鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩各向异性及能量演化特征

2019-09-11王跃鹏刘向君梁利喜

岩性油气藏 2019年5期

王跃鹏，刘向君，梁利喜

（油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，成都610500）

0 引言

随着能源需求的不断增长和对环境保护的注重，能源压力日益增长，页岩气等非常规能源逐渐得到重视和开发［1］。《中国矿产资源报告（2018）》［2］显示中国能源消费结构不断改善，煤炭占比不断下降，天然气占比逐渐增加，但天然气生产量的增长速度远小于消费量的增长速度，仍无法实现天然气自给自足。全国页岩气有利区的技术可采资源量为21.8万亿m3，目前探明率仅为4.79%。因此，页岩气发展前景广阔，尽快实现页岩气规模开发，有利于提高天然气供应能力、改变能源结构、增加清洁能源供应，形成油气勘探开发的新格局。

邹才能等［3］认为中国已初步实现了海相页岩气的勘探开发，而陆相和海陆过渡相页岩气仍处于地质评价、“甜点区”评选及工业化探索阶段。鄂尔多斯盆地延长组是中国陆相和海陆过渡相页岩气勘探开发有利区之一［4］。钻井时常发生卡钻、坍塌等井壁失稳现象，严重的安全问题影响施工进度，增加钻井成本。声学参数是进行测井分析、计算力学参数及动静态参数转换的基础；强度参数是分析井壁稳定和水力压裂时不可或缺的重要力学参数。在页岩沉积成岩过程中，岩石的矿物类型及含量、沉积环境、沉积取向性、沉积时期、构造历史等［5］导致不同地区页岩的声学、力学参数往往差异很大，即使同一地区不同产状的页岩也可能存在明显差异［6-10］。页岩等沉积岩在成分或结构上的变化所表现出的层次重叠现象（层理等层状构造）往往造成岩石力学性质具有明显的非均质性［11］。已有有关各向异性的研究多为龙马溪组页岩，且多为应力-应变曲线、破裂类型、声波速度等常规分析，如陈天宇等［6］对下寒武统牛蹄塘组黑色页岩力学特征及各向异性进行了研究；张永泽等［7］、侯振坤等［9］通过单轴压缩试验对重庆彭水龙马溪组页岩的应力-应变曲线及岩石破裂类型进行了研究；邓智等［10］以渝东南龙马溪组页岩为研究对象，对不同层理倾角下的三轴应力-应变曲线及纵横波速度进行了研究；王跃鹏等［12］结合物理实验与数值实验对层理所引起的页岩强度参数、弹性参数、破裂模式差异等进行了详细的分析。王文冰等［13］对灰岩平行层理和垂直层理方向的声波波形差异性进行了研究；熊健等［14］通过开展川南地区龙马溪组页岩的超声波透射实验，对纵横波速度比、纵波速度、声波衰减系数与层理角度间的相关性进行了分析研究；吴涛等［15］通过川东南龙马溪组页岩研究了纵横波速度与层理密度的关系；李贤胜等［16］基于多频声波测试系统，以四川盆地长宁地区龙马溪组露头页岩为例，研究分析了层理角度对纵波速度、衰减系数、时域特征、频域特征的影响。Chen等［17］使用数值模拟的方法研究了页岩波速、衰减系数与层理角度的关系；Xu等［18］利用时间二阶、空间四阶的交错网格有限差分法，系统研究了页岩层理结构对超声波特性的影响。已有关于能量演化特征的研究多集中在砂岩、煤岩、花岗岩等岩性［19-22］，针对页岩能量演化特征各向异性的研究较少，如李子运等［23］对三轴循环荷载作用下页岩能量演化规律的研究，但未分析层理角度对其影响，张萍等［24］对重庆彭水龙马溪组页岩进行了单轴压缩时的能量各向异性研究，但仅分析了起裂、扩容及峰值点的各向异性，未对整个压缩过程进行分析。通过开展不同层理角度下的超声波透射实验、扫描电镜、常规三轴压缩等物理实验，分析该地区声学、力学参数各向异性及不同层理角度下压缩试验的能量演化特征，探究井壁失稳的根本原因，以期对优化钻井设计、减少井壁失稳的发生［25］以及后期增产改造均具有指导意义。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地处于华北地块西部，其形成于中生代，是一个多构造体系、多旋回坳陷、多沉积类型的大型克拉通沉积盆地。盆地东西宽约400 km，南北长约 700 km，总面积达 25万 km2［26］。总体上构造形态呈东翼宽缓、西翼陡窄的不对称箕状向斜［27］。地层发育全，变形小，边缘地区断裂、褶皱较发育，盆地内部构造较简单，断裂构造和局部隆起都不甚发育。根据基底性质、地质演化历史和构造特征，鄂尔多斯盆地可划分为：伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷和西缘逆冲带等6个构造单元［27-30］。其中伊陕斜坡呈向西倾斜的平缓单斜构造，局部发育由差异压实作用形成的低幅度鼻状隆起构造［28］。研究区位于伊陕斜坡，区内构造简单，无背斜与断块圈闭发育，地层整体较为平缓。试验页岩露头岩样取自陕西省延长县张家滩镇。

