2007石油工程专业岩石力学第八章 井壁稳定解析
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第八章 井壁稳定
易于发生井壁失稳的地区
高构造应力地区，如逆掩断层、 高构造应力地区，如逆掩断层、山前构造带或 大倾角地层 异常高孔隙压力 水敏性地层 裂缝性地层 低强度地区
垂直于地层层理钻进井眼较稳定 对裂缝性地层， 对裂缝性地层，提高钻井液密度不一定有助于防止 坍塌 崩落后的井眼比圆形井眼更稳定 构造运动剧烈地区有可能通过优化井眼方位来改善 稳定性； 稳定性； 减少井眼裸露时间是有益的 强抑制、严封堵、 强抑制、严封堵、合理密度是防塌钻井液设计的方 向 冷却钻井液有助于防塌
井眼稳定分析所需资料
区域地质构造；岩性剖面 测井资料（井径、声波、密度、自然伽玛等） 录井资料 钻井设计任务书、井史及完井地质报告 岩心、岩性、岩相、岩石物性分析资料 地层漏失试验及事故记录 其他部门的研究结果（地质、开发部门） 钻井过程中的其他测试资料
分析步骤
判断井眼失稳性质（化学、力学、疏松岩层、 塑性岩层） 了解构造背景、准确判定地应力特征； 分析岩性剖面，收集岩心、测井资料； 应用分析软件进行分析 将分析结果与钻进实际进行对比，进行必要的 修正； 结合钻井液特性、井眼轨迹进行预测，并提出 维护井眼稳定的措施。
力学方面的研究: 力学方面的研究: 岩石力学研究主要包括原地应力状态的确定、 岩石力学研究主要包括原地应力状态的确定、岩 石力学性质的测定、井眼围岩应力分析， 石力学性质的测定、井眼围岩应力分析，最终确定保 持井眼稳定的合理泥浆密度。 持井眼稳定的合理泥浆密度。 化学和力学耦合研究 泥浆化学和岩石力学耦合起来研究， 泥浆化学和岩石力学耦合起来研究，尽可能多地 搜集井眼情况资料（ 搜集井眼情况资料（如井眼何时以何种方式出现复杂 情况），尽可能准确地估计岩石的性能， 情况），尽可能准确地估计岩石的性能，确定起主要 ），尽可能准确地估计岩石的性能 作用的参数有哪些。 作用的参数有哪些。
第八章-井壁稳定
1 2 1 1 2 1a r2 2 f P wP p
a r2 2P w 1 2 H h 1 a r2 2 1 2 H h 1 3 r a 4 4 c2 os
1 2 1 1 2 1a r2 2 f P wP p
z v 2 H h a r 2 c2 o s 1 2 1 1 2 f P w P p
打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的 是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近 产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。
井壁失稳问题的工程分类：
缩径(out of gauge holes )： 井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动；
这些事故的发生会严重拖延了钻井周期，明显增加钻井成本， 并给后续工作带来不利影响。严重时可使部分井眼报废甚至使整个 井眼报废。
二、井壁不稳定的原因及其研究方法
1、井壁不稳定的原因 如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度 (shear strength )而产生剪切破坏（shear failure,表现为井眼坍塌 扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力(collapse pressure)； 如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力 (tensile stress )大于岩石的抗拉强度(tensile strength )时，将 产生拉伸破坏（ tensile failure,表现为井漏），此时的临界井眼压 力定义为破裂压力(fracture pressure )。 因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近 的应力状态(stress state )，达到稳定井眼的目的。
对于直井、均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力的情 况，井壁围岩的应力状态：
a r2 2P w 1 2 H h 1 a r2 2 1 2 H h 1 3 r a 4 4 c2 os
1 2 1 1 2 1a r2 2 f P wP p
z v 2 H h a r 2 c2 o s 1 2 1 1 2 f P w P p
打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的 是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近 产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。
井壁失稳问题的工程分类：
缩径(out of gauge holes )： 井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动；
这些事故的发生会严重拖延了钻井周期，明显增加钻井成本， 并给后续工作带来不利影响。严重时可使部分井眼报废甚至使整个 井眼报废。
二、井壁不稳定的原因及其研究方法
1、井壁不稳定的原因 如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩石的抗剪强度 (shear strength )而产生剪切破坏（shear failure,表现为井眼坍塌 扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力(collapse pressure)； 如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力 (tensile stress )大于岩石的抗拉强度(tensile strength )时，将 产生拉伸破坏（ tensile failure,表现为井漏），此时的临界井眼压 力定义为破裂压力(fracture pressure )。 因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近 的应力状态(stress state )，达到稳定井眼的目的。
