井壁失稳 文献综述

井壁稳定主要是井眼受到地质的因素、钻井作业的因素以及泥页岩和泥浆的不稳定因素等方面影响而出现的井壁失稳现象。

钻井过程进行的是复杂的地下工程，很多问题不能完全预估，对地下情况的分析并不是完整、系统的，研究人员一直致力于分析井壁的稳定机理，争取在稳定井壁的技术上获得新的突破，减少钻井事故的发生。

1 钻井井壁失稳问题的研究现状1.1 国外研究现状分析国外研究人员为解决井壁失稳的问题，早在本世纪40年代就提出将井壁从化学和力学两个角度分开研究，在理论方面进行定性的分析。

现场研究人员根据测井的相关资料从应用的角度提出稳固井壁的一些方法，70年代利用测井的数据来分析力学问题，井眼力学、岩石力学和测井力学稳定性等技术逐渐开发出来。

80年代以后，水平井和大位移井应用发展，对井壁稳定性的研究逐渐进入到定量化，并进行的现场应用。

1.2 国内研究现状分析 我国在钻井井壁稳定方面的研究比国外要晚，80年代初主要通过岩石力学分析地层蠕变对套管造成的破坏问题，直到90年代才在井壁稳固方面有所研究。

黄荣樽等人分析了水平井井壁力学和大斜度井的井壁受力情况，并建立相应的模型，计算井壁渗透性造成的坍塌压力。

之后石油大学岩石力学研究人员又研究了泥页岩的井壁坍塌力学问题。

还有学者根据损伤力学的理论建立硬脆性泥页岩的本构方程；在实验的基础上，用固体力学的方式建立膨胀性泥页岩水化的本构方程。

逐渐研究出选择合适的钻井液密度来解决井壁稳定问题的新方法[1]。

2 造成井壁失稳的原因分析2.1 地质原因造成失稳除高压油气层以外，地层的构造是造成井壁失稳现象的一个主要原因。

受到原始地应力的影响，地壳运动导致地层之间产生构造应力，岩石受到挤压或拉伸力、剪切力的作用会产生断裂等现象，从而将能量释放出来，有时候构造应力的大小未能使岩石破裂，而是以潜能的形式隐藏在岩石结构之中，遇到一定的条件就会显现。

岩石自身性质差别，孔隙内的压力也各有不同，受温度和压力的影响，孔隙内会隐藏高压，如生油岩、泥页岩等，孔隙压力达到一定值时会产生高压气体，使岩石崩散。

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。

浅析钻井井壁失稳的原因及预防措施长期以来，井壁失稳一直是困扰钻完井施工的一个主要难题。

特别是近年来，钻井面临的地质条件越来越复杂，且水平井、大位移井、分支井等复杂结构井越开越多，这使得钻完井过程中的井壁失稳问题更为突出。

本文是从井壁失稳的原因出发，探讨相关预防措施。

1 井壁失稳的原因从理论上，产生井眼失稳的根本原因，在于井眼形成过程中井眼周围的应力场（包括化学力）发生了改变，引起井壁应力集中，井内钻井液柱压力未能与地层中的地应力建立起新的平衡。

1.1 地质方面的原因除了高压油气层的影响外，地层的构造状态的影响是造成井壁失稳坍塌卡钻的最重要的地质方面的原因。

原始地应力，地壳是在不断运动之中，于是在不同的部位形成不同的构造应力（挤压、拉伸、剪切）。

当这些构造应力超过岩石本身的强度时，便产生断裂而释放能量。

但当这些构造应力的聚集尚未达到足以使岩石破裂的强度时，它是以潜能的形式储存在岩石之中，待机而发，当遇到适当的条件时，就会表现出来。

岩石本身的性质，由于沉积环境、矿物组分、埋藏时间、胶结程度、压实程度不同而各具特性。

泥页岩孔隙压力异常，泥页岩是有孔隙的，在成岩过程中，由于温度、压力的影响，使粘土表面的强结合水脱离成为自由水，如果处于封闭的环境内，多余的水排不出去，就在孔隙内形成高压。

钻井时，如果钻井液的液柱压力小于地层孔隙压力，孔隙压力就要释放。

如果孔隙和裂缝足够大且有一定的连通性，这些流体就会涌入井内。

1.2 物理化学方面的原因井壁失稳坍塌卡钻的物理化学方面的原因表现在岩石的水化膨胀、毛细管作用和流体静压力等，即与水的存在密切相关。

只要使用水基钻井液，只要有水的存在，就有泥页岩的水化膨胀和坍塌问题。

经过大量研究发现，泥页岩中的粘土含量、粘土成分、含水量及水分中的含盐骨对泥页岩的吸水及吸水后的表观有密切关系，泥页岩粘土含量越高，含盐量越高、含水量越少则越易吸水水化。