2 微观结构各向异性

由图1可知，鄂尔多斯盆地延长组页岩矿物颗粒之间为泥质胶结，几乎观察不到大孔隙，纳米孔隙、微孔隙、微裂缝等小孔隙却十分发育，孔径一般为0.1～20.0 μm，可以很好地改善页岩的渗透性，利于烃源岩向外排烃。

微裂缝包括有相互连接的微米级裂缝［图1（a）］、层间微裂缝［图1（b）］以及层理面内的干裂纹［图1（c）］。孔多为溶蚀孔，包括颗粒被完全溶蚀掉的溶蚀孔［图 1（d）］，黏土矿物粒间孔［图 1（e）］，粒内、粒间溶蚀孔［图 1（f）］，以及大量纳米级孔［图 1（g）］、微米级孔［图1（h）］。

平行层理面的孔隙结构多为微米、纳米级溶蚀孔及微米级裂缝，微裂缝多为干裂缝。层理面上的干裂纹可能是水进入页岩内部后，黏土沉淀形成的，也可能是成岩过程中形成的。垂直层理面的孔隙及裂缝的形状与类型较为多样化，且分辨得更清晰。页岩特有的层状特征及微观结构，使其遇水时易沿微裂缝或层理面进入岩石内部，发生水化作用，破坏页岩完整性，严重时可造成井壁掉块、坍塌等井下复杂问题。

图1 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩不同层理面下的扫描电镜Fig.1 SEM under different bedding planes of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

3 页岩声学、力学特征各向异性

依据《GB/T 50266—2013工程岩体试验方法标准》［31］，按层理面法向与岩样轴向的不同夹角制备不同层理角度的岩样（Φ 25 mm×50 mm，图2），设该夹角为层理角度β。直径偏差小于0.2 mm，两端面不平整度偏差小于0.05 mm，端面与轴线的法线偏差在±0.25°以内。在标准岩样内可以观察到沉积压实作用下矿物定向排列形成的层理面。

使用HKGP-3型致密岩心气体渗透率孔隙度测试仪测量标准岩样的孔隙度和渗透率，得到鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩孔隙度为2.0%～2.6%，平均为 2.2%；渗透率为 0.133～1.280 μD，平均为 0.781 μD。

3.1 声波时差各向异性分析

将不同层理角度的标准岩样分别进行 25 KHz，50 kHz，100 kHz和260 kHz等4种不同频率的纵波透射实验以及260 kHz的横波透射实验。页岩的声波速度随层理角度不同而表现出明显的各向异性（图3）。纵波时差和横波时差总体上均表现出随层理角度β的增加而降低的趋势，在β=90°时，声波时差最小（波速达到最大值）［7，9-10，14，16-17，32］。这与页岩中特有定向排列的微裂隙和组成矿物的优选排列有关［9］。特有的层片状微观结构导致声波在页岩间传播时具有各向异性，如层间裂隙或软弱泥岩夹层使得声波沿垂直层理方向（β=0°）传播的声波速度降低，而平行层理方向（β=90°），连续稳定的层片结构使得声波对其具有优先性，导致波速最快［33］。当β由0°增大到90°的过程中，纵波方向由垂直层理面转变为平行层理面，随着单位距离内途经层理面数目的逐渐减少，低速介质减少、波的反射减弱、能量衰减减弱、波行走时缩短，波速增加，声波时差降低［9］。这与张永泽等［7］、侯振坤等［9］、熊健等［14］以及陈乔等［34］研究龙马溪组页岩声波各向异性时得到的随着穿透层理面的增加，遇到层理面处的胶结物、产状混乱的黏土矿物及层理面处的微裂缝增多导致衰减增加，波速减小的规律一致。

