第八章 井壁稳定

地层孔隙压力预测2.1 孔隙压力的预测方法地层孔隙压力是指岩石孔隙流体所具有的压力。

作为一个地质参数，孔隙压力在油气勘探、钻井工程及油气开发中占有十分重要的地位。

就钻井工程而言，孔隙压力是实现快速、安全、经济、合理钻进的一个必不可少的重要参数，因此准确的预测孔隙压力非常重要。

地层孔隙压力评价的方法很多，我们采用了国家“863”攻关项目“海洋探查与资源开发技术”中“精确的地层压力预测和监测技术”专题的研究成果，以测井资料为基础，采用高精度的地层压力预测和检测方法，进行地层孔隙压力预测计算。

在岩性和地层水变化不大的地层剖面中，正常压实地层的特点是，随着地层深度的增加，上覆岩层载荷增加，泥页岩的压实程度增大，导致地层孔隙度减小，岩石密度增大。

泥页岩的压实程度直接反应地层孔隙压力的变化。

而在目前的测井系列中，有多种测井方法都能较好地反应地层孔隙压力。

在本研究中，选用了资料来源最广、经济方便的声波时差法。

2.1.1 声波时差法解释原理声波测井测量的是弹性波在地层中的传播时间。

声波时差主要反映岩性、压实程度和孔隙度。

除了含气层的声波时差显示高值或出现周波跳跃外，它受井径、温度及地层水矿化度变化的影响比其它测井方法小得多。

所以用它评价和计算地层孔隙压力比较有效。

对岩性已知、地层水性质变化不大的地质剖面，声波时差与孔隙度之间成正比关系。

在正常压实的地层中可导出相似公式：CH 0e Δt Δt =将上式变换可得：B AH Δt +=logt ∆─深度为H 处的地层声波时差，ft s /μ；0t ∆─深度为0处的地层声波时差，ft s /μ；A 、B 、C 为系数，其中A <0，C <0。

该式即为压实地层声波时差正常趋势线公式，从式中可以直观地看出：t ∆log 与H 成线性关系，斜率是 A (A <0 )，在半对数曲线上，正常压实地层的t ∆对数值随深度呈线性减少。

如出现异常高压，t ∆散点会明显偏离正常趋势线。

谈谈定向井井壁稳定问题从岩石力学、地球物理测井、工程录井、环空水力学和钻井液化学等方面分析定向井井壁稳定问题，以实现对钻井液性能、井身结构及其它工程参数的优化设计。

标签：定向井岩石应力；地层压力；地层破裂压力液柱压力数学模型引言导致井眼出现失稳问题的因素包括天然的原因和人为的原因。

在天然的原因方面包括：地质构造类型和原地应力，孔隙度渗透性及孔除中的流体压力等；在人为的原因方面包括：钻井液的性能，泥页岩化学作用的强弱，钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。

导致井眼失稳的最根本因素就是在形成井眼的过程中，井眼四周的应力场、化学力出现了变化，导致井壁应力集中的问题，致使井内钻液的压强不可以和底层的地应力重新建立起平衡的关系。

如果井内的钻井液液柱比坍塌的压力还要低的时候，井壁的岩石就会被破坏，这时候的塑性岩石会对井中产生塑性的流动，最后出现缩径的问题，而脆性的岩石就可能会发生坍塌的问题，导致井径的增大，如果当钻井液的液柱压力要比破裂时压力还要高的情况下，井壁内四周的岩石就会被拉伸导致出现井漏的问题。

此外，钻井液的密度最好是让井内的液柱和地层孔隙的压力能够互相平衡。

一、井壁应力分布因为上覆岩层的压力不能很好的和井轴重合，原来的水平地应力也就不能和井轴正交，所以井眼四周的岩石在切向正应力与法相正应力的共同作用之下处在三维应力的情况之下。

