煤层段钻进时的井壁失稳机理及其对策
煤层段钻进过程中极易发生井壁失稳的状况。本文从煤基岩的力学及物理化学性质入手，分析了煤层段井壁失稳的机理，采用Hoek-Brown公式来模拟煤岩的非连续性，并对煤层段的坍塌密度进行了实例计算，利用Ansys软件对计算结果进行了验证，研究表明采用Hoek-Brown强度准则计算煤层段的坍塌压力当量密度是安全有效的，在仅考虑力学作用的前提下，煤层不会发生崩落坍塌的状况。最后，总结了煤层段钻进时的技术对策。
标签：煤层井壁稳定性Hoek-Brown强度准则
1引言
目前我国所钻遇的井壁不稳定地层主要为易水化膨胀的泥页岩地层和破碎性地层。其中破碎性地层如煤层的井壁稳定性问题一直困扰着钻井工程，严重地阻碍了石油勘探开发的发展进程。钻井作业过程中煤岩坍塌可能带来两个方面的危害：（1）影响钻井安全，造成起下钻遇阻、遇卡、憋泵等事故和井下复杂情况，降低钻井速度和效率;（2）井眼直径严重扩大，井身质量差，在煤岩局部形成“大肚子”和“糖葫芦”井眼。同时由于环空间隙的剧烈变化，钻井液的上返速度差异大，严重影响带砂效率，水泥浆顶替返速达不到要求，难以保证固井质量。本文拟从煤岩的力学特性和物理化学性质入手，分析煤层段井壁失稳的机理，结合前人的研究基础给出确定了煤层段钻井液密度窗口的方法，最后提出了相应的工艺技术对策，优选了适合煤层段的钻井液体系及配方。
2煤岩的物理化学性质
煤岩含炭量较高，质轻易脆，且自身发育大量的天然裂隙、割理，相互垂直的面割理和端割理将煤基岩块分割成一个个斜方体（如图1所示）。割理以及裂隙的存在使得煤岩的力学行为表现出非连续性，其力学性质同砂泥岩也存在着较大差异[1]，见表1。
由表1不难看出煤岩的机械力学参数与常规砂岩储层有很大差别，泊松比大于砂岩，但煤岩的弹性模量却小于砂岩。White[3]的研究结果表明，煤岩的强度与含碳量有关。当含碳量为70%～80%时，煤岩的抗压强度达到最小;当含碳量大于80%时抗压强度随着含碳量的增大而增大;相应地，当含碳量小于70%时，抗压强度随着含碳量的减小而增大。此外煤岩周围的炭质泥岩具有很强的亲水性;且煤岩占主导的内生裂隙多被黏土矿物充填，电子显微镜观察[3]发现黏土矿物多为细分散状，斑点状或是浸染状产出，局部为团块状。
3煤层段井壁失稳机理
煤岩由于比表面极大而具有强烈的吸水性，煤岩周围的炭质泥岩同样具有很强的亲水性，水化后对煤岩层施加膨胀应力;且煤岩占主导的内生裂隙多被黏土
煤层段钻进时的井壁失稳机理及其对策 煤层段钻进过程中极易发生井壁失稳的状况。本文从煤基岩的力学及物理化学性质入手，分析了煤层段井壁失稳的机理，采用Hoek-Brown公式来模拟煤岩的非连续性，并对煤层段的坍塌密度进行了实例计算，利用Ansys软件对计算结果进行了验证，研究表明采用Hoek-Brown强度准则计算煤层段的坍塌压力当量密度是安全有效的，在仅考虑力学作用的前提下，煤层不会发生崩落坍塌的状况。最后，总结了煤层段钻进时的技术对策。 标签：煤层井壁稳定性Hoek-Brown强度准则 1引言 目前我国所钻遇的井壁不稳定地层主要为易水化膨胀的泥页岩地层和破碎性地层。其中破碎性地层如煤层的井壁稳定性问题一直困扰着钻井工程，严重地阻碍了石油勘探开发的发展进程。钻井作业过程中煤岩坍塌可能带来两个方面的危害：（1）影响钻井安全，造成起下钻遇阻、遇卡、憋泵等事故和井下复杂情况，降低钻井速度和效率;（2）井眼直径严重扩大，井身质量差，在煤岩局部形成“大肚子”和“糖葫芦”井眼。