复杂载荷下深层脆性页岩力学性能及破坏规律实验研究

范 宇，王佳珺，刘厚彬，吴鹏程，高德伟，王旭东

(1.中国石油西南油气田分公司，四川 成都 610000；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；3.西南石油大学，四川 成都 610500；4.四川长宁天然气开发有限责任公司，四川 长宁 644000)

0 引 言

中国页岩气资源非常丰富，可采资源量约为25×1012m3，其中，3 500 m以深的深层页岩气资源量占总资源量的65%以上。深层页岩力学性能特征及复杂载荷下井壁损伤破坏规律与浅层页岩有所区别，深层页岩脆性更强，脆性矿物(石英、方解石等)含量达到50%～70%，在井底复杂应力场下易产生诱导裂缝[1-3]。针对页岩地层井壁失稳问题，国内外学者开展了大量的研究工作：丁乙等[4]基于页岩理化室内实验结果及力学参数,建立了井壁稳定力化耦合模型；王翔等[5]应用电镜扫描、X衍射、膨胀分散性实验及岩石力学测试等方法,对储层段泥岩矿物组构和理化性能进行了研究；陈卓等[6]将微裂缝视为硬脆性泥页岩的损伤,通过随机函数确定微裂缝的分布,将损伤力学和断裂力学相结合，建立了硬脆性泥页岩的损伤本构模型；刘凯都等[7]建立力学-化学耦合作用下井壁周围应力分布模型,研究井周应力分布和坍塌压力的时间效应。梁利喜等[8]分析了井壁稳定影响因素，并建立了硬脆性页岩井壁稳定模型。Darley[9]根据页岩与水作用前后的表观特征对硬脆性泥页岩进行定义。

由于深层页岩非均质性较强，部分理论研究无法解决现场实际问题，尤其起下钻时井壁易坍塌问题。因此，开展深层脆性页岩钻井液封堵性实验及不同卸载速度下力学性能实验，为脆性页岩力学破坏机理研究及稳定井壁措施的制订提供科学依据。

1 实验方案设计

1.1 实验准备

实验研究对象为泸州区块岩体，利用室内XRD衍射设备，系统测试了泸州区块页岩矿物组分及其含量分布，发现石英含量较高，普遍为40%左右，通常该类页岩力学强度较高，呈现“硬脆性”特征[10]。同时，发现泸州区块页岩矿物组分及其含量分布差异性较大，表明该区块岩石各向异性较强。为了消除各向异性对实验的影响，通过观察岩样裂缝，测量声波速度及孔隙度，将差异性较小的岩样归为一组并进行同类实验[11]。

1.2 钻井液有效封堵力学实验

实验采用岩石三轴动态测试系统，模拟井下力学环境，实验过程中可对岩石进行加载直至破坏。该装置安全易操作，且配置声波测试系统，可实现力、位移、应变和声波速度同时测量[12]。实验利用三轴力学仪器，将岩样以热缩管全包裹及只固定两端中间裸露2种方式进行力学加载，可分别模拟钻井液封堵与未封堵对岩石造成的影响。同时，在实验过程中测量通过岩样的声波速度[13]，对比岩石弹性模量及应力-应变曲线的变化, 以综合评价岩石力学性能[14]。

1.3 页岩三轴加卸载力学实验

根据轴压变化的情况，卸围压实验应力变化过程可分为轴压固定、轴压升高和轴压降低3种方式[15-16]。通过对泸州区块井下事故统计，发现起钻使井壁的支撑力发生改变，导致围压变化，复杂事故频发，而常规钻井时井壁相对稳定。为探究起钻时井壁易坍塌问题，利用三轴力学仪器，保持轴压不变，通过改变围压的变化速率，记录声波速度以明确岩石力学参数变化规律[17-18]。

将2块岩样(Φ25 mm×50 mm)以0.089 MPa/s的速度加载轴压至岩石强度经验值的80%(约33 MPa)，同时以0.110 MPa/s的速度加载围压至20 MPa，之后1、2号岩样分别以0.033、0.067 MPa/s的速度卸载围压至结束，研究不同卸载围压速度对岩石力学性能的影响。

2 钻井液的有效封堵性对页岩力学性能的影响

通过钻井液有效封堵力学实验获得了岩样强度、弹性模量及声波速度实验数据，有效反映了岩石破坏的特征(图1)。由图1可知，岩石存在3个明显的变化趋势：①上升阶段。岩石加载初始阶段应力较小，脆性页岩内部呈现压密阶段，弹性模量及声波速度逐渐增大，但由于岩石内部结构重新调整，其弹性模量及声波的增大幅度逐渐减小。②平稳阶段。此阶段岩石处于弹性变形阶段，弹性模量及声波变化趋于稳定。③下降阶段。此阶段岩石累积了一定的损伤量，当压力接近岩石峰值强度时，脆性岩石迅速破坏，弹性模量及声波速度也随之急剧下降。同时，对比2种不同的岩心发现，包裹岩心的强度、弹性模量及声波速度远远大于裸露岩心，包裹岩心抗压强度接近350 MPa，弹性模量为16 000 MPa(图1a)，而裸露岩心抗压强度为40 MPa，弹性模量为6 000 MPa(图1c)，包裹岩心强度约为裸露岩心的10倍，且声波速度也比裸露岩心提高了约1 000 m/s。