图2 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩标准岩样Fig.2 Standard rock samples of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩声波时差随层理角度的变化Fig.3 Acoustic times under different bedding angles of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

表1 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩不同层理角度下的声波参数Table 1 Acoustic parameters at different bedding angles of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

横波时差对层理角度β的敏感性小于纵波时差，其下降幅度小于纵波时差。随着层理角度β的增加，纵横波速度比由1.40增加至1.78（表1、图3）。与熊健等［14］对龙马溪组页岩的研究结论一致：随着层理角度β的增加，纵横波速度比均值增加。与邓智等［10］对渝东南龙马溪组不同层理倾角下页岩纵横波速度比（1.68～1.71）的研究及熊健等［14］对川南地区龙马溪组页岩纵横波速度比（约1.4～1.7）的研究相比，鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩变化范围更加广泛，说明研究区声波各向异性更加强烈，在使用声波数据计算动态力学参数时，若直接对纵波速度乘以某个经验值（比如1.7）估算横波速度可能产生较大误差。充分认识页岩的各向异性有利于准确使用测井数据评估分析井下页岩力学参数，使测井数据更好地服务于钻完井过程。从图4可以看出，在不同的层理角度β下，声波时差随着纵波频率的增加表现出不同的现象。层理角度β为0°～15°时，随着纵波频率的增加声波时差先增加后降低；30°～90°时，声波时差总体表现为降低，声波速度增加，但30°～75°时，声波时差下降的幅度较小，90°时声波时差下降幅度最大［34］。Chen等［17］、陈乔等［34］分析渝东南龙马溪组页岩及熊健等［14］分析川南地区龙马溪组页岩时得出测试频率越大，声波速度越大，且呈对数正相关性，与研究区部分层理角度下声波速度随纵波测试频率的变化规律具有一定的相似性。不同频率的声波在同一页岩内部传播过程中的速度差别为频散现象。频散现象在不同层理角度下具有明显的差异（频散程度差异），随着层理角度增大，声波时差的频散程度呈先增加后降低再增加的变化规律（表1和图3，4）。

图4 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩声波时差随纵波频率的变化Fig.4 Acoustic times variate with P-wave frequencies of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

3.2 力学特征各向异性分析

3.2.1 应力-应变曲线各向异性分析

使用TRC-100高温高压三轴流变仪进行不同层理角度下的抗压强度试验，分析层理角度对力学参数的影响。试验仪器由伺服控制，以0.05 MPa/s的加载速率同步加载围压及轴向压力至预定的测试值，并保持该压力在后续测试中恒定。采用一次连续加载法，以0.2 mm/min的加载速度进行位移加载，逐级获取轴向载荷及轴向变形，并实时监测记录应力及应变，直至试件破裂。应力-应变曲线如图5所示，横坐标的正、负值分别表示轴向应变、径向应变。从图5可以得到以下特征：

图5 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

（1）该组页岩应力-应变曲线类型为Ⅱ类，试样在峰值后自身释放的能量就能使裂缝继续扩展，属于不可控制的破裂过程，说明研究区的页岩属于硬脆性页岩，使后期压裂改造开采页岩气成为可能。峰后曲线较曲折多样，这是由于大量层理面与微裂缝的存在，使得页岩具有较强的非均质性，有利于形成复杂的裂缝缝网。

（2）应力-应变曲线的5个阶段不明显，进入弹性阶段之前几乎没有孔隙裂隙压实阶段，线弹性变形阶段较长，弹性极限和屈服极限几乎重合，难以区分线弹性阶段、孔隙裂隙压实阶段和屈服应力点，峰前应力-应变曲线近似为直线段，层理角度较大时曲线斜率几乎保持不变，表现出极强的线弹性，随着角度的降低，曲线斜率稍微降低，应变变长，有转向弹塑性的趋势。在达到峰值应力后，应力突然下降导致页岩损坏。当层理角度由90°变为45°时，应力-应变曲线斜率减小，当层理角度由45°变为0°时，应力-应变曲线斜率整体增大。

