钻井液润湿性影响页岩井壁稳定性的实验研究

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、强度参数以及近井壁应力 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 会产生膨胀压力,从而改变近井壁的应力状态。
井内泥浆对泥页岩的作用机制不难理解,但如何将 这种化学作用带来的力学效应加以定量化,并将其同 纯力学效应结合起来研究井壁稳定性问题,过去相当 长时间的研究中没有考虑这一问题。到目前为止,国 内外关于化学力学耦合的文献很少。从文献资料来 看,其研究方法主要表现在两个方面,即实验研究和理 论研究两方面。
岩石越来越不稳定。
2) Sv > Sh1 = Sh2 地层坍塌压力与井斜方位角无关。并且, 随着井
斜角增大, 井壁坍塌压力开始变化较小,后随井斜角 的增大, 井壁坍塌压力逐渐增大。
3) Sh1 > Sv > Sh2 根据国家地震局的水压致裂的压力测量结果表明,
在钻井深度范围内, 我国绝大多数地区处于此种应力 状态。此时, 随着井斜角的增大, 井壁坍塌压力逐渐 减小, 井壁趋于稳定。
φ= 28°, C = 18M Pa, η= 1。
3) Sh1 > S v > Sh2 原始资料: Sv = 10519M Pa, Sh1 = 11218M Pa, Sh2 = 7813M Pa,
Pp = 46103M Pa, φ=2616°, C = 23195M Pa, η= 0.4。
4) Sh1 > Sh2 > Sv 处于这种原地应力状态的现场资料极为少见, 这里给定: Sv =
研究思路：
1. 钻井液与泥页岩间的化学位差是导致水进出页岩的主要驱 动力之一。 2. 化学位差导致的水进出泥页岩改变了近井眼处孔隙压力、 页岩强度、近井眼处有效应力状态, 从而导致了井壁失稳的 发生。 3. 综合考虑钻井液与页岩相互作用时的力学与化学方面的相 互影响, 建立斜井中泥页岩井眼稳定的力学、化学耦合模型。

页岩气储层岩石力学特性及井壁稳定性分析页岩气是一种非常有前景的能源资源，其储层岩石力学特性和井壁稳定性对于开发和生产页岩气十分重要。

本文将详细分析页岩气储层岩石力学特性和井壁稳定性，并探讨其影响因素和解决方法。

1. 页岩气储层岩石力学特性页岩气储层岩石具有以下几个主要的力学特性：1.1 低渗透性：由于页岩中孔隙度低、连通性差，储层渗透率低，导致气体难以流通和开采。

1.2 脆性：页岩岩石易于破裂和碎裂，在压力作用下容易萌生裂缝，但裂缝的扩展能力有限，对气体渗透性的改善作用有限。

1.3 维持力弱：页岩岩石强度较低，常常呈现脆性破裂，难以在高温高压环境下维持稳定。

1.4 孔隙结构复杂：页岩储层的孔隙结构相对于传统储层来说较复杂，主要包括纳米孔隙和裂缝孔隙，这对储层渗流特性和岩石力学性质产生影响。

2. 井壁稳定性分析井壁稳定性是指井壁在钻井和生产过程中不发生塌陷、裂缝和滑移等现象的能力。

页岩气储层的井壁稳定性主要受到以下几个因素的影响：2.1 初始地应力：页岩气储层通常位于深部地层，初始地应力较高。

高差异性地应力使得井壁容易发生塌陷和滑移。

2.2 井壁液压：钻井液和地层流体与井壁之间的相互作用会改变井壁的力学性质，进而影响井壁稳定性。

2.3 复杂的页岩岩石力学特性：页岩岩石具有复杂的力学特性，对井壁稳定性的影响也较大。

岩石破碎、断裂和固结都会导致井壁的变形和破坏。

2.4 井壁支撑能力：井壁支撑材料的选择和加固对于井壁稳定性至关重要。

针对这些影响因素，可以采取以下措施来提高页岩气储层的井壁稳定性：1. 优化钻井液：选择适当的液相比重、粘度和有效抑制剂，减小与地层的相容性差异，降低井壁液压引起的问题。