同时由于环空间隙的剧烈变化，钻井液的上返速度差异大，严重影响带砂效率，水泥浆顶替返速达不到要求，难以保证固井质量。本文拟从煤岩的力学特性和物理化学性质入手，分析煤层段井壁失稳的机理，结合前人的研究基础给出确定了煤层段钻井液密度窗口的方法，最后提出了相应的工艺技术对策，优选了适合煤层段的钻井液体系及配方。 2煤岩的物理化学性质 煤岩含炭量较高，质轻易脆，且自身发育大量的天然裂隙、割理，相互垂直的面割理和端割理将煤基岩块分割成一个个斜方体（如图1所示）。割理以及裂隙的存在使得煤岩的力学行为表现出非连续性，其力学性质同砂泥岩也存在着较大差异[1]，见表1。 由表1不难看出煤岩的机械力学参数与常规砂岩储层有很大差别，泊松比大于砂岩，但煤岩的弹性模量却小于砂岩。White[3]的研究结果表明，煤岩的强度与含碳量有关。当含碳量为70%～80%时，煤岩的抗压强度达到最小;当含碳量大于80%时抗压强度随着含碳量的增大而增大;相应地，当含碳量小于70%时，抗压强度随着含碳量的减小而增大。此外煤岩周围的炭质泥岩具有很强的亲水性;且煤岩占主导的内生裂隙多被黏土矿物充填，电子显微镜观察[3]发现黏土矿物多为细分散状，斑点状或是浸染状产出，局部为团块状。 3煤层段井壁失稳机理 煤岩由于比表面极大而具有强烈的吸水性，煤岩周围的炭质泥岩同样具有很强的亲水性，水化后对煤岩层施加膨胀应力;且煤岩占主导的内生裂隙多被黏土
井壁失稳的机理及原因分析(文献综述) 一、井眼不稳定性分析 井壁失稳的原因是错综复杂的，一般可归结为两方面的因素：地层力学因素和物理化学因素。不论是地层力学因素还是物理化学因素，最终均可归结为井壁力学不稳定所致。 地应力的大小、方向和各项异性对井壁的稳定性具有不可忽视的重要影响，尤其是3个主应力的比值(表征地应力的各向异性程度)对坍塌压力和破裂压力有显著影响。比值越大，坍塌压力和破裂压力的差值就越小(即钻井液密度窗就越小)，钻井作业就越困难，甚至出现既涌又塌的恶性事故。不仅如此，不同地区地应力的分布规律不同。例如，对于陆上多数油田和渤海湾地区，eH>ev>eh；对于南海、辽河和苏北油田，ev>eH>eh；对于大庆油田长恒构造，eH>eh>ev。因此，各地区的地应力数据还应具体测定。同时我们也知：对于不同地应力分布规律，钻井方向(即井眼轨迹)对井壁稳定性的影响规律也不同，而且，无论地应力的分布规律如何，总是沿中间地应力的方向钻进相对最不稳定。 二、对井壁失稳原因和机理的认识 对于井壁失稳的原因和机理，我们小组调研了相关文献得出井壁失稳主要由两方面的原因引起：泥浆密度过低，泥浆液柱压力难于支撑力学不稳定的地层；泥浆液柱压力高于地层孔隙应力，驱使泥浆进入泥页岩孔隙，产生压力穿透效应，使井眼附近的泥页岩含水量增加，孔隙压力增大，泥页岩强度降低。但同时对于不同的地层，不同的情况其失稳的原因各有不同。 黄维安等人就煤层气钻井井壁失稳机理进行研究得出：泥页岩地层井壁失稳原因是入井流体沿微裂缝侵入泥页岩后引起局部水化，导致剥落掉快；煤岩体中含有一定的粘土矿物，同时煤岩体的割理和微裂缝发育，井壁失稳原因一方面是入井流体沿割理或微裂缝侵入煤岩体后引起局的粘土矿物水化，消弱了颗粒间联接力，另一方面是煤岩体性脆、易破碎，钻具碰撞引起井下垮塌。 谢水祥等人对塔里木盆地群库恰克地区井壁失稳机理进行分析。塔里木盆地群库恰克地区油气产层主要位于石炭系和泥盆系，岩性复杂，已完钻的几口探井钻进过程中共发生了20次井下复杂及钻井事故，因此对其进行井壁失稳分析得
