泥岩地层井壁稳定性研究

钻井工程井壁稳定新技术井壁稳定问题包括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。

一、化学因素井壁稳定机理：1、温度和压力对泥岩水化膨胀性能的影响：膨润土水化膨胀速率和膨胀量随着温度的增高而明显的提高，尤其当温度超过120℃时，膨胀曲线形状有较大的变化，膨润土的膨胀程度随着压力的增高而明显下降。

2、泥页岩水化在10～24h范围内出现Na＋突然释放现象，阳离子释放总量及Na＋释放所占的比例越高，泥页岩越易分散，就越易引起井塌。

3、PH值水溶液中PH值低于9时，影响不大，PH值继续增加，泥岩岩水化膨胀加剧，促使泥页岩坍塌。

4、活度与半透膜对泥页岩水化的影响水基钻井液可通过加入无机盐降低活度来减缓泥岩水化膨胀；半透膜影响存有争议。

二、各种防塌处理剂稳定井壁机理1、K+防塌机理一是离子交换，另一是晶格固定，对不同类型的泥页岩，其作用方式不相同，随着PH值的增高，混入Ga2+、Na +等离子浓度的增加，会阻碍对泥页岩的固定作用。

钾离子主要对于蒙皂石等高活性粘土矿物起抑制作用。

2、硅酸盐类稳定剂（1）硅酸盐稳定粘土机理：1）主要机理：尺寸较宽的硅酸粒子通过吸附、扩散等途径结合到粘土晶层端部，堵塞粘土层片间的缝隙，抑制粘土的水化，从而稳定粘土，在某些极端的应用条件（如高温、长时间接触等）下，硅酸盐能与粘土进行化学反应长身无定形的、胶结力很大的物质，使粘土等矿物颗粒凝结层牢固的整体。

2）次要机理：负电性硅酸粒子结合到已经预水化的粘土颗粒端部，使其电动电位升高，粘度、切力和滤失量下降，有利于形成薄而韧的泥饼。

（2）硅粒子防塌机理有机硅在泥岩表面迅速展开，形成薄膜，在一定温度下，有机硅中的—Si—OH基和粘土表面的—Si—OH基缩合脱水形成—Si—O—Si—键，在粘土表面形成一种很强的化学吸附作用，同时有机硅中的有机基团有憎水作用，使粘土表面发生润湿反转，从而使泥岩水化得到控制。

一、井壁不稳定地层的类型与井壁不稳定现象1．井壁不稳定地层的类型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、碳酸盐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。

缩径大多发生在蒙脱石含量高、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。

压裂则可发生在任何一类地层中。

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下述地层中：(1)层理裂隙发育或破碎的各种岩性地层。

(2)孔隙压力异常的泥页岩。

(3)处于强地应力作用的地区。

(4)厚度大的泥岩层。

(5)生油层。

(6)倾角大易发生井斜的地层等。

2．井壁不稳定现象(1)井塌的现象钻井或完井过程中如发生井塌会出现以下现象：①返出钻屑尺寸增大，数量增多并混杂。

②泵压增高且不稳定，严重时会出现憋泵现象，并可憋漏地层③扭矩增大，蹩钻严重，停转盘打倒车。

④上提钻具遇卡，下放钻具遇阻；接单根、下钻下不到井底时会发生卡钻或无法划至井底。

⑤井径扩大，出现糖葫芦井眼，测井遇阻卡。

(2)缩径的现象当钻井过程中地层发生缩径时，由于井径小于钻头直径，会出现扭矩增大，蹩钻等现象，严重时转盘无法转动，甚至被卡死；上提钻具或起钻遇卡，严重时发生卡钻；下放钻具或下钻遇阻，如地层缩径严重，可使井眼闭合，如胜利油田和南疆钻含盐软泥时均出现过此现象。

(3)压裂的现象当钻井液的循环压力大于地层的破裂压力时，就会压裂地层，使地层出现裂缝，从而导致泵压下降，钻井液漏入地层，井筒中液柱压力下降。

如液柱压力降至上部易塌地层的坍塌压力或孔隙压力之下，就可能发生井塌或井喷等井下复杂情况。

二、地层组构特性、理化性能和井壁稳定性的室内评价方法返回1．地层组构特性和理化性能的分析方法研究井壁失稳的原因及技术对策必须搞清井壁不稳定地层的组构特性和理化性能，常用的分析方法有以下几种：(1)肉眼观察通过肉眼观察可以掌握地层的层理、裂隙和镜面擦痕发育情况，地层倾角大小，地层软硬程度及遇水后膨胀、分散和强度定性变化情况。