2. 加强井壁支撑：选择适当的井壁支撑材料，如钢夹心井壁、钢网井壁等，提高井壁的强度和稳定性。

3. 预防井壁塌陷：通过合理的斜井设计、优化固井技术和有效的井壁支撑材料，减少井壁塌陷的风险。

4. 精确控制钻井参数：合理控制钻井参数，如钻井液性质、钻进速度和饱和度等，减少对井壁的损害。

港深 ５ 的 ３４６ ４ Ｉ ３井 ９ —３５６Ｉ井段 。 Ｔ
钻井的速度 ， 并给优化钻井设计带来 了困难 。为了 弄清井壁失稳破坏的机理 ， 首先对现场 中存在 的问 题和现象进行了调研分析 ， 并通过对钻井液性能 与 井眼扩大率现场数据 的回归统计分析， 出了钻井 找
液性 能 中影响 井壁 失稳 的敏感 性 因素 。对 今 后制定
Ｉ井段 ， ｌ ｌ 井眼扩大率为 ６ ．％。 ６７ ５ 舍女寺断鼻构造 ．
收 稿 日期 ：２０ ０５—１ —０ ２ ２
基金项目：本文系四川省高校省级重点实验窜“ 岩石破碎与钻头研究室” 西南石油大学 ） （ 资助项 目（ 室 ０ ８ 、 省 ０ ） 国家 自然科学基金资助 项
目（ 号 ：０ １０２ 。 编 ９ ２０ ２ ）
２唐家河断鼻构造 ． 该区块 的地质剖面与北大港相似 ， 完钻层位为 沙河街组地层。在易发生坍塌 的沙河街地层钻井液 密度为 １２ ～１３ ／ｍ 之间。在 ３２０ ３２０ｍ ． ０ ． ｇｃ ３ ２ ０ ～ ５ 井段井眼扩大率为 ７ ． ％。 ２８ ３
３ 南大 港断块 ．
维护井眼稳定的钻井液方案具有一定 的指导作用。
４ 板 北断块 ． 该地 区 的 地 质 剖 面 为平 原 组 、 化 镇 组 、 陶 明 馆 组 、 营组 和沙 河 街 组 。 目的 层 为沙 河 街 组 。所 用 东
钻井液密度为 １２ ～１３ ｃ ３不 同程度地存 在 ．０ ．８ ｒ ， ｎ
井 眼不 稳定 问题 。如 板 深 ２ ４—５井 在 ２８ １ ８ ３ ～２７ １
度是次敏感性 因素 ， 滤饼厚度 和排 量是 非敏感性因素的结论 。
关键词 ：钻井 ； 钻井液 ； 性能 ； 井壁稳定 ； 大港油 田

钻井液稳定性及防漏技术研究钻井工作是油气勘探和生产的关键环节，钻井液则是钻井过程中不可或缺的重要材料。

钻井液的稳定性和防漏技术是钻井过程中的关键问题，对整个钻井过程的安全和效率至关重要。

一、钻井液的定义和作用钻井液是在钻井过程中用于控制井眼稳定、清洁井眼、保护钻头和安全固井的液体，它是钻井过程中必不可少的重要材料。

根据不同的用途和特点，钻井液可以分为直井型、斜井型、水性型、油基型、膨润土型和泥浆型等多种类型。

钻井液的主要作用有以下几个方面：1.控制井眼稳定。

钻井液通过对井壁进行支撑，防止井眼坍塌和崩塌，保证钻井作业的顺利进行。

2.清洁井眼。

钻进过程中，钻头会带出大量的岩屑和泥浆，这些物质容易附着在井眼壁上，影响钻井液的性能和井筒稳定性。

为此，钻井液需要向井底送入气体或液体，将井眼中的污物排出。

3.保护钻头。

钻头是钻进过程中最核心的组件，承担着钻井的主要任务。

钻井液可以分散和懸浮岩屑以及碎屑，降低钻头的磨损。

4.安全固井。

在完成钻进后，需要进行固井作业，以封堵井筒。

钻井液在固井作业中扮演了决定性的角色，通过选择特定的钻井液来控制井壁对液压或泥浆带损失，同时还能保持固井水平和防止井眼侵蚀。

二、钻井液的稳定性问题钻井液在钻井过程中是经常受到外部环境的影响，因此存在一系列的稳定性问题。

如果这些问题得不到解决，会导致钻井过程中水力突发或井下安全事故，甚至会对环境产生不良影响。

1. 钻井液稠度不恰当。

稠度是钻井液的一个重要参数，它是指钻井液的流动性，直接影响到井壁稳定性。

如果稠度不恰当，会导致井眼塌陷、井筒侵蚀等问题。

2. 钻井液黏度高。

不良的黏度属性会导致钻进阻力加大，使得钻头容易卡住或断裂，导致生产效率和钻井成本上升。

3. 钻井液水分过高。

钻井液中过多的水分会导致其稠度、黏度都降低，不仅影响防漏效果，也会降低井眼稳定性。

4. 钻井液中固体颗粒过多。

如果钻井液中的固体颗粒过多、过大，会导致其在井眼中堆积，形成填充物，增加钻进阻力。

摘要为解决钻井过程中页岩地层黏土水化导致的井壁失稳问题，国内外研究人员先后开展了大量井壁防塌的研究工作，但结果不甚理想。

硅酸钠钻井液具有抑制性强、成本低及环保等优点，但硅酸钠钻井液自身也存在着很多问题，如流变性难以控制，硅酸钠在强碱性条件下水化抑制性能减弱等，因此该体系一直难以在现场推广应用。

