力學(xué)化學(xué)耦合的硬脆性泥頁(yè)巖微裂紋擴(kuò)展機(jī)理研究進(jìn)展與思考

金衍，張亞洲，盧運(yùn)虎

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249

2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

0 引言

在泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的油氣鉆井過(guò)程中，井壁圍巖時(shí)常出現(xiàn)垮塌、掉塊等復(fù)雜情況。由此產(chǎn)生的井壁失穩(wěn)問(wèn)題一直困擾著石油工業(yè)界，遲遲未得到徹底解決，而對(duì)于深部硬脆性泥頁(yè)巖儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)更是如此[1-6]。從國(guó)內(nèi)外數(shù)百口井的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，至少90%的井壁垮塌都發(fā)生在泥頁(yè)巖地層，而硬脆性泥頁(yè)巖幾乎占據(jù)了其中的三分之二。因此，對(duì)硬脆性泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定性的研究具有十分重要的意義。常規(guī)的試驗(yàn)方法僅能對(duì)高含蒙脫石的軟泥頁(yè)巖水化膨脹行為實(shí)現(xiàn)很好地評(píng)價(jià)，但當(dāng)其應(yīng)用于富含伊利石、微裂紋發(fā)育、水化分散特征主導(dǎo)的硬脆性泥頁(yè)巖時(shí)，適用性較差且實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想[7]，難以有效評(píng)價(jià)和指導(dǎo)鉆井液體系和井壁穩(wěn)定設(shè)計(jì)。

硬脆性泥頁(yè)巖地層井壁失穩(wěn)至今沒(méi)有得到充分解決的關(guān)鍵在于其內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及外部的力學(xué)化學(xué)環(huán)境的綜合作用。一般認(rèn)為，硬脆性泥頁(yè)巖內(nèi)部發(fā)育大量微裂紋等結(jié)構(gòu)缺陷，鉆井流體在毛細(xì)管力和壓差驅(qū)動(dòng)下侵入微裂紋并到達(dá)地層內(nèi)部，與微裂紋壁面及尖端區(qū)域發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，并促進(jìn)內(nèi)部礦物的水化，進(jìn)一步誘發(fā)微裂紋的萌生、擴(kuò)展與相互貫通，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的多尺度損傷、散裂、剝落，造成宏觀的強(qiáng)度劣化和最終的失穩(wěn)破壞。

對(duì)頁(yè)巖吸水后水化和強(qiáng)度降低的研究是自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)地質(zhì)工作者和工程專(zhuān)家對(duì)巖石的認(rèn)知不斷積累和深化而逐漸發(fā)展完善的，并首次報(bào)道于Chenevert在1970 年發(fā)表在SPE-Journal of Petroleum Technology上的一項(xiàng)研究[8]。他選取的50 塊不同類(lèi)型的頁(yè)巖樣品來(lái)自于不超過(guò)5000 m的不同深度的地層，詳細(xì)探究了不同圍壓下蒙脫石型、伊利石型和綠泥石型頁(yè)巖在與水接觸后的變形行為和力學(xué)性質(zhì)變化。結(jié)果表明，所有類(lèi)型的頁(yè)巖對(duì)水均有力學(xué)響應(yīng)，三軸抗壓強(qiáng)度隨吸水率的增加而近似線(xiàn)性降低。但是他沒(méi)有揭示頁(yè)巖吸水后強(qiáng)度劣化的微觀機(jī)理。自此之后，更多學(xué)者對(duì)頁(yè)巖吸水后的微觀結(jié)構(gòu)變化以及宏觀強(qiáng)度劣化進(jìn)行了更加細(xì)致的探究，均得到了頁(yè)巖浸水后力學(xué)參數(shù)降低和微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展演化的一致結(jié)論。特別地，自20 世紀(jì)初期建立起來(lái)的CT成像技術(shù)逐漸發(fā)展為一種能有效觀察和表征頁(yè)巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化的有力手段。石秉忠等[9]對(duì)川西地區(qū)須家河組三段的硬脆性泥頁(yè)巖樣品的水化過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的監(jiān)測(cè)，有效捕捉到了頁(yè)巖水化中微裂紋時(shí)序演化直到貫通破壞的整體過(guò)程，為微裂紋擴(kuò)展誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)劣化并引發(fā)宏觀井壁失穩(wěn)這一認(rèn)識(shí)提供了有力證據(jù)?？墒牵麄儧](méi)有詳細(xì)闡述水化過(guò)程中微裂紋擴(kuò)展速率的演化情況。實(shí)際上，可以發(fā)現(xiàn)，水化過(guò)程中微裂紋的擴(kuò)展是十分緩慢的，特征的數(shù)量級(jí)約在10-8m/s，并且會(huì)隨著外部物理化學(xué)環(huán)境的差異而動(dòng)態(tài)改變，這一現(xiàn)象在斷裂力學(xué)中稱(chēng)作裂紋的亞臨界擴(kuò)展[10]?？梢韵胂?，硬脆性泥頁(yè)巖的水化過(guò)程，能進(jìn)一步促進(jìn)內(nèi)部微裂紋在力學(xué)化學(xué)耦合作用下的緩慢的亞臨界擴(kuò)展，微裂紋的不斷擴(kuò)展誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的損傷演化和強(qiáng)度參數(shù)的降低，并最終引發(fā)整體的動(dòng)態(tài)失穩(wěn)斷裂。

可以說(shuō)，巖石與流體之間的相互作用是造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部微裂紋不斷擴(kuò)展和演化的重要原因，而微裂紋在這一力學(xué)化學(xué)耦合作用下的亞臨界擴(kuò)展是引起結(jié)構(gòu)損傷積累和強(qiáng)度劣化的關(guān)鍵。因此，揭示力學(xué)化學(xué)耦合作用下微裂紋的亞臨界擴(kuò)展行為與斷裂機(jī)理顯得尤為重要。

