井壁不穩(wěn)定地層的類型與井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象

1、、井壁不穩(wěn)定地層的類型與井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象井壁不穩(wěn)定地層的類型鉆井過(guò)程中所鉆遇的地層，如泥頁(yè)巖、砂質(zhì)或粉砂質(zhì)泥巖、流砂、砂巖、泥 質(zhì)砂巖或粉砂巖、礫巖、煤層、巖漿巖、碳酸鹽巖等均可能發(fā)生井壁不穩(wěn)定。但 井塌大多發(fā)生在泥頁(yè)巖地層中，約占90%以上。縮徑大多發(fā)生在蒙脫石含量高、 含水量大的淺層泥巖、鹽膏層、含鹽膏軟泥巖、高滲透性砂巖或粉砂巖、瀝青等 類地層中。壓裂則可發(fā)生在任何一類地層中。井塌可能發(fā)生在各種巖性、不同粘土礦物種類及含量的地層中；但嚴(yán)重井塌往往發(fā)生在下述地層中：層理裂隙發(fā)育或破碎的各種巖性地層?？紫秹毫Ξ惓５哪囗?yè)巖。處于強(qiáng)地應(yīng)力作用的地區(qū)。厚度大的泥巖層。(5 )生油層。(6)傾角大易發(fā)

2、生井斜的地層等。井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象井塌的現(xiàn)象鉆井或完井過(guò)程中如發(fā)生井塌會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：返出鉆屑尺寸增大，數(shù)量增多并混雜。泵壓增高且不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，并可憋漏地層扭矩增大，蹩鉆嚴(yán)重，停轉(zhuǎn)盤打倒車。上提鉆具遇卡，下放鉆具遇阻；接單根、下鉆下不到井底時(shí)會(huì)發(fā)生卡鉆或 無(wú)法劃全井底。井徑擴(kuò)大，出現(xiàn)糖葫蘆井眼，測(cè)井遇阻卡。縮徑的現(xiàn)象當(dāng)鉆井過(guò)程中地層發(fā)生縮徑時(shí)，由于井徑小于鉆頭直徑，會(huì)出現(xiàn)扭矩增大， 蹩鉆等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)轉(zhuǎn)盤無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至被卡死；上提鉆具或起鉆遇卡，嚴(yán)重時(shí) 發(fā)生卡鉆；下放鉆具或下鉆遇阻，如地層縮徑嚴(yán)重，可使井眼閉合，如勝利油田 和南疆鉆含鹽軟泥時(shí)均出現(xiàn)過(guò)此現(xiàn)象。壓裂的現(xiàn)象當(dāng)鉆井液的循環(huán)

3、壓力大于地層的破裂壓力時(shí)，就會(huì)壓裂地層，使地層出現(xiàn)裂 縫，從而導(dǎo)致泵壓下降，鉆井液漏入地層，井筒中液柱壓力下降。如液柱壓力降 全上部易塌地層的坍塌壓力或孔隙壓力之下，就可能發(fā)生井塌或井噴等井下復(fù)雜 情況。、地層組構(gòu)特性、理化性能和井壁穩(wěn)定性的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法司返叵地層組構(gòu)特性和理化性能的分析方法研究井壁失穩(wěn)的原因及技術(shù)對(duì)策必須搞清井壁不穩(wěn)定地層的組構(gòu)特性和理 化性能，常用的分析方法有以下幾種：肉眼觀察通過(guò)肉眼觀察可以掌握地層的層理、裂隙和鏡面擦痕發(fā)育情況，地層傾角大 小，地層軟硬程度及遇水后膨脹、分散和強(qiáng)度定性變化情況。X光衍射分析法、紅外光譜吸收法和差熱分析等方法采用以上方法測(cè)定 地層中各種非粘

4、土礦物，品態(tài)粘土礦物、非晶態(tài)粘土礦物的相對(duì)和絕對(duì)含量。掃描電鏡分析用掃描電鏡可以定性地確定地層中粘土礦物征、裂隙發(fā)育情況及裂縫寬度。(4 )薄片分析薄片分析可測(cè)定碎屑、基巖及膠結(jié)物的組分及分布型，測(cè)定粘土礦物的分布 及成因。密度用甘氏比重瓶或李氏比重瓶進(jìn)行測(cè)定。陽(yáng)離子交換容量用亞甲基藍(lán)溶液吸附法進(jìn)行測(cè)定。可溶性鹽的含量采用鉆井液濾液化學(xué)分析法進(jìn)行分析。吸附等溫線試驗(yàn)描述孔隙的性質(zhì)和類測(cè)定不同平衡條件下泥頁(yè)巖的含水量，用以估計(jì)地層的膨脹程度、活度。比表面積比表面積是表征泥頁(yè)巖水化特性或膨脹性能的物理量。測(cè)定比表面積有助于 了解泥頁(yè)巖水化膨脹特性和分析井壁穩(wěn)定問(wèn)題。比表面積測(cè)定方法較多，如亞甲 基