论文旨在将甲基硅酸钠和硅酸钠复配作为钻井液的高效页岩抑制剂，并构建钻井液体系。

通过对不同分子链长度的甲基硅酸钠水化抑制性能研究，证明三链节硅酸钠具有较强的水化抑制性能，其防塌机理在于三链节甲基硅酸钠中的硅羟基与黏土颗粒表面的硅羟基反应吸附在黏土颗粒表面，使页岩表面的润湿性发生反转，从而抑制页岩的水化；通过对硅酸钠水化抑制性能研究，证明模数为3.3的硅酸钠具有较强的水化抑制性能，其防塌机理是硅酸钠聚集体粒度较小的部分能进入页岩地层孔隙，进入页岩孔隙的硅酸钠会和地层中的Ca2+等金属离子生成沉淀，在络合作用下生成更大的聚集体，封堵页岩孔隙，阻止页岩水化。

其聚集体粒度较大的部分表面含有更多的硅羟基能更好的和页岩表面的硅羟基反应，使黏土颗粒聚集，抑制页岩水化；通过对三链节甲基硅酸钠和模数为3.3的硅酸钠防塌机理的分析，探讨了高效页岩抑制剂（三链节甲基硅酸钠和模数为3.3的硅酸钠复配）在水化抑制性能上的协同效应。

此外，三链节甲基硅酸钠对模数为3.3的硅酸钠钻井液具有流型调节作用。

研究表明，未水化的黏土、地层中的钙离子、中性或偏酸性的地层流体均是使硅酸钠钻井液流变性失稳的原因。

三链节甲基硅酸钠的流型调节机理在于其本身具有强碱性，提高了钻井液的pH值，同时吸附三链节甲基硅酸钠的膨润土颗粒在甲基基团的作用下，减小了碰撞聚集的概率，使膨润土颗粒保持分散，从而维持钻井液的流变性。

以高效页岩抑制剂为基础，研制出适用于页岩气地层的稳定井壁水基钻井液体系，具体配方如下：4%膨润土浆+5%模数为 3.3的硅酸钠+5%三链节甲基硅酸钠+0.3% CMC-HV+0.3% CMC-MV+1% SLR-2，并对页岩气井稳定井壁水基钻井液体系的耐温性能、水化抑制性能、抗膨润土污染性能和抗无机盐污染性能进行评价。

页岩气钻井液技术的应用研究由于页岩层一般发育有较多裂缝且具有强水敏性，因此在钻井过程中常采用丛式水平井和浅层大位移井，尤其在鉆至长水平段时发生井漏、垮塌及缩径等井下事故的概率较大，此外还有携岩、摩阻、地层污染等问题，故在开采页岩气过程中，井壁稳定、岩屑处理、降阻减摩这些要求对钻井液的选择十分重要。

标签：页岩气钻井液技术;页岩井壁稳定性;油基钻井液;水基钻井液1页岩气钻井液的技术关键页岩气开发采用的水平井类型主要包括浅层大位移井和丛式水平井，且需在长水平段通过分段压裂技术改造储层。

由于页岩层发育有较多裂缝且具有强水敏性，钻井过程中发生井漏、垮塌及缩径的概率较大，及在长水平段易造成携岩困难、摩阻大、地层污染，钻井液的性能直接关系到钻井效率、储层保护效果、井下复杂情况的发生概率。

因此，页岩气钻井液技术的关键就是井壁稳定、降阻减摩和井眼清洗等技术。

（1）井壁的稳定性差：页岩的不稳定导致了页岩气钻井中70%以上的井筒故障，当钻井液透过地层裂缝和较弱的页岩层层面时，钻井液与页岩之间的作用会对页岩的强度和孔隙压力产生影响，最终降低页岩的稳定性。

因此，在页岩气开采过程中，井壁的稳定性问题不容忽视。

（2）高扭矩和高摩阻：布井采用浅层大位移水平井方式时，其在定向造斜段的造斜率较高，尤其在斜井段进行滑动钻进时，定向过程中易在井壁形成小台阶，在起下钻过程中造成键槽。

因此钻具与井壁间在水平段定向滑动钻进过程中会产生较大摩擦力，正常钻进过程中造成钻头扭矩变大，此外，因为水平段长、井眼曲率大，会造成套管自由下滑时重力小且摩阻大的现象，所以下套管过程中易发生粘卡，因此页岩气开采对钻井液的润滑性也具有很高的要求。