井壁稳定性问题的研究与进展作者：姜春丽来源：《科学与财富》2016年第07期摘要：本文从三个方面分别阐述了国内外关于井壁稳定的研究与进展。

从二十世纪中叶开始关于井壁稳定机理的研究经历了试验摸索到定量描述的阶段。

与此同时井壁模拟实验装置也在各种研究的需求下诞生并一路发展。

先进的钻井液技术，新型处理剂钻井液体系的应用也大大提高了井壁稳定性能，减少了井下复杂情况的发生。

关键词：井壁稳定；泥页岩；钻井液石油钻井过程中所遇到的井壁失稳大致可分为破碎体失稳、塑性体失稳和泥页岩失稳，其中泥页岩失稳就占90%以上[1-2]。

在油气勘探开发前，地层泥页岩处于力学、物理、化学、流体力学的各种平衡状态，在油气勘探开发过程中，原有物理化学条件发生改变，各种平衡状态被破坏，系统逐渐向另一种平衡状态过渡，加之泥页岩本身的脆弱及其极强的物理化学敏感性，因而经常给油气勘探开发带来各种问题。

一、井壁稳定性机理研究进展井壁稳定性问题的研究，早在二十世纪中叶就己经开始[3]。

从研究思路来说，可以归结到以下三大类：井壁稳定的力学研究；泥页岩稳定的化学因素研究；泥页岩稳定的力学与化学耦合研究。

从国内外在这方面研究的发展过程来看，可以将泥页岩水化力学与化学耦合研究分为两个阶段：七十年代初到九十年代初的实验摸索阶段；九十年代以后的对化学影响定量描述的阶段。

1970年，M.E.chenevert[4]开始研究页岩吸水以后力学性质的变化；通过实验观察了页岩密度、屈服强度、吸水膨胀与吸水量之间的关系，并测量了页岩吸附水量与时间和距离的关系。

1989年，C.H.Yew和M.EChenevert在定量化研究中迈出了第一步[5]。

他们首先假设泥页岩为渗透各向同性的基础上，再结合质量守恒方程，得到柱坐标内的吸水量方程。

再将泥页岩的力学性质与其总含水量（总吸附水量）相关联，然后又将水化膨胀应变与总含水量W相关联，便可求得力学与化学耦合后的应力、应变及位移。

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。

缅甸大段凝灰质泥岩地层井壁稳定性分析孙丰成;刘书杰;刘兆年;蔚宝华【摘要】缅甸Y-1井位于缅甸中央盆地火山岛弧带上,由于地应力复杂和钻遇大段凝灰质泥岩层,钻井过程中井壁坍塌严重,返出大量掉块.为保护油气层,尽量降低钻井液密度,结合钻井出现的复杂问题,通过掉块力学实验分析和测井资料研究,建立了压裂预测模型,分析了缅甸Y-1井的井壁稳定性问题的原因,进而在预测钻井液安全密度窗口的基础上,提出了在大段凝灰质泥岩地层钻井的井壁稳定性合理化建议.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)019【总页数】5页(P122-126)【关键词】压力预测;井壁稳定;凝灰岩;缅甸【作者】孙丰成;刘书杰;刘兆年;蔚宝华【作者单位】中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中国石油大学(北京),北京102249【正文语种】中文【中图分类】TE243井壁稳定性问题是钻井中面临的重要问题，若钻进过程中不能很好地解决井壁稳定性问题，很容易引起井壁坍塌、卡钻等复杂情况，造成钻井费用增加、延误钻时等损失。

目前对井壁稳定性问题研究较多[1—5]，但对于海外区块复杂地层的井壁稳定性问题研究较少，在实际的钻井过程中无法提供借鉴，严重影响了海外区块的开发生产。

缅甸Y-1井位于缅甸中央盆地的钦敦次盆，井深2 696 m，钻井中自上而下分别钻遇上新统、中新统、始新统、古新统和白垩系地层，主要为砂泥岩剖面，从Ф311.15 mm井段开始钻遇约1 000 m凝灰岩地层，如此大段凝灰岩地层非常少见。

该井钻井过程比较复杂，钻井过程中出现的主要复杂问题是频繁憋压、憋扭矩，起下钻阻卡、划眼/倒划眼困难，特别是凝灰岩井段，使用钻井液密度达到1.6 g/cm3后依然出现井壁坍塌和大量掉块，严重影响了钻井速度。

为提高机械钻速，保护油气层，尽量降低使用的钻井液密度，笔者结合钻井出现的上述复杂问题，通过分析地质构造、测井资料和井壁掉块资料，建立了压裂预测模型，进而分析缅甸Y-1井的井壁失稳的原因，预测安全泥浆窗口密度，最终提出了在该地区钻井的井壁稳定性建议，取得良好效果。

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。

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。