井壁稳定问题是钻井工程中经常遇到的一个十分复杂的难题，随着勘探领域向新区扩展, 钻遇地层日趋复杂, 井壁不稳定已成为实现勘探目的的障碍。 由于这些地区地层所造成的井壁不稳定, 既影响了钻井速度与测井、固井质量, 又使部分地区无法钻达目的层,影响勘探目的实现。 地层矿物组分与理化性能是研究井壁不稳定机理与技术对策的基础。 1、地层组构分析 利用X射线衍射、扫描电镜、薄片分析、透射电镜及测井资料对地层矿物组分、矿物分布层理、裂隙发育状况进行分析。 2、地层理化性能分析方法 岩石密度、阳离子交换容量、膨胀率、分散性(滚动试验法与C ST 法)页岩稳定指数、比表面积、夸电位、活度、可溶性盐类、胶体含量、岩石强度与硬度及地层压力系数等。 3、井壁稳定问题 钻井过程中的井壁坍塌或缩径(由于岩石的剪切破坏或塑性流动)和地层破裂或压裂(由于岩石的拉伸破裂)两种类型。 井壁不稳定间题是力学问题, 又是化学问题, 归根结底仍是力学问题。 1、化学因素 井壁不稳定的原因及研究方法 1、井壁不稳定的原因 如果经验内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度（shear strength)而产生剪切破坏（shear failure,表现为井眼坍塌扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力（collapse pressure); 如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力（tensile stress)大于岩石的抗拉强度（tensile strength）时，将产生拉伸破坏（tensile failure，表现为井漏），此时的临界井眼压力定义为破裂压力（fracture pressure）。 因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近的应力状态（stress state），可以达到稳定井眼的目的。 2、井壁失稳与岩石破坏类型的关系 井壁失稳（unstable borehole）时岩石的破坏类型主要有两种：拉伸破坏（tensile failure）、剪切破坏（shear failure）。 剪切破坏又分为两种类型： 一种是脆性破坏，导致井眼扩大，这会给固井、测井带来问题。 这种破坏通常发生在脆性岩石中，但对于弱胶结地层由于冲蚀作用也可能出现井眼扩大； 另一种是延性破坏，导致缩径，发生在软泥岩、砂岩、岩盐等地层，在工程上遇到这种现象要不断的划地眼，否则会出现卡钻现象。拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可能造成井喷。 实际上井壁稳定与否最终都表现在井眼围岩的应力状态。如果井壁应力超过强度包线，井壁就要破坏；否则井壁就是稳定的。 3、井壁失稳的原因 通过以上分析，可以发现，影响井壁稳定的因素概括起来可以分为四大类；（1）地质力学因素，原地应力状态、地层空隙压力、原地温度、地质构造特征