蒙脱石含量高的泥页岩易吸水膨胀，绿泥石含量高的泥页岩易吸水裂解、剥落。

[收稿日期]2009208216　[作者简介]于玲玲(19762),女,2000年大学毕业,硕士,工程师,现主要从事钻井设计及岩石力学研究工作。

川东北地区高陡构造井壁失稳原因及对策 于玲玲,孙连环,鲍洪志　(中国石化石油工程技术研究院,北京100101)[摘要]川东北地区是中国石化的重点区域,由于高陡构造带地层岩石破碎、地层倾角大、地层各向异性强,井身质量差和机械钻速低是该地区钻井工程突出的问题;从理论上探讨了高陡构造井壁失稳、井下复杂的机理,针对川东北地区高陡构造的地质特征,分析研究了防止井壁失稳的各种措施,对该地区井身质量和钻井机械效率的提高具有一定的指导作用。

[关键词]井壁稳定;大倾角;高陡构造;川东北[中图分类号]TE242[文献标识码]A [文章编号]100029752(2010)0120281203川东北地区油气勘探潜力巨大,目前中石化已在该区的普光、毛坝、河坝、双庙、清溪等构造钻探了30余口井。

该地区上部陆相地层以砂泥岩互层为主,钻井过程中井壁坍塌严重。

地质研究表明,川东北地区地质构造经历了强烈挤压造山运动,形成了现今高陡构造带[1～3]。

该区的褶皱断裂带强烈,地质情况十分复杂,地应力强烈,地层岩石破碎,地层倾角大,局部小褶皱多。

在川东北地区,陆相地层的高陡构造钻井井壁稳定性问题是突出,表现为井下复杂、机械钻速低,井身质量差,起下钻阻卡严重,憋钻现象时有发生。

这些问题一直是制约勘探开发的“瓶颈”问题,而如何采取有效措施进行井身质量控制是直接影响钻井质量、钻井效率的关键所在。

为此,笔者开展高陡构造井壁失稳的机理及对策研究。

1　高陡构造井壁失稳的机理产生井眼失稳的根本原因在于井眼形成过程中周围的应力场发生了改变,引起井壁应力集中,井内钻井液未能与地层中应力建立新的平衡。

当井内钻井液液柱压力低于坍塌压力时,井壁岩石将产生剪切破坏,脆性岩石将会产生坍塌掉块造成井径扩大,塑性岩石将向井内产生塑性流动而产生缩径;当井内钻井液液柱压力高于破裂压力时,井壁岩石则会发生拉伸破裂而造成井漏。

探讨油田深井井壁稳定问题[摘要]随着我国油气勘探开发不断向深部地层发展，深井、超深井的钻探规模日益扩大，深井、超深井的快速钻井技术已被列入技术攻关范围。

本文探讨了某油田深井失稳的形式和失稳的原因，对提高钻井速度有重要意义。

[关键词] 深井井壁失稳石油钻井的对象是地壳岩石，钻井过程中所面临的主要技术难题是岩石的可钻性和井壁稳定性。

两者决定着钻井工程的成败或效益。

某油田自1964年建厂至今钻井过程中始终面临这两大问题的困扰。

目前，油田发展逐渐向深层和滩海区域转移，深井和大位移井数量随之增多，而在深井钻井中由于其钻遇的地质层系多，岩性变化频繁，地层可钻性差，裸眼浸泡时间长，因此深层井壁稳定问题更显得突出。

据不完全统计，在已完成的深井中70%～80%的事故是由于井壁失稳所致。

井壁失稳不仅在大港油田深井钻井中存在，在中国其他各油田乃至世界许多油田都存在，并且一直没有得到很好解决。

据美国资料统计，全世界石油钻井工程每年仅井壁失稳一项就损失费用8～10亿美元，约占钻井总成本的10%。

所以世界上各大公司都把控制井壁稳定技术作为重点课题进行研究。

1井壁失稳的形式井壁失稳问题，从广义上讲包括脆性泥页岩、低强度砂岩的井壁坍塌、塑性泥页岩井壁的缩径和粘弹性变形以及一些岩层在钻井液压力作用下的破裂。

井壁失稳一般表现为坍塌（扩径）、缩径、破裂。

井壁坍塌是井壁失稳中最为常见的形式。

某油田曾对各区块钻井事故进行统计说明，约有70%的区块井壁失稳是岩层坍塌和掉块。

最为典型的是Fa井，在3440～3650m东营底和沙一上段地层，因事故连续5次注水泥浆打塞，共注99.2m水泥浆，经计算该井段平均井径为888mm，约是钻头直径的4倍，最大井径处达到1.5m。