針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者主要從理論推導(dǎo)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面開(kāi)展了大量研究工作，嘗試通過(guò)結(jié)合微觀機(jī)理建模和影響因素評(píng)價(jià)，搭建物理化學(xué)環(huán)境、力學(xué)載荷與巖石亞臨界擴(kuò)展行為之間的橋梁，為理論研究和工程實(shí)踐提供借鑒和指導(dǎo)[11-12]。然而，目前的研究仍未能完全定量、充分地解釋泥頁(yè)巖的斷裂行為與機(jī)理，尤其是對(duì)以水化分散特征為主的深部硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定問(wèn)題就更加捉襟見(jiàn)肘。本文對(duì)多角度下巖石力學(xué)化學(xué)耦合的微裂紋擴(kuò)展行為與斷裂機(jī)理研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理與總結(jié)，列出了當(dāng)前研究工作中所面臨的幾個(gè)具體問(wèn)題與挑戰(zhàn)，闡述了化學(xué)環(huán)境中脆性巖石微裂紋擴(kuò)展演化和斷裂機(jī)制的新思考與展望。

1 巖石中微裂紋擴(kuò)展的基本行為與特征

一般而言，地下儲(chǔ)層的巖石大都被含有一定礦化度的流體所不同程度地充填，在外加應(yīng)力的擾動(dòng)下，或者是外來(lái)流體的侵入時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)力學(xué)耦合的變形損傷直至斷裂破壞。巖石斷裂的物理過(guò)程可進(jìn)一步被描述為介質(zhì)內(nèi)部微裂紋在力學(xué)載荷和理化環(huán)境中的持續(xù)萌生、擴(kuò)展和貫通這一損傷特征的時(shí)序演化。特別是鉆井流體會(huì)與泥頁(yè)巖儲(chǔ)層中的黏土礦物發(fā)生復(fù)雜的相互作用，侵入巖石內(nèi)部的微裂紋引起進(jìn)一步的損傷與斷裂，導(dǎo)致裂紋更加活躍地?cái)U(kuò)展，較大程度地提升微裂紋的擴(kuò)展速率，最終使整體結(jié)構(gòu)連續(xù)性喪失，引發(fā)強(qiáng)度參數(shù)劣化和宏觀的斷裂失穩(wěn)。在這個(gè)過(guò)程中，厘清微裂紋的擴(kuò)展問(wèn)題十分關(guān)鍵，下面對(duì)此進(jìn)行著重闡述。

受外部環(huán)境和應(yīng)力條件的共同約束，巖石中微裂紋的擴(kuò)展演化行為可被大致劃分為以下3 類(lèi)：完全靜止、較慢較穩(wěn)定的亞臨界擴(kuò)展、快速不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)斷裂。當(dāng)微裂紋處于高溫或高反應(yīng)活性在外加應(yīng)力水平顯著低于臨界應(yīng)力的條件下，裂紋也會(huì)發(fā)生極為緩慢的擴(kuò)展，這一斷裂行為稱(chēng)作亞臨界擴(kuò)展[13]。在物理化學(xué)環(huán)境下，微裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率將被進(jìn)一步降低或提升，隨著時(shí)間的推移，逐漸產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的強(qiáng)化或劣化。微裂紋的完全靜止較為罕見(jiàn)，在真實(shí)環(huán)境中大都發(fā)生著緩慢穩(wěn)定的亞臨界擴(kuò)展，同時(shí)伴隨著結(jié)構(gòu)損傷的累積演化。當(dāng)損傷特征量累積到一定程度時(shí)，微裂紋已趨近臨界狀態(tài)，極易發(fā)生接近介質(zhì)聲速、快速不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)斷裂行為，同時(shí)伴隨著裂紋尺度迅速發(fā)展與分叉破碎現(xiàn)象，宏觀上已表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)的突然崩解與劈裂。以下示意圖1 給出了介質(zhì)內(nèi)部微裂紋隨擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力增加所表現(xiàn)出的速率演化行為與特征描述(其中動(dòng)態(tài)斷裂的圖片引自Sharon和Fineberg的杰出工作[14])。

圖1 介質(zhì)內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展的速率演化行為示意圖Fig.1 Sketch of velocity evolution behavior of microcrack propagation in a medium

巖石的斷裂破壞基本都可視為這3 個(gè)過(guò)程的時(shí)序發(fā)展演化，尤其對(duì)于泥頁(yè)巖地層的井壁穩(wěn)定問(wèn)題來(lái)說(shuō)，鉆井流體與井壁圍巖的相互作用機(jī)制更多地表現(xiàn)為水化作用和應(yīng)力作用下微裂紋的亞臨界擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)斷裂的時(shí)序演變?？梢哉f(shuō)，頁(yè)巖在化學(xué)力學(xué)耦合下的水化過(guò)程，可視為巖石中微裂紋等缺陷發(fā)生更活躍的亞臨界擴(kuò)展行為的綜合體現(xiàn)，水化的實(shí)質(zhì)是微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的斷裂與軟化這一時(shí)序損傷過(guò)程，最終導(dǎo)致了宏觀結(jié)構(gòu)完整性的喪失而產(chǎn)生垮塌失穩(wěn)。

綜上所述，在井壁穩(wěn)定的研究當(dāng)中，巖石內(nèi)部微裂紋在化學(xué)力學(xué)耦合下的擴(kuò)展演化行為與亞臨界斷裂機(jī)理值得重點(diǎn)關(guān)注，團(tuán)隊(duì)基于此提出了“化學(xué)斷裂”這一力學(xué)概念，內(nèi)容聚焦于物理化學(xué)環(huán)境中微裂紋擴(kuò)展的斷裂力學(xué)理論，以及巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷演化特征的宏觀響應(yīng)規(guī)律。希望在理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，不斷完善化學(xué)斷裂力學(xué)的概念，深化其內(nèi)涵，從化學(xué)斷裂力學(xué)的視角為解決井壁失穩(wěn)問(wèn)題貢獻(xiàn)力量。

2 化學(xué)力學(xué)耦合的微裂紋亞臨界斷裂機(jī)理研究進(jìn)展

來(lái)自英國(guó)UCL的B.K.Atkinson教授最早開(kāi)始系統(tǒng)地研究巖石斷裂力學(xué)與裂紋的亞臨界擴(kuò)展，在他的相關(guān)著作中提到，受外部物理化學(xué)環(huán)境和應(yīng)力條件的共同約束，裂紋的亞臨界擴(kuò)展行為十分普遍，包括但不局限于地震活動(dòng)、水力裂縫、火山爆發(fā)以及結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性等等，裂紋的亞臨界擴(kuò)展理論可以用來(lái)解釋和預(yù)測(cè)許多當(dāng)時(shí)令人費(fèi)解的現(xiàn)象[15]。