5、藍(lán)法、CST法、乙二醇質(zhì)量法等。Z電位通?？捎秒娪痉y(cè)定顆粒的Z電位。在電泳池中，一定電場(chǎng)強(qiáng)度下，測(cè)得 顆粒的運(yùn)移速度，依據(jù)下式計(jì)算&電位：Z 電位=(4n n M ) / (DE)式中 n 一介質(zhì)粘度；M 一膠粒的電泳速度；D 一介質(zhì)的介電常數(shù)；E一外加電場(chǎng)的電位梯度。泥頁(yè)巖漿z電位的大小可以用來(lái)判斷泥頁(yè)巖的膨脹，分散特性。美國(guó)學(xué)者 Lauzon曾提出以下看法：Z電位為一 60mV時(shí)屬于極端分散；Z電位為一 40mV 時(shí)屬于較強(qiáng)分散：Z電位為一 20mV時(shí)屬于可能分散：Z電位為一 10mV時(shí)屬于 不分散。井壁穩(wěn)定性的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法分散性試驗(yàn)國(guó)內(nèi)外分散性試驗(yàn)方法常用的有兩種頁(yè)巖滾動(dòng)試驗(yàn)此法可用來(lái)

6、評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖的分散特性，研究鉆井液抑制地層分散能力的強(qiáng)弱。 此試驗(yàn)采用干燥的泥頁(yè)巖樣品(如果投有巖心可用巖屑)，將其粉碎，使巖樣過(guò) 10目篩，往加溫罐中加入350m1水(試驗(yàn)的液體)和50e巖樣，然后將加溫罐放 人滾于加熱爐中滾動(dòng)16h(控制在所需溫度)。倒出試驗(yàn)液體與巖樣，過(guò)30目篩， 干燥并稱量篩上巖樣，計(jì)算質(zhì)量回收率(以百分?jǐn)?shù)表示)。再取上述過(guò)30目篩十 燥的巖樣，放人裝有350 ml水的加溫罐中，繼續(xù)滾動(dòng)2h，倒出水與巖樣，再過(guò)30目篩，干燥并稱篩上的巖樣，計(jì)算回收的巖樣占原巖樣的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。CST（毛細(xì)管吸人時(shí)間）試驗(yàn)CST試驗(yàn)是一種通過(guò)濾失時(shí)間來(lái)測(cè)定頁(yè)巖分散特性的方法，即在恒速混合器

7、 （高速攪拌器）中測(cè)定體積分?jǐn)?shù)為15%的稠頁(yè)巖巖漿（過(guò)100目篩）在剪切不同時(shí) 間后的濾失時(shí)間，用以表示頁(yè)巖分散特性。通常將頁(yè)巖巖漿濾液在CST儀器（見 圖9-2）的特性濾紙上運(yùn)移0. 5cm距離所需的時(shí)間稱為CST值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可 繪制CST值與剪切時(shí)間的關(guān)系曲線，者為線性關(guān)系，可用下式表示頁(yè)巖分散特性Y=mx+b式中 Y-CST值，s；m一頁(yè)巖的水化分散速度，cm/ s；X-剪切時(shí)間，s；b-瞬時(shí)形成的膠體顆粒數(shù)目。b值大小取決于頁(yè)巖的膠結(jié)程度，它是頁(yè)巖含水量、粘土含量及壓實(shí)程度的 函數(shù)。最大的y值表示頁(yè)巖的總膠體量，（Y 一 b）值是總膠體含量和瞬時(shí)可分散 的粘土含量之差，用來(lái)表示頁(yè)巖

8、潛在的水化分散能力。使用CST法所測(cè)得的1/（Y b）值可用來(lái)預(yù)測(cè)井塌的可能性。此值越高，井塌 的可能性越大。4圖9-2 CST測(cè)定儀l 一圓柱試漿容器：2 一特制濾紙，3 一滲濾圈，4 一控制器，5 一計(jì)時(shí)器，6 一電極（2）水化試驗(yàn)按照膨潤(rùn)土造漿率的測(cè)定方法測(cè)定泥頁(yè)巖的造漿率，然后按下式計(jì)算出泥頁(yè) 巖的水化指數(shù)h。h=Y +Y式中，Y、Y分別表示頁(yè)巖和膨潤(rùn)土的造漿率（水化24h），Y 一般取16m3/t。.s 一 一 b 一 一 .b（3）膨脹性試驗(yàn)地層膨脹是地層中所含的粘土礦物水化的結(jié)果。通常采用測(cè)定巖樣線性膨脹 百分?jǐn)?shù)（稱為膨脹率）或巖樣吸水量來(lái)表示地層的膨脹性能。由于溫度對(duì)巖樣膨脹