（3）岩屑清除困难：水平井造斜过程中井斜变化较大、页岩发生坍塌及井中岩屑自重都会使得井眼清洁困难;井眼环空的间隙小，泵压高，排量被限制，所以钻井过程很容易形成岩屑床，以至于摩阻更大、扭矩更大和井下发生故障的几率更大。

因此钻井液的携岩清砂能力及流变性也显得更加重要。

钻井液性能及井壁稳定问题的几点认识钻井液性能及井壁稳定问题的几点认识摘要对钻井液中膨润土含量、钻井液密度、抑制性、滤失量、固相控制、处理剂质量和井壁稳定等问题进行了探讨，认为根据具体情况合理控制并提前考虑调整钻井液性能，有利于改善钻井液的稳定性和提高抗温、抗污染能力。

并提出在井壁稳定和堵漏处理中要用动态的观念进行分析，以提高措施的针对性和有效性。

关键词钻井流体；膨润土含量；密度；抑制性；滤失量；固相控制；井壁稳定；井漏目前国内钻井液技术水平虽然可以满足钻井作业要求，但仍然需要不断的完善与提高，通过技术进步使钻井液技术水平再上新台阶。

从技术角度来讲，钻井液永远会面临新的问题，要有新思路，在解决问题中不能仅靠经验，更要注重新技术的应用。

从钻井液性能来讲，应该从钻井一开始就重视性能调节，做好预处理，这样可以保证全过程性能稳定，产生好的综合效果，而一旦等问题出来再处理不仅会消耗更多的处理剂，而且会产生一系列的复杂情况，不利于节约成本和提高效率。

针对钻井液技术现状及现场存在的一些问题，从提高钻井液技术水平的角度出发就有关问题谈几点认识，以供参考。

1主要认识1.1膨润土含量膨润土是钻井液中不可缺少的东西，钻井液性能和膨润土密切相关。

对于钻井液体系，要重视膨润土含量的控制，膨润土含量的控制要从钻井一开始就考虑。

膨润土含量高是钻井液性能不稳定的根源，合理控制膨润土含量可以提高钻井液的高温稳定性和抗盐污染能力。

在满足钻井液携砂能力的情况下尽可能降低膨润土含量，这样可以减少处理剂的消耗，减少其他一些不必要的麻烦。

特别是钻遇易造浆地层时，更应该注意膨润土含量的控制。

从某种意义上讲，膨润土含量的控制是钻井液技术水平提高的具体体现。

近年的实践表明，由于现在的钻井液体系膨润土含量控制较好，稀释剂用量已明显减少，甚至不再使用，说明钻井液稠化现象随着膨润土含量的控制已经得到解决。

1.2钻井液密度密度的确定，首先是满足安全钻井的需要，其次才考虑其他方面。

泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论研究的开题报告一、选题背景钻井工程在天然气、石油等矿产资源开采中发挥重要作用，但在实际操作中，井壁稳定性问题一直是钻井过程中的重要难点，其中一个主要原因是泥页岩水化作用引起。

泥页岩是一种含水量较高的岩石，在钻井过程中，钻机采用钻头进行钻探，开挖井孔。

钻探的同时，自然地水化产物会导致岩体改变、膨胀和软化，岩体逐渐受到失稳威胁，因此井壁稳定性的问题应引起足够的重视。

二、研究意义目前，常规的钻井作业仅仅用手动判断井壁稳定的程度，做出相应的防护措施。

但是，随着工程规模的逐渐扩大，手动判断的方法显然已经逐渐不能满足需求，需要一种更加科学、准确的方法。

因此，对泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论进行研究，可以帮助我们更加深入地了解岩石物理力学特性，提出更加精确的预测方法，为工程实践提供更有力的支持。

三、研究方法本研究将采用理论分析的方法，通过对泥页岩在水化作用下的物理力学特性进行分析研究，确定泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论及其机制。

具体包括以下步骤：1. 收集国内外关于岩石泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论相关文献、资料，对其进行综合分析、评价。

2. 在分析泥页岩水化作用下物理力学特性基础上，建立泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论模型，精细化传导破裂机制进行分析。