而在如今，隨著油氣勘探逐漸邁入深層乃至超深層，尤其是對(duì)于水敏性地層的鉆井來(lái)說(shuō)，井壁圍巖因黏土礦物水化而承擔(dān)了更多的井壁失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)的力學(xué)原理需要進(jìn)一步考慮外部物理化學(xué)環(huán)境對(duì)裂紋擴(kuò)展演化的影響。團(tuán)隊(duì)提出的化學(xué)斷裂力學(xué)理論認(rèn)為，水化過(guò)程也可視為裂紋在化學(xué)力學(xué)耦合作用下的亞臨界擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，即結(jié)構(gòu)損傷累積到臨界量時(shí)，井壁圍巖發(fā)生垮塌失穩(wěn)。因此，從裂紋的亞臨界擴(kuò)展到失穩(wěn)斷裂的演化來(lái)解釋井壁失穩(wěn)是可行的，探究環(huán)境介質(zhì)和應(yīng)力條件下微裂紋的亞臨界擴(kuò)展演化行為十分必要。

2.1 理論模型

裂紋的亞臨界擴(kuò)展存在多種機(jī)制，如應(yīng)力腐蝕、溶解、擴(kuò)散、離子交換以及微觀塑性等。這些機(jī)制能不同程度地解釋與時(shí)間有關(guān)的緩慢斷裂現(xiàn)象，通常情況下，多種機(jī)制同時(shí)存在，但一般只會(huì)有一種或幾種機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)[15]。此外，裂紋的亞臨界擴(kuò)展曲線(xiàn)，即K-v圖在對(duì)數(shù)坐標(biāo)空間中呈現(xiàn)出典型的三區(qū)域特征，分別為I區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，并具有門(mén)檻值與區(qū)域過(guò)渡段。這3 個(gè)區(qū)域的相關(guān)描述也存在對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以下對(duì)此一并闡述當(dāng)前的理論進(jìn)展。

應(yīng)力腐蝕理論是目前應(yīng)用最為廣泛的模型，由Charles和Hillig[16]于1962 年在一次玻璃斷裂的研討會(huì)上首次提出，并由Wiederhorn[17]、Bolz[18]、Scholz[19]、Atkinson[20]等人不斷發(fā)展完善并在玻璃、礦物和巖石中開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)代也有學(xué)者對(duì)溶解過(guò)程、離子交換以及微塑性機(jī)制進(jìn)行了探索，但都局限于某種特定的研究對(duì)象，或者是某種特定的環(huán)境條件。比如Freiman[21]關(guān)于具有極高溶解度的二元堿—硅酸鹽玻璃在水介質(zhì)中出現(xiàn)的擴(kuò)展速率平臺(tái)的研究，就解釋為二氧化硅的溶解效應(yīng)。還有Wiederhorn[22]在依賴(lài)于水溶液pH值的硅酸鹽玻璃和單晶石英礦物的斷裂行為研究中，裂紋尖端附近的氫離子與金屬陽(yáng)離子之間的交換反應(yīng)也可能造成裂紋自發(fā)地破裂并伴隨亞臨界擴(kuò)展。最后，高溫和低應(yīng)變率條件下的裂紋尖端因不均勻的塑性而成核并發(fā)生宏觀下的準(zhǔn)靜態(tài)的亞臨界擴(kuò)展，這一過(guò)程被解釋為微觀的塑性流動(dòng)，來(lái)自電子顯微鏡的證據(jù)顯示，在方解石中確實(shí)存在這一效應(yīng)[23]。

應(yīng)力腐蝕最初源于在水介質(zhì)環(huán)境下硅酸鹽玻璃和單晶的石英礦物中裂紋的亞臨界擴(kuò)展加速的解釋。該模型最基本的假設(shè)是：硅酸鹽晶體裂紋尖端處受到應(yīng)變的Si-O鍵比未受到應(yīng)變的鍵更易對(duì)環(huán)境介質(zhì)作出反應(yīng)，并產(chǎn)生一種弱化鍵強(qiáng)度的激發(fā)態(tài)。相應(yīng)的反應(yīng)表達(dá)式為：

水分子和Si-O鍵之間的相互作用能成功地解釋玻璃和石英礦物當(dāng)中因應(yīng)力腐蝕而出現(xiàn)的裂紋亞臨界擴(kuò)展速率顯著提高的現(xiàn)象。然而，應(yīng)力腐蝕只是描述了裂紋尖端附近的鍵在環(huán)境介質(zhì)中的相互作用，沒(méi)有考慮到環(huán)境中的活性粒子傳輸?shù)搅鸭獾倪^(guò)程。因此，應(yīng)力腐蝕理論只能解釋亞臨界擴(kuò)展曲線(xiàn)中的I區(qū)行為，即在對(duì)數(shù)空間中的典型線(xiàn)性特征。

緊接著，關(guān)于I區(qū)特征的物理過(guò)程，主要存在3種假說(shuō)來(lái)描述，一個(gè)是基于應(yīng)力腐蝕的反應(yīng)速率模型，它描述了一個(gè)應(yīng)力誘導(dǎo)的熱激活現(xiàn)象，環(huán)境介質(zhì)中的活性粒子可以通過(guò)化學(xué)吸附來(lái)誘導(dǎo)更加活躍的亞臨界擴(kuò)展[24]，這一模型可以同時(shí)考慮外加應(yīng)力、溫度以及環(huán)境介質(zhì)濃度的綜合影響，并得到了他們所開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。另外一個(gè)用來(lái)解釋I區(qū)陡峭的線(xiàn)性特征的假說(shuō)，是從Orowan觀點(diǎn)繼承并發(fā)展而來(lái)的激活的界面擴(kuò)散模型，它描述了尾隨裂紋尖端附著區(qū)的一個(gè)界面相互作用，即外來(lái)分子的固態(tài)擴(kuò)散[25]。還有一個(gè)假說(shuō)是本征屏蔽區(qū)的內(nèi)摩擦損耗模型，它是由Maugis[26]于1985 年提出的一個(gè)基于連續(xù)介質(zhì)的粘彈性能量耗散機(jī)制，在聚合物中得到了可驗(yàn)證的良好應(yīng)用，速率本構(gòu)關(guān)系是冪函數(shù)形式的。

