井壁稳定技术讲座

张乐文胜利石油管理局钻井工艺研究院井壁稳定研究的现状与发展内容提要引言2．井壁稳定研究现状3．发展趋势1.引言

井壁不稳定问题是伴随石油钻井和完井过程中的世界性重大工程技术难题。半个多世纪以来，井壁稳定性问题是国内外学者和工程技术人员普遍关注的热点问题，通过不懈努力，虽然取得了长足进步，但目前仍没有彻底解决。特别是，随着当代大位移钻井技术、水平井钻井技术、小井眼钻井技术、分枝多底井钻井技术、软管钻井技术以及欠平衡钻井新技术的运用．井壁不稳定问题在某些情况下更加突出。1.引言

目前，我国东部的大庆、大港、冀东、江苏等油田以及西部的塔里术等油田都存在井壁不稳定问题。易发生井壁不稳定的复杂地层主要包括：大段深层复杂泥页岩层、膏泥盐混层、破碎性的玄武岩、砾岩和煤层、高陡地应力山前构造带等。广泛调研统计分析表明，油气井钻遇地层中约75％属泥页岩地层；约90％井壁不稳定复杂情况发生在泥页岩地层，特别是复杂的深层硬脆性泥岩地层。

井壁失稳的影响因素1.引言1.引言井壁失稳的类型井壁坍塌、缩径，井眼漏失井壁失稳的类型：(a)剪切破坏；(b)拉伸破坏1.引言

井壁不稳定一般直接表现为泥岩水化膨胀缩径、硬脆性泥页岩的剥落掉块扩径，以及地层压裂漏失三种形式。井壁失稳轻者引起起下钻遇阻、卡钻、扭矩过大、井眼净化困难、井涌、井漏、测井和固井困难，重者导致井喷、井眼重钻或报废，延误油气勘探开发。总之，井壁不稳定问题给安全、快速、经济钻井带来很大困难，是影响钻井时效和耗资巨大的工程技术难题。据保守统计，全世界每年因井壁失稳造成的资金浪费高达7—10亿美元。因此，迫切需要开展泥页岩井壁稳定性机理的深入研究。1.引言井壁失稳的主要类型及防治井壁稳定防井壁垮塌防井漏防缩径－卡钻泥浆性能2.井壁稳定研究现状井壁失稳机理和预测方法研究主要包括①经验方法。根据在某地区的钻进经验，找出井壁失稳的层位、类型和控制措施。②室内物理模型试验。如厚壁圆筒(TWC)试验、井眼坍塌试验或真三轴试验，研究井壁失稳的机理；③建立井壁失稳分析模型。如力学分析模型和概率模型和人工智能模型。

2.井壁稳定研究现状矿物组分与理化性能的研究方面：70年代未期，各油田开始不稳定地层的矿物组分与理化性能研究。80年代中期，开始建立各区块纵、横向地层矿物组分与理化性能剖面。2.井壁稳定研究现状井壁稳定室内评价方面：

评价钻井液与井壁地层接触时所发生的化学与力学性能变化膨胀性试验，包括常温常压和高温高压膨胀性试验。分散性试验。动态防塌试验等。

2.井壁稳定研究现状井壁稳定机理研究方面：（1）化学因素稳定井壁机理研究（2）力学因素稳定井壁机理研究（3）化学－力学耦合稳定井壁的机理研究2.井壁稳定研究现状2.1、在过去相当长的时间内,关于泥页岩井壁稳定性的化学和力学研究是彼此独立进行的。1）仅从钻井液化学的角度进行的井壁稳定研究，主要探讨泥页岩水化膨胀、分散的机理，评价不同钻井液体系对泥页岩水化影响的强弱程度，从中优选最佳钻井液体系；其中主要评价方法有：高温高压膨胀，阳离子交换容量，滚动回收率等，这些常规评价方法只是从不同侧面表征了钻井液与泥页岩的相互作用，但不能给出相互作用的全貌。2）纯力学研究主要以线弹性连续介质理论为基础，研究井壁周围的应力状态,然后根据某种强度准则确定出防止井壁坍塌的理论破裂压力和坍塌压力。存在如下问题：使用水基钻井液，由于水化作用，改变了地层的初始强度，因此，了解地层在水基钻井液作用后的强度是提高井壁稳定分析精度的关键因素之一；2.井壁稳定研究现状2.2、关于泥页岩井壁稳定的力化耦合理论研究真正能用于定量计算的方法只有两种,一种是Texas大学Ｃ.Ｈ.Yew的热弹性比拟法,另一种是Shell公司Ｆ.Ｋ.Mody等人的水分子自由能热动力理论法。2.井壁稳定研究现状2.2、关于泥页岩井壁稳定的力化耦合理论研究1）化学力学耦合的热弹性比拟法1989年,Texas大学的Ｃ.Ｈ.Yew等人才首次将泥页岩水化膨胀应力比拟为热膨胀变温应力。根据热弹性力学理论,对泥页岩水化产生的力学效应建立了定量化模型。中国学者黄荣樽采用该方法进行了类似研究，得出含水量与泥页岩力学参数间的关系式2.井壁稳定研究现状2.2、关于泥页岩井壁稳定的力化耦合理论研究2）化学力学耦合的水分子自由能热动力理论法1993年,Ｆ.Ｋ.Mody和Ａ.Ｈ.Hale基于钻井液与泥页岩间水分子自由能差的热动力学理论,把化学作用引起的应力变化同力学作用引起的应力变化结合了起来。该理论认为,由于钻井液与井壁泥页岩间活度(化学势)差的存在,驱使自由水进出泥页岩,改变井壁的孔隙压力,从而影响近井壁的有效应力。根据该耦合模型和适当的强度准则,便可确定出保持井壁稳定的最佳泥浆含盐浓度和最佳泥浆密度。3、发展趋势国内外大量的室内研究和现场实践表明，泥页岩井壁稳定性问题是涉及钻井液化学、岩石力学、微观结构力学、渗流力学、泥岩矿物学以及钻井工艺学等多门学科的复杂技术难题。综观国外近年来井壁稳定性研究的现状，不难看出，当代井壁稳定研究的最新动向主要表现在以下五个方面：