3. 采用实验模拟方法，验证模型的理论推导正确性。

4. 最终通过模型的应用实例，验证其在钻井工程中的可行性和可靠性。

四、预期研究结果1. 成功建立泥页岩水化作用下井壁失稳的强度理论模型，深入了解泥页岩水化作用下井壁失稳的机制和规律。

2. 确定泥页岩水化作用下井壁失稳的关键影响因素，提出相应的防治措施。

3. 提出一种新的预测方法，可应用于泥页岩水化作用下井壁失稳的实际工程。

五、研究计划安排时间节点|主要工作-|-第1-2个月|文献资料收集、整理与调研，确定研究方案和指标。

第3-4个月|实验方案设计和实验数据记录，提出一般性的理论模型。

１ 井 壁 失 稳 实 例 ．
以上 种 种 问题 的 出现 制 约 了气 体 钻 井 技 术 在 大 邑 地 区的 推 广 应
打 着 生 态 招 牌 ． 旨在 拿 地 变相 投 资 。那 么通 过 什 么 措 施 去平 衡 却 这 类 问题 ． 得 生 态 技 术 真 正落 到 实 处 ？ 人工 湿 地 本 质 来 看 它 的 使 基本思路还是基于生化反应器一套东 西． 是它的负荷很低． 但 面 积极 大． 因此 不 象 污 水 生 物 处 理 技 术 那 样 可 控 ． 在 很 多 不 可 控 存 的 因 素． 入 探 究 这 些 不 可 控 的 东 西 的话 ． 陷 入 生 态 学 的 范 畴 ． 深 就 同 内做 人 工 湿 地 最 早 的有 称 深 圳 环科 所 ． 有 称 是 华 南 环 保 所 ， 也
壁 垮 塌 失稳 等 阿题 ， 析 了 井壁 失稳 的 潦因 ｊ 绍了润 湿反 转 技 术在 气液 转换 时稳 定井 壁的 机理 分 介
关 键 词ｌ ＿ 气体 钻 井 气液 转 换 井壁 失稳 机 理研 究 ｉ＿＿＿ － ＿－ 。０。 曩 量
曩 叠
｜ ｌ ≯。
润 湿 反 转 技 术 在 气 液 转 换 时 稳 定 井 壁 机 理 研 究
杨 丽 ，兰 林 Ｉ 董 波 ２ 黄 雪 谭 佳
（ 石化 西南 油 气 分 公 司 工 程技 术 研 究 院 四 川 德 阳 中
６ ８ ０） １ ０ ０
中图 分 类 号 ：Ｂ Ｔ
文 献 标识 码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ ８ ９ ５ （０ ２０４ ０ １ — １ １ ０ — ２ Ｘ ２ １ １ — １ ４ ０
川 西 大 邑 气 藏 油 、 、 关 系 复 杂 ， 钻 过 程 中 Ｄ Ｉ １井 、 Ｉ 气 水 实 ＹＯ

出现一个塑性屈服带 ， 使临界破 坏点发生在岩石内部而不是在井壁上。 因而 ，又提 出了弹塑性分析模型 。 用柱面坐标中的应力 函数来解决弹塑性问题 ，对于弹性区 ，利用 Ｈ ｏ ｏ ｋ 定律 ， 而对塑性区 ， 则采用 Ｃ ｏ ｕ ｌ ｏ ｍ ｂ 屈服准则 ， 在这种屈服条件 下， Ｍ ｏ ｌ ａ ｒ 圆的屈 服包络线是一条直线。由于此模型方法 简单 ，因而经 常应用。总的来说 ，一方面随着物体结构破坏而产生破裂 ，胶结逐渐 消失 ；另一方面 ，随着塑性应变的增加 ，内摩擦角增大 ，导致物质变 硬 ，最终达到一定的内摩擦角。
中图分类号 ：Ｔ Ｅ ２ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ９ — ９ １ ４ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ）０ ８ — ２ ３ ２ — ０ １
井眼不稳定 给钻井工程造成 的困难是 巨大 的，主要表现为缩径、 坍塌卡钻 、井 眼扩大 、电测遇阻 、固井质量低下等 。井眼不稳定多数 发生在泥页岩井段 。 钻井地层大约 ７ ５ ％以上是 由泥页岩构成 ， 约有 ９ ０ ％ 的井眼垮塌问题都与泥 页岩不稳定性有关 。因此 ，开展泥页岩的稳定 性研究对更好地解决井 眼不稳定 问题 尤为重要 。这些工程 问题和研究 主要包括页岩的综合性质如 ： 与 环境有关 的强度和变形特性 、 孔隙度 、 含水量 、粘土含量 、 组成 、压 实速率等。钻井液 的综合性质如化学组 成 、泥浆连续相的集度 、内部 相的组成和类 型 （ 如果存在 的话 ）、与 连续相相关的添加剂类 型、系统 的维护等也是非常重要的工程 因素。 研究表明 ，井眼内钻井 液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 数以及 近井壁应力状态 的改变 ，人 们逐渐将力学与化学两个方 面结 合起来 研究。 目 前 ，泥 页岩井壁失稳 的力学与化学耦合研究仍是井壁稳 定性研究 中较为关注的研究方向。