進(jìn)入亞臨界擴(kuò)展曲線(xiàn)的Ⅱ區(qū)后，擴(kuò)展速率對(duì)外加應(yīng)力的敏感性大幅降低，在很多實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持下，這一擴(kuò)散主導(dǎo)的裂紋擴(kuò)展過(guò)程在速率曲線(xiàn)中表現(xiàn)為一個(gè)平滑的水平直線(xiàn)。Lawn[27]建立了基于稀薄氣體的自由分子流動(dòng)的速率模型，認(rèn)為活性的氣體分子需要一定的時(shí)間傳輸?shù)搅鸭y尖端附近，當(dāng)輸運(yùn)時(shí)間大于裂尖的反應(yīng)時(shí)間時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率由輸運(yùn)過(guò)程主導(dǎo)。他考慮了Knudsen氣體在裂紋界面間的自由流動(dòng)，并隨時(shí)可能與裂紋壁面發(fā)生碰撞而引起壓力的衰減，并提出了一種處理I區(qū)和Ⅱ區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)域擴(kuò)展速率的可能描述。據(jù)Karunaratne和Lewis[28]的研究，裂紋在高溫下的亞臨界擴(kuò)展行為更多地由質(zhì)量傳輸所主導(dǎo)，擴(kuò)散速率的本構(gòu)關(guān)系可以用冪函數(shù)形式的經(jīng)驗(yàn)公式所描述，這一特征與應(yīng)力腐蝕機(jī)制主導(dǎo)的Charles冪律方程[29]十分相似?？墒牵@兩者都采取了經(jīng)驗(yàn)公式擬合的數(shù)學(xué)描述，內(nèi)部的微觀機(jī)制尚未能充分得到解釋?zhuān)⑶襂區(qū)和Ⅱ區(qū)之間的串發(fā)協(xié)同的過(guò)渡區(qū)域大小也難以度量。

關(guān)于裂紋亞臨界擴(kuò)展速率曲線(xiàn)的Ⅲ區(qū)，由于速率已接近介質(zhì)聲速，因而可視為動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)范疇，相應(yīng)的論述可參見(jiàn)Freund等人[30]的著作。

到目前，關(guān)于裂紋亞臨界擴(kuò)展機(jī)制與模型的理論研究進(jìn)展不大，大都采取了Charles應(yīng)力腐蝕理論的冪律經(jīng)驗(yàn)公式，并以門(mén)檻值、亞臨界擴(kuò)展指數(shù)以及其他擬合參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)擴(kuò)展速率在不同環(huán)境下的變化特征。這對(duì)于復(fù)雜的巖石來(lái)說(shuō)有些過(guò)于簡(jiǎn)化，但也不失為一種方便的工程描述手段，希望在巖石中能更多考慮礦物組分、膠結(jié)情況和孔隙壓力分布下的亞臨界斷裂特征，尤其是對(duì)于富含黏土的水敏性頁(yè)巖，水化膨脹分散行為對(duì)亞臨界擴(kuò)展的重要影響。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試

在研究裂紋的擴(kuò)展行為與材料的斷裂機(jī)理過(guò)程中，斷裂力學(xué)體系涌現(xiàn)了很多方法，如三點(diǎn)彎曲、單邊缺口拉伸、雙懸臂梁以及雙扭測(cè)試等等。由于巖石屬于不透明介質(zhì)，不易追蹤裂紋的亞臨界擴(kuò)展軌跡，而雙扭法則克服了這些局限，并且還能揭示外部環(huán)境對(duì)斷裂行為的影響規(guī)律，在探究微裂紋的亞臨界擴(kuò)展行為與斷裂機(jī)理中具有顯著優(yōu)勢(shì)[31-32]。

雙扭測(cè)試方法最先由Outwater于1966 年提出[33]，后續(xù)在Evans和Williams的合作下進(jìn)一步發(fā)展完善[34-35]，準(zhǔn)確推導(dǎo)出了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，又建立了常載荷[36]、常位移速率[37]以及常位移松弛[35-37]這3 種不同的加載模式。其中常位移松弛法因其操作簡(jiǎn)便，無(wú)需追蹤裂紋實(shí)時(shí)長(zhǎng)度的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。

起初，雙扭測(cè)試方法被用于研究玻璃、陶瓷等典型脆性材料的斷裂力學(xué)性質(zhì)，而后由Atkinson[20]于1979 年率先推廣到巖石等準(zhǔn)脆性介質(zhì)的斷裂韌性測(cè)定以及亞臨界擴(kuò)展行為的研究中，他當(dāng)時(shí)采用的是砂巖、大理巖以及輝長(zhǎng)巖，得到了很多有益的探索結(jié)果。而后又探究了外部化學(xué)環(huán)境對(duì)細(xì)粒石英礦物的亞臨界擴(kuò)展行為以及應(yīng)力腐蝕過(guò)程的影響規(guī)律[38]。同時(shí)期還有Henry[39]和Swanson[40]等學(xué)者對(duì)巖石和礦物中裂紋亞臨界擴(kuò)展行為的研究。

自此之后的四十多年中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同巖石類(lèi)型以及不同環(huán)境條件下的微裂紋亞臨界擴(kuò)展演化行為進(jìn)行了大量研究與工作，對(duì)化學(xué)力學(xué)耦合下的巖石中微裂紋的亞臨界擴(kuò)展行為進(jìn)行了詳細(xì)闡述，初步揭示了微裂紋的斷裂演化對(duì)外部物理化學(xué)環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律。由于這方面的研究工作不勝枚舉，以下僅按時(shí)間線(xiàn)綜述一些典型的研究進(jìn)展。

1980 年，Waza[41]用雙扭法研究了水對(duì)安山巖和玄武巖巖石中裂紋亞臨界擴(kuò)展速率的影響，結(jié)果表明在水飽和的巖石中，裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率比室溫下干燥的巖石大2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)，并指出應(yīng)力腐蝕可能是主導(dǎo)這類(lèi)多晶硅酸鹽巖石膨脹和蠕變等行為的重要機(jī)制。

1987 年，Lajtai[42-43]采用雙扭法探究了不同環(huán)境濕度條件下，花崗巖分別受拉伸和壓縮時(shí)裂紋的亞臨界擴(kuò)展特征，建立了裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的經(jīng)驗(yàn)擬合公式，結(jié)果表明環(huán)境濕度會(huì)進(jìn)一步提高花崗巖內(nèi)部微裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率，并顯著降低巖石強(qiáng)度和壽命。