不仅正压力作用在井轴垂直平面井壁四周的岩石，剪应力也作用在井轴垂直平面与岩石之上，它们都严重的影响着井壁岩石的形态，对井壁岩石有破坏作用。

二、井壁岩石破坏准则当前许多人为拉伸断裂的机制操纵着地层的压裂情况，也就是说，如果当一个有效的主应力的大小能够与岩石拉伸的强度值相同时就会发生底层破裂的情况。

三、岩石强度参数的确定为了能够对全井段进行连续预测，仅凭室内岩心试验是不够的。

而要充分利用相关的间接资料，其中最完整的莫过于测井资料。

因此，将测井资料的处理与岩心试验结合起来，确定所需要的地层参数。

第八章井壁稳定性研究第一章概论第二章井壁稳定性研究的基本原理第一章概论•井壁稳定研究的意义•井壁失稳的表现形式•影响井壁稳定的基本因素•井壁稳定的研究现状•井壁稳定研究的主要内容一、井壁稳定研究的意义1、提高钻井成功率2、确保井眼按设计要求，按时、保质地完成¾钻穿和钻达设计要求的所有目的层，钻达到设计井深和层位¾按时完成钻井完井任务¾井身质量好，满足各种测试要求¾钻井成本合理3、有助于取全、取准所要求的各种资料；4、减小和防止油层损害，以利于发现和评价油气层•基本概念¾原地应力¾有效应力•力学本构方程•井周应力分布•主应力•井壁稳定性判别模型•“安全”泥浆密度范围•井壁稳定性分析的参数获取•井壁稳定性分析软件介绍二、力学本构方程•力的平衡方程•几何方程•应力-应变关系三、井周应力分布•地层均质、各向同性和线－弹性；•当远场孔隙压力恒定。

•当r=r w 时，得到井壁应力：其中：r w ：井半径P wf ：泥浆柱压力r ：径向距离/)(2/0/242)(2/242)(2)(//=+−==−−−=−−−−+==∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞rw rz yZxZrw z rw r xyy x ZZ rw Z wf xyyxyxrw wfrw r Cos Sin Sin Cos P Sin Cos P τθτθτττθµτθσσµσσθτθσσσσσσθθθβσβσσβσβσβσασ2221222212)(Cos Sin Sin Sin Cos Cos H H yv H H x +=++=∞∞ασβσβσασ222212)(Cos Sin Cos Sin v H H zz++=∞)()()(12222112H H yZ v H H xzH H xyCos Sin Sin Sin Cos Sin Cos Cos Sin Cos σσββατσβσβσαατσσββατ−=−+=−=∞∞∞五、井壁稳定性判别模型•Mohr-coulomb准则•Druck-Prager准则•非线性Pariseau准则•Hoek－Brown准则由井壁3个主应力分量的有效应力表达式，可以得到以下3种可能的关系：（I ）e 3σ<e 1σ<e2σ（II)e 1σ<e 3σ<e 2σ（III) e 3σ<e 2σ<e1σ对应的Mohr -Coulomb 表达式：e 2σ=C 0+ e 3σtg φe 1σ=C 0+ e 3σtg φe 2σ=C 0+ e 1σtg φ六、钻井合理泥浆密度的确定1、裸眼井段的三个压力剖面——地层破裂压力P破——地层压力P地——地层坍塌压力P坍2、裸眼井段钻井的安全压力（泥浆密度）窗口：P泥——泥浆柱压力若：P泥＞P破则：井漏P泥＜P地则：井喷P泥＜P坍则：井塌安全压力（密度）窗口：ΔPP 破＞P 泥＞P 地(P 地＞P 坍)P 破＞P 泥＞P 坍(P 坍＞P 地)ΔP —安全压力窗口¾ΔP愈大,则钻井愈易¾ΔP愈小,则钻井愈难¾若ΔP =P破-P地（P地＞P坍）则较易¾若ΔP =P破-P坍（P坍＞P地）则较难¾PP坍由地层的原地应力、地层岩体的力学破、性质、强度、地层倾角、井斜、方位……因素所确定。

