摘要
为探究液柱压力对井壁稳定性的影响，研究井壁围岩在井内液柱压力及地应力作用下的受力特征及裂纹扩展模式，采用三轴围压水压试验的方法，改变围压以及井内水压的方式对细砂岩进行室内试验，并通过CT扫描的方法进行内部裂纹观察。研究表明：（1）围压一定时，细砂岩的偏应力-应变曲线的各阶段变化趋势受孔内水压的影响较大，且峰值强度、残余强度、轴向峰值应变与围压、孔内水压均呈正相关。孔内水压的作用延缓了细砂岩的压缩屈服阶段受力破坏的过程，增加了细砂岩的延性破裂程度。（2）CT扫描发现一定围压作用下，细砂岩的主剪切破裂面与轴向的夹角呈现出随着水压的增大而减小的规律，且剪切裂纹轨迹由岩样外侧逐渐向中心孔壁靠近偏转；（3）随着水压的增加，孔内岩块塌落方式由集中塌落转变为零散塌落；水压越大，孔内的岩块塌落面积和塌落度越小。提升水压到合适强度，可以提升井壁稳定性，减小井壁失稳发生的可能。
随着石油资源开采的步伐不断加快，钻井工程中遇到的地层越来越复杂。复杂地层井壁失稳易造成井壁垮塌、卡钻等井下复杂情况和事故，严重制约了油气勘探开发的效
针对井壁围岩破裂导致钻井井壁失稳的问题，国内外学者进行了大量理论以及实验研究。胡小荣
前人对井壁失稳问题的实验研究大多是从单轴、三轴围压加载等实验角度出发，针对井内水压与围压关系的研究不多。实际钻井过程中，钻井液及地应力不是稳定状态，为了模拟实际钻井过程中，由井内水压对井壁稳定性所带来的影响，进一步研究井壁围岩在内外压作用下的受力特征及破坏模式，本文利用三轴围压水压试验得到孔内液柱压力对细砂岩力学性质的影响，并通过CT扫描分析岩石破裂的裂纹扩展形式，从而进一步理解井内液柱压力与井壁稳定性的相互关系。
试样为山西晋兴斜沟煤矿的细砂岩，主要成分时石英、高岭石、伊利石等。现场钻孔取心后按照《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266—99
图 1 细砂岩试样
试验使用ZYSS2000型岩石高温高压蠕变仪，见
图 2 ZYSS2000型三轴试验装置组成
围压一定时，偏应力应变曲线的变化趋势与水压不同有关系，见
图4 不同水压下的偏应力应变曲线
在5、10和15 MPa的围压条件下，偏应力应变曲线的增长趋势表现基本一致。在围压一定时，水压由0增加到2 MPa，曲线在压密阶段增长缓慢，弹性阶段增长快速，进入屈服阶段表现为脆性断裂，应变软化具有突然性，峰后残余阶段保持时间较长。随着水压增大，压密阶段时间增加，由压密阶段进入弹性阶段的时间增加，说明水压缓慢渗透进入孔壁，使得细砂岩内部的颗粒结构受力发生变化，孔内水逐渐填入岩石颗粒缝隙，使得在受压条件下，压密阶段时间延长，进入弹性阶段的时间延后，屈服扩展阶段也相对延后发生。在峰后残余阶段，由于应变软化阶段岩石已达峰值强度，整体结构出现明显的剪切型裂纹，并产生较大缝隙，峰值强度点过后岩石强度瞬间大幅下降，直至稳定在残余强度。残余强度保持较长时间，是由于在水压的作用下，孔内水会沿着裂纹的破裂面及破裂孔隙快速填充，使得细砂岩在破裂后仍保持有较大的承载力。同时，围压一定的情况下，水压越大，细砂岩所表现出来的抗压强度及残余强度基本也是越大。
在水压一定时，围压对偏应力-应变曲线的影响规律（见
图5 不同围压下的偏应力应变
试验用峰值强度和残余强度来衡量井壁所能承受的最大强度以及破碎后岩块的松散完整度，见
图6 水压与峰值和残余强度关系
峰值强度曲线中，围压5 MPa时，在初步加载阶段水压较低时，峰值强度出现下降，直到水压在1 MPa至2 MPa阶段出现迅速上升，说明低围压时，较高的水压可以提高井壁强度。在高围压水平下，峰值强度在水压初始加载阶段呈小幅下降，随着水压从0.5 MPa开始增大峰值强度也随之增长。低围压和高围压状态下，峰值强度整体趋势都是先下降再提高，并且随着围压的增大，峰值强度曲线也会较快进入上升阶段。
水压一定，残余强度和围压呈正相关，但是增长的幅度减小，尤其在高围压作用下，残余强度更趋于稳定值，岩块的结构更具有完整性。围压一定时，残余强度随着水压增加呈现先减少后增加的“V型”趋势，分界点为水压1 MPa，不同围压下在此水压的残余强度均为最低值，此时岩石松散破碎，但当水压大于1 MPa时，残余强度开始上升，破碎后的岩块结构不会松垮以及大面积塌落。