钻井过程中井壁稳定分析与对策本文结合钻井中井壁稳定性较差地层特征和坍塌地层特征分析，从力学和物理化学两个方面对井壁稳定问题进行了分析，并通过应力因素引起的井壁失稳控制和钻井液因素引起的井壁失稳控制两方面措施研究，对提升井壁稳定性进行了探究。

标签：井壁稳定性;钻井技术;钻井液当前，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。

2019年第1期
勘探开发
泥页岩渗透水化井壁稳定分析
刘凯都 刘书杰 文敏
中海油研究总院有限责任公司 北京 100028 摘要：钻井过程中，由于水基钻井液化学渗透作用的影响，泥页岩井壁更加不稳定。钻井液与地层水不仅存在压力 差，而且还存在渗透水化，这些因素都成为控制泥页岩井壁稳定的重要考虑因素。本文建立力学-化学耦合作用下井壁周 围应力分布模型，采用有限差分法求解该模型，得出井壁周围应力分布，利用破坏准则计算井壁坍塌压力，得出合理的防 塌钻井液密度，研究井周应力分布和坍塌压力的时间效应，对实际钻井有一定的理论指导意义。 关键词：泥页岩 孔隙压力 岩石应力 坍塌压力
Analyze of Borehole Wall Stability by the Action of Physical Chemistry
Liu Kaidu，Liu Shstitute Ltd，Beijing 100028 China
been
There (h1a)ve
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优选钻井液对F区块井壁稳定性影响
钻井液的选择对F区块井壁稳定性具有重要影响。

