考虑多轴压缩和不同时间域孔隙弹性解的页岩基质与弱面井壁稳定性研究

针对页岩气钻探中弱面(层理、微裂缝)与基质强度差异导致的井壁失稳难题，本研究基于弹性力学理论，建立了多轴应力下的弱面强度准则和Mogi-Coulomb基质强度模型，推导了五类时间域（瞬时/修正瞬时/短时/长时/弹性）孔隙弹性解析解。结果表明中间主应力对弱面倾角敏感性显著，且坍塌压力等效密度随时间域变化呈阶梯式下降，为深部页岩地层钻井设计提供了理论支撑。

　　

在深部页岩油气勘探中，钻井工程常遭遇由层理和微裂缝等弱面结构引发的井壁失稳难题。这类弱面与岩石基质存在显著的强度各向异性，加之钻井过程中的时间依赖性坍塌现象，成为制约钻井效率提升的关键瓶颈。传统基于单弱面理论（Jaeger, 1960）和Mohr-Coulomb准则的评估方法，既未考虑三维应力对弱面强度的调控作用，也缺乏对孔隙压力时变效应的系统解析。更棘手的是，现有各向异性孔隙弹性解需通过数值反演获得，难以满足现场快速预测需求。

针对上述挑战，中国某研究机构团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表研究，创新性地将Mogi-Coulomb准则引入岩石基质强度评估，并首次建立了考虑弱面倾角（dip angle）和倾向（dip direction）的多轴应力强度模型。通过推导五类时间域（瞬时/修正瞬时/短时/长时/弹性）孔隙弹性解析解，实现了无需拉普拉斯逆运算的坍塌压力预测。研究采用理论推导与数值模拟相结合的方法，基于Chen et al. (2015)提供的页岩力学参数（基质强度：c_m=15MPa, φ_m=40°；弱面强度：c_w=5MPa, φ_w=30°），系统分析了三维应力场下弱面结构的失效机制。

主要技术方法

1. 基于弹性力学理论构建多轴应力弱面强度准则
2. 采用Mogi-Coulomb准则评估岩石基质失效
3. 推导五类时间域孔隙弹性解析解（含Skempton孔隙压力系数）
4. 结合Pedernales油田数据（σ_Hmax方位角135°）进行模型验证

强度变化规律
当中间主应力（σ₂）平行弱面时，弱面强度不受σ₂增大影响；而基质强度随σ₂呈先增后减趋势。弱面失效角范围随倾向角增大而扩展，在最小主应力（σ₃=10MPa）固定时，岩石表观强度与σ₃正相关。

坍塌压力时空演化
五类时间域解对应的坍塌压力等效密度排序为：短时解 > 修正瞬时解 > 长时解 > 瞬时解 > 弹性解。当井筒轴线与弱面法线夹角增大时，井壁失稳风险显著升高，这与Meier et al. (2014)的厚壁筒试验结论一致。

模型对比
相较于传统单弱面理论，新模型预测的坍塌压力在弱面倾角45°时偏差达12%，且能更准确反映σ₂对弱面失效方位的控制作用。

讨论与结论
该研究首次实现了三维应力场与时间域孔隙压力的耦合分析，揭示了：

1. 中间主应力通过弱面几何关系调控强度各向异性
2. 短时孔隙压力解对应最保守的钻井液密度设计
3. 井筒轨迹与弱面夹角>20°可降低坍塌风险（验证Okland and Cook, 1998）
   研究为深部页岩层安全钻井提供了理论工具，其解析解方法避免了数值反演的复杂性，可直接应用于现场钻井设计。未来可进一步拓展至多组弱面耦合失效机制研究。