弹性模量衡量岩石受到外力作用时形变的程度，
图7 水压与弹性模量关系
在水压一定，弹性模量会随着围压的增大而呈现先增大后减小的趋势，围压5 MPa时，弹性模量最小，围压10 MPa时弹性模量最大，而在围压为15 MPa时，弹性模量居中，说明孔内水压与围压的比值存在某一定值使得弹性模量最大，抗变形能力最强。围压一定时，弹性模量会随着水压的增大，呈现出与残余强度相似的“V型”趋势先减小再增大。水压达2 MPa时的细砂岩的弹性模量，均超过了水压为0时的弹性模量。在水压的作用下，孔内水会通过孔壁补充到岩石的裂纹缝隙中，导致在围压作用下，细砂岩的前期压密弹性过程进行缓慢，同时削弱了围压对弹性模量的影响，而后水压增加到2 MPa时，孔内水迅速补充至原始裂纹缝隙中，使得围压作用下，弹性阶段会迅速反应，从而导致弹性模量增大，说明加载合适水压可以抵御受外力影响时钻孔的变形。
研究细砂岩的破坏模式对于预测井壁稳定性具有一定意义，为了研究水压的存在对裂纹发育方式和扩展路径的影响，选取围压5 MPa，水压为0 MPa 与2 MPa分别进行CT扫描，结果见
图 8 CT端面切片
图 9 CT轴向切片
在围压为5 MPa无水压作用时（见
在围压5 MPa水压2 MPa时（见
细砂岩在仅受围压作用时，以单一的剪切裂纹为主（见
在围压为5 MPa水压为2 MPa的作用下（见
在一定围压作用下，岩样的主剪切破裂面与轴向的夹角呈现出随着水压的增大而减小的规律，且剪切裂纹轨迹由岩样外侧向中心孔壁偏转；随着水压的增加，孔壁内岩块塌落方式由集中塌落转变为零散塌落；孔壁的塌落面积与塌落度均与水压呈现出负相关的关系，水压越大，孔内孔壁的岩块塌落面积和塌落度均变得越小。
（1）围压一定时，细砂岩的偏应力-应变曲线的各阶段变化趋势受水压的影响较大，且峰值强度和轴向峰值应变与围压、水压基本呈正相关的关系。残余强度和弹性模量随着水压的增大呈先减小后增大的趋势。水压的作用延缓了细砂岩的压缩屈服阶段受力破坏的过程，增加了细砂岩的塑性破坏程度。
（2）在围压保持5 MPa，水压从0 MPa变成2 MPa时，细砂岩的主剪切破裂面与轴向的夹角呈现出随着水压的增大而减小的规律，且剪切裂纹轨迹由岩样外侧逐渐向中心孔壁靠近偏转；同时随着水压的增加，孔壁内岩块塌落方式由集中塌落变为零散塌落；水压增大，孔内的岩块塌落面积和塌落度均变小，剪切破裂面与轴向的夹角大小主要受水压影响。
（3）在砂岩地层钻井过程中，常用泥浆来携带岩屑、保护井壁，密度通常1.2~2.6 g/c
参考文献（References）
郝海洋，李勇，宋继伟，等.黔西南地区煤系地层井壁稳定技术探讨［J］.钻探工程，2019，46（7）：8-13，33. [百度学术]
杜玉磊.页岩气钻井技术研究及工业化应用［J］.中国石油和化工标准与质量，2019，39（7）：183-184. [百度学术]
王艳梅，刘宝林，王瑜，等.温度变化对花岗岩井壁稳定性的影响［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2013，40（9）：14-19. [百度学术]
胡小荣，柳岸.基于三剪统一强度准则的岩石裂纹压剪断裂判据［J］.南昌大学学报（工科版），2019，41（2）：139-143. [百度学术]
张国军，张勇.基于摩尔-库伦准则的岩石材料加（卸）载分区破坏特征［J］.煤炭学报，2019，44（4）：1049-1058. [百度学术]
Furui K， Fuh G F， Abdelmalek N， et al. A comprehensive modeling analysis of borehole stability and production-liner deformation for inclined/horizontal wells completed in a highly compacting chalk formation［J］. SPE Drilling & Completion， 2010，25（4）：530-543. [百度学术]
丁卫华，仵彦卿，蒲毅彬，等.低应变率下岩石内部裂纹演化的X射线CT方法［J］.岩石力学与工程学报，2003，22（11）：1793-1797. [百度学术]