3、发展趋势1)井壁稳定性由单方面因素向多方面因素综合分析，由单一学科向多学科交叉综合研究方向发展

传统的单方面因素分析和利用单一学科理论指导井壁稳定性问题研究是偏面的。如果只强调和依赖钻井液化学防塌作用，无法确定影响井壁力学稳定性的钻井液密度合理范围；如果单一强调和依赖井壁宏观岩石力学稳定作用，不考虑钻井液物理化学的影响，显然就无法着手开展防塌钻井液配方和性能优化研究，也无法准确计算合理钻井液密度窗口；不借助渗流力学的理论分析，就无法探索泥页岩／水基钻井液间压力传递和流体侵入机理及其对井壁稳定性的影响；不紧密结台岩石微观结构力学稳定性理论分析．就无法搞清泥页岩水化作用微观本质及其对井壁稳定性的影响。因此，钻井液物理化学、宏观和微观岩石力学与渗流力学多学科交叉研究，是今后井壁稳定性研究发展的必然趋势。

3、发展趋势2)特别重视井壁稳定性微观机理与宏观评价紧密结合探明模拟条件下的泥页岩／水基钻井液作用(包括孔隙压力传递和流体侵入、水化应力产生以及强度等力学参数改变等)微观机理及其对井壁稳定性影响规律，是进行井壁稳定性宏观分析研究，建立井壁稳定性物理化学一力学耦台模型．以及探讨综合高效防塌途径的前提条件。钻井工程中表现出的宏观井壁失稳，从根本上取决于泥页岩中粘土矿物颗粒(亚)微观界面间的相互作用力平衡关系被破坏的程度。微观机理研究与宏观评价分析，相互补充相互促进。3、发展趋势3)井壁稳定性研究由静态评价向动态作用过程及其规律研究的方向发展。泥页岩井壁稳定性具有依时性，即表现为与时间的密切相关。这主要是由于某些岩石具有蠕变性．另外．泥页岩／水基钻井液间传递作用本身就是一个非常复杂的非平衡热力学动态作用过程，表现为对井壁稳定性影响的依时性。以往主要是通过测试泥岩组构和理化性能，以及泥页岩与钻井液(或试液)作用后的水化膨胀量、分散度、强度变化值等静态特征参数来评价分析井壁稳定性，缺乏实时动态作用过程及其对壁稳定性影响的实验研究。国外近年来，随着实验新技术的发展和完善，特别重视泥页岩／钻井液间动态传递机理和过压力传递实验研究与有关理论分析相结合，基本搞清了孔隙压力传递、水分子和溶质离子在泥页岩中的传递规律，并进一步探索了水化应力产生的原因、作用方式和对井壁稳定性的影响规律。目前，国外上述研究工作正在向定量化方向发展。3、发展趋势4)井壁稳定性研究由定性分析正在向定量化方向发展

井壁稳定性由定性分析向半定量化、定量化研究方向发展，是井壁稳定性研究不断走向成熟的重要标志，也是最终彻底解决复杂井壁稳定问题的必然要求。一方面，泥页岩／钻井液相互作用及其对井壁稳定性影响规律的研究由定性不断向定量化方向发展；二是积极探索井壁稳定性物理化学仂学耦合模型。影响井壁稳定性因素众多，当前在耦台模型中关联所有因素是不现实的。目前，国外学者基于宏