井壁失稳与坍塌卡钻预防及处理 1．井壁坍塌发生的原因 （1）由于地质构造力造成的井壁坍塌。如所钻井处在地层断裂带、褶皱、地层滑动上升或下降、地层倾角大地区。此类坍塌在塔里木油田山前地区井表现较为突出，而且处理难度也较大。 （2）在欠压实地层井段，由于地层胶结不好而形成的坍塌，如流沙层。 （3）煤系地层和泥页岩地层的坍塌，在塔里木油田表现较为突出。 （4）复合盐岩层盐溶后，充填在复合盐层中的砂泥岩薄夹层失去支撑，引发的井壁坍塌。 （5）泥页岩孔隙压力异常，高压油气水层引发的井壁坍塌。 （6）水化膨胀是引起地层坍塌的重要原因。这主要是由于粘土吸收钻井液中的水分子造成的。由于普遍使用水基钻井液，因此，泥页岩水化膨胀始终是存在的，只是其轻重程度不同而已。 （7）由于钻井液密度低，不能平衡地层坍塌压力。钻井液体系和性能不能满足井下情况的需要，与地层特性不适应，引发的井壁坍塌。 （8）井身质量对井壁坍塌有一定影响，如狗腿严重井，无论是起下钻还是钻进中，由于钻具与井壁碰撞、蹭刮造成的井壁失稳，在定向井、水平井中表现较为突出。 （9）由于起钻中未按规定灌好钻井液，或因激动、抽汲压力过大，进行某项作业时降低了钻井液液柱压力（如中途测试），而引发的井壁坍塌。 （10）溢流、井喷后引发的井壁坍塌。 （11）井漏后，由于钻井液液柱压力下降造成的井壁坍塌。 2．井壁失稳与坍塌卡钻的预防 井壁坍塌在钻进、起下钻和其它作业中都可能发生。井壁坍塌造成的卡钻是处理难度较大的井下事故。 （1）选用合适的钻井液体系，强化钻井液防塌性能，如硅酸盐体系、钾基钻井液体系，加足防塌、封堵材料，严格控制钻井液滤失量，并在设计范围内适当提高钻井液密度、粘度，提高钻井液携砂能力。 （2）控制起下钻速度，降低抽汲压力和激动压力；起钻时按规定要求灌好钻井液；在进行其它作业时，要控制好钻井液液柱压力降低对井壁稳定的影响；要避免在易坍塌井段长时间循环钻井液。 （3）在易坍塌井段钻进时，要适当控制排量、泵压。 （4）在易坍塌井段钻进时，尽量简化钻具组合，如少用或不用稳定器。 （5）合理的井身结构 1）表层套管尽可能封住上部松软、易坍塌地层； 2）技术套管尽可能封住易坍塌井段； 3）套管鞋处地层要稳定，不易坍塌，而且口袋要短； 4）尽量避免同一裸眼井段存在不同的压力系统。 （6）及时发现井壁坍塌是预防坍塌卡钻的关键。 3．井壁失稳、坍塌的特征 （1）在钻进中发生井壁坍塌，泵压升高，转盘扭矩增大，悬重下降，钻具上下活动困难，严重时发生憋泵，停泵后有回压。 （2）起下钻中发生井壁坍塌，钻具水眼内反喷钻井液，上提遇卡、下放遇阻，悬重下降，而且阻卡会越来越严重，开泵困难或泵压较高，甚至井口失返，转动钻具困难，停泵后有回压。钻具提离坍塌层位后泵压、悬重恢复正常。
软泥岩井壁失稳原因与技术对策 <网络与相关文献资料整理> 一、软泥岩的特点与钻井液技术对策 软泥岩属于层理裂隙不发育的岩体，地层组构特征：粘土矿物以伊蒙无序间层为主；大多属于第三系或白垩系地层，成岩程度低，呈块状，处于早成岩期；分散性强，回收率大多小于20%；阳离子交换容量高，15-30mmol/100g土；泥岩易膨胀，膨胀率高达20-30%；绝大部分地层属于正常压力梯度，极个别地区此类地层出现异常压力梯度；岩石可钻性级别低，小于1级～3级。 钻遇软泥岩地层的潜在井下复杂情况为：造浆性强，地层自造浆密度高，切力大，含砂量高；钻井过程中易缩径，起钻遇卡拔活塞，灌不进钻井液，处理不当易发生卡钻、井塌、下钻遇阻、划眼、蹩泵、井漏；阻卡井段固定，以700m～1500m井段最为严重。典型区块为我国东部油田明化镇组泥岩。 软泥岩中井壁不稳定发生原因：泥岩中伊蒙无序间层吸水膨胀、分散、缩径；高渗透砂岩形成厚泥饼；钻速高，环空钻屑浓度过高。 