页岩储层是全球油气产量增长的主要驱动力，但在开采过程中，页岩地层频繁失稳往往引发井下复杂情况并产生重大非生产时间。页岩地层失稳的内在机制尚未完全明确，其独特的横向各向异性特征使其区别于其他岩性。
针对这一难题，本文开展了基于横向各向同性强度准则的各向异性对井壁稳定性影响研究，取得了重要进展，研究团队通过在不同层理倾角和围压条件下对页岩样品进行三轴压缩实验，揭示了页岩的强度各向异性特性，并采用最小二乘法建立了各向异性强度准则。基于此，开发了包含弹性和强度各向异性的井壁坍塌压力预测模型，用于研究弹性模量和泊松比各向异性对井周应力分布的影响。
图1 三种各向异性强度准则对实验数据的拟合效果
研究团队系统比较了三种各向异性强度准则的预测性能。结果表明，单弱面准则（SPW）和Pariseau准则对页岩层状岩石强度的预测存在显著误差，而斑块弱面准则（PPW）能够更准确地预测各向异性岩石强度。与弹性模量各向异性相比，泊松比各向异性对井周切向应力的影响较小，应力分布对弹性模量各向异性变化高度敏感。
图2 Mohr-Coulomb准则预测井壁坍塌压力云图
在井壁稳定性应用方面，研究团队建立了考虑各向异性的井壁坍塌压力预测方法。通过对比分析发现，SPW准则倾向于高估坍塌压力，而PPW准则则倾向于低估坍塌压力，Pariseau准则的预测结果介于两者之间，其中PPW准则总体上最为合理。
图3 单弱面强度准则预测井壁坍塌压力云图
本研究量化了各向异性对井壁稳定性的影响程度，发现在考虑强度各向异性时，井壁坍塌压力不再遵循地应力对称分布规律。这一发现对于准确确定页岩地层最优钻井液密度、缓解地下复杂挑战和提高作业效率具有重要意义。
研究成果近期发表在国际权威期刊《Geophysics》，论文第一作者为太阳成集团tyc151cc高祥森博士，通讯作者为王民教授。合作者包括太阳成集团tyc151cc时贤、代鹏、张明明以及伊朗沙赫鲁德理工大学Ahmad Ramezanzadeh教授，该研究得到了国家自然科学基金委员会的资助。
论文信息：Gao, X., Wang, M., Shi, X., Dai, P., Zhang, M., & Ramezanzadeh, A. (2025). Effect of anisotropy on wellbore stability based on transversely isotropic strength criteria in shale formation. Geophysics, 90(5), D101-D110.
