破碎效应和与钻井液接触后的一段时间内的变化[2]。尽管这些模型包含了特定形态下孔隙压力的扩散情况，但并不存在流体孔隙压力与岩石变形的联合作用。因此又提出了三维的多孔模型，用以研究斜井井壁处于渗透性地层和非渗透性地层条件下的情况。井壁稳定弹性分析方法认为：当井壁在线弹性条件下失稳时，井壁上的应力状态处于临界点。但是，在实际钻井过程中，由于孔隙流体迁移的粘滞效应，井壁出现裂缝并不会导致井眼出现大面积的垮塌。这样可能在井眼附近出现一个塑性屈服带，使临界破坏点发生在岩石内部而不是在井壁上。因而，又提出了弹塑性分析模型。
用柱面坐标中的应力函数来解决弹塑性问题，对于弹性区，利用Hook定律，而对塑性区，则采用Coulomb屈服准则，在这种屈服条件下，Mohr圆的屈服包络线是一条直线。由于此模型方法简单，因而经常应用。总的来说，一方面随着物体结构破坏而产生破裂，胶结逐渐消失；另一方面，随着塑性应变的增加，内摩擦角增大，导致物质变硬，最终达到一定的内摩擦角。
3井壁稳定泥浆化学研究
针对泥页岩的井壁稳定性研究，初期人们一直认为井壁失稳主要是由于岩石的原始强度不足以抵抗破坏应力所致，一直把井壁失稳问题看成是一个纯力学问题。但是，20世纪中期世界各地采用气体钻井维持了某些泥页岩地层井壁良好的稳定性，各方面详实的资料表明：空气钻井、泡沫钻井（尤其是干空气钻井）对某些泥页岩井壁稳定有很好效果，人们才开始分析，导致泥页岩井壁失稳的关键问题可能是泥页岩与泥浆的接触导致的泥页岩水化。从化学方面研究泥页岩井壁稳定，目的是筛选较理想的泥浆体系。泥浆中大量处理剂的存在，有效的抑制了泥页岩水化膨胀，有些钻井液体系或处理剂甚至会强化井壁稳定性。温度和压力对泥页岩水化膨胀性能的影响；泥页岩动态水化过程的研究；活度與半透膜对泥页岩水化膨胀的影响等。防塌处理剂研究主要包括：钾离子防塌机理研究；硅离子防塌机理研究[7]；聚合物防塌机理研究和沥青类产品防塌机理等。
4泥页岩井壁稳定的力学-化学耦合研究
岩石力学领域首先将力学-化学耦合理论应用于土壤力学领域，取得了一定成果，钻井领域借鉴了土壤力学的处理方法，开始了泥页岩水化力学与化学耦合研究。至90年代后期，将力学因素与化学因素耦合起来进行泥页岩井壁稳定性研究才开始进入定量化数学描述的阶段。Chenevert首先进行了泥页岩力学化学耦合方面的实验研究，所作的一系列实验具有一定的代表意义。1970年，他开始研究页岩吸水以后力学性质的变化：通过实验观察了页岩密度、屈服强度、吸水膨胀与吸水量之间的关系，并测量了页岩吸附水量与时间和距离的关系。由实验可以明确看出：页岩吸水会造成强度降低，且不同页岩降低程度不同：页岩吸水量与穿透距离是时间的函数，时间越长页岩吸水越多，侵入距离越深。
5结论
（1）泥页岩含有各种粘土矿物，粘土水化有两种机理：表面水化作用和渗透水化作用。（2）井眼围岩应力的计算，主要依赖于应力—应变特性，目前已有的理论模型有线弹性模型、孔隙弹性模型和弹塑性模型。（3）从泥页岩/钻井液力学-化学耦合角度综合分析泥页岩井壁失稳机理，目前主要理论研究包括：总吸附水量相关法、等效孔隙压力法、总水势的增量弹性理论。（4）泥页岩水化的力学与化学耦合研究虽然已经开始，但由于问题的高度复杂性，已有研究成果并不一致，可见，泥页岩水化问题的力学与化学耦合需要更为逼近真实的理论基础，也需要进一步深化机理研究。
参考文献：
[1] 梁大川，王林.钻井液和泥页岩间的传递作用对井壁稳定的影响.钻采工艺与装备，1995；19（3）.
[2] 徐同台.井壁稳定技术研究现状及发展方向.钻井液与完井液，1997；14（4）.
[3] 黄荣樽.泥页岩井壁稳定力学与化学耦合研究.钻井液与完井液，1995；12（3）.