9、率有較大影響，因此不僅應(yīng)測(cè)定巖樣在常溫下的膨脹串，還應(yīng)測(cè)定在高溫高壓下的膨脹率。常溫下膨脹率的測(cè)定常溫下的膨脹率通常選用以下進(jìn)行測(cè)定：采用NP-01頁(yè)巖膨脹儀進(jìn)行測(cè)試，該儀器示意圖見圖9-3。稱取一定重 量風(fēng)干的巖樣（過(guò)100目篩），測(cè)定巖樣遇水（或其它液體）不同時(shí)間線膨脹量的變 化，然后按下式計(jì)算出線性膨脹率。Vt=（L/H）X 100% （9-4）式中 V 一時(shí)間為t時(shí)巖樣的線性膨脹率，；Lt一時(shí)尚為t時(shí)的線膨脹量，mm；H-巖樣原始高度，mm。圖9-3 NP-O1頁(yè)巖膨脹儀示意圖1底理；2 濾紙；3 樣心；4測(cè)桿；采用應(yīng)變儀膨脹傳感器（即直讀式數(shù)字膨脹指示儀）進(jìn)行測(cè)試。取垂直巖 心基面切

10、割下來(lái)的巖樣，放在聚乙烯小袋中，按一定方向放在夾子上，使傳感器 上的初始應(yīng)變?yōu)?. 5in，袋中裝滿試驗(yàn)液體。當(dāng)巖樣膨脹時(shí)，應(yīng)變儀記錄下 位移，從指示器直接讀出應(yīng)變，用下式計(jì)算出線性膨脹串。直讀式數(shù)字膨脹指示 儀見圖9-4。伸縮桿(5)聚乙烯袋(6)頁(yè)巖測(cè)試樣(7)鉆井液(8)固定螺臺(tái)座(9)測(cè)試熒光顯小(4)V =(K./L)(5 X10-4式中 V：一時(shí)間為t時(shí)巖樣的線性膨脹率，；匕一常數(shù)；L 一巖樣長(zhǎng)度，mm；J-指小器讀數(shù)。采用Nsulin膨脹儀進(jìn)行測(cè)試，圖9-5是此儀器的示意圖。試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn) 用巖粉裝在杯中并與過(guò)濾圓盤接觸，吸附試液，其吸附量可由刻度吸管讀取。在 t時(shí)間內(nèi)，單位質(zhì)量巖

11、樣所吸附的水量即為膨脹率?？稍陔p對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上畫出吸 附量與吸附時(shí)間之間的關(guān)系曲線。因二者成線性關(guān)系，因而可用下式表示，LgM =lg M +Nlg式中M在t時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量巖樣所吸附的流體量,g / g；M瞬時(shí)吸水量，g/g；N水化速度或膨脹速度，g / min；T 一吸附時(shí)間，min。M的大小取決于巖樣中粘土和水的含量以及壓實(shí)作用，它隨地層巖密度及壓 實(shí)作用的增大而減小。高溫高壓下膨脹率的測(cè)定使用YPM-01型頁(yè)巖膨脹模擬試驗(yàn)裝置或HTHP-1型高溫高壓頁(yè)巖膨脹儀，可 測(cè)定溫度從室溫至180C、壓力010MPa下的頁(yè)巖膨脹率。注意高溫高壓下所 測(cè)定出的膨脹率與常溫常壓下的測(cè)定結(jié)果有較大的差別。

12、(4 )介電常數(shù)泥頁(yè)巖的介電常數(shù)主要取決于其中水敏性粘土礦物的種類和含量，其大小與 巖石強(qiáng)度和有效應(yīng)力有關(guān)。因此，測(cè)定地層的介電常數(shù)可以了解地層的性質(zhì)，預(yù) 測(cè)井壁穩(wěn)定性和巖石強(qiáng)度。該參數(shù)通常使用介電常數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。其原理是 測(cè)量充填了巖樣的容器的電容與充滿空氣時(shí)容器的電容的比值，從而獲得該巖樣 的介電常數(shù)。頁(yè)巖穩(wěn)定指數(shù)法頁(yè)巖穩(wěn)定指數(shù)表示地層在鉆井液等液體作用下，其強(qiáng)度、膨脹和分散侵蝕三 個(gè)方面綜合作用對(duì)井眼穩(wěn)定性的影響。此方法是美國(guó)Baroid鉆井液公司建立的。 試驗(yàn)時(shí)先將泥頁(yè)巖磨細(xì)，過(guò)100目篩，與人造海水配成漿液(比例為7： 3)，再 放置在干燥器內(nèi)預(yù)水化16h。用壓力機(jī)在7MPa下壓