缩径经常发生在易水化膨胀的泥页岩地层，在钻井过程中其主要表现形式为：起钻遇卡拔活塞、下钻遇阻划眼。

如某油田700～2000m明化镇地层。

井壁破裂常出现在裂缝或胶结差甚至无胶结物的破碎性地层。

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。

井壁垮塌的处理钻井十分公司摘要2020年在高庙F井二开、三开施工中，因井壁垮塌给施工带来了很多困难，尤其是在三开，由于井壁失稳垮塌掉块严重，大小不一的掉块较多，起下钻经常遇卡、遇阻，划眼困难，甚至造成卡钻。

经过现场多方面的处理，井下有了明显好转。

本文结合现场情况，对施工的难点和处理措施做分析总结。

主题词垮塌、卡钻、遇阻、划眼一、井下基本情况2020年7月17日11:30以1.90g/cm3的泥浆密度三开，2020年7月24日24:00根据井下情况，泥浆密度逐渐调至2.00 g/cm3，钻进至3018m双泵循环泥浆2小时，当时活动钻具正常，停泵后起钻因遇卡，花了3个小时才起出1根单根，后来采用高密度钻井液双泵带砂，返出大量掉块，大约有0.40方。

2020年7月26日1:30泥浆密度上调至2.05 g/cm3后继续起钻，至26日4:00拔出3根单根，当时提放、倒划眼拔单根都困难，返出只有少量较小掉块；至26日8:00注入密度2.45 g/cm3、粘度183S的泥浆25方循环带砂，返出只有少量较小掉块。

2020年7月26日8:00钻井液密度提高到2.10 g/cm3，拔单根仍困难，至26日20:00拔单根起至2748m，拔单根时返出少量蹩碎的小掉块，偶尔见有较大掉块，直径在4～5cm，当时只能开单泵。

2020年7月28日 15:00下钻至2818m遇阻；至2020年7月29日8:00开双泵划眼，划眼时连续有1～4 cm大小的掉块返出，扭矩频繁上升蹩钻，最高扭矩达到3.55KN·m，上提偶尔有挂卡现象； 29日4:00以GRL-1及井壁封固剂FGL配高粘段塞泥浆循环一次，带出最大掉块长达12.5cm、宽9.5cm、高2.5cm，重约500克。

至7月30日12:30划眼到底，钻进中，开双泵注入密度2.35 g/cm3、粘度210S的泥浆10方，返出10多块1～5㎝和1块长13㎝、宽10㎝的掉块。

钻井中井壁不稳定因素浅析摘要：钻进生产中井壁失稳最为常见，机理复杂，难于预防。

对井壁失稳机理重新认识，为井壁稳定技术对策提供依据。

关键词：井壁不稳定；水化膨胀；坍塌压力井壁不稳定是指钻井或完井过程中的井壁坍塌、缩径、地层压裂三种基本类型，是影响井下安全的主要因素之一。

一、井壁不稳定地层的特征钻井过程中所钻遇的地层，如泥页岩、砂质或粉砂质泥岩、流砂、砂岩、泥质砂岩或粉砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、灰岩等均可能发生井壁不稳定。

但井塌大多发生在泥页岩地层中，约占90%以上。

缩径大多发生在蒙皂石含量高含水量大的浅层泥岩、盐膏层、含盐膏软泥岩、高渗透性砂岩或粉砂岩、沥青等类地层中。

二、坍塌地层的特征井塌可能发生在各种岩性、不同粘土矿物种类及含量的地层中；但严重井塌往往发生在具有下述特征的地层中：（1）层理裂隙发育或破碎的各种岩性地层；（2）孔隙压力异常泥页岩；（3）处于强地应力作用地区；（4）厚度大的泥岩层；（5）生油层；（6）成岩第一或第二脱水带；（7）倾角大易发生井斜的地层；（8）含水量高的泥岩或砂岩、粉砂岩等。