软泥岩中的钻井液技术对策：采用强包被的聚丙烯酸盐聚合物、两性离子聚合物、阳离子聚合物、正电胶阳离子聚合物、正电胶等类型钻井液；对于直径等于或小于f244mm的井眼，应采用低密度、低粘、低切钻井液，提高返速，使环空钻井液处于紊流；对于直径等于或大于f311mm的井眼，在保证钻屑携带前题下，应尽可能降低粘切，提高钻井液的抑制性与返速，降低滤失量，改善泥饼质量；控制环空钻屑浓度；搞好固控。 应用实例：BZ25-1油田。前期28口井钻井中使用的小阳离子钻井液(JFC)存在的主要问题为：机械钻速低、伴有憋泵抬钻具现象，并且钻井液的流变性难以调控，维护困难。 后期钻井过程中采用抑制性更强的聚合醇钻井液(PEM)，虽然聚合醇钻井液的抑制性和机械钻速提高了，但是井壁稳定和起下钻遇阻问题却更为突出，钻井时效反而降低，具体表现为以下几个方面：(1)明化镇组大段活性软泥岩地层钻进过程中憋钻、卡钻严重，倒划眼困难，甚至出现倒划眼时间超过钻井时间。(2)起下钻遇阻严重，基本都采用倒划眼的方式进行。(3)在泥岩井段地层钻进过程中钾离子消耗较快，必须及时补充KCl，只有维持钾离子含量大于15000mg/L才能控制聚合醇钻井液粘度的增长，因此一口井的KCl用量可能达到60-70吨。 根据BZ25-1油田现场情况及对活性软泥页岩井壁稳定机理进行分析，采用无机盐抑制的方法并不能从根本上解决活性泥页岩井壁膨胀、遇阻现象。井内的水基钻井液与活性泥页岩都存在着比较复杂的物理-化学作用，井壁失稳的物理因素主要有水力传递、渗透作用、离子和压力传递，化学因素主要有离子交换、膨胀压的改变。 室内研究认为适合于大段活性软泥页岩钻井的钻井液应具有如下特性：
钻井过程中井壁稳定分析与对策 当前，我国油田开发力度加大，逐步向深层、深海区块延伸，水平井、大位移井等特殊井身 结构钻井应用增多，井壁坍塌等井下事故也相应增加，极易在钻井中出现井壁缩径、坍塌、 地层压裂等情况，坍塌机理比较复杂，很难预防，影响钻井井下安全和钻井持续性。因此， 有必要对井壁稳定性进行分析，有针对性的提出提升井壁稳定性的对策措施。 1 钻井过程中井壁稳定性 1.1钻井井壁稳定性较差和坍塌地层特征 在钻井中，钻遇泥页岩、砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、灰岩等都可能发生井壁坍塌，但90% 以上的坍塌发生在泥页岩地层，缩径一般在盐膏层、浅层泥岩和渗透性较高的砂岩发生。坍 塌可能在各种岩性和粘土矿物含量地层中发生，但坍塌严重地层大多具有以下特征：发育有 层理清晰的裂缝或破碎性较强的岩性地层；泥页岩特别是孔隙压力异常地层；地应力较强、 倾角大易发生井斜地层；厚度较大泥页岩地层；高含水砂岩、泥岩地层等。 1.2井壁稳定性影响因素 井壁稳定性较差原因是钻井液和钻具在地层中作用，压力超过井壁岩层承受强度，以及钻井 液与井壁地层岩石矿物发生物理化学作用，加大坍塌压力、降低破裂压力等引起井壁失稳。 一是力学因素。地层钻开前岩层受上覆压力、水平地应力和孔隙压力作用，压力均衡，钻开 后钻井液对井壁压力替代了钻开岩层对井壁岩层的支撑，破坏了压力平衡状态，使周围地应 力需要重新分布，在地应力超过井壁周围岩层承受强度后会发生剪切破坏，脆性地层会发生 井壁坍塌，塑性地层会发生塑性变形（缩径）。钻井中井壁被剪切破坏临界井眼压力称为坍 塌压力，该状态下钻井液密度为坍塌压力当量钻井液密度。