13、濾2h，取出巖心放人不銹鋼 杯中，再用9. 1 MPa壓力加壓2mm，刮乎巖心表面，用針人度儀測(cè)定針人度， 然后將巖心連同鋼杯一起置于65.6C下熱滾16h，取出再測(cè)定針人度，并測(cè)量 杯中巖樣膨脹或侵蝕高度，按下式計(jì)算頁(yè)巖穩(wěn)定指數(shù)(SSl)SSI = 100-2(H -H )-4D式中Hy-熱滾前的針入度 ，mmH-熱滾后針人度，mm；D、膨脹或侵蝕總量，mm。三軸應(yīng)力頁(yè)巖穩(wěn)定性試驗(yàn)儀使用該儀器，可進(jìn)行在徑向應(yīng)力、縱向應(yīng)力及試驗(yàn)液柱壓力作用下的頁(yè)巖穩(wěn) 定性試驗(yàn)，用以研究鉆井液對(duì)以下三種不穩(wěn)定性的影響：膨脹所致孔徑的變化; 脆性巖石孔徑的擴(kuò)大；地應(yīng)力引起的井壁不穩(wěn)定。使用此儀器可從以下幾方 面來(lái)

14、判別鉆井液的影響：在一定壓力與流速作用下測(cè)定巖樣被破壞的時(shí)間； 巖樣被侵蝕的百分?jǐn)?shù)；巖樣含水量及巖樣孔徑的變化。此類儀器有兩種不同的 類型，一種用于常溫下測(cè)定，另一種用于高溫下測(cè)定。DSC井下模擬裝置此儀器可模擬上覆壓力、圍壓及井下溫度，在直徑為165 mm的頁(yè)巖樣品上 鉆進(jìn)和循環(huán)鉆井液，用以評(píng)價(jià)在模擬的井底條件下，各種鉆井液抑制地層坍塌的 效果。經(jīng)改造的高溫高壓濾失量測(cè)定儀采用經(jīng)過(guò)改造的高溫高壓濾失量測(cè)定儀，可以評(píng)價(jià)鉆井液封堵井壁的效果。 采用一塊直徑為25. 4mm、厚度為12. 7mm的貝雷(Berea)砂巖作為滲濾介質(zhì)， 固定在巖心夾持器中，然后將其裝人高溫高壓濾失量測(cè)定儀容器內(nèi)，再將

15、鉆井液 倒人上述儀器中，調(diào)節(jié)溫度與壓力全所需值，然后開始試驗(yàn)并記錄濾失量。試驗(yàn) 結(jié)束后，取出巖心，冷卻后將巖心切片，在高倍顯微鏡下檢測(cè)鉆井液的封堵深度 及效果。評(píng)價(jià)井壁穩(wěn)定性的室內(nèi)評(píng)價(jià)方法還有許多，在此不再一一介紹。三、井壁不穩(wěn)定的原因分析井壁不穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)是力學(xué)不穩(wěn)定。當(dāng)井壁巖石所受的應(yīng)力超過(guò)其本身的強(qiáng)度 就會(huì)發(fā)生井壁不穩(wěn)定。其原因十分復(fù)雜，就其主要原因可歸納為力學(xué)因素、物理 化學(xué)因素和工程技術(shù)措施等三個(gè)方面，但后兩個(gè)因素最終均因影響井壁應(yīng)力分布 和井壁巖石的力學(xué)性能而造成井壁不穩(wěn)定。力學(xué)因素原地應(yīng)力狀態(tài)原地應(yīng)力狀態(tài)是指在發(fā)生工程擾動(dòng)之前就已經(jīng)存在于地層內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)， 也簡(jiǎn)稱為地應(yīng)力。一般認(rèn)

16、為它的三個(gè)主應(yīng)力分量是鉛垂應(yīng)力分量、最大水平主應(yīng) 力分量和最小水平主應(yīng)力分量。地應(yīng)力的鉛垂應(yīng)力分量通常稱為上覆巖層壓力，主要由上部地層的重力產(chǎn)生 的。國(guó)內(nèi)外研究表明，水平地應(yīng)力的大小受上覆巖層壓力、地層巖性、埋藏深度、 成巖歷史、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)情況等諸多因素的影響。其中上覆巖層壓力的泊松效應(yīng)和構(gòu) 造應(yīng)力是主要影響因素。由于多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，在巖石內(nèi)部形成了十分復(fù)雜的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。根據(jù) 地質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn)，構(gòu)造應(yīng)力大多以水平方向?yàn)橹?，設(shè)兩個(gè)主構(gòu)造應(yīng)力分量分別為 。x、。y。則總的水平主應(yīng)力分量為上覆巖層壓力泊松效應(yīng)產(chǎn)生的壓應(yīng)力與 構(gòu)造應(yīng)力之和。若沒有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，水平地應(yīng)力僅由上覆巖層壓力的泊松效應(yīng)引起，為均