（3）随着层理角度的变化，页岩的峰值强度、弹性模量、泊松比和能量演化特征表现出明显的不同，具有较强的各向异性。

3.2.2 常规三轴压缩的力学参数各向异性分析

抗压强度的测试结果如图6所示和表2所列，可知三轴抗压强度随着层理角度呈“W”型变化，即先降低后增加再降低再增加的趋势，当β在0°和90°附近取得高抗压强度，分别为146.85 MPa和132.01 MPa；β为75°时取得抗压强度最小值，为74.13 MPa；在45°取得抗压强度的极小值，为92.09 MPa。张永泽等［7］、侯振坤等［9］对彭水龙马溪组页岩的单轴压缩试验研究认为，抗压强度的最小值取值分别为层理角度β为60°和45°时，姚光华等［32］对渝东南龙马溪组单轴压缩研究时也得出在60°取得抗压强度最小值的结论，衡帅等［8］、雷梦等［33］、刘厚彬等［35］对龙马溪组页岩进行单轴、三轴压缩试验得出无论单轴还是三轴抗压强度均在60°取得最小值。陈天宇等［6］对下寒武统牛蹄塘组黑色页岩的各向异性研究认为，页岩在围压为0 MPa，30 MPa和40 MPa时取得最小值的层理角度为60°，在10 MPa和20 MPa下，抗压强度取得最小值的层理角度为45°。研究区三轴抗压强度在75°时取得最小值，而其他研究者得到的抗压强度在层理角度60°或45°时取得最小值，这可能与学者在进行三轴压缩试验时对角度划分的粗细度、施加围压以及不同地区沉积环境导致的层理的厚度、组分差异都有关系。因此不同地区在不同围压下，抗压强度取得最小值的层理角度具有差异，不能一概而论，但均在45°或60°附近取得最小值，这在其发生剪切破裂时使用Mohr-Coulomb强度准则分析，便知破裂角的大小与内摩擦角φ相关（与页岩自身相关）。

图6 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩强度和层理角度的关系Fig.6 Relationship between strength and bedding angles of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

同时分析了围压对各向异性的影响，定义强度各向异性度为强度的最大值和最小值的差值与最大值的比值，取值为0～1，越接近1，各向异性越大。0 MPa和13.5 MPa下的各向异性度分别为0.431 0和0.238 4，可知随着围压的增加，强度各向异性度降低［6，8］。

表2 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩不同层理角度下的力学参数Table 2 Mechanical parameters at different bedding angles of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

弹性模量随层理角度β的增加呈缓慢曲折增加的趋势，与张永泽等［7］、侯振坤等［9］对彭水龙马溪组页岩单轴压缩试验研究时获得的弹性模量随着层理与轴向夹角增加而降低的变化趋势一致；衡帅等［8］对单轴、围压为10 MPa，20 MPa，30 MPa下也得出弹性模量随层理与轴向夹角的增加而降低的结论，尽管本次试验得到的趋势中个别数据如0°，30°，60°有部分波动，可知弹性模量并不是单调上升，但总的趋势仍为上升，进一步说明其各向异性较强。

随着层理角度β的增加，泊松比的变化曲线为先增加后降低再增加的趋势，在15°取得极大值，在45°～60°存在最小值，在90°取得最大值。张永泽等［7］关于龙马溪组页岩单轴压缩试验研究中泊松比先降低后增加，在45°取得最小值。衡帅等［8］关于龙马溪组页岩的研究中单轴压缩时泊松比在60°取得最小值，围压为10 MPa时在30°取得最小值，在围压为20 MPa和30 MPa时，在0°取得最小值，泊松比随层理角度的变化趋势不再是U型，而是先缓慢上升后快速上升。其认为60°和90°页岩的泊松比随着围压的增加而增大，0°和30°页岩的泊松比随着围压的增加而不断减小，图7中测得不同层理角度的泊松比的围压为13.5 MPa，按规律其曲线形式应还为U型，但实验结果并非如此，因此该研究区陆相页岩与龙马溪组海相页岩存在不同的变化规律，尽管在取得最小值处有一定借鉴意义，仍不可照搬龙马溪组页岩的研究规律。

