井壁穩(wěn)定技術講座

張樂文勝利石油管理局鉆井工藝研究院井壁穩(wěn)定研究的現(xiàn)狀與發(fā)展內容提要引言2．井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀3．發(fā)展趨勢1.引言

井壁不穩(wěn)定問題是伴隨石油鉆井和完井過程中的世界性重大工程技術難題。半個多世紀以來，井壁穩(wěn)定性問題是國內外學者和工程技術人員普遍關注的熱點問題，通過不懈努力，雖然取得了長足進步，但目前仍沒有徹底解決。特別是，隨著當代大位移鉆井技術、水平井鉆井技術、小井眼鉆井技術、分枝多底井鉆井技術、軟管鉆井技術以及欠平衡鉆井新技術的運用．井壁不穩(wěn)定問題在某些情況下更加突出。1.引言

目前，我國東部的大慶、大港、冀東、江蘇等油田以及西部的塔里術等油田都存在井壁不穩(wěn)定問題。易發(fā)生井壁不穩(wěn)定的復雜地層主要包括：大段深層復雜泥頁巖層、膏泥鹽混層、破碎性的玄武巖、礫巖和煤層、高陡地應力山前構造帶等。廣泛調研統(tǒng)計分析表明，油氣井鉆遇地層中約75％屬泥頁巖地層；約90％井壁不穩(wěn)定復雜情況發(fā)生在泥頁巖地層，特別是復雜的深層硬脆性泥巖地層。

井壁失穩(wěn)的影響因素1.引言1.引言井壁失穩(wěn)的類型井壁坍塌、縮徑，井眼漏失井壁失穩(wěn)的類型：(a)剪切破壞；(b)拉伸破壞1.引言

井壁不穩(wěn)定一般直接表現(xiàn)為泥巖水化膨脹縮徑、硬脆性泥頁巖的剝落掉塊擴徑，以及地層壓裂漏失三種形式。井壁失穩(wěn)輕者引起起下鉆遇阻、卡鉆、扭矩過大、井眼凈化困難、井涌、井漏、測井和固井困難，重者導致井噴、井眼重鉆或報廢，延誤油氣勘探開發(fā)?？傊诓环€(wěn)定問題給安全、快速、經濟鉆井帶來很大困難，是影響鉆井時效和耗資巨大的工程技術難題。據保守統(tǒng)計，全世界每年因井壁失穩(wěn)造成的資金浪費高達7—10億美元。因此，迫切需要開展泥頁巖井壁穩(wěn)定性機理的深入研究。1.引言井壁失穩(wěn)的主要類型及防治井壁穩(wěn)定防井壁垮塌防井漏防縮徑－卡鉆泥漿性能2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀井壁失穩(wěn)機理和預測方法研究主要包括①經驗方法。根據在某地區(qū)的鉆進經驗，找出井壁失穩(wěn)的層位、類型和控制措施。②室內物理模型試驗。如厚壁圓筒(TWC)試驗、井眼坍塌試驗或真三軸試驗，研究井壁失穩(wěn)的機理；③建立井壁失穩(wěn)分析模型。如力學分析模型和概率模型和人工智能模型。

2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀礦物組分與理化性能的研究方面：70年代未期，各油田開始不穩(wěn)定地層的礦物組分與理化性能研究。80年代中期，開始建立各區(qū)塊縱、橫向地層礦物組分與理化性能剖面。2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀井壁穩(wěn)定室內評價方面：

評價鉆井液與井壁地層接觸時所發(fā)生的化學與力學性能變化膨脹性試驗，包括常溫常壓和高溫高壓膨脹性試驗。分散性試驗。動態(tài)防塌試驗等。

2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀井壁穩(wěn)定機理研究方面：（1）化學因素穩(wěn)定井壁機理研究（2）力學因素穩(wěn)定井壁機理研究（3）化學－力學耦合穩(wěn)定井壁的機理研究2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2.1、在過去相當長的時間內,關于泥頁巖井壁穩(wěn)定性的化學和力學研究是彼此獨立進行的。1）僅從鉆井液化學的角度進行的井壁穩(wěn)定研究，主要探討泥頁巖水化膨脹、分散的機理，評價不同鉆井液體系對泥頁巖水化影響的強弱程度，從中優(yōu)選最佳鉆井液體系；其中主要評價方法有：高溫高壓膨脹，陽離子交換容量，滾動回收率等，這些常規(guī)評價方法只是從不同側面表征了鉆井液與泥頁巖的相互作用，但不能給出相互作用的全貌。2）純力學研究主要以線彈性連續(xù)介質理論為基礎，研究井壁周圍的應力狀態(tài),然后根據某種強度準則確定出防止井壁坍塌的理論破裂壓力和坍塌壓力。存在如下問題：使用水基鉆井液，由于水化作用，改變了地層的初始強度，因此，了解地層在水基鉆井液作用后的強度是提高井壁穩(wěn)定分析精度的關鍵因素之一；2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2.2、關于泥頁巖井壁穩(wěn)定的力化耦合理論研究真正能用于定量計算的方法只有兩種,一種是Texas大學Ｃ.Ｈ.Yew的熱彈性比擬法,另一種是Shell公司Ｆ.Ｋ.Mody等人的水分子自由能熱動力理論法。2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2.2、關于泥頁巖井壁穩(wěn)定的力化耦合理論研究1）化學力學耦合的熱彈性比擬法1989年,Texas大學的Ｃ.Ｈ.Yew等人才首次將泥頁巖水化膨脹應力比擬為熱膨脹變溫應力。根據熱彈性力學理論,對泥頁巖水化產生的力學效應建立了定量化模型。中國學者黃榮樽采用該方法進行了類似研究，得出含水量與泥頁巖力學參數(shù)間的關系式2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2.2、關于泥頁巖井壁穩(wěn)定的力化耦合理論研究2）化學力學耦合的水分子自由能熱動力理論法1993年,Ｆ.Ｋ.Mody和Ａ.Ｈ.Hale基于鉆井液與泥頁巖間水分子自由能差的熱動力學理論,把化學作用引起的應力變化同力學作用引起的應力變化結合了起來。該理論認為,由于鉆井液與井壁泥頁巖間活度(化學勢)差的存在,驅使自由水進出泥頁巖,改變井壁的孔隙壓力,從而影響近井壁的有效應力。根據該耦合模型和適當?shù)膹姸葴蕜t,便可確定出保持井壁穩(wěn)定的最佳泥漿含鹽濃度和最佳泥漿密度。3、發(fā)展趨勢國內外大量的室內研究和現(xiàn)場實踐表明，泥頁巖井壁穩(wěn)定性問題是涉及鉆井液化學、巖石力學、微觀結構力學、滲流力學、泥巖礦物學以及鉆井工藝學等多門學科的復雜技術難題。綜觀國外近年來井壁穩(wěn)定性研究的現(xiàn)狀，不難看出，當代井壁穩(wěn)定研究的最新動向主要表現(xiàn)在以下五個方面：