井壁稳定性是指在钻井过程中，井壁能够保持稳定，不发生塌陷、崩塌或失稳的能力。

优选钻井液应考虑其与地层岩石相容性。

地层岩石的稳定性受到许多因素的影响，其中之一是钻井液与岩石之间的相互作用。

钻井液应能够与地层岩石相容，并且不与地层岩石发生化学反应或溶解作用，以保持井壁的稳定性。

钻井液的黏度对井壁稳定性也有重要影响。

钻井液的黏度越大，对井壁的支撑能力也越强，可以减少井壁的不稳定和塌陷的风险。

在F区块钻井液的选择中，应优选具有适当黏度的钻井液，以增加井壁的稳定性。

钻井液的密度也是影响井壁稳定性的重要因素。

钻井液的密度要能够与地层岩石的密度相匹配，以保持井壁的稳定性。

如果钻井液的密度过大或过小，都可能导致井壁的不稳定，甚至引发井壁塌陷的风险。

在选择钻井液时，应根据地层岩石的密度来调整钻井液的密度，以确保井壁的稳定。

还有一点需要考虑的是钻井液的环保性。

在F区块的钻井过程中，应优选无毒、无污染或低污染的钻井液。

这样可以降低对地下水和环境的污染风险，并且符合当地的环保法规和要求。

经 济 与社 会
Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｓ Ｃｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｒｅ ｖ ｉ ｅ ｗ
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泥 页 岩 井 壁稳 现 河采 油 厂地质 所 钻井 室 ２ ５ ７ ０ ０ ０ ） ［ 摘 要］ 泥 页岩 井壁 失稳 问题 一直 是钻 井工程 中一个复 杂 且带 有世 界性 的难 题 ， 井 眼不 稳定 给钻 井工 程造 成 的困难 是 巨大的 ， 主 要表 现为 缩径 、 坍塌 卡钻 、 井 眼扩 大 、 电测遇 阻 、 固井 质量 低下 等。 这 些事故 不但 会延误 钻井周 期 ， 而且 还会给 保护 油气层 技术 的实施 带来 困难 。 影 响井壁 稳定 的 因素有 两方 面 ： 一方面 是钻 井 液 和岩 石 的化学 因素 ， 另一 方面 是地 层力学 因素 。 当前 对井 壁稳 定性 研究 主要 集 中在力 学和 化学 的耦 合研 究 。 ［ 关键 词］ 弹塑 性 ， 耦合， 井壁 稳定 中图分 类号 ： Ｔ Ｎ７ ５ １ ． １ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： １ ０ ０ ９ — ９ １ ４ Ｘ （ ２ Ｏ １ ４ ） ０ ６ — ０ ５ ０ ９ — ０ １
用柱 面 坐标 中 的应力 函数 来解 决 弹塑性 问题 ， 对 于弹 性 区 ， 利 用 Ｈｏ ｏ ｋ 定 律， 而 对塑 性区 ， 则 采用 ｃ ０ ｕ ｌ Ｄ 硼ｂ 屈服 准则 ， 在这 种屈 服条件 下 ， Ｍｏ ｈ ｒ 圆 的屈服 包 络 线是一条 直 线。 由于此 模型方 法简 单 ， 因而 经常应 用 。 总 的来说 ， 一 方面 随 着 物体 结构 破坏 而产生 破裂 ， 胶结 逐渐 消失 ， 另 一方 面 ， 随着塑 性应 变 的增 加 ， 内摩擦 角增 大 ， 导致 物质 变硬 ， 最终达 到一 定 的 内摩擦角 。 ３井璧 稳定 泥浆 化学 研 究 针对泥 页岩的井 壁稳定 ｌ 生研究 ， 初期人 们一直认 为井壁 失稳主要 是 由于 岩 石 的原始 强度不足 以抵抗 破坏应力 所致 ， 一直把井 壁失 稳问题看 成是— 个纯 力 学 问题 。 但是， ２ Ｏ 世纪 中期世界 各地 采用气 体钻 井维 持 了某些泥 页岩 地层 井 壁 良好 的稳 定性 ， 各 方 面详 实 的资料 表 明 ： 空 气钻井 、 泡 沫钻 井 （ 尤其 是干 空气 钻 井） 对某 些泥 页岩 井 壁稳定有 很好效果 ， 人们 才开 始分析 ， 导致 泥页岩 井壁失 稳 的关键 问题 可能是 泥页岩 与泥浆 的接触导 致的泥 页岩水化 。 从化 学方 面研究 泥 页岩井壁 稳定 ， 目的 是筛选较 理想的泥 浆体 系。 泥 浆中大量 处理剂 的存在 ， 有 效 的抑制 了泥 页岩水 化膨 胀 ， 有些钻 井液 体系 或处理 剂甚 至会 强化井 壁稳 定性 温 度和压 力对 泥 页岩水 化膨胀 性 能的影 响 ， 泥 页岩 动态 水化 过程 的研究 ， 活度 与 半透膜 对泥 页岩 水化 膨胀 的影响 等。 防塌处 理剂 研究 主要包 括 ： 钾离 子 防塌 机理 研究 ， 硅离 子防塌 机理 研究［ ７ 】 ， 聚合 物防 塌机理 研究 和沥青 类产 品 防塌 机

148在进行油气钻探作业的过程中，井壁失稳属于常见问题，该种类型的问题在各个油田均有出现，且目前并没有很好的解决措施，在出现井壁失稳问题以后，需要解决该种类型问题所需要花费的时间也相对较长。

通过对井壁失稳问题进行调研发现，该种类型问题在泥页岩地层出现的概率相对较大，且泥页岩的分布相对较为广泛[1]。

在泥页岩中开展钻井作业的过程中，地层中的平衡状态将会被逐渐打破，同时泥页岩的理化性质相对较为复杂，这是井壁失稳问题出现的主要原因[2]。

在开展钻井作业的过程中，通过对钻井液进行合理的应用，可以有效降低井壁失稳现象出现的概率，常见的钻井液主要可以分为两种，分别是水基钻井液和油基钻井液，在使用油基钻井液的过程中可能会出现储层污染问题，且对油基钻井液进行回收的难度较大，因此，水基钻井液的使用相对较为广泛。

本文主要是开展水基钻井液封堵性能对泥页岩井壁稳定影响研究，为合理使用水基钻井液防止出现井壁失稳问题奠定基础。

1 钻井液封堵性能评价方法研究可以用于钻井液封堵性能评价的方法相对较多，其中，滤失量评价和渗透失水评价两种类型方法的应用相对较为广泛，同时，部分企业还引入了渗透性封堵仪，使用该种类型的设备可以对钻井液中滤失介质的孔隙有效能力进行评价[3]。

对于泥页岩地层而言，其地层中裂缝的发育相对较好，通过对裂缝的开度进行统计发现，大多数开度处于微纳米级别，受到地层中正压差作用以及毛细管力的联合影响，在使用钻井液 的过程中，钻井液中的滤液将会通过大量的裂缝进入到地层中，最终使得地层的裂缝发育相对较好，这也是井壁失稳出现的重要原因。

目前，国内外众多学者对纳米级别裂缝的封堵问题进行了多方面的研究，但是对封堵效果评价方面的研究相对较少，为了可以对地层的低渗透性进行合理的模拟，部钻井液封堵性能对泥页岩井壁稳定的影响研究李雨洋中海油田服务股份有限公司油田化学事业部 天津 300457　摘要：为了解水基钻井液封堵性能对泥页岩井壁稳定性的影响，首先对钻井液封堵性能评价方法进行总结分析，并通过对井周应力分布进行分析，建立井壁稳定模型，进行不同地应力和不同架桥位置下钻井液封堵性能对泥页岩井壁稳定影响研究。