17、勻水 平地應(yīng)力狀態(tài)。一般情況下存在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，且兩個(gè)水平主方向上構(gòu)造應(yīng)力的大小 不等。因此，在一般情況下，地應(yīng)力的三個(gè)主應(yīng)力分量的大小是不相等的。由聲 發(fā)射法、差應(yīng)變法等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法和應(yīng)力釋放法、水力壓裂法等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法可 以確定出地應(yīng)力的大小和方向。地層被鉆開后所引起的井眼圍巖應(yīng)力狀態(tài)的變化地層被鉆開之前，地下的巖石受到上覆壓力、水平方向地應(yīng)力和孔隙壓力的 作用，井壁處的應(yīng)力狀態(tài)即為原地應(yīng)力狀態(tài)，且處于平衡狀態(tài)?？紫秹毫χ傅叵?巖石孔隙內(nèi)流體壓力。在正常沉積環(huán)境中，地層處于正常的壓實(shí)狀態(tài)，孔隙壓力 保持為靜液柱壓力，即為正常地層壓力，壓力系數(shù)為1.0。在異常的壓實(shí)環(huán)境中， 當(dāng)孔隙壓力大于正常地

18、層壓力時(shí)稱為異常高壓地層，壓力系數(shù)大于1. 0。當(dāng)井 眼被鉆開后，地應(yīng)力被釋放，井內(nèi)鉆井液作用于井壁的壓力取代了所鉆巖層原先 對(duì)井壁巖石的支撐，破壞了地層和原有應(yīng)力的平衡，引起井壁周圍應(yīng)力的重新分 布。進(jìn)一步的研究表明，井眼圍巖的應(yīng)力水平與井眼液柱壓力有關(guān)。若鉆井液密 度降低，井眼圍巖差應(yīng)力（徑向應(yīng)力減小，切向應(yīng)力增大）水平就升高。當(dāng)應(yīng)力超 過(guò)巖石的抗剪強(qiáng)度時(shí)，就要發(fā)生剪切破壞（對(duì)于脆性地層就會(huì)發(fā)生坍塌，井徑擴(kuò) 大；而對(duì)于塑性地層，則發(fā)生塑性變形，造成縮徑）。相反地，當(dāng)鉆井液密度升 至一定值后，井壁處的切向應(yīng)力就會(huì)變成拉應(yīng)力，當(dāng)拉伸應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng) 度時(shí)，就要發(fā)生拉伸破壞（表現(xiàn)為井漏）。（

19、3）造成井壁力學(xué)不穩(wěn)定的原因鉆井過(guò)程中保持井壁處于力學(xué)穩(wěn)定的必要條件是鉆井液液柱壓力必須大于 地層坍塌壓力，且鉆井液的實(shí)際當(dāng)量密度低于與地層破裂壓力對(duì)應(yīng)的當(dāng)量鉆井液 密度。坍塌壓力是指井壁發(fā)生剪切破壞的臨界井眼壓力，此時(shí)的鉆井液密度稱為 坍塌壓力的當(dāng)量鉆井液密度。鉆井過(guò)程中井壁出現(xiàn)力學(xué)不穩(wěn)定而造成井塌的主要 原因可歸納為以下幾個(gè)方面：鉆進(jìn)坍塌地層時(shí)鉆井液密度低于地層坍塌壓力的當(dāng)量鉆井液密度井壁不穩(wěn)定包括縮徑與井壁坍塌，其實(shí)質(zhì)是力學(xué)問(wèn)題?？紫秹毫Ξ惓２粌H發(fā) 生在儲(chǔ)層中，而且在我國(guó)大量所鉆遇的泥頁(yè)巖地層中也較普遍地存在。在地應(yīng)力 作用地區(qū)，非均質(zhì)的地應(yīng)力對(duì)井壁穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生很大的影響。長(zhǎng)期以來(lái)，地質(zhì)部

20、門 設(shè)計(jì)鉆井液密度均依據(jù)所鉆遇油氣水層時(shí)的壓力系數(shù)，而未考慮易坍塌地層可能 存在異?？紫秹毫εc地應(yīng)力，以及所造成的高地層坍塌壓力對(duì)井壁穩(wěn)定的影響。 在實(shí)際鉆井過(guò)程中，同一裸眼井段部分地層的坍塌壓力往往大于油氣水層的孔隙 壓力。因此，依據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)所確定的鉆井液密度在高坍塌壓力地層鉆進(jìn)時(shí)，井筒 中鉆井液液柱壓力就不足以平衡地層坍塌壓力（對(duì)鹽膏層和含鹽膏泥巖則為發(fā)生 塑性變形的壓力），就會(huì)造成所鉆地層處于力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，引起井壁坍塌。起鉆時(shí)的抽吸作用造成作用于井壁的鉆井液壓力低于地層坍塌壓力 在起鉆過(guò)程中，由于未及時(shí)灌注鉆井液、鉆井液塑性粘度和動(dòng)切力過(guò)高以及起鉆 速度過(guò)快等均會(huì)產(chǎn)生高的抽吸壓力。這種

