力學(xué)化學(xué)耦合的硬脆性泥頁巖微裂紋擴(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

在泥頁巖儲(chǔ)層的油氣鉆井過程中，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)于深部硬脆性泥頁巖儲(chǔ)層來說更是如此[1-6]。從國(guó)內(nèi)外數(shù)百口井的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，至少90%的井壁垮塌都發(fā)生在泥頁巖地層，而硬脆性泥頁巖幾乎占據(jù)了其中的三分之二。因此，對(duì)硬脆性泥頁巖地層井壁穩(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)。

硬脆性泥頁巖地層井壁失穩(wěn)至今沒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 年代以來地質(zhì)工作者和工程專家對(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 塊不同類型的頁巖樣品來自于不超過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，所有類型的頁巖對(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性降低。但是他沒有揭示頁巖吸水后強(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)初期建立起來的CT成像技術(shù)逐漸發(fā)展為一種能有效觀察和表征頁巖內(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巖樣品的水化過程進(jìn)行了詳細(xì)的監(jiān)測(cè)，有效捕捉到了頁巖水化中微裂紋時(shí)序演化直到貫通破壞的整體過程，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)。可是，他們沒有詳細(xì)闡述水化過程中微裂紋擴(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)中稱作裂紋的亞臨界擴(kuò)展[10]。可以想象，硬脆性泥頁巖的水化過程，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，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)方面開展了大量研究工作，嘗試通過結(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巖井壁穩(wěn)定問題就更加捉襟見肘。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)過程中，厘清微裂紋的擴(kuò)展問題十分關(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：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，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)過程的時(shí)序發(fā)展演化，尤其對(duì)于泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定問題來說，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。可以說，頁巖在化學(xué)力學(xué)耦合下的水化過程，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

來自英國(guó)UCL的B.K.Atkinson教授最早開始系統(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說，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，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)，并具有門檻值與區(qū)域過渡段。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、礦物和巖石中開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí)代也有學(xué)者對(duì)溶解過程、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，這一過程被解釋為微觀的塑性流動(dòng)，來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，沒有考慮到環(huán)境中的活性粒子傳輸?shù)搅鸭獾倪^程。因此，應(yīng)力腐蝕理論只能解釋亞臨界擴(kuò)展曲線中的I區(qū)行為，即在對(duì)數(shù)空間中的典型線性特征。

緊接著，關(guān)于I區(qū)特征的物理過程，主要存在3種假說來描述，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化學(xué)吸附來誘導(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，并得到了他們所開展的實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。另外一個(gè)用來解釋I區(qū)陡峭的線性特征的假說，是從Orowan觀點(diǎn)繼承并發(fā)展而來的激活的界面擴(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，即外來分子的固態(tài)擴(kuò)散[25]。還有一個(gè)假說是本征屏蔽區(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)展過程在速率曲線中表現(xiàn)為一個(gè)平滑的水平直線。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。可是，這兩者都采取了經(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，并且I區(qū)和Ⅱ區(qū)之間的串發(fā)協(xié)同的過渡區(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，并以門檻值、亞臨界擴(kuò)展指數(shù)以及其他擬合參數(shù)來評(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)雜的巖石來說有些過于簡(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)展無明顯影響。

關(guān)于外部化學(xué)環(huán)境中的流體類型及濃度對(duì)不同巖石或礦物類型中裂紋亞臨界擴(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，幾乎沒有專門針對(duì)頁巖中裂紋亞臨界擴(kuò)展的探索，直到2017 年來自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頁巖樣品，并采取油基切割的方式來保證其中的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，富黏土頁巖的亞臨界擴(kuò)展曲線介于室內(nèi)空氣和全部浸水環(huán)境的擴(kuò)展曲線之間并偏離了經(jīng)典的冪律描述，說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)演化過程。此外，微觀結(jié)構(gòu)和礦物學(xué)分析顯示，富黏土頁巖的亞臨界斷裂機(jī)制表現(xiàn)為沿晶斷裂，通過水強(qiáng)化的亞臨界擴(kuò)展行為，可以顯著增強(qiáng)富黏土頁巖的脆性破壞特征。

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 類頁巖中裂紋的亞臨界擴(kuò)展，表現(xiàn)為速率曲線在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。總之，流體既能強(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。他們選取的是來自于鄂爾多斯盆地的致密砂巖和來自于四川盆地龍馬溪組的頁巖，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，來自中南大學(xué)的Li[60]等人選取了來自國(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。雖然其中缺乏頁巖，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)。通過合理地控制水流開關(guān)來將水引入導(dǎo)向槽，能方便對(duì)比有無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，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)覆蓋了絕大多種類的巖性，并延展到了外部環(huán)境中不同的介質(zhì)類型及濃度、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，以及富黏土頁巖在水作用下的亞臨界斷裂行為也已在近年來開始被成功地研究，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，并且沒有考慮外部附加的地應(yīng)力和孔隙壓力條件，也尚未見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巖石無法提供準(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)具體問題與思考

通過對(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，尤其是近年來關(guān)于富黏土頁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，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巖井壁穩(wěn)定問題提供嶄新思路與方法。其中，擬需要關(guān)注和解決的關(guān)鍵問題如下：

(1)探索流體化學(xué)環(huán)境對(duì)頁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。這一過程解釋了頁巖水化過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，開展鉆井液與頁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，為深層頁巖安全高效鉆井提供科學(xué)依據(jù)和理論借鑒。