鉆井過程中井壁穩定分析與對策

郜義

摘要：本文結合鉆井中井壁穩定性較差地層特征和坍塌地層特征分析，從力學和物理化學兩個方面對井壁穩定問題進行了分析，并通過應力因素引起的井壁失穩控制和鉆井液因素引起的井壁失穩控制兩方面措施研究，對提升井壁穩定性進行了探究。

關鍵詞：井壁穩定性；鉆井技術；鉆井液

當前，我國油田開發力度加大，逐步向深層、深海區塊延伸，水平井、大位移井等特殊井身結構鉆井應用增多，井壁坍塌等井下事故也相應增加，極易在鉆井中出現井壁縮徑、坍塌、地層壓裂等情況，坍塌機理比較復雜，很難預防，影響鉆井井下安全和鉆井持續性。因此，有必要對井壁穩定性進行分析，有針對性的提出提升井壁穩定性的對策措施。

1 鉆井過程中井壁穩定性

1.1鉆井井壁穩定性較差和坍塌地層特征

在鉆井中，鉆遇泥頁巖、砂巖、礫巖、煤層、巖漿巖、灰巖等都可能發生井壁坍塌，但90%以上的坍塌發生在泥頁巖地層，縮徑一般在鹽膏層、淺層泥巖和滲透性較高的砂巖發生。坍塌可能在各種巖性和粘土礦物含量地層中發生，但坍塌嚴重地層大多具有以下特征：發育有層理清晰的裂縫或破碎性較強的巖性地層；泥頁巖特別是孔隙壓力異常地層；地應力較強、傾角大易發生井斜地層；厚度較大泥頁巖地層；高含水砂巖、泥巖地層等。

1.2井壁穩定性影響因素

井壁穩定性較差原因是鉆井液和鉆具在地層中作用，壓力超過井壁巖層承受強度，以及鉆井液與井壁地層巖石礦物發生物理化學作用，加大坍塌壓力、降低破裂壓力等引起井壁失穩。

一是力學因素。地層鉆開前巖層受上覆壓力、水平地應力和孔隙壓力作用，壓力均衡，鉆開后鉆井液對井壁壓力替代了鉆開巖層對井壁巖層的支撐，破壞了壓力平衡狀態，使周圍地應力需要重新分布，在地應力超過井壁周圍巖層承受強度后會發生剪切破壞，脆性地層會發生井壁坍塌，塑性地層會發生塑性變形（縮徑）。鉆井中井壁被剪切破壞臨界井眼壓力稱為坍塌壓力，該狀態下鉆井液密度為坍塌壓力當量鉆井液密度。地應力因素上，井壁坍塌以最小地應力為方向，坍塌壓力隨地應力及地應力非均勻系數增大而增大。地層強度因素，地層坍塌壓力與井壁周邊地層的強度系數和內摩擦角呈反比?？紫秹毫σ蛩?，地層坍塌和破裂壓力與孔隙壓力呈正比，但破裂壓力增速比坍塌壓力小，隨著孔隙壓力加大，鉆井液密度安全范圍逐步變小。地層滲透性因素，滲透性較強地層鉆井液會滲透到井壁周圍地層，產生滲透壓力加大井壁周圍地層孔隙壓力變化率，加大井壁坍塌概率。井徑擴大率因素，安全鉆井允許一定程度坍塌，可適當降低鉆井液密度。地層破碎程度因素，地層破碎程度越高，鉆井液滲入越強、滲入深度越大，也就增高了坍塌壓力。方位角、井斜角及鉆井液組成和性能等，都會對地層坍塌壓力產生一定影響。同時，在坍塌層鉆進中鉆井液密度比地層坍塌壓力當量鉆井液密度更低、鉆井中鉆井液密度異常過高、鉆井液密度過低對鹽層及含鹽含水軟泥巖塑性變形控制性較差、起鉆抽吸降低鉆井液壓力、井噴或井漏降低井筒內液柱壓力等，也會引起井壁坍塌。