地应力因素上，井壁坍塌以最小 地应力为方向，坍塌压力随地应力及地应力非均匀系数增大而增大。地层强度因素，地层坍 塌压力与井壁周边地层的强度系数和内摩擦角呈反比。孔隙压力因素，地层坍塌和破裂压力 与孔隙压力呈正比，但破裂压力增速比坍塌压力小，随着孔隙压力加大，钻井液密度安全范 围逐步变小。地层渗透性因素，渗透性较强地层钻井液会渗透到井壁周围地层，产生渗透压 力加大井壁周围地层孔隙压力变化率，加大井壁坍塌概率。井径扩大率因素，安全钻井允许 一定程度坍塌，可适当降低钻井液密度。地层破碎程度因素，地层破碎程度越高，钻井液渗 入越强、渗入深度越大，也就增高了坍塌压力。方位角、井斜角及钻井液组成和性能等，都 会对地层坍塌压力产生一定影响。同时，在坍塌层钻进中钻井液密度比地层坍塌压力当量钻 井液密度更低、钻井中钻井液密度异常过高、钻井液密度过低对盐层及含盐含水软泥岩塑性 变形控制性较差、起钻抽吸降低钻井液压力、井喷或井漏降低井筒内液柱压力等，也会引起 井壁坍塌。 二是物理化学因素。从地层构成看，岩石主要由石英、长石、方解石等非粘土矿物，伊利石、伊蒙间层、绿泥石等晶态粘土矿物，以及蛋白石等非晶态粘土矿物构成，不同岩性地层所含 矿物类型、含量存在差异，会影响井壁稳定性。从钻井液渗入地层驱动力看，钻开地层后钻 井液在井筒中与地层孔隙流体间存在化学势差、压差，在这些压力与地层毛细管力综合驱动下，钻井液滤液会渗入地层造成粘土矿物水化膨胀，引起井壁失稳。从粘土水化机理看，粘 土矿物与水接触后会发生离子水化、表面水化、渗透水化，易引发井壁失稳。从地层水化膨 胀看，钻井液与井壁地层接触后会升高孔隙压力、引起近井筒地层力学性质变化，地层水化 膨胀加大井壁失稳概率。 2 钻井井壁失稳控制技术措施 2.1应力因素引起的井壁失稳控制
206 1 井壁失稳的因素 1.1 物理化学因素对井壁稳定的影响 与井壁不稳定有关的物理化学因素主要有泥页岩的水化作用。泥页岩中一般有伊利石、高岭石、蒙脱石等粘土矿物成分。当钻井液中的水吸附在泥页岩中粘土的表面时，岩石会吸水膨胀。当井眼内钻井液密度较低，泥页岩的膨胀压力达到一定值时，井眼就会被破坏，出现缩径现象；当膨胀压力超过泥页岩的屈服强度时，就会发生水化剥落，井眼扩径等现象[1]。 1.2 地层力学因素对井壁稳定的影响 钻井过程就是一个以钻井液代替井眼岩石承受本应由岩石承受的应力的过程。由于三种大小不同的主应力支撑的岩石被三向应力相同的钻井液所代替，并且一般情况下钻井液所能提供的压力低于三种主应力中最小的应力，因此，井眼的局部应力会发生变化。这种应力的变化会使井壁岩石发生变形甚至破裂。从井壁失稳的岩石力学分析出发，任何一口油气井开钻前原地应力就已经存在于地层岩石中。在未开钻之前，地下岩石受上覆岩层压力、水平地应力以及地层空隙压力的作用而处于平衡状态。开钻后，钻井液柱压力取代了本来由被钻开岩层提供的支撑而打破了这种平衡，会引起岩石应力的重新分布，如果这种重新分布的应力超过岩石抗压强度或者抗拉强度就会导致井壁失稳。 1.3 钻井液对井壁稳定的影响 目前国内外的钻井液技术水平基本上可以满足钻井作业的要求，但仍然面临着很大的问题，其中钻井液对井壁稳定的影响就是其中非常重要的一项，包括膨润土含量、钻井液滤液的侵入量、侵入液的性质、钻井液的造壁性与流变性、钻井液密度、钻井液的性能大起大落。当钻井液密度和粘度维护不佳，水力参数和流变参数不当时，都极易加剧井壁失稳。 