177随着抑制剂种类的不断增加，水基钻井液技术也得到了不断的发展和进步。

从最初的简单抑制剂到如今的复合抑制剂，抑制剂技术已经成为水基钻井液制备中不可或缺的一部分。

这种技术的发展不仅提高了钻井液的性能和效率，还为国内外油田勘探开发提供了重要的技术支撑。

特别是在非常规油气资源的开发中，抑制剂技术发挥了重要作用。

随着全球对非常规油气资源的需求不断增加，抑制剂技术也在不断地创新和发展。

通过不断地研究和应用抑制剂技术，可以更好地利用和开发非常规油气资源，为全球能源安全做出重要贡献。

1 传统钻井液用抑制剂1.1 阳离子类抑制剂在石油勘探和生产中，钻井液是一种重要的作业液体，它不仅需要具备良好的润滑降阻作用，还需要具备抑制钻屑的能力。

在这个过程中，阳离子类抑制剂被广泛应用。

目前已经发展出大、小阳离子类抑制剂[1]。

大阳离子具有较好的桥联作用，它可以显著降低钻屑的负电性，从而有效地抑制钻屑的分散能力，同时还能够清除钻井液中的无用固相。

这种抑制剂在石油勘探和生产过程中具有重要的应用价值。

小阳离子主要靠静电作用可吸附在地层和岩屑表面，阻隔粘土颗粒与水的接触，从而达到抑制的目的。

环氧丙基三甲基氯化铵是最具代表性的小阳离子型表面活性剂，它在石油勘探和生产中得到了广泛应用。

总之，阳离子类抑制剂在石油勘探和生产中具有重要的应用价值[2]。

大、小阳离子类抑制剂具有不同的特点和应用范围，可以根据不同的作业需要进行选择和使用，从而提高作业效率和效果。

1.2 聚胺酸类抑制剂近年来，钻井液抑制剂的研究和应用受到广泛关注。

目前，季铵盐类化合物是一种常用的抑制剂，但它也存在着一些缺点。

相比之下，两亲性聚胺酸抑制剂具有水溶性好、热稳定性高、不水解、安全环保等优点，并且与其它处理剂具有良好的配伍性。

但是，两亲性聚胺酸抑制剂的长效抑制性较差，因此在高固相钻井液中难以达到最佳抑制效果。

除了两亲性聚胺酸抑制剂，烷基二胺类、乙醇二胺抑制剂也是常用的抑制剂。

资源与环境化 工 设 计 通 讯Resources and EnvironmentChemical Engineering Design Communications·241·第46卷第1期2020年1月1 页岩润湿性的形成机制润湿性描述了不同相之间的界面张力，在油藏工程中指示了油藏页岩表面优先被某种流体相铺展的趋势。

页岩油藏的润湿性也具有较强的非均质性，但大体可按水在页岩表面接触角划分以下三种类型：水湿型油藏、中性润湿型油藏以及油湿型油藏，分别对应接触角：0°~75°、75°~105°、105°~180°这些区域。

中性润湿油藏对油水的亲和力差别不大，一部分表面具有较强的亲水性，其余部分具有较强的亲油性，且这些区域通常随机分布。

这与混合润湿概念有所区别，混合润湿是指油藏的具有油湿性质的岩石表面形成连续路径且占据大孔，小孔内仍然是水湿的。

油藏岩石的润湿性是不断变化的。

围绕油藏润湿性的形成机制已经开展大量研究，但尚未形成统一的结论。

油藏岩石在水环境中形成，组成岩石的各类矿物也是亲水的，因此认为在油藏形成的初始岩石表面具有亲水性质，且会形成一层水膜覆盖岩石表面，但随着油气的生成和运移，水膜被破坏，油藏也从亲水性转向亲油性。

造成这一现象和结果的原因归纳出两种主要观点：①岩石表面的润湿性转变过程受酸的影响较大，水湿性随酸值的增大而减小，含有杂原子如S 、N 、O 的极性有机化合物的化学活性较非极性的烃类强，具有优先吸附的能力；②原油中的石油沥青质、非烃化合物及蒸馏后的残渣等大分子量组分的富集沉积对润湿性产生巨大影响。

沥青质可以在方解石、石英、白云石以及云母岩石表面形成纳米尺度单分子层，其中在云母岩石表面吸附量最大。

除了上述油藏自身随着漫长地质年代发生的润湿变化外，在油藏开发过程中，受到钻井液以及各种驱油剂（水驱、化学驱、CO 2驱等）的影响，油藏润湿性也会发生变化，从而改变地层流体在孔隙网络中的分布以及赋存。