3.2.3 抗剪强度各向异性分析

一定的法向载荷作用下，岩石在剪切载荷作用下达到破裂前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度，是反映岩石力学性质的重要参数之一［11］。沿平行层理面和垂直层理面，进行不同法向应力作用下的直剪试验，得到抗剪强度与法向应力的关系（图8）。从图8可以看出，剪切强度与法向应力有关，在法向应力小于10 MPa时，随着法向应力的增加，剪切强度线性增加。相同法向应力下，垂直层理方向的内聚力约为平行层理方向的1.6倍，层理面之间的剪切强度与层理面间的内聚力和摩擦系数相关［6，8，33，35］。由此说明，页岩层理面为页岩岩体的弱结构面，在钻水平井过程中，井眼轴线与层理面夹角变化时，层理面的弱面效应使得井壁岩石力学强度的响应在空间上存在差异，特别在井斜角为75°时，井壁岩石力学强度受层理面的弱面效应影响最为显著，岩石在此处更易沿着层理面发生破裂。

图7 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩弹性模量和泊松比与层理角度的关系Fig.7 Relationships of bedding angles with elasticity modulus and poisson's ratio of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

图8 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩抗剪强度与法向应力的关系Fig.8 Relationship between direct shear strength and normal stress of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

3.3 能量演化特征各向异性分析

忽略温度变化带来的热能，岩样在三轴压缩试验时内部能量主要来自外力做工，岩样在外力作用下发生变形甚至破裂，外力所做功一部分以弹性势能的形式储存在岩石内部，另一部分用于岩石内部结构破裂时被耗散掉。根据常规三轴实验数据，便可计算不同层理角度页岩岩样不同阶段的总能量、弹性能和耗散能。图9为不同层理角度下的能量-应变关系曲线。从图9可以看出，随着轴向应力的增加，应变增大，外力不断做功，岩样的总能量、弹性能量以及耗散能随着轴向应力增加而升高，一方面弹性能量增加，驱动能增加，破裂能力变强；另一方面随着耗散能的增加，岩样内部形成微裂纹、裂纹合并等使得结构逐渐损伤，承载能力降低，岩石极限储能能量降低。随着岩石变形的不断增大，各种微裂纹、微孔隙不断发展演化为宏观裂纹导致岩石破裂。

根据能量-应变关系曲线的变化特征，由于压密阶段不明显，将加载初期弹性能量、总能量缓慢增加以及线弹性阶段总能量和弹性能量都稳定增加而耗散能基本保持不变的阶段设为第1阶段，此时页岩损伤程度较低。将弹性能量增加速率降低和耗散能加速上升，直至峰值强度前设为第2阶段，该阶段内部裂纹发生扩展、相互连通，对内部结构造成较大的损伤。随着轴向应力的不断增加，弹性能量逐渐增大，内部结构损伤加剧，极限储能降低，当岩石存储的能量达到当前所能承受的最大值时即二者达到临界状态，弹性能量瞬间释放，试样破裂，将破裂后的阶段设为第3阶段。

根据图9（a）—（g）可知，随着层理角度β的增加，第1阶段对应的应变范围逐渐减小，由0.5%左右降低为0.2%；当β为0°附近时，由于软弱结构面的存在，压密层状剪切破坏产生了很大的轴向变形，对应图7中的弹性模量较小；当β为90°附近时，轴向加载应力与层理面方向平行，引起的弹性变形较小，对应图7中的弹性模量较大。第2阶段的应变范围除90°外，也呈现逐渐减小的趋势，总能量与弹性能量曲线所夹面积逐渐减小，耗散能逐渐降低。第3阶段，不同层理角度β岩样破裂后的形状各不相同，差异较大，同样表现出较强的各向异性。根据图9（h）—（j）可知，在β为90°时总能量、弹性能量和耗散能均达到最大值。β为60°和75°时的总能量和弹性能量稍小于β为90°时。应变≤0.25%时，β为0°～45°的总能量和弹性能量均较小，小于5 MJ/m3，应变＞0.25%时β小于45°的各个层理角度对应的总能量和弹性能量才逐渐分开。且观察到层理角度β小于30°的耗散能均较小。因此可知总能量、弹性能量和耗散能各向异性在β大于45°时更加显著。