1992 年，羅禮等人[44]結(jié)合常位移松弛法和雙扭測(cè)試技術(shù)，對(duì)粗、細(xì)粒大理巖、閃長(zhǎng)巖、侵入巖和石英巖等5 類(lèi)巖石中裂紋的亞臨界擴(kuò)展行為進(jìn)行了細(xì)致探究，結(jié)果表明，裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系在α=0.01的顯著性水平上能同時(shí)符合Charles方程以及Hillig和Charles方程描述，并且水分能顯著提高裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率，不同巖石類(lèi)型之間還有差異，同時(shí)指出數(shù)據(jù)離散性大的原因可能是由于巖石本身礦物成分、顆粒大小以及力學(xué)特征的不均質(zhì)而引起的，并建議應(yīng)做多次試驗(yàn)取平均值處理。

1994 年，Dunning等人[45]基于雙懸臂梁拉伸試驗(yàn)研究了化學(xué)環(huán)境下單晶石英和方解石礦物中裂紋的亞臨界擴(kuò)展演化特征，結(jié)果表明pH值和離子濃度對(duì)亞臨界擴(kuò)展速率影響較大且由應(yīng)力腐蝕機(jī)制主導(dǎo)，并給出了門(mén)檻值的極限估計(jì)。進(jìn)一步的分析指出，外部化學(xué)環(huán)境通過(guò)增強(qiáng)裂紋的亞臨界擴(kuò)展，促進(jìn)結(jié)構(gòu)的損傷累積并最終導(dǎo)致大尺度的地質(zhì)災(zāi)害。

1999 年，肖洪天等[46]以三峽船閘花崗巖樣品為研究對(duì)象，利用自行研制的加載裝置，基于常位移松弛法測(cè)試了裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率，并得到了穩(wěn)定的斷裂韌性實(shí)驗(yàn)值。通過(guò)對(duì)比分析載荷及應(yīng)變的松弛特征，驗(yàn)證了自研裝置的合理性與試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2005 年，Nara等人[47]采用雙扭技術(shù)和常位移松弛法探究了不同水蒸氣壓力下安山巖中裂紋的亞臨界擴(kuò)展規(guī)律，結(jié)果表明，較高的水蒸氣壓會(huì)促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。此外，還探討了試驗(yàn)結(jié)果對(duì)雙扭試件不同導(dǎo)向槽形狀的敏感性，發(fā)現(xiàn)矩形槽最適合雙扭測(cè)試，可重復(fù)性水平最高。同時(shí)，進(jìn)一步量化了應(yīng)力腐蝕機(jī)制下亞臨界擴(kuò)展的活化能，指出在不同溫度、濕度和應(yīng)力條件下裂紋亞臨界擴(kuò)展速率在理論上的可預(yù)測(cè)性。

2008 年，蔣青青等人[48]基于雙扭常位移松弛法探究了花崗巖分別在空氣條件和飽和水環(huán)境下裂紋的亞臨界擴(kuò)展行為與斷裂特征，結(jié)果表明，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)空間中，飽和水樣品的K-v曲線(xiàn)比空氣條件下的截距更高、斜率更小，即水能加速裂紋的亞臨界擴(kuò)展。

此外，關(guān)于水對(duì)巖石中裂紋亞臨界擴(kuò)展的影響規(guī)律，眾多學(xué)者[49-51]都進(jìn)行了相似的研究，并得到了一致的結(jié)論，即水能顯著提高裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更容易地?fù)p傷。

2010 年，Nara等人[52]利用雙扭技術(shù)探究了相對(duì)濕度和溫度對(duì)安山巖、花崗巖裂紋亞臨界擴(kuò)展的影響規(guī)律，結(jié)果表明，相同條件下，裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率隨著環(huán)境溫度的升高而增加，隨著相對(duì)濕度的提升而急劇增加。進(jìn)一步的分析指出，相對(duì)濕度增加3～4倍會(huì)引起亞臨界擴(kuò)展速率增加1～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，這比經(jīng)典的應(yīng)力腐蝕理論預(yù)測(cè)的要大很多，推測(cè)是源于靠近裂紋尖端處的水蒸氣冷凝而引發(fā)的額外毛細(xì)管壓力。2011 年，他們又采用相似的方法對(duì)不同相對(duì)濕度和溫度下3 類(lèi)砂巖的裂紋亞臨界擴(kuò)展速率[53]進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，相同條件下溫度的上升并不能使裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率增加很明顯，而相對(duì)濕度的增加卻能顯著提高裂紋擴(kuò)展速率，并且比應(yīng)力腐蝕理論所預(yù)測(cè)的要大很多，猜測(cè)可能是由于砂巖中黏土礦物的膨脹而引起的。這一點(diǎn)為以后關(guān)于富黏土頁(yè)巖的亞臨界斷裂機(jī)制提供了有益探索。

2012 年，Rostom[54]利用雙扭試驗(yàn)對(duì)不同流體組分及濃度條件下方解石中裂紋的亞臨界擴(kuò)展進(jìn)行了相關(guān)探究，研究發(fā)現(xiàn)，流體成分會(huì)顯著影響礦物中裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率和界面能，礦物界面能在低的NaCl溶液濃度下有所提高，而抑制裂紋的亞臨界擴(kuò)展。不同流體的活性離子會(huì)對(duì)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生不盡相同的促進(jìn)效果，這中間存在一個(gè)閾值。同時(shí)，Rostom認(rèn)為化學(xué)溶液對(duì)巖石的亞臨界擴(kuò)展的影響源于裂紋尖端界面間的靜電相互作用。

2016 年，Bergsaker等人[55]同樣對(duì)單晶方解石礦物中裂紋的亞臨界擴(kuò)展行為進(jìn)行了細(xì)致研究，選取的敏感因素是pH值、離子類(lèi)型及濃度。結(jié)果表明，在碳酸鈣飽和溶液環(huán)境下，pH值在5～7.5 范圍內(nèi)幾乎對(duì)裂紋的亞臨界擴(kuò)展和礦物的界面能不產(chǎn)生影響，這一結(jié)論有望對(duì)二氧化碳的地質(zhì)封存和長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供有益的參考。此外，研究還發(fā)現(xiàn)低濃度的鈉離子溶液會(huì)降低裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率，而高濃度則會(huì)增加，鎂離子對(duì)裂紋的擴(kuò)展無(wú)明顯影響。