三、井壁不稳定实质是力学不稳定问题井壁不稳定根本原因是钻井液作用在地层的压力地层破裂压力，从而造成井壁岩石所受的应力超过岩石本身强度，引起井壁不稳定。

钻井液与地层所发生物理化学作用，最终均因造成地层坍塌压力增高和破裂压力降低，而引起井壁不稳定。

四、井壁失稳原因探讨1.力学因素地层被钻开之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力的作用下，处于应力平衡状态。

当井眼被钻开后，井内钻井液作用于井壁的压力取代了所钻岩层原先对井壁岩石的支撑，破坏了地层和原有应力平衡，引起井壁周围应力的重新分布；如井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏，对于脆性地层就会发生坍塌，井径扩大；而对于塑性地层，则发生塑性变形，造成缩径。

我们把井壁发生剪切破坏的临界井眼压力称为坍塌压力，此时的钻井液密度称为坍塌压力当量钻井液密度。

硬脆性地层井壁失稳机理研究摘要钻孔的一个重大问题是在于钻探，同时扩大钻孔会造成许多问题而导致井壁坍塌。

钻孔的一个典型例子是水泥工作在泥浆或化学垫片/垫圈不能充分去除泥土的冲刷区。

另一个问题是有关清孔扩径差，过量的扦插生产井的失败会导致卡钻或者一个关键操作，可以导致损失一个裸眼部分，甚至整个。

井壁可能存在不稳定的问题在生产阶段的钻孔以及何时开采。

在弹塑性力学理论的基础上，分析了直井井眼周围岩石的应力分布，推导出了井眼稳定的理论方程，建立了地应力、岩石抗拉强度、抗压强度和钻井液密度的关系式，岩石力学应用于钻井是最大的一个研究课题[1]。

总而言之，虽然页岩大部分钻孔失败，但钻井液和页岩形成的化学效应的研究已取得的重要性。

关键词:钻孔；井壁坍塌；稳定；岩石力学；钻井液ABSTRACTDrilling is a major problem in drilling，while expanding drilling will cause many problems caused by borehole collapse. Drilling is a classic example of cement work in the mud or chemical gasket / washer cannot fully remove dirt scouring zone. Another problem is the cleaning hole expanding difference，excessive cutting production well failure can lead to drill or a key operation，can lead to the loss of a bare eye part，or even the entire. The wall may exist instability problem in the production phase of the borehole and when mining. The elastic-plastic mechanics theory，analyzed straight well surrounding rock stress distribution，derived the borehole stability theory equation，established the ground stress，rock tensile strength，compressive strength and density of drilling fluid formula，rock mechanics applied to drilling is one of the largest research topic. To make a long story short，although most of shale borehole failure，but drilling fluid and shale formation chemistry study has been made of the importance of.KEYWORDS:Drilling；borehole collapse；stability；rock mechanics；drilling fluid目录1绪论 (1)1.1国内外现状 (1)1.2研究的目的及意义 (1)2 硬脆性地层特点及井壁失稳类型 (3)2.1硬脆性地层特点 (3)2.2井壁失稳类型 (3)3 井孔周围应力分析 (7)3.1垂直井围岩应力分布规律 (7)3.2斜井井壁围岩应力分析 (12)4 井壁破裂压力计算 (16)4.1破裂压力预测技术的发展现状 (16)4.1.1 H-W模式及其发展 (16)4.1.2 H-F模式及其发展 (17)4.1.3其他预测模型和方法 (18)4.2破裂压力预测技术发展展望 (19)4.3小结 (19)5 硬脆性地层井壁失稳机理 (20)5.1力学失稳引起井壁坍塌 (20)5.1.1 井壁崩落椭圆的长轴特征： (20)5.1.2地层的复杂情况 (20)5.1.3统计模型的建立 (20)5.1.4小结 (21)5.2井壁破裂的判据 (21)5.3井壁稳定问题存在的普遍性 (22)5.3.1井壁稳定问题具有普遍性， (22)5.3.2硬脆性泥页岩稳定性影响因素 (23)5.4小结 (23)6结论 (24)参考文献 (25)致谢 (26)1绪论1.1国内外现状长期以来，井壁失稳问题一直是困扰地质勘探、油气工程、钻井等的严重问题之一，特别是20世纪80年代以来，随着勘探领域的扩展井壁失稳问题日趋严重，而硬脆性地层的坍塌也即成为井壁稳定的要害问题。