图9 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩不同层理角度β下能量-应变关系曲线Fig.9 Energy-strain relationship curves at different bedding angles of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

从图10（a）和表3可以看出，不同层理角度破裂点处的总能量、弹性能量及耗散能均具有显著的各向异性。总能量、弹性能量随着β增加的变化趋势相同，均为先增加后降低再增加，在15°取得最大值，在75°取得最小值。耗散能随着β的增加，表现为先降低后增加的变化趋势，在75°取得最小值。从图10（b）和表3可以看出，随着β的增加，弹性能量与总能量的比值表现为先增大后减小再增大再减小的趋势，在75°取得最大值0.95，在30°取得极大值0.89，在45°取得极小值0.82；耗散能与总能量的比值表现为先降低后增加再降低再增加的趋势，在75°取得最小值0.05，在30°取得极小值0.11，在45°取得极大值0.18。通过分析总能量、弹性能量以及耗散能在不同层理角度的破裂点处的能量关系，进一步说明层理角度对页岩破裂时所需的能量具有显著差异，是造成其对应的峰值强度具有各向异性的根本原因。

图10 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩破裂点处不同层理角度下的能量变化曲线Fig.10 Energy change curves at different bedding angles at failure points of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

表3 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩不同层理角度下破裂点的能量参数Table 3 Energy parameters of failure points at different bedding angles of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

4 各向异性对井壁稳定的影响

综合以上分析可知，页岩在不同层理角度β存在明显的空间各向异性，在钻水平井的过程中，井眼轴向与层理面法向的夹角与层理角度β在数值上相等，在钻井过程中的直井、造斜以及水平井3个过程井壁岩石可等效为不同层理角度下的三轴抗压试验。由井筒液体压力产生的井壁径向应力可等效为三轴试验时的围压，径向应力方向垂直于井壁，且径向应力与层理面的夹角等于β。

由直井段到水平段过程中，井筒的轴线与穿过的层理间的夹角多次发生变化（图11），具体为由直井时的垂直于水平层理方向等于取心时的β=0°；造斜阶段，井筒的轴线与层理面法向的夹角为井斜角θ（井筒方向线与铅直方向的夹角），其等于层理角度β；水平井阶段，井筒轴线与层理面平行，层理角度β和井斜角θ均为90°。水平井的直井段、造斜段和水平段满足井壁破坏主应力与层理面法线方向之间夹角等于井斜角的规律。

Li等［36］的研究表明，保持平行层理的弹性模量不变，改变垂直层理的弹性模量，使弹性模量各向异性系数KE从1.0降低到0.6（数值越小，差异性越大，各向异性越大），坍塌压力和破裂压力均减小，且破裂压力受弹性模量各向异性的影响更大，坍塌压力和破裂压力的差异性降低，安全密度窗口变窄（图12）。保持平行层理方向的泊松比不变，改变垂直层理的泊松比，随着泊松比各向异性系数Kv从1.0降低到0.6，各向异性增加，坍塌压力和破裂压力均缓慢降低，造成的影响不显著，因此泊松比各向异性对井壁稳定性的影响有限。

式中：KE，Kv分别为弹性模量及泊松比的各向异性；Ev，vv分别为垂直层理的弹性模量和泊松比；Eh，vh分别为平行层理的弹性模量和泊松比。

图11 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩水平井轴向应力与井壁岩石层理面法向间角度变化规律Fig.11 Change rule of the angle between axial stress of horizontal well and normal direction of bedding plane of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

图12 鄂尔多斯盆地延长组张家滩陆相页岩弹性参数各向异性对破裂压力和坍塌压力的影响［36］Fig.12 Influences of elastic parameters anisotropy on fracture pressure and collapse pressure of Zhangjiatan continental shale of Yanchang Formation in Ordos Basin

结合室内常规三轴力学试验和直剪试验测试结果表明，层理性页岩力学强度各向异性明显，层理面间的力学强度较低，为弱结构面；力学强度变化跟破坏主应力方向与层理面法线之间的夹角相关。由此可知钻水平井过程中，时刻与层理角度β页岩的强度紧密相关，直井段和水平段井壁岩石力学强度较高，稳定性好，而造斜阶段最易发生井壁失稳。