關(guān)于外部化學(xué)環(huán)境中的流體類(lèi)型及濃度對(duì)不同巖石或礦物類(lèi)型中裂紋亞臨界擴(kuò)展的影響規(guī)律，還有其他學(xué)者也采用了相似方法進(jìn)行了大量研究，此處不再一一贅述。

此前，幾乎沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)頁(yè)巖中裂紋亞臨界擴(kuò)展的探索，直到2017 年來(lái)自UT Austin 的Chen等人[56]的工作。他們選取了美國(guó)中南部Oklahoma州的Woodford頁(yè)巖樣品，并采取油基切割的方式來(lái)保證其中的20%黏土礦物(主要為伊利石)不會(huì)發(fā)生散裂，成功加工出了雙扭測(cè)試所需的巖樣。探究了該頁(yè)巖在常溫的室內(nèi)空氣、干二氧化碳和去離子水條件下裂紋的亞臨界斷裂演化特征，包括用以描述Charles理論的擬合常數(shù)以及宏觀的斷裂韌性。結(jié)果表明，與室內(nèi)環(huán)境相比，水的存在會(huì)劣化巖石參數(shù)，水巖相互作用導(dǎo)致了斷裂韌性的降低和塑性效應(yīng)的增強(qiáng)。此外，通過(guò)涂抹疏水劑將水巖作用限制在裂紋尖端附近，能降低亞臨界指數(shù)并提高擴(kuò)展速率。進(jìn)一步的分析表明，水與黏土之間的相互作用可能導(dǎo)致K-v曲線(xiàn)與經(jīng)典冪律描述之間的偏差，并呈現(xiàn)出隨時(shí)間相關(guān)的逐漸劣化，而這一過(guò)程主要源于黏土的水化分散。

2019 年，Chen等人[57]又繼續(xù)采用雙扭試驗(yàn)探究了不同環(huán)境介質(zhì)對(duì)3 種頁(yè)巖(Woodford; Mancos;Marcellus)斷裂參數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，對(duì)于富含黏土的2 種頁(yè)巖，水含量的增加會(huì)由于發(fā)生結(jié)晶膨脹而導(dǎo)致斷裂韌性和亞臨界指數(shù)下降，而干燥二氧化碳對(duì)斷裂行為影響很小，即使對(duì)不富含黏土的Marcellus頁(yè)巖也是如此。涂抹疏水層而不進(jìn)行預(yù)浸泡與其他環(huán)境的對(duì)比結(jié)果顯示，富黏土頁(yè)巖的亞臨界擴(kuò)展曲線(xiàn)介于室內(nèi)空氣和全部浸水環(huán)境的擴(kuò)展曲線(xiàn)之間并偏離了經(jīng)典的冪律描述，說(shuō)明充分地水巖作用后會(huì)顯著提高裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率，而物理化學(xué)的水巖作用和機(jī)械的裂紋擴(kuò)展同時(shí)存在會(huì)產(chǎn)生相互競(jìng)爭(zhēng)，并呈現(xiàn)出與時(shí)間相關(guān)的漸進(jìn)演化過(guò)程。此外，微觀結(jié)構(gòu)和礦物學(xué)分析顯示，富黏土頁(yè)巖的亞臨界斷裂機(jī)制表現(xiàn)為沿晶斷裂，通過(guò)水強(qiáng)化的亞臨界擴(kuò)展行為，可以顯著增強(qiáng)富黏土頁(yè)巖的脆性破壞特征。

2020 年，Chen等人[58]在以往成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究了離子濃度、pH值和溫度對(duì)前述3 種頁(yè)巖斷裂力學(xué)參數(shù)的控制及其在化學(xué)反應(yīng)性流體環(huán)境中對(duì)裂紋亞臨界擴(kuò)展的影響規(guī)律。結(jié)果表明，富黏土頁(yè)巖的斷裂韌性和亞臨界裂紋擴(kuò)展速率對(duì)離子濃度敏感，而對(duì)溶液pH值不敏感；鈉離子濃度的增加會(huì)提高斷裂韌性和亞臨界指數(shù)，對(duì)頁(yè)巖裂紋的亞臨界擴(kuò)展產(chǎn)生了抑制效果；溫度的升高能有效促進(jìn)3 類(lèi)頁(yè)巖中裂紋的亞臨界擴(kuò)展，表現(xiàn)為速率曲線(xiàn)在K-v圖中向左移動(dòng)，同時(shí)伴隨著擴(kuò)展速率對(duì)離子濃度敏感性的降低。此外，進(jìn)一步的分析顯示，即使對(duì)于低膨脹性的由伊利石主導(dǎo)的頁(yè)巖，黏土的水化特性也將顯著提高裂紋的亞臨界擴(kuò)展速率，對(duì)于外部物理化學(xué)環(huán)境影響下的變形與斷裂，以及隨時(shí)間的演化進(jìn)程中十分重要?？傊黧w既能強(qiáng)化巖石，也能劣化巖石，這取決于巖性和化學(xué)環(huán)境所誘導(dǎo)的作用機(jī)制。

2022 年，Yan等人[59]探究了水飽和條件下富黏土頁(yè)巖和致密砂巖中裂紋的亞臨界擴(kuò)展演化行為。他們選取的是來(lái)自于鄂爾多斯盆地的致密砂巖和來(lái)自于四川盆地龍馬溪組的頁(yè)巖，環(huán)境介質(zhì)分別為室內(nèi)空氣、去離子水以及滑溜水，試驗(yàn)方法依然是雙扭測(cè)試結(jié)合常位移松弛法。結(jié)果表明，相同條件下，去離子水環(huán)境中的裂紋亞臨界擴(kuò)展速率最高，室內(nèi)空氣環(huán)境中的最低，滑溜水環(huán)境的則介于兩者之間，水的存在會(huì)顯著加速裂紋的擴(kuò)展。進(jìn)一步的結(jié)果顯示，去離子水條件下，黏土與水的相互作用是加速裂紋亞臨界斷裂的主要原因。此外，水溶液降低了裂紋界面的摩擦系數(shù)，能夠增加裂紋擴(kuò)展的復(fù)雜程度，而頁(yè)巖由于其高蒙脫石含量，產(chǎn)生的裂紋的復(fù)雜程度比砂巖要高。