21、抽吸作用使鉆井液作用于井壁的壓力下 降，當(dāng)其低于地層坍塌壓力時(shí)就會(huì)發(fā)生井塌。此外，在裸眼井段，如果所鉆的上 部地層中存在大段含蒙脫石或伊蒙無(wú)序間層的泥巖，而在鉆進(jìn)下部地層時(shí)，如鉆 頭在井下工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（超過(guò)兩天以上）又沒短起下鉆，則含蒙脫石或伊蒙無(wú)序間 層的泥巖就會(huì)吸水膨脹而造成井徑縮小，起鉆至此井段則發(fā)?quot;拔活塞，環(huán) 空灌不進(jìn)鉆井液，從而產(chǎn)生很大的抽吸壓力并形成負(fù)壓差，嚴(yán)重時(shí)便會(huì)抽塌下部 地層。例如吉林油田乾安構(gòu)造在鉆探初期，絕大部分井均由于上部嫩3、4、5 層段泥巖縮徑（井徑平均縮小6%8%），起鉆時(shí)發(fā)生嚴(yán)重抽吸，從而抽塌下部嫩2、1等層段的泥巖層，平均井徑擴(kuò)大率高達(dá)32% 84%

22、，處理井塌時(shí)間長(zhǎng)達(dá)半 個(gè)多月。井噴或井漏導(dǎo)致井筒中液柱壓力低于地層坍塌壓力鉆井過(guò)程中如發(fā)生井噴或井漏，均會(huì)造成井筒中液柱壓力下降。當(dāng)此壓力小 于地層坍塌壓力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)井塌。鉆井液密度過(guò)低不能控制巖鹽層、含鹽膏軟泥巖和高含水軟泥巖的塑性變 形當(dāng)巖鹽層、含鹽膏軟泥巖和高含水的軟泥巖等地層被鉆開后，如所使用的 鉆井液密度過(guò)低，就會(huì)發(fā)生塑性變形。由于上述地層均是具有塑性特點(diǎn)的地層， 當(dāng)其埋藏較深而被鉆穿后，它們的高度延展性能幾乎可以傳遞上覆地層的全部覆 蓋負(fù)荷的重量。若當(dāng)時(shí)的鉆井液液柱壓力不足以控制住這種作用時(shí)，就會(huì)引起塑 性變形，使井徑縮小，這就是上述巖層所具有的蠕變特性。所謂蠕變是指材料在 恒應(yīng)

23、力狀常巖石的彈性變形也會(huì)引起縮徑，但彈性變形的時(shí)間較短，且變形量小。 巖鹽在深部高溫高壓作用下，由于具有蠕變特性，即使井壁上態(tài)下，變形隨時(shí)間 而逐漸增大的一種特性。通的應(yīng)力仍處于彈性范圍，也會(huì)導(dǎo)致井眼隨時(shí)間而逐漸 縮小。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)巖鹽蠕變的研究，可將其分為以下三個(gè)階段（見圖9-6）：初始蠕變（又稱過(guò)渡蠕變）。此階段在應(yīng)變時(shí)間曲線上，巖石初始蠕變速 率很高，隨后速率變緩，其原因是應(yīng)變硬化速度大于材料中晶粒的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度。次級(jí)蠕變（又稱穩(wěn)態(tài)蠕變）。此階段硬化速度和位錯(cuò)速度達(dá)到平衡。對(duì)于巖 鹽層，井眼的收縮是最重要的蠕變階段。第三階段蠕變（又稱不穩(wěn)定蠕變）。當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，會(huì)在晶粒界面及礦 物顆粒

24、界面發(fā)生滑動(dòng)，這一變形的結(jié)果使蠕變曲線向較大變形的一側(cè)反彎，進(jìn)入 不穩(wěn)定狀態(tài)，最后使晶界松散、脫落，導(dǎo)致材料的破裂。一般認(rèn)為，巖鹽層的塑性變形在低溫狀態(tài)是以品層滑動(dòng)為主，而在高溫下則 在滑動(dòng)面出現(xiàn)多邊形結(jié)構(gòu)和再結(jié)品。由于巖鹽層的塑性變形（蠕變）引起井眼縮 徑，常導(dǎo)致起下鉆遇阻卡、卡鉆。例如中原油田文-218井使用密度為1. 79 g /cms，鉆井液，鉆進(jìn)巖鹽層至3 912m時(shí)，從電測(cè)得知在3 856-3 899m井段井 徑縮小18% 23% （比鉆頭直徑小40 一 50mm）。繼續(xù)電測(cè)時(shí)又發(fā)生遇阻，下鉆 劃眼至3 912m，后上提遇卡。又如南疆庫(kù)喀-1井在電測(cè)時(shí)曾多次在2 7352 732m

