考虑含水率的水敏性泥页岩本构关系建立
                               曹银萍1，刘〓冲1，李明飞1,杨向同2，窦益华1
                                 (1.西安石油大学机械工程学院，陕西 西安〓710065)
                      (2.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田公司，新疆 库尔勒〓841000)

    注采过程中经常出现套管变形事故，套管外围岩的力学参数因注采而发生变化是引发事故的主要原因之一。为准确描述岩石的本构关系以便向套管改进设计及变形分析提供理论支持，以水敏性泥页岩为例，在考虑岩石含水率变化的前提下，建立泥页岩应力增量方程，完善岩石类材料的应力增量关系，修正水敏性泥页岩本构方程，并据此分析含水率对岩石强度的影响规律。研究结果表明：考虑含水率的修正岩石本构模型，可以分别得到加载、中性变载和卸载时泥页岩的本构方程；水敏性泥页岩本构关系的含水率拐点随岩体基本质量级别的提高而增大，质量级别从Ⅴ~Ⅰ的水敏性泥页岩含水率拐点取值范围分别为0、0.01~0.07、0.07~0.14、0.14~0.22和0.22~0.30。

 
    注采过程中经常出现套管变形情况，导致泵送桥塞难以下入及钻头无法通过等事故的发生。例如，束探1H井分段压裂过程中，泵送外径109mm的桥塞在2 984.33m遇阻，起出桥塞，发现桥塞胶筒有一块胶皮被划坏，怀疑为套管变形所致。采用测井方法进行井筒评价，发现2 500m处套管变形。又如在威远和长宁气田5口井发生套损，主要表现为：通井和下桥塞过程中遇阻；套管螺纹连接发生泄漏；采气过程中油管和技术套管环空起压，据此判断为压裂施工作业中或作业后套管发生变形。初步分析，引发事故的原因为岩石力学参数因压裂液注入而发生变化所致：注入流体引起岩石孔隙压力及含水率变化，改变岩石的力学性质，降低围岩抗压强度，从而威胁套管的强度安全。因此，有必要在考虑含水率变化的情况下建立岩石的本构关系，为套管改进设计及变形分析提供理论支持。
在岩土塑性力学领域，基于不同屈服准则、硬化定律及流动法则，人们对岩土的本构关系模型进行了研究，目前主流的模型有剑桥模型、Lade弹塑性模型、Desai系列模型、南水模型、殷宗泽模型和后勤工程学院模型。针对材料剪胀剪缩特性的研究也在逐步深入，但含水率对岩石本构关系的影响还没有引起人们的重视。在油田注采工况下，含水率的变化势必会对岩石本构关系及强度产生影响，显然，传统的岩石类本构方程已不适用于某些水敏性围岩。为此，以水敏性泥页岩为例，笔者在原有应力分解增量中创新引入吸水应力增量概念，得到水敏性泥页岩修正本构关系，为水敏性泥页岩中“围岩-水泥石环-套管”设计及变形耦合分析提供理论支持。

1水敏性泥页岩含水率对应力增量的影响
   传统的岩石类本构关系将应力增量分为3种，即弹性应力增量、塑性应力增量和耦合应力增量。传统的岩石力学理论考虑了由弹性应力与塑性应力的耦合作用产生的耦合应力增量，可以满足大部分岩石类材料的精度需要。但是对于水敏性岩石类材料，油田注采引起的含水率波动会对岩石本构关系产生影响，故应综合考虑含水率对应力增量的影响。

1.1〓泥页岩吸水应力增量分析
在平面应变条件下，岩石吸水后柱坐标的本构方程为：
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基金项目：国家自然科学基金资助项目“页岩气水平井压裂与生产套管变形机理及其控制机制研究”（51674199）
作者简介：曹银萍（1982—），女，河南许昌人，西安石油大学副教授，博士，主要研究方向为试油、完井管柱力学分析。