1.4 钻井工艺对井壁稳定的影响 由于钻井过程中各个环节都是相互关联的，因此工程方面的因素也会对井壁的稳定性产生影响。包括井身质量、钻机操作不当、钻井液柱压力降低、卡钻事故、钻具的机械碰撞。 1.5 地层温度对井壁稳定的影响 随着现在超深井工艺的日渐成熟，越来越多的井的深 度达到几千米甚至上万米，在地层深部温度可达几百摄氏 度。较高的温度对钻井液的性能影响很大。钻井液从井底返回至地面时，钻井液的温度和压力会随着钻井液的流动不断变化，如果地层坍塌压力和地层破裂压力之间压力差较小，小于循环压耗，就会出现井漏和井涌现象。从而出现井壁失稳现象。岩石也会随着温度的升高而发生膨胀，同样有可能导致井壁垮塌。 2 防止井壁失稳的对策 2.1 严格控制当量钻井液密度和浸泡时间 通过井壁不稳定力学和水化影响研究等确定钻井液密度安全窗口；将钻井液流变参数控制在设计范围之内；设计合理钻井液环空返速；减小激动压力；井壁不稳定是与浸泡时间密切相关的，应提高钻速，减少非生产作业时间，尽量缩短裸露地层的浸泡时间，因为地层受钻井液浸泡的时间越长，发生井塌的可能性越大。 2.2 钻井液应具有良好的封堵性 对于硬脆性裂隙发育地层，钻井液的封堵性应好，能快速优质的封堵以减少水的进入，减少水化引起的强度降低，避免“水锲作用”和水化产生的“推挤作用”带来的不利影响，还能减少孔隙压力传递。因此选择合适的封堵材料尤为重要[2]。 2.3 增强体系的抑制性，控制钻井液失水和pH值 水进入泥页岩地层不可能完全避免，但如果钻井液体系具有良好的抑制性，侵入水也不会使泥页岩快速、显著的水化，可以减少或避免由于水化导致的井壁失稳；提高滤饼质量，尽量降低HTHP失水，严格控制HTHP失水小雨10mL。 3 结论和建议 1）严格控制钻井液密度和粘度，添加剂的性质。2）优化钻井工艺技术，缩短钻井周期。 3）设计合理的井身结构，降低钻井周期，防止钻井液长时间侵泡井壁。 4）充分利用测井资料了解地层岩性，选择合理的钻井液体系。 参考文献 [1]王中华.钻井液性能及井壁稳定问题的几点认识[J].断块油气田，2009，16（1）：89-91. [2]徐同台.井壁稳定技术研究现状及发展方向[J].钻井液与完井液，1997，14（4）：36-43. 井壁稳定的影响因素及预防措施 罗威 尹宝福 西安石油大学石油工程学院 陕西 西安 710065 摘要：引起井壁失稳的因素很多，本文从物理化学因素、地层因素、地层岩性、钻井液因素和工程因素等方面了解井壁失稳的机理，并提出解决井壁失稳的办法。 关键词：钻井液 井塌 防塌 Influential factors and preventive measures of wellbore stability Luo Wei，Yin Baofu School of Petroleum Engineering of Xi ’an Shiyou University ，Xi ’an 710065，China Abstract：The mechanism of wellbore instability is discussed in this article in terms of the drilling fluid，engineering，formation，lithology，physical and chemical factors. Solutions are offered as well. Keywords：drilling liquid；well-hole collapse；collapse prevention
