井壁失穩(wěn) 文獻(xiàn)綜述

1、井壁失穩(wěn)的機(jī)理及原因分析（文獻(xiàn)綜述）一、井眼不穩(wěn)定性分析井壁失穩(wěn)的原因是錯綜復(fù)雜的，一般可歸結(jié)為兩方面的因素：地層力學(xué)因素 和物理化學(xué)因素。不論是地層力學(xué)因素還是物理化學(xué)因素，最終均可歸結(jié)為井壁 力學(xué)不穩(wěn)定所致。地應(yīng)力的大小、方向和各項異性對井壁的穩(wěn)定性具有不可忽視的重要影響， 尤其是3個主應(yīng)力的比值（表征地應(yīng)力的各向異性程度）對坍塌壓力和破裂壓力 有顯著影響。比值越大，坍塌壓力和破裂壓力的差值就越?。淬@井液密度窗就 越小），鉆井作業(yè)就越困難，甚至出現(xiàn)既涌又塌的惡性事故。不僅如此，不同地 區(qū)地應(yīng)力的分布規(guī)律不同。例如，對于陸上多數(shù)油田和渤海灣地區(qū)，eHeveh； 對于南海、遼河和蘇北油田，e

2、veHeh；對于大慶油田長恒構(gòu)造，eHehev。因 此，各地區(qū)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)還應(yīng)具體測定。同時我們也知：對于不同地應(yīng)力分布規(guī) 律，鉆井方向（即井眼軌跡）對井壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律也不同，而且，無論地應(yīng)力 的分布規(guī)律如何，總是沿中間地應(yīng)力的方向鉆進(jìn)相對最不穩(wěn)定。二、對井壁失穩(wěn)原因和機(jī)理的認(rèn)識對于井壁失穩(wěn)的原因和機(jī)理，我們小組調(diào)研了相關(guān)文獻(xiàn)得出井壁失穩(wěn)主要由 兩方面的原因引起：泥漿密度過低，泥漿液柱壓力難于支撐力學(xué)不穩(wěn)定的地層 泥漿液柱壓力高于地層孔隙應(yīng)力，驅(qū)使泥漿進(jìn)入泥頁巖孔隙，產(chǎn)生壓力穿透效應(yīng)， 使井眼附近的泥頁巖含水量增加，孔隙壓力增大，泥頁巖強(qiáng)度降低。但同時對于 不同的地層，不同的情況其失穩(wěn)的原

3、因各有不同。黃維安等人就煤層氣鉆井井壁失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究得出：泥頁巖地層井壁失穩(wěn) 原因是入井流體沿微裂縫侵入泥頁巖后引起局部水化，導(dǎo)致剝落掉快；煤巖體中 含有一定的粘土礦物，同時煤巖體的割理和微裂縫發(fā)育，井壁失穩(wěn)原因一方面是 入井流體沿割理或微裂縫侵入煤巖體后引起局的粘土礦物水化，消弱了顆粒間聯(lián) 接力，另一方面是煤巖體性脆、易破碎，鉆具碰撞引起井下垮塌。謝水祥等人對塔里木盆地群庫恰克地區(qū)井壁失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行分析。塔里木盆地 群庫恰克地區(qū)油氣產(chǎn)層主要位于石炭系和泥盆系，巖性復(fù)雜，已完鉆的幾口探井 鉆進(jìn)過程中共發(fā)生了 20次井下復(fù)雜及鉆井事故，因此對其進(jìn)行井壁失穩(wěn)分析得 出：井壁失穩(wěn)的原因：失穩(wěn)井段泥頁

4、巖的礦物成分以伊利石為主，其次為伊/蒙 間層、高嶺石和綠泥石，缺失蒙脫石，巖樣泥頁巖膨脹率低；井壁不穩(wěn)定的原因 主要是伊利石的分散作用；現(xiàn)場所用水基鉆井液體系濾液進(jìn)入地層是導(dǎo)致井壁不 穩(wěn)定的重要原因之一。李皋，孟英峰等人就氣體鉆井井壁失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了研究得出：氣體鉆井井壁 失穩(wěn)機(jī)理主要包括由于缺乏足夠井筒流體壓力支撐引起的力學(xué)失穩(wěn)，地層產(chǎn)水、 產(chǎn)油、霧化、鉆井液轉(zhuǎn)化過程中的力學(xué)-化學(xué)耦合失穩(wěn)，鉆遇產(chǎn)層段的巖石蹦爆 與相鄰泥巖動力學(xué)失穩(wěn)等；原地巖石力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力狀態(tài)與力學(xué)-化學(xué)耦合作 用規(guī)律是氣體鉆井井壁穩(wěn)定評價的重點，同時需要盡可能模擬實際復(fù)雜工況條件 下對井壁穩(wěn)定性的影響。鄒靈戰(zhàn)等人對山前高

5、陡構(gòu)造節(jié)理圍巖的井壁失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行研究，井壁周圍的 應(yīng)力集中出現(xiàn)在水平最小主應(yīng)力方位上，而滲流則主要發(fā)生在水平最大主應(yīng)力方 位的節(jié)理面上，隨著滲流作用節(jié)理面上流體壓力逐漸升高，并導(dǎo)致圍巖在節(jié)理面 上發(fā)生拉張破壞而坍塌，井壁坍塌主要出現(xiàn)在水平最大主應(yīng)力方位上。這一結(jié)果 合理解釋雙井徑測井曲線上井眼長軸發(fā)生翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，降低節(jié)理 面的滲流速度能夠明顯地減輕節(jié)理圍巖的失穩(wěn)，說明加強(qiáng)鉆井液封堵性能對穩(wěn)定 井壁具有針對性；過低的井眼液柱壓力會導(dǎo)致水平最小主應(yīng)力方位上井壁圍巖剪 切破壞，然而過高的井眼液柱壓力卻對水平最大主應(yīng)力方位上節(jié)理圍巖的穩(wěn)定產(chǎn) 生不利影響，說明控制泥漿密度上限是必要的。俞楊