钻井井壁稳定系统随着石油工业的发展，钻井技术也得到了不断的进步和提高，井壁稳定系统成为了钻井技术领域的重要一环。

井壁稳定系统是指采用一定的工程设计和技术手段，使得井壁在钻井过程中能够保持稳定，不发生塌陷和失稳的一套完整的工程措施。

一、井壁稳定系统的重要性井壁稳定系统对于钻井工作的顺利进行和油气的探明具有十分重要的作用。

首先，钻井时井壁的稳定对井筒钻进的深度、直径和偏差等有很大的影响。

在井壁发生失稳统的情况下，会导致钻头卡钻、井壁塌陷、钻柱断裂等一系列的问题，从而使得钻井工作难以进行，严重影响钻井效率。

其次，井壁的稳定对于油气的勘探和开采也非常重要。

井孔的稳定能够防止油、气泄漏和被污染，能够保证井筒的完整性，并且提高采收率。

二、井壁稳定系统的设计要点井壁稳定系统的设计需要根据具体的地质条件、工程要求、钻井参数等因素进行综合考虑，下面介绍一些基本的设计要点：1.井眼直径和环空宽度的设定井眼直径和环空宽度的设定可以根据地质条件、钻头直径、钻速等来进行选择。

通常情况下，井眼直径应该比钻头直径至少大15%左右，环空宽度应该能够满足井涌等水力条件的要求，同时还需要考虑到井壁的稳定性等因素。

2.井筒钻进的方式井筒钻进的方式有很多种，如旋转钻进、旋转钻进加循环泥浆、非旋转钻进等，而不同的钻进方式也会对井壁稳定产生不同的影响。

3.井壁支撑材料的选用井壁支撑材料是井壁稳定系统中关键的一环，绳索、木条、钢条、橡胶等都可以作为井壁支撑材料，但需要根据地质条件、工程要求等因素进行合理选择。

三、井壁稳定系统的主要方法井壁稳定系统的主要方法包括冲洗法、封隔法、远离法和耐力法等。

1.冲洗法冲洗法是利用高速旋转的钻头对井壁进行冲洗、磨削，随着钻井往下进行，钻出的碎屑和泥浆会填充到井壁中，从而增加井壁的稳定性。

2.远离法远离法是指在井筒内采用护壁桶等工具来远离井壁，从而保持井壁的稳定。

3.封隔法封隔法是通过钻孔墙来防止井壁失稳，同时可以利用水胶、泡沫等材料进行固定。

钻井过程中井壁稳定分析与对策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。

井壁稳定钻井液技术本文分析了井壁稳定的机理，在总结防塌钻井液技术的进展基础上提出井壁稳定的钻井液措施。

当前，保持井壁的稳定性，顺利快速地钻井是减少钻井成本的主要方式，而钻井液的配方以及处理剂的科学选择是解决井壁失稳问题的重要措施。

标签：井壁失稳;钻井液;稳定井壁的失稳是油气钻井工作中时常面对的复杂工程问题。

长期以来，井壁稳定性问题一直是我国工程技术工作者所关注的焦点。

经过数十年的努力，虽然我国在解决这一问题上取得了巨大进步，但到目前为止，还没有形成一套彻底有效的方法来解决这一问题。

井壁失稳往往是由地质因素、页岩与钻井液的相互作用以及钻井作业等多种原因所导致的，调整钻井液的性能是破解井壁失稳难题的重要方法。

一、井壁稳定的机理分析从国内外来看，井壁稳定性的研究一般包括以下几种情况：一是从力学角度考虑井壁的稳定性，主要从井壁分布、岩石强度准则和本构关系等方面进行分析。

二是从页岩水化的化学角度考虑井壁稳定性，研究页岩水化的机理和控制页岩水化的方法。