《现代钻井液技术》简答题 1、泥浆井壁失稳主要类型及其机理分析 答:井眼由于地质因素、泥页岩与泥浆相互作用和钻井作业等因素而出现不稳定的问题,即井壁失稳问题,这是钻井系统工程中所遇到的一个十分复杂的世界性难题。 失稳类型：造成井壁失稳的原因是错综复杂的,一般可主要归结为两方面的因素:地层力学因素和物理化学因素.不论是地层力学因素还是物理化学因素,最终均可归结为井壁力学不稳定所致.从化学角度来说，主要可分为两个方面：泥浆密度过低,泥浆液柱压力难于支撑力学不稳定的地层；泥浆液柱压力高于地层孔隙应力,驱使泥浆进入泥页岩孔隙,产生压力穿透效应,使井眼附近的泥页岩含水量增加,孔隙压力增大,泥页岩强度降低。 在整个生产过程中，井壁失稳的类型主要有以下五个方面：(1)钻遇微裂缝发育的地层；(2)当钻遇脆性地层时,钻具震动就会引起碎裂；(3)泥浆密度过高产生张应力,使上述两种地层结构稳定性降低；(4)泥浆密度过低使泥页岩承受过大的挤压应力；(5)孔隙压力穿透作用使孔隙压力增大,泥浆液柱压力对井壁的有效支撑力减少,泥页岩承受过大的拉伸应力。 机理分析：（1）泥浆的浸入使泥页岩含水量增加,密度下降,沿井眼周围产生微裂缝,因而泥页岩强度降低。密度过低时泥浆侵入造成的微裂缝发育更为严重。在泥浆中加入氯化钾能够有效地抑制泥页岩膨胀和微裂缝的发展,但当泥浆密度过低、不足以平衡地层压力时,井眼周围仍会有大量的微裂缝产生。水基泥浆侵入泥页岩和泥浆密度使用不当的共同作用将产生严重的井眼不稳定问题。（2）井眼周围压应力过高会产生微裂缝。这些微裂缝起初很靠近井眼,随后不断发育而向深部发展。与井眼垂直和水平的两种裂缝的不断发展并相互结合就引起了井塌和井眼扩大。裂纹的产生促进了泥浆水的进一步渗入,裂纹变深变宽,到一定程度后裂纹发生转向而形成周向裂纹,其过程是随时间的延长而逐渐发展扩大。泥页岩不稳定的决定性机理是保持泥页岩颗粒间接触点的氢键联结的稳定性被破坏。（3）在水敏性泥页岩中,稳定作用取决于颗粒表面之间的氢键(由泥页岩颗粒表面的硅醇形成)。当水溶液削弱了泥页岩颗粒之间的结合力时,强度降低,粘土的膨胀力便成为泥页岩分散的主要因素。采用油基泥浆时由于连续油相对相邻泥页岩颗粒接触点之间的氢键没有干扰,泥页岩接触点之间的结合力也就不受影响。总之，井壁稳定主要由井眼的压力状态所控制,而井眼压力状态又决定于孔隙压力及其变化和原始的地层强度。同时，泥页岩含水量的变化对泥页岩的岩石性能有直接和重要的影响。泥页岩含水量增加时强度大幅度下降,含水量减少时抗压强度明显提高。泥页岩含水量的变化决定井眼周围孔隙压力的变化,也就决定泥页岩强度的变化。含水量是影响硬脆性泥页岩稳定性的重要因素,含水量的微小变化会引起硬脆性泥页岩稳定性的很大变化,影响程度甚至大大超过一些稳定剂。因此控制泥浆水渗入泥页岩是井壁稳定的关键措施；地层的裂缝和微裂缝发育可增大粘土与水的接触面积,促进泥页岩的水化裂解。 从以上研究结果可以看出,井内泥浆对泥页岩的化学作用最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数和近井壁应力状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力学性能,使岩石强度降低；另一方面产生水化膨胀,如果这种膨胀受到约束便会产生膨胀应力,从而改变近井壁的应力状态,诱发或加剧井壁岩