6、烽、康毅力等人對堿侵蝕了的泥頁巖進(jìn)行了井壁失穩(wěn)機(jī)理的分析，得到： 堿液不僅能增強(qiáng)黏土礦物的水化能力，而且對黏土礦物和石英等硅質(zhì)礦物具有侵 蝕作用。添加抑制劑或采用油基鉆井液雖然可以有效抑制水化作用，但是高pH 值鉆井液的侵蝕作用仍可繼續(xù)進(jìn)行，從而可能導(dǎo)致泥頁巖力學(xué)強(qiáng)度降低，故推測 堿液侵蝕作用可能是導(dǎo)致泥頁巖井壁失穩(wěn)的原因之一。研究表明：在微米尺度范 圍內(nèi)，當(dāng)石英與黏土礦物粒徑相當(dāng)時，礦物堿液侵蝕序列為：蒙脫石石英高嶺 石伊利石綠泥石；泥頁巖堿液侵蝕率受礦物組成和粒度控制，通常由黏土礦物 主導(dǎo)；堿液侵蝕后，泥頁巖產(chǎn)生大量侵蝕孔，結(jié)構(gòu)變疏松，巖石抗壓強(qiáng)度大幅下 降。泥頁巖堿液侵蝕作用，不僅在油基

7、鉆井液鉆進(jìn)時存在，而且在水基鉆井液鉆 進(jìn)中更加明顯。因此，弱化并有效控制堿液侵蝕作用的程度及范圍是控制 泥頁巖井壁失穩(wěn)的重要方式之一。劉鋒報等人針對哈拉哈塘油田硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)問題，分別從地層力學(xué) 和地層物理化學(xué)2方面進(jìn)行失穩(wěn)機(jī)理及對策研究。研究結(jié)果表明，油田地層3大 主應(yīng)力分布規(guī)律為oZoHoh,三疊系比志留系容易發(fā)生力學(xué)失穩(wěn)；三疊系 硬脆性泥頁巖陽離子交換容量、蒙脫石率、膠體率和膨脹率分別為25.4mmol/100 g、36.3%、76.4%和23.2%,表面水化能力較強(qiáng)，易發(fā)生物理化學(xué)失穩(wěn)；志留系 硬脆性泥頁巖陽離子交換容量、蒙脫石率、膠體率和膨脹率都較低，分別為8 mmol/100

8、 g、11.4%、25.1%和9.7%，水化膨脹能力較弱，但由于地層裂縫發(fā)育， 易發(fā)生裂縫性失穩(wěn)。汪傳磊等人川南硬脆性頁巖井壁失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了實驗研究。地層井壁失穩(wěn)機(jī) 理主要是在井筒壓差以及毛管力作用下鉆井液濾液沿層理面滲入，導(dǎo)致層理面的 力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而引起頁巖整體強(qiáng)度下降出現(xiàn)剝落，最終造成井壁失穩(wěn)垮 塌，通過對該區(qū)塊頁巖實驗研究分析，為該地區(qū)頁巖鉆井過程中鉆井液優(yōu)選提供 有效的理論支撐，確保頁巖層段鉆進(jìn)高效，順利地進(jìn)行。程萬等人為了解決西部超深硬脆性泥巖地層側(cè)鉆過程中井壁易垮塌的難題 從礦物特征及鉆井液作用下地層強(qiáng)度的變化規(guī)律出發(fā)，確定了井壁失穩(wěn)原因，考 慮了層理面產(chǎn)狀、井眼軌跡及地應(yīng)

9、力的綜合影響，根據(jù)桑塔木組井壁圍巖強(qiáng)度破 壞條件建立了造斜井段井壁失穩(wěn)地質(zhì)力學(xué)模型?，F(xiàn)場試驗表明，相同井斜角和側(cè) 鉆方位角條件下，隨著差應(yīng)力比值的增大以及泥巖裸露在鉆井液中時間的增長， 維持井壁穩(wěn)定的鉆井液密度增大。研究認(rèn)為，鉆井設(shè)計時應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)選 合理的造斜方位，以有效規(guī)避地層井壁圍巖坍塌失穩(wěn)風(fēng)險高的井段，降低安全鉆 進(jìn)風(fēng)險。參考文獻(xiàn)：黃維安等.煤層氣鉆井井壁失穩(wěn)機(jī)理及防塌鉆井液技術(shù).煤田地質(zhì)與勘探， 2013，41(2)，37-41.謝水祥等.破解塔里木盆地群庫恰克地區(qū)井壁失穩(wěn)難題的鉆井液技術(shù).天然氣 工業(yè)，2011,30(10),68-72.李皋等.氣體快速鉆井井壁失穩(wěn)研究.鉆采工藝，2013,36(4):26-30.鄒靈戰(zhàn)等.山前高陡構(gòu)造節(jié)理圍巖的井壁失穩(wěn)機(jī)制研究.巖石力學(xué)與工程學(xué) 報,2008,27(1).俞楊烽、康毅力等.堿液侵蝕：一種泥頁巖井壁失穩(wěn)新機(jī)理.石油學(xué) 報,2013,34(5).劉鋒