25、 遇阻，經(jīng)反復(fù)劃眼后測(cè)得井徑僅為135mm（鉆頭直徑為215mm）。因此，巖鹽層的 蠕變或塑性變形是鉆進(jìn)該類地層時(shí)造成井下復(fù)雜情況的一個(gè)重要原因。此外，鹽膏層中的泥巖即使在上覆蓋層壓力與井溫作用下，粘土表面所吸附的四 層水會(huì)逐漸被擠出成為孔隙水。由于泥巖表面吸附水的密度可高達(dá)1. 401. 70g /cm3，故當(dāng)這些層間水變?yōu)榭紫端畷r(shí)，體積約增大40%70%。若泥巖被鹽層 所封閉，而鹽層不具備滲透性能，水無(wú)處可排，因而會(huì)導(dǎo)致在兩個(gè)鹽層之間的泥 巖孔隙中形成異常壓力帶。鉆開此類地層時(shí)，如果鉆井液液柱壓力低于此類泥巖 發(fā)生塑性變形的壓力，泥巖就會(huì)縮徑，導(dǎo)致井下復(fù)雜情況。由于此類泥巖含鹽， 鹽在高溫

26、高壓下所發(fā)生的塑性變形亦會(huì)對(duì)含鹽泥巖帶來(lái)影響。因此，鹽膏層塑性 變形不僅發(fā)生在巖鹽中，而且還會(huì)發(fā)生在含鹽泥巖中。鉆井液密度過(guò)高鉆井過(guò)程中，如所采用的鉆井液密度過(guò)高，大大超過(guò)地層孔隙壓力，就會(huì)對(duì) 井壁形成較大的壓差，從而會(huì)有更多的鉆井液濾液進(jìn)入地層，加劇地層中粘土礦 物水化，引起地層孔隙壓力增加及圍巖強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致地層坍塌壓力增大。 當(dāng)坍塌壓力的當(dāng)量密度超過(guò)鉆井液密度，井壁就會(huì)發(fā)生力學(xué)不穩(wěn)定，造成井塌。 特別是在鉆高破碎性地層時(shí)，如所使用的鉆井液密度合適，則圍繞井壁的應(yīng)力集 中，閉合了所有的徑向接合面，因此封閉了井壁，鉆井液不能進(jìn)入到裂隙網(wǎng)內(nèi)； 但如果鉆井液密度增高并超過(guò)了臨界值，徑向接合面

27、逐漸由閉合狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀 態(tài)，與此同時(shí)切向接合面閉合。此時(shí)由于鉆井液進(jìn)入，引起地層孔隙壓力增高， 一部分裂隙網(wǎng)變得易被鉆井液侵入，相應(yīng)的結(jié)合面被增壓，單元變得松散，這樣 巖石就容易受到鉆井液和井底鉆具組合的沖擊而坍塌。由上述原因所引起的井壁 不穩(wěn)定大多發(fā)生在深部地層，與巖性關(guān)系不大。例如，柯深1井第三系地層是砂 泥巖互層，其5 200S 750m井段的孔隙壓力系數(shù)為1. 501. 60，坍塌壓力 的壓力系數(shù)為1. 60L 70； 5 750-5 900m井段的孔隙壓力系數(shù)為1. 15-1. 35, 坍塌壓力的壓力系數(shù)為1. 40 一 1. 60。該井田244mm技術(shù)套管下至5 025. 08m

28、。 四開采用口 215 111121鉆頭鉆進(jìn)，由于誤判5 009m出現(xiàn)的高壓鹽水層（壓力系 數(shù)為1. 89）沒有封死，并為了對(duì)付地質(zhì)預(yù)告5 600m的高壓氣層，采用密度為952. 02g / cm3的鉆井液鉆進(jìn)。鉆至5 441 m時(shí)，鉆進(jìn)過(guò)程出現(xiàn)大的塌塊， 下鉆遇阻劃眼，返出大的塌塊。從此之后每次下鉆均遇阻劃眼，劃眼井段均為新 鉆井眼。當(dāng)鉆至5 829m時(shí)，發(fā)生壓差卡鉆。解卡后，為了防止再卡鉆，降低鉆 井液密度至1. 751. 80g/cm3，并增加鉆井液中高軟化點(diǎn)低磺化度磺化瀝青、 氯化鉀、SMP和硅酸鉀的加量，以提高鉆井液封堵與抑制能力，井塌緩解。物理化學(xué)因素（1）地層的巖性井壁不穩(wěn)定可以

29、發(fā)生在各種巖性的地層中。一般來(lái)講，巖石均由非粘土礦物 （如石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦等、品態(tài)粘土礦物（如蒙脫石、伊利 石、伊蒙間層、綠泥石、綠蒙間層、高嶺石等）和非晶態(tài)粘土礦物（如蛋白石等） 所組成，但不同巖性地層所含的礦物類型和含量不完全相同。對(duì)井壁穩(wěn)定性產(chǎn)生 影響的主要組分是地層中所含的粘土礦物。（2）鉆井液濾液對(duì)地層的侵入當(dāng)?shù)貙颖汇@開后，在井筒中鉆井液與地層孔隙流體之間的壓差、化學(xué)勢(shì)差（取 決于鉆井液與地層流體之間的活度差和地層的半透膜效率）和地層毛細(xì)管力（取 決于巖石的表面性質(zhì)）的驅(qū)動(dòng)下，鉆井液濾液進(jìn)入井壁地層，引起地層中粘土礦 物水化膨脹，導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定。表9-1四種典型粘土