2022 年，來(lái)自中南大學(xué)的Li[60]等人選取了來(lái)自國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的玄武巖、大理巖、花崗巖、紅砂巖和白砂巖這5 種巖性，利用3D-DIC技術(shù)成功觀測(cè)到了他們的裂紋擴(kuò)展過(guò)程和斷裂特征演化，并采用雙扭試驗(yàn)測(cè)試了它們的斷裂韌性和亞臨界擴(kuò)展曲線(xiàn)。雖然其中缺乏頁(yè)巖，但是繼承Nara的觀點(diǎn)，側(cè)重探究了潛在的亞臨界斷裂行為對(duì)巖土工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響評(píng)估。結(jié)果表明，在巖石臨界失穩(wěn)之前，介于0.73～0.83 倍斷裂韌性的應(yīng)力強(qiáng)度因子加持下，5 種巖石都發(fā)生了亞臨界斷裂，相同條件下，花崗巖和玄武巖的亞臨界擴(kuò)展速率較快。此外，短期內(nèi)玄武巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度最高，而超過(guò)408 年的長(zhǎng)期后，花崗巖最高。這些結(jié)果為從裂紋的亞臨界斷裂行為探究巖土工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了積極的探索和有益的參考借鑒。

2023 年，Li[61]的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)以石英閃長(zhǎng)巖、白砂巖和紅砂巖為研究對(duì)象，著重探究了這3 種不同石英含量的巖石在雙扭測(cè)試試驗(yàn)中所表現(xiàn)出的亞臨界斷裂行為特征。與以往的浸泡處理方法不同，創(chuàng)新地通過(guò)醫(yī)用針頭將水引入導(dǎo)向槽而保證水能充分到達(dá)裂紋尖端附近，以對(duì)比去離子水環(huán)境和空氣環(huán)境的差異。結(jié)果表明，裂紋的亞臨界擴(kuò)展對(duì)水的反應(yīng)非常劇烈，與空氣環(huán)境相比，水的存在能不同程度地降低Charles冪律擬合下的亞臨界指數(shù)，并且提高裂紋擴(kuò)展速率近1 個(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)合理地控制水流開(kāi)關(guān)來(lái)將水引入導(dǎo)向槽，能方便對(duì)比有無(wú)水條件下亞臨界斷裂行為的差異。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在水環(huán)境下，當(dāng)水到達(dá)裂紋尖端附近區(qū)域時(shí)，載荷松弛曲線(xiàn)發(fā)生了驟然上升的突變，3D-DIC技術(shù)提取的底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變即刻增加，反映到亞臨界擴(kuò)展曲線(xiàn)上則表現(xiàn)為隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子的降低，裂紋擴(kuò)展速率反而提高，他們認(rèn)為是水突然地到達(dá)尖端附近并不會(huì)立刻使巖石顆粒膨脹或飽和，從而觀測(cè)到的反應(yīng)如此劇烈。筆者認(rèn)為，與以往浸泡處理后的巖石性質(zhì)劣化已經(jīng)趨近于穩(wěn)定不同，控制水流到達(dá)裂紋尖端能敏銳地被實(shí)驗(yàn)捕捉并記錄下來(lái)，尖端附近的應(yīng)力腐蝕反應(yīng)十分迅速，瞬間的水合力提高了應(yīng)力強(qiáng)度因子，加快了裂紋亞臨界擴(kuò)展速率。

同年，Li[62]的團(tuán)隊(duì)繼承2022 年的工作，又深入探究了這5 種不同類(lèi)型的巖石所表現(xiàn)出的亞臨界擴(kuò)展和動(dòng)態(tài)斷裂行為之間的差異。同時(shí)結(jié)合DIC技術(shù)研究了雙扭測(cè)試中巖樣斷裂過(guò)程區(qū)的尺寸，發(fā)現(xiàn)其大致在21 mm到34 mm之間。進(jìn)一步的分析結(jié)果表明，亞臨界斷裂后的裂紋表面形態(tài)比動(dòng)態(tài)斷裂更為粗糙，兩者均與最大晶粒尺寸呈正相關(guān)。掃描電鏡圖像顯示出，亞臨界擴(kuò)展的裂紋優(yōu)先沿晶界擴(kuò)展，屬于沿晶斷裂，而動(dòng)態(tài)斷裂的裂紋則優(yōu)先穿過(guò)晶體顆粒擴(kuò)展，并伴有部分晶間裂紋，屬于穿晶斷裂。

綜上所述，目前對(duì)于巖石中裂紋亞臨界斷裂演化行為的試驗(yàn)測(cè)試，已經(jīng)覆蓋了絕大多種類(lèi)的巖性，并延展到了外部環(huán)境中不同的介質(zhì)類(lèi)型及濃度、相對(duì)濕度、pH值和溫度等條件，眾多影響因素基本上都得到了敏感性分析和作用規(guī)律評(píng)價(jià)。尤其是水環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展加速已取得了一致認(rèn)知，以及富黏土頁(yè)巖在水作用下的亞臨界斷裂行為也已在近年來(lái)開(kāi)始被成功地研究，并獲得了一些重要結(jié)果。然而，當(dāng)前對(duì)于巖石裂紋的亞臨界擴(kuò)展研究大都聚焦于雙扭試驗(yàn)測(cè)試，只關(guān)注了單一裂紋的演化情況，并且沒(méi)有考慮外部附加的地應(yīng)力和孔隙壓力條件，也尚未見(jiàn)到在鉆井液這種流體環(huán)境下的亞臨界斷裂實(shí)驗(yàn)和機(jī)理研究相關(guān)的報(bào)道。此外，單純的經(jīng)驗(yàn)公式描述難以有效揭示全部的斷裂機(jī)理，擬合參數(shù)的量級(jí)波動(dòng)較大，對(duì)于混礦集合體的不同種類(lèi)巖石無(wú)法提供準(zhǔn)確的參考與相互之間的對(duì)比。