图1 钻井液有效封堵性力学实验结果

实验中液体侵入裸露岩心，反映钻井过程中钻井液在压力作用下沿页岩井壁微裂缝侵入地层，导致裂缝进一步扩展至岩石发生破坏。而实验中包裹岩心强度大幅度增加，表明钻井液的有效封堵可减少钻井液侵入地层的程度，有效提高岩石强度，增加对井壁的支撑力，降低井壁失稳风险。

3 不同卸载速度下脆性页岩力学性能实验研究

通过页岩三轴加卸载力学实验获得应力-应变及声波速度数据，反映岩石破坏特征，结果如图2所示。由图2可知，保持轴向力不变，当卸载围压速度为0.033 MPa/s时，围压卸载至2.0 MPa，岩心仍未破坏(图2a)，而当卸载围压速度为0.067 MPa/s时，围压卸载至4.8 MPa，岩心发生破坏(图2c)。实验中围压卸载速度反映了钻井过程中起钻的速度，起钻速度过快，井底激动压力变化迅速，岩石承受较高的压力，导致井筒与地层的压差较大，易引起井壁崩落的现象[19-20]。对比声波速度可知，由于该地区页岩裂缝发育，在加载压力过程中岩体起初依旧处于压密阶段，故通过岩石的声波速度明显增大，之后处于稳定的弹性变化阶段，随后发生明显下降，由最初的4 000 m/s降至2 000 m/s，表明起钻速度过快，页岩岩体容易发生脆性破坏从而导致井壁失稳。结合现场资料发现，起钻速度明显影响深层页岩气井水平段井底有效液柱压力。当起钻速度不高于0.4 m/s时,井底有效液柱压力当量密度变化幅度在0.02 g/cm3左右；当起钻速度高于0.4 m/s时，井底有效液柱压力变化幅度增大，极大增加了井壁失稳的风险。

4 深层脆性页岩破坏轨迹

将经过卸载压力实验的岩样取出后进行观察(图3)，发现岩石裂缝较多，岩石的破碎特征非常明显且以劈裂破坏为主，交变载荷控制了节理裂缝角的发育特征，多数为高角度裂缝。表明岩石呈现脆性破坏特征，破坏前岩石已积聚一定损伤量，强度达到临界点前，岩石内部的裂缝迅速扩展，在复杂载荷影响下，岩石表面呈现出如图3所示的宏观破裂面。

图2 页岩三轴加卸载力学实验结果

图3 岩样破坏照片

通过三维重构成像X射线显微镜对岩心进行压裂前及压裂后裂纹形态可视化分析(图4、5)。由图4、5可知，泸州区块页岩岩体裂缝的走向较为一致，且页岩的硬脆性导致岩体自身存在张性微裂缝。1号岩心未发生破坏，但经过实验后原有裂缝进一步扩展和延伸，并产生了新的裂缝；2号岩心经过实验后沿自身裂缝发生破坏，并相对1号岩心产生了更多的新裂缝。表明该区块岩石在井下复杂压力情况下，大多是沿着复杂层理面发生破坏，使得劈裂破坏面与页岩层理缝部分重合。通过2组实验可知，该区块岩体自身存在裂缝，且脆性页岩在交变载荷作用下，增加了破裂面之间的作用力，导致岩体容易产生新裂缝，当岩石积聚一定能量，裂缝开裂必将加剧，岩石迅速发生脆性破坏甚至多次破坏。

图4 1号岩心实验前后微观变化

图5 2号岩心实验前后微观变化

综上所述，钻井液封堵性好，可有效提高钻井液对井壁岩石的支撑作用，提高井壁岩石抗破坏强度，而无封堵条件下岩石抗压强度仅为良好封堵条件下的17.5%～22.5%。故在现场作业时，提高钻井液有效封堵性，可提高井壁稳定性。同时应在钻井过程中，严格控制起钻速度，避免有效液柱压力升高，减轻压力波动，避免复杂事故产生。

5 结论及建议

(1) 在钻井过程中，若钻井液封堵效果较差，压差作用下页岩微裂缝迅速发生扩展，钻井液沿裂缝侵入到地层内部，造成孔隙压力明显增大，进而导致井壁失稳现象。

(2) 井下复杂压力情况下，起钻速度过快直接影响着地层与井筒内的压力平衡，也是引起泸州区块井下阻卡、溢流等复杂事故的主要因素。

(3) 通过深层脆性页岩破坏轨迹实验可知，岩石整体呈现脆性破坏特征，井下复杂压力情况下，地层岩体易沿着裂缝发生破坏，使得劈裂破坏面与页岩层理缝部分重合。

(4) 针对井下复杂情况，应控制起钻速度，减小压力波动，增强对岩石井壁的支撑作用，有效控制井底液柱压力，可避免复杂事故发生。同时，应提高钻井液封堵性能及其有效支撑力，减少压力穿透效应，提高井壁稳定性。