浅析石油钻井任意井眼的井壁稳定性

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。

油田钻井过程中保持井眼稳定的措施发表时间：2019-11-22T09:34:53.767Z 来源：《基层建设》2019年第24期作者：张鲁[导读] 摘要：伴随着社会经济的发展，石油能源日趋紧张，这就使得对石油钻井的关注力度呈增加的发展趋势。

中石化华北石油工程有限公司西部分公司新疆轮台 841600摘要：伴随着社会经济的发展，石油能源日趋紧张，这就使得对石油钻井的关注力度呈增加的发展趋势。

保持井壁井眼稳定性是油田钻井工程中的主要问题之一，油田开展钻井工作的过程中，由于钻井液的物理、化学特性的影响、页岩发生不同程度的水化现象，一方面地层中产生水化膨胀应力；另一方面又削弱了井壁岩石的力学强度，由此导致了井壁失稳的发生。

基于此，文章就结合具体项目分析油田钻井过程中保持井眼稳定的措施。

关键词：油田钻井；井眼稳定；稳定措施1 地层特点及对钻井液的要求1.1 一开井段库车组、康村组地层钻速较快，钻屑易分散，极易造成固相污染，钻井液的造壁性和携岩能力要强，强化固控工作、防阻卡。

注意防渗漏、防塌，要求钻井液具有较强的携砂能力和良好的造壁护壁性。

1.2 二开井段（1）库车组、康村组地层钻速快，钻屑易分散，易造成固相污染，钻井液的造壁性和携岩屑能力要强，强化固控工作，防阻卡。

（2）康村组、吉迪克组地层含石膏，应注意防钻井液膏侵，控制好钻井液密度和提高钻井液的抗盐抗钙能力。

（3）侏罗系、三叠系泥岩易剥落掉块垮塌，应提高钻井液质量，降低井径扩大率，为固井创造良好的井眼条件。

1.3三开井段（1）石炭系泥岩易剥落掉块垮塌，应提高钻井液质量，降低井径扩大率，为固井创造良好的井眼条件。

（2）该井段井温较高，应提高钻井液的抗温能力，提高钻井液的高温稳定性。

1.4 四开井段奥陶系地层钻进，应特别防止井漏、井涌、井喷。

本地层含有硫化氢，应做好防硫工作。

2 保持井眼稳定性的措施2.1 一开17 1/2″井眼（50～600m）本井段采用般土--聚合物钻井液体系。

浅析定向钻井技术常见问题与解决措施定向钻井技术是一种在油田开发中广泛应用的技术，它能够在地下油层中进行精确的定向钻井，避开地质障碍，提高油井的开采效率。

与其他钻井技术一样，定向钻井技术也存在一些常见问题，如不良的井壁稳定性、钻头失效、定向控制不足等。

本文将对定向钻井技术中的常见问题进行分析，并提出相应的解决措施。

一、井壁稳定性问题井壁稳定性是定向钻井中常见的问题之一，当井壁不稳定时，会影响到钻井的进展，甚至导致井壁坍塌和井眼塌陷。

导致井壁不稳定的原因包括地层岩石性质差、井壁支撑不足、钻井液性能不佳等。

解决措施：1. 选择合适的钻井液。

钻井液是保持井壁稳定的关键，选用适合地层条件的钻井液可以提高井壁的稳定性。

2. 加强井壁支撑。

对于地层条件较差的地区，可以采用多级套管结构来增强井壁的支撑能力。

3. 增加井壁稳定性监测。

定向钻井过程中需要不断监测井壁的稳定性，及时发现问题并采取措施。

二、钻头失效问题钻头作为定向钻井中的重要部件，其失效会导致钻井进展受阻，甚至损坏钻井设备，增加钻井成本。

导致钻头失效的原因包括地层条件变化、钻头设计不当、钻井液性能差等。

三、定向控制问题定向控制是定向钻井中的关键环节，好的定向控制能够确保钻井的正常进行，而定向控制不足则会导致井眼偏离设计方向，增加钻井风险。

解决措施：1. 加强井眼轨迹监测。

在钻井过程中需要不断监测井眼轨迹，通过实时数据对定向进行调整。

2. 优化定向工具。

选择性能稳定的定向工具，确保定向效果的可靠性。

3. 强化人员培训。

确保操作人员具备良好的技术水平，能够熟练操作定向设备。

总结：定向钻井技术的应用可以有效提高油井开采效率，但在实际应用中常常会遇到一些问题。

一旦出现问题，及时有效的解决措施能够保障钻井的顺利进行，减少钻井风险，提高施工效率。

在实际应用中需要严格按照规程进行施工，并加强对钻井过程中的监测，及时发现和解决问题，确保钻井工作的平稳进行。

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。

克拉玛依油田水平井钻井过程中井眼稳定措施研究水平井因其能提高单井原油产量已经在克拉玛依油田得到了广泛的推广应用。

然而在该地区水平井钻井过程中常会出现井壁井眼失稳问题，如克拉玛依九区浅层欠压实地层井眼稳定问题以及石西、莫北地区深部硬脆性泥岩剥蚀掉块坍塌问题等，严重影响了钻井时效，甚至出现钻井事故。