4 當(dāng)前研究中的幾個(gè)具體問(wèn)題與思考

通過(guò)對(duì)化學(xué)力學(xué)耦合的巖石微裂紋亞臨界斷裂機(jī)理研究現(xiàn)狀的綜合分析，可以總結(jié)出當(dāng)前的研究工作中存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)作為誘發(fā)巖石損傷演化和強(qiáng)度劣化的關(guān)鍵因素，從理論模型上探究化學(xué)力學(xué)環(huán)境中微裂紋的亞臨界擴(kuò)展，大多基于Si-O鍵與水的應(yīng)力腐蝕這一熱激活過(guò)程的作用機(jī)制，然而對(duì)于裂紋尖端附近區(qū)域的溶解、沉淀、吸附、擴(kuò)散、離子交換以及微塑性等其他作用機(jī)制在巖石中缺乏量化描述，且他們之間的共存與競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制也鮮有相關(guān)研究與報(bào)道；

(2)巖石是一種天然的由混合礦物相互排列、膠結(jié)而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，微裂紋尖端界面附近分布著多種多樣的礦物顆粒與膠結(jié)組分，在這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)下微裂紋的亞臨界擴(kuò)展行為是否還能用傳統(tǒng)的模型機(jī)制解釋有待考究，尤其是近年來(lái)關(guān)于富黏土頁(yè)巖中裂紋的亞臨界擴(kuò)展特征所表現(xiàn)出的與經(jīng)典Charles冪律顯著偏離的事實(shí)，進(jìn)一步證實(shí)了水化機(jī)制的重要性。然而水化與其他作用機(jī)制到底誰(shuí)占主導(dǎo)，以及水化與應(yīng)力腐蝕等相互之間的競(jìng)爭(zhēng)尚不明確；

(3)從試驗(yàn)方法探究不同種類(lèi)巖石中裂紋的亞臨界擴(kuò)展主要集中于常位移松弛法配置下的雙扭測(cè)試技術(shù)。雖然能將溫度、相對(duì)濕度、pH值、不同流體類(lèi)型及濃度等諸多外部物理化學(xué)環(huán)境的影響因素考慮在內(nèi)，但缺乏相關(guān)公式的定量描述，目前大都局限于定性地認(rèn)識(shí)，并且，尚未見(jiàn)到在鉆井液這種流體環(huán)境下亞臨界斷裂實(shí)驗(yàn)和機(jī)理相關(guān)的報(bào)道；

(4)雙扭法只關(guān)注了單一裂紋在不同環(huán)境下的演化行為，而實(shí)際巖石中的微裂紋數(shù)量眾多且具有不同的取向與分布，并承受著原位地應(yīng)力和孔隙壓力的載荷條件，這些實(shí)際因素目前都難以結(jié)合到實(shí)驗(yàn)測(cè)試中。此外，微裂紋亞臨界擴(kuò)展曲線(xiàn)，即K-v圖所描述的本構(gòu)關(guān)系絕大多數(shù)都采用了Charles等學(xué)者的冪律擬合或指數(shù)擬合，這些半經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系式難以有效、充分揭示不同化學(xué)力學(xué)環(huán)境下微裂紋的亞臨界擴(kuò)展演化行為與斷裂機(jī)理。

基于以上分析，期望從化學(xué)斷裂的全新角度探究微裂紋在化學(xué)力學(xué)耦合作用下的擴(kuò)展演化特征，建立化學(xué)斷裂力學(xué)模型，基于多裂紋的亞臨界擴(kuò)展構(gòu)建損傷變量表達(dá)式，探究不同化學(xué)力學(xué)環(huán)境對(duì)微裂紋亞臨界擴(kuò)展和損傷跨尺度演化的影響規(guī)律，為研究深層硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定問(wèn)題提供嶄新思路與方法。其中，擬需要關(guān)注和解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下：

(1)探索流體化學(xué)環(huán)境對(duì)頁(yè)巖黏土礦物水化膨脹、分散的作用機(jī)制，建立從微觀的晶層水化到微裂紋萌生和擴(kuò)展的化學(xué)斷裂力學(xué)模型，并揭示微裂紋擴(kuò)展演化對(duì)不同流體組分及濃度的響應(yīng)規(guī)律。這一過(guò)程解釋了頁(yè)巖水化過(guò)程中新的微裂紋是如何形成的。

(2)從微裂紋的亞臨界擴(kuò)展理解結(jié)構(gòu)損傷的積累與演化，揭示微裂紋在化學(xué)力學(xué)耦合作用下的亞臨界擴(kuò)展行為與特征，推導(dǎo)并建立多裂紋亞臨界擴(kuò)展誘導(dǎo)的損傷變量表達(dá)式。這一過(guò)程描述了微裂紋是如何在化學(xué)力學(xué)環(huán)境下發(fā)生亞臨界擴(kuò)展的，裂紋擴(kuò)展速率形式又是什么樣的，以及微裂紋的亞臨界擴(kuò)展是怎樣誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)損傷演化的。

(3)以微裂紋的亞臨界擴(kuò)展誘導(dǎo)損傷積累來(lái)進(jìn)一步描述巖石力學(xué)參數(shù)的劣化，推導(dǎo)損傷變量的時(shí)序演化方程，開(kāi)展鉆井液與頁(yè)巖相互作用的斷裂特征實(shí)驗(yàn)，探究損傷的跨尺度演化特征對(duì)巖石強(qiáng)度劣化的影響規(guī)律，建立巖石由微裂紋亞臨界擴(kuò)展主導(dǎo)的損傷積累到臨界突變失穩(wěn)的化學(xué)斷裂力學(xué)判據(jù)。這一過(guò)程闡明了微裂紋擴(kuò)展誘導(dǎo)的損傷演化是如何影響巖石力學(xué)參數(shù)和井壁穩(wěn)定性的，以及是怎樣誘發(fā)井壁圍巖臨界失穩(wěn)垮塌的，即微裂紋亞臨界擴(kuò)展到什么程度才會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)斷裂，自此之后的時(shí)序演化特征又進(jìn)一步詮釋了坍塌周期概念。

(4)在前面的基礎(chǔ)上，建立基于化學(xué)斷裂力學(xué)的井壁穩(wěn)定新模型，提出控制微裂紋擴(kuò)展的防塌鉆井液抑制性定量評(píng)價(jià)新方法，形成基于水化抑制性和微裂紋封堵性的保障井壁穩(wěn)定的新對(duì)策，為深層頁(yè)巖安全高效鉆井提供科學(xué)依據(jù)和理論借鑒。