仵彦卿，曹广祝，王殿武.基于X-射线CT方法的岩石小裂纹扩展过程分析［J］.应用力学学报，2005（3）：484-490，513-514. [百度学术]
刘维国，单钰铭，孟祥豪，等.石灰岩扩容过程中的物理参数实验研究［J］.实验室研究与探索，2007（10）：284-287，293. [百度学术]
宫凤强，李夕兵，刘希灵.三维动静组合加载下岩石力学特性试验初探［J］.岩石力 学与工程学报，2011，30（6）：1179-1190. [百度学术]
张国凯，李海波，王明洋，等.基于声学测试和摄像技术的单裂隙岩石裂纹扩展特征研究［J］.岩土力学，2019，40（Z1）：63-72. [百度学术]
张晓平，王思敬，刘泉声.一种测量岩石压缩裂纹扩展过程声波波速的连续测量方法［J］.工程地质学报，2018，26（1）：91-96. [百度学术]
Wu B， Tan C P. Sand production prediction of gas field-methodology and field application［C］. SPE/ISRM Rock Mechanics Conference. [百度学术]
Martin C.D.， Chandler N.A. The progressive fracture of Lac du Bonnet granite［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts， 1994，31（6）：643-659. [百度学术]
ZhangH， HuangG， Song H， et al. Experimental investigation of deformation and failure mechanisms in rock under indentation by digital image correlation［J］. Engineering Fracture Mechanics， 2012，96：667-675. [百度学术]
Lin Q， Labuz J F. Fracture of sandstone characterized by digital image correlation［J］. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2013，60：235-245. [百度学术]
Song H， Zhang H， Kang Y， et al. Damage evolution study of sandstone by cyclic uniaxial test and digital image correlation［J］. Tectonophysics， 2013，608：1343-1348. [百度学术]
Wang Y. Hu Y. Z. Using X-ray computed tomography to investigate the effect of confining pressure on meso-structural changes and crack damage evolution in soil and rock mixture during triaxial deformation［J］. European Journal of Environmental and Civil Engineering， 2021，25（4）. DOI：10.1080/19648189.2018.1550684. [百度学术]
Wang Yuanyuan， Deng Hucheng， Deng Yong， et al. Study on crack dynamic evolution and damage-fracture mechanism of rock with pre-existing cracks based on acoustic emission location［J］. Journal of Petroleum Science and Engineering， 2021，201. [百度学术]
GB/T50266—99.工程岩体试验方法标准［S］. [百度学术]