二是物理化學因素。從地層構成看，巖石主要由石英、長石、方解石等非粘土礦物，伊利石、伊蒙間層、綠泥石等晶態粘土礦物，以及蛋白石等非晶態粘土礦物構成，不同巖性地層所含礦物類型、含量存在差異，會影響井壁穩定性。從鉆井液滲入地層驅動力看，鉆開地層后鉆井液在井筒中與地層孔隙流體間存在化學勢差、壓差，在這些壓力與地層毛細管力綜合驅動下，鉆井液濾液會滲入地層造成粘土礦物水化膨脹，引起井壁失穩。從粘土水化機理看，粘土礦物與水接觸后會發生離子水化、表面水化、滲透水化，易引發井壁失穩。從地層水化膨脹看，鉆井液與井壁地層接觸后會升高孔隙壓力、引起近井筒地層力學性質變化，地層水化膨脹加大井壁失穩概率。

2 鉆井井壁失穩控制技術措施

2.1應力因素引起的井壁失穩控制

一是優化設計井身軌跡。套管可有效杜絕和避免井壁垮塌，要結合區塊地質特征和巖層物理化學性質，科學設計井身軌跡，確定套管放置層數和深度，在井壁地層壓力活躍、壓力較大井段放置套管，特別是對地層壓力難以控制井段放置套管，并確保裸眼井段地層壓力體系穩定，實現地層鉆開后壓力均衡，避免局部井壁坍塌。

二是加強井壁坍塌預判分析。要綜合鉆井前掌握的各方面資料，建立井壁地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力等剖面模型，對不同剖面模型研究應用不同鉆井液體系，通過井壁周邊地層壓力平衡確保地層整體壓力平衡。

三是優化鉆井測井技術。要合理控制鉆井速度，防止測井儀器過多干擾。要控制好下鉆速度，對鉆井泵、機械泵等緩慢啟閉，避免對井眼造成抽吸或對井眼壓力異常釋放，以及機械鉆具對井壁碰撞，降低井內激動壓力和液柱壓力，杜絕因震動等產生地層裂縫引起井壁坍塌。

2.2鉆井液因素引起的井壁失穩控制

鉆井液引發井壁坍塌多是液體與泥頁巖接觸后發生水和離子運移水化作用，造成鉆井液與地層孔隙壓力產生水力壓差、鉆井液中水與地層水化學勢差驅動下，使鉆井液滲入地層引起地層壓力重新分布，產生井壁坍塌。預防這類坍塌主要是應用防塌鉆井液體系。

一是聚合物鉆井液。屬帶負電電解質，通過靜電作用吸附帶電晶體，利用氫鍵在晶體層間吸附粘土，通過吸附可延緩水分子向泥頁巖滲透，穩定井壁、控制粘土分散。其中，鉀離子防塌性較強，可與粘土表面鈉離子、鈣離子等發生交換形成水化膜，對雙電層擴散進行壓縮，抑制巖層水化。

二是復合離子聚合物鉆井液。該型鉆井液高分子鏈上存在較多官能團，改變了聚合物與粘土表面單一氫鍵吸附模式，轉換為氫鍵與靜電吸附雙重吸附作用，增強聚合物在粘土表面吸附強度，加快吸附速度，確保了粘土在水化前就能被吸附到粘土表面，形成厚度較大的吸附膜抑制泥頁巖水化分散。

三是其他防塌鉆井液體系。如無固相不分散或低固相聚合物鉆井液、聚磺鉆井液、飽和鹽水鉆井液、油包水鉆井液等，都聚有較強防塌性，可視情況選擇。

3結論

綜上所述，石油鉆井井壁坍塌是影響鉆井安全和持續性的重要問題，通過對井壁穩定性影響因素和控制技術措施進行簡要分析，有利于提升鉆井井壁穩定性，更好地開展石油鉆井。

參考文獻：

[1]王中華.國內外鉆井液技術進展及對鉆井液的有關認識[J].中外能源，2011（01）.

[2]楊小華.提高井壁穩定性的途徑及水基防塌鉆井液研究與應用進展[J].中外能源，2012（05）.