30、礦物的理化特性粘土礦 物比表面積/mg-1D50 /仇m表面電荷密度/Cm-2綠泥石6.621.50.731高嶺石48.62.70.122伊利石1056.60.184蒙脫石6336.70.179? 通過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn)，目前已證實(shí)在使用水基鉆井液時(shí)，低滲透泥頁(yè) 巖表面的確存在著非理想的半透膜，但其膜效率低于1。其值高低取決于鉆井液 的組成、地層的滲透率和孔喉尺寸，并隨鉆井液與巖石接觸時(shí)間增長(zhǎng)而降低。鹽 水的膜效率僅為1%10%，聚合醇類水基鉆井液具有較高的膜效率地層中的粘 土礦物與水接觸發(fā)生水化膨脹是由兩種水化所造成，即表面水化和滲透水化。在 第二章中，已對(duì)其機(jī)理進(jìn)行過(guò)討論。影響水化的因素影響地層

31、水化作用的主要因素有以下方面：A.地層中粘土礦物及其可交換陽(yáng)離子的類型和含量在第二章中已闡述了蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石由于各種粘土礦物的 組構(gòu)特征不同，其可交換陽(yáng)離子組成亦各不相同，因而其水化膨脹程度差別很大。 如蒙脫石的陽(yáng)離子交換容量高，易水化膨脹，分散度也較高；而高嶺石、綠泥石、 伊利石都屬于低膨脹型粘土礦物，不易水化膨脹。同種粘土礦物，當(dāng)其交換性陽(yáng) 離子不同時(shí)，水化膨脹特性也不相同，如鈉土的膨脹比鈣土、鉀土大得多。各種 粘土礦物膨脹能力的順序如下：蒙脫石伊蒙間層礦物伊利石高嶺石 綠泥石。由此看來(lái)，地層的水化作用強(qiáng)弱主，要取決于地層中所含粘土礦物及其可交 換陽(yáng)離子的類型及含量。此外，

32、由于地層中非晶態(tài)粘土礦物的類型及含量會(huì)影響 陽(yáng)離子交換容量的大小，因此它們對(duì)地層水化作用亦有較大的影響。地層中所含無(wú)機(jī)鹽的類型及含量如地層中含有石膏、氯化鈉和芒硝等無(wú)機(jī)鹽，則會(huì)促使地層發(fā)生吸水膨脹。 當(dāng)?shù)貙又泻袩o(wú)水石膏時(shí)，由于密度為2. 9g / cm3的CaSO能通過(guò)吸水轉(zhuǎn)變?yōu)槊?度為2. 3 g/cm3的CaSO2H 0,其體積增加約26%，因而含膏泥巖的膨脹性 與其中無(wú)水石膏含量有密切關(guān)系。含氯化鈉的泥巖的初始膨脹率較高，在5-7h達(dá)到最大值。隨著鹽的溶解， 膨脹率反而下降。中原油田文203-12井3 250m的含鹽泥巖，2 h的膨脹串為， 31%，但24h的膨脹率降為26%。用勝利油

33、田紅層中的含鹽泥巖進(jìn)行吸水試驗(yàn)， 然后用淡水洗去泥巖中的鹽再次吸水，其結(jié)果顯示含鹽泥巖的吸水量大大高于不 含鹽泥巖。地層中層理裂隙發(fā)育程度地層中存在著層理裂隙，部分微細(xì)裂縫在井下高有效應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生閉 合。但當(dāng)與水接觸時(shí)，水仍然會(huì)沿著這條裂縫進(jìn)入地層深處，使井壁周圍地層中 的粘土礦物發(fā)生水化，因而井壁也容易坍塌。溫度和壓力流體進(jìn)、出泥頁(yè)巖是受泥頁(yè)巖和流體的偏摩爾自由能之差來(lái)控制的，而偏摩 爾自由能的大小與溫度和壓力有關(guān)。因此，溫度和壓力對(duì)泥頁(yè)巖的水化膨脹會(huì)產(chǎn) 生一定影響。隨著溫度升高，粘土的水化膨脹速率和膨脹量都明顯增高。壓力增 高可抑制粘土水化膨脹。各種粘土礦物的膨脹率均隨預(yù)負(fù)荷或井眼壓力的增大而急劇下降。時(shí)間顯然，粘土水化膨脹隨地層中的粘土礦物與鉆井液濾液接觸時(shí)間的增長(zhǎng)而加 劇鉆井液的組成與性能鉆井液中所含有機(jī)處理劑和可溶性鹽的類別及含量、濾液的pH值等均會(huì)影 響粘土的水化膨脹，這些影響將在穩(wěn)定井壁技術(shù)措施中進(jìn)行討論。地層水化膨脹對(duì)井壁穩(wěn)定的影響鉆井過(guò)程中，鉆