3、發(fā)展趨勢1)井壁穩(wěn)定性由單方面因素向多方面因素綜合分析，由單一學科向多學科交叉綜合研究方向發(fā)展

傳統(tǒng)的單方面因素分析和利用單一學科理論指導井壁穩(wěn)定性問題研究是偏面的。如果只強調和依賴鉆井液化學防塌作用，無法確定影響井壁力學穩(wěn)定性的鉆井液密度合理范圍；如果單一強調和依賴井壁宏觀巖石力學穩(wěn)定作用，不考慮鉆井液物理化學的影響，顯然就無法著手開展防塌鉆井液配方和性能優(yōu)化研究，也無法準確計算合理鉆井液密度窗口；不借助滲流力學的理論分析，就無法探索泥頁巖／水基鉆井液間壓力傳遞和流體侵入機理及其對井壁穩(wěn)定性的影響；不緊密結臺巖石微觀結構力學穩(wěn)定性理論分析．就無法搞清泥頁巖水化作用微觀本質及其對井壁穩(wěn)定性的影響。因此，鉆井液物理化學、宏觀和微觀巖石力學與滲流力學多學科交叉研究，是今后井壁穩(wěn)定性研究發(fā)展的必然趨勢。

3、發(fā)展趨勢2)特別重視井壁穩(wěn)定性微觀機理與宏觀評價緊密結合探明模擬條件下的泥頁巖／水基鉆井液作用(包括孔隙壓力傳遞和流體侵入、水化應力產生以及強度等力學參數(shù)改變等)微觀機理及其對井壁穩(wěn)定性影響規(guī)律，是進行井壁穩(wěn)定性宏觀分析研究，建立井壁穩(wěn)定性物理化學一力學耦臺模型．以及探討綜合高效防塌途徑的前提條件。鉆井工程中表現(xiàn)出的宏觀井壁失穩(wěn)，從根本上取決于泥頁巖中粘土礦物顆粒(亞)微觀界面間的相互作用力平衡關系被破壞的程度。微觀機理研究與宏觀評價分析，相互補充相互促進。3、發(fā)展趨勢3)井壁穩(wěn)定性研究由靜態(tài)評價向動態(tài)作用過程及其規(guī)律研究的方向發(fā)展。泥頁巖井壁穩(wěn)定性具有依時性，即表現(xiàn)為與時間的密切相關。這主要是由于某些巖石具有蠕變性．另外．泥頁巖／水基鉆井液間傳遞作用本身就是一個非常復雜的非平衡熱力學動態(tài)作用過程，表現(xiàn)為對井壁穩(wěn)定性影響的依時性。以往主要是通過測試泥巖組構和理化性能，以及泥頁巖與鉆井液(或試液)作用后的水化膨脹量、分散度、強度變化值等靜態(tài)特征參數(shù)來評價分析井壁穩(wěn)定性，缺乏實時動態(tài)作用過程及其對壁穩(wěn)定性影響的實驗研究。國外近年來，隨著實驗新技術的發(fā)展和完善，特別重視泥頁巖／鉆井液間動態(tài)傳遞機理和過壓力傳遞實驗研究與有關理論分析相結合，基本搞清了孔隙壓力傳遞、水分子和溶質離子在泥頁巖中的傳遞規(guī)律，并進一步探索了水化應力產生的原因、作用方式和對井壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律。目前，國外上述研究工作正在向定量化方向發(fā)展。3、發(fā)展趨勢4)井壁穩(wěn)定性研究由定性分析正在向定量化方向發(fā)展

井壁穩(wěn)定性由定性分析向半定量化、定量化研究方向發(fā)展，是井壁穩(wěn)定性研究不斷走向成熟的重要標志，也是最終徹底解決復雜井壁穩(wěn)定問題的必然要求。一方面，泥頁巖／鉆井液相互作用及其對井壁穩(wěn)定性影響規(guī)律的研究由定性不斷向定量化方向發(fā)展；二是積極探索井壁穩(wěn)定性物理化學仂學耦合模型。影響井壁穩(wěn)定性因素眾多，當前在耦臺模型中關聯(lián)所有因素是不現(xiàn)實的。目前，國外學者基于宏