基于此，为彻底解决井壁井眼失稳问题，开展了井眼稳定关键技术研究。

本文针对克拉玛依油田特殊的地质构造，在分析了影响目的区块水平井稳定性的主要因素基础上，提出了水平井钻井过程中不同层段井眼井壁失稳解决方案，取得了良好的应用效果。

标签：水平井钻井；井眼稳定措施；克拉玛依油田保持井壁井眼稳定性是油气钻井工程中的主要问题之一，水平井钻井过程中，由于钻井液的物理、化学特性的影响、页岩发生不同程度的水化现象，一方面地层中产生水化膨胀应力；另一方面又削弱了井壁岩石的力学强度，由此导致了井壁失稳的发生。

造成井壁失稳的原因很多，包括天然和人为的两个方面，需要针对具体区块情况展开分析，进而寻找合适的措施解决。

1 浅层欠压实地层井眼稳定问题1.1 井壁失稳的原因以克拉玛依九区稠油油藏为例，造成井壁失稳的主要因素为力学因素和物理化学因素，力学因素是因为钻遇地层埋深浅，地层欠压实和胶结强度低；物理化学因素是因为砂泥岩互层，泥质成分中粘土矿物成分主要以高岭石和伊蒙混层矿物为主，这类地层属于低活性、水化膨胀性弱、分散性强的地层。

1.2 技术应对措施1.2.1 确定合理的钻井液密度钻井液使用密度应保持对地层正压差。

1.2.2 钻井液物理化学性质①通过控制低的PH值来减弱泥质成分中高岭石、伊蒙混层的水化；使用封堵型钻井液，控制钻井液滤失量；②采用加入足量胶体沥青的方法。

胶体沥青与稠油性质基本一致，它能吸附在井壁上形成一层保护膜保护稠油不被溶解，能保持和提高井壁强度。

1.3 应用效果进行了十几口井的现场应用。

造斜段及水平段钻井液使用密度为 1.15g/cm3～1.20g/cm3，采用低固相聚合物暂堵体系，即加入胶体沥青、WC-1、QCX-1作为封堵剂；实际施工过程中未发生与井眼稳定相关的复杂情况。

探讨油田深井井壁稳定问题【摘要】石油测井的对象是钻井旁边的岩石，但是在石油测井中面临井壁的坍塌，主要技术的难题是岩石的可钻性和井壁岩石的稳定性，井壁的稳定性是直接影响测井的关键因素。

本文探讨深井井壁稳定问题，分析井壁失稳的原因并且提出了控制井壁失稳的常用技术。

【关键词】测井井壁稳定随着油田的开发，老的油田发展逐渐向深层和深海地区转移，钻探的深井和水平井数量较多，水平井位移数量随之变大，而在深井测井中，由于深井钻遇的地质层系较多，岩石岩性变化复杂，钻探过程中裸眼浸泡时间长，因此深层井壁的稳定性较差，在深层测井中面临井壁稳定问题更显得突出1 井壁失稳的形式井壁失稳的形式具有多种性，在测井上表现为井径扩大、岩石坍塌。

井壁失稳问题主要的形式包括井壁坍塌（脆性泥页岩、低强度砂岩井易发生）、缩径变形（泥页岩井壁易发生）和破裂（钻井压力作用）。

在深井中井壁的坍塌是最为常见的形式，井壁坍塌直接影响钻探和测井的进程。

2 井壁失稳的原因地层力学因素和岩石物理化学因素是直接影响井壁不稳定主要因素，这两个因素最终导致井壁受力不稳定，受力不稳定导致井壁坍塌。

2.1 地层力学因素对井壁稳定的影响地层应力就是油气井开采前地层受到的原始压力。

这些压力可分为上覆压力v、最大水平地应力H和最小水平地应力h，按照作用力的方向可以称为沿井眼环向应力、径向应力、轴向应力，其中在深层定向井中包括剪切应力分量。

这些原始的作用力超过岩石的强度（不管是抗拉强度还是抗压强度）和平衡不均，这都将导致井壁受力不稳定导致井壁失稳。

考虑上述情况，在钻探测井前先通过其他技术了解作业地区地层应力分布状况，可以模拟建立地层孔隙压力、地层坍塌压力以及地层破裂压力3个剖面，以便在钻探过程中监控钻探，预防井壁坍塌（图1）。

2.2 岩石物理化学因素对井壁稳定的影响岩石的物理化学特征直接影响井壁的稳定性，一般井壁失稳主要发生在泥页岩层段，主要取决泥岩的物理化学特征带电性和亲水性，这些特征可以引起泥岩的体积膨胀、粘土颗粒分散和岩石强度下降。

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。

2061　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。