三是从力学和化学相结合的角度考虑井壁的稳定性，从力学与化学相互作用的角度，更深入地了解了井壁失稳的原因，并找到相应的解决办法。

抗塌水基钻井液护壁防塌主要通过有效密度支撑、封堵防塌、抑制水化等协同作用。

首先，提高了硬脆性岩石裂缝的封闭能力。

通过惰性粒子在岩石裂缝和孔隙中的沉积和沉淀，形成一道有效的屏障，防止滤液进入裂缝之中，惰性离子提供的压力支撑点能够进一步提高井筒的稳定性。

封堵的实质是通过控制封堵材料的加入来减缓滤液向地层中的渗透。

根据刚性粒子堆积理论，不同粒径的刚性粒子堆积之后会产生不规则的微间隙，暂堵带的渗透率不会为零。

这就要求我们在压力和温度条件下使用具有变形和软化功能的封堵材料，这是决定封堵能否成功的关键。

其次，改善钻井液的造壁性能。

在正压差的作用下，井壁能够变为致密的泥饼，降低了渗透率，有效防止钻井液滤对地层的侵入。

最后，抑制页岩的水化。

主要利用无机盐压缩表层双电层的钻孔土颗粒，同时中和强土表面的负电荷，降低颗粒间的电斥力，减缓黏土粒子的水化膨胀速度;或通过高分子处理剂吸附黏土颗粒的表面特性，起到覆盖作用，从而阻断颗粒与水分子的接触，从而有效降低水分子的渗透速率，抑制黏土颗粒的水化分散。

井壁稳定性研究及其在Kolzhan油田的应用井壁稳定性一直是油田开发中一个必须考虑的问题，对于井壁的稳定性研究的深入，可以为油田开发的机械成功以及生产效益的提高提供可靠的保障，也可以为井下人员的安全提供重要保障。

本文主要针对井壁稳定性研究及其在Kolzhan油田的应用进行论述。

一、井壁稳定性研究的意义1、关于井壁稳定性的概念井壁稳定性是指在油井钻探、生产的过程中，井壁不会塌落的稳定程度。

井壁稳定性往往涉及到很多理论，最常见的理论包括井壁有效强度理论、井壁应力分析理论和井壁体力学理论。

2、井壁稳定性研究的重要性井壁稳定性研究的重要性由以下几点：（1）保证井下人员的安全；（2）增加油井生产稳定性，降低钻井作业的成本；（3）传递给采矿厂的信息，以便所有安全控制参数都被决策制定者考虑；（4）确定井筒的稳定区域，即确定从钻探到生产井的油井间距。

二、Kolzhan油田的情况Kolzhan油田位于哈萨克斯坦的东北部，是哈萨克斯坦境内最大的油田之一。

该油田以其特有的岩层和地质构造著称，但是，由于在钻探、生产过程中井壁稳定性的问题，油田开发的效率并不高。

为此，井壁稳定性研究变得非常必要。

三、应用井壁稳定性在Kolzhan油田（1）分析油田地质形态首先，应该了解Kolzhan油田的地质形态。

它由许多水平或稍有倾斜的岩层组成。

这些岩层非常薄，厚度普遍在10-30米之间，因此非常容易分裂。

由于这种分裂，油井的穿透风险就变得非常大。

（2）测量井壁力对于油井中的物理和力学特征，测量井壁力就非常必要了。

这可以帮助我们确定井壁的承载能力和稳定性。

在Kolzhan油田的案例研究中，科学家们使用了双观测仪来测量井壁力，这为确认井壁的承载能力提供了可靠的依据。

（3）模拟井壁破裂情况了解Kolzhan油田的地质条件以及井壁力状况后，我们还必须考虑井壁破裂的情况，以便我们预测何时会发生井壁塌陷。

通过模拟井壁破裂情况，我们可以提前发现井壁塌陷的风险，从而预防潜在事故的发生。