对于直井、均匀水平原地应力、不考虑流体渗滤和孔隙压力的情 况，井壁围岩的应力状态：
井壁稳定问题(2)
井内泥浆对泥页岩的化学作用,最终可以归结到对 井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力 状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力 学性能,使岩石强度降低;
另一方面产生水化膨胀,如果这种膨胀受到约束便 会产生膨胀压力,从而改变近井壁的应力状态。
井内泥浆对泥页岩的作用机制不难理解,但如何将 这种化学作用带来的力学效应加以定量化,并将其同 纯力学效应结合起来研究井壁稳定性问题,过去相当 长时间的研究中没有考虑这一问题。到目前为止,国 内外关于化学力学耦合的文献很少。从文献资料来 看,其研究方法主要表现在两个方面,即实验研究和理 论研究两方面。
岩石越来越不稳定。
2) Sv > Sh1 = Sh2 地层坍塌压力与井斜方位角无关。并且, 随着井
斜角增大, 井壁坍塌压力开始变化较小,后随井斜角 的增大, 井壁坍塌压力逐渐增大。
3) Sh1 > Sv > Sh2 根据国家地震局的水压致裂的压力测量结果表明,
在钻井深度范围内, 我国绝大多数地区处于此种应力 状态。此时, 随着井斜角的增大, 井壁坍塌压力逐渐 减小, 井壁趋于稳定。
φ= 28°, C = 18M Pa, η= 1。
3) Sh1 > S v > Sh2 原始资料: Sv = 10519M Pa, Sh1 = 11218M Pa, Sh2 = 7813M Pa,
Pp = 46103M Pa, φ=2616°, C = 23195M Pa, η= 0.4。
4) Sh1 > Sh2 > Sv 处于这种原地应力状态的现场资料极为少见, 这里给定: Sv =
研究思路：
1. 钻井液与泥页岩间的化学位差是导致水进出页岩的主要驱 动力之一。 2. 化学位差导致的水进出泥页岩改变了近井眼处孔隙压力、 页岩强度、近井眼处有效应力状态, 从而导致了井壁失稳的 发生。 3. 综合考虑钻井液与页岩相互作用时的力学与化学方面的相 互影响, 建立斜井中泥页岩井眼稳定的力学、化学耦合模型。
岩石力学与井壁稳定
•泥浆密度高
•剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁
•r
•泥浆密度过大 ：地层剪切破坏 产生大量径向微 裂缝形成剪切破 碎带（造成泥浆 的大量侵入使井 壁失稳）
•
•安全泥浆密度的计算方法
•地应力
•给定的泥浆密度
•井周应力应变
•本构模型
•提高泥浆密度
•失稳
•破坏准则 •稳定
•结束
以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理 论和计算方法基本成熟
•胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起
－碎屑岩
•
•1、岩石的组构特征
3）岩石的构造
•岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在
空间上相互排列及所占的位置。
•岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔
状构造、杏仁状构造
岩石的组构特征给出岩石力学的定性 •沉性积质岩，的从构而造保：障层理我构们造的研究不出现方 •变向质性岩的的错构误造：片理构造
•
3、岩石的变形破坏规律
岩石的变形和应力受时间因素的影响。在外部条件 不变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化的现 象叫流变。
•岩石变形规律的研究就是要建立应力-应变 关系，为求解应力状态提供基础
•
3、岩石的变形破坏规律
•岩石试样的破坏形式
•
劈裂破坏
•
剪切破坏
•
延性破坏
•岩石破坏规律的研究就是要建立应力作用 下岩石是否稳定的标准
2）岩石的结构
•微结构面：存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间
的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒 间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等
•① 降低岩石强度 •② 导致岩石力学性质各向异性
•
•1、岩石的组构特征
•剪切破碎带，使得泥浆更易渗入井壁
•r
•泥浆密度过大 ：地层剪切破坏 产生大量径向微 裂缝形成剪切破 碎带（造成泥浆 的大量侵入使井 壁失稳）
•
•安全泥浆密度的计算方法
•地应力
•给定的泥浆密度
•井周应力应变
•本构模型
•提高泥浆密度
•失稳
•破坏准则 •稳定
•结束
以孔隙弹塑性力学为基础的均质地层井壁稳定性分析理 论和计算方法基本成熟
•胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起
－碎屑岩
•
•1、岩石的组构特征
3）岩石的构造
•岩石的构造：岩石的构造是指岩石组成成分在
空间上相互排列及所占的位置。
•岩浆岩的构造：块状构造、流纹状构造、气孔
状构造、杏仁状构造
岩石的组构特征给出岩石力学的定性 •沉性积质岩，的从构而造保：障层理我构们造的研究不出现方 •变向质性岩的的错构误造：片理构造
•
3、岩石的变形破坏规律
岩石的变形和应力受时间因素的影响。在外部条件 不变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化的现 象叫流变。
•岩石变形规律的研究就是要建立应力-应变 关系，为求解应力状态提供基础
•
3、岩石的变形破坏规律
•岩石试样的破坏形式
•
劈裂破坏
•
剪切破坏
•
延性破坏
•岩石破坏规律的研究就是要建立应力作用 下岩石是否稳定的标准
2）岩石的结构
•微结构面：存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间
的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒 间空隙、微裂隙、微层理及片理面、片麻理面等
•① 降低岩石强度 •② 导致岩石力学性质各向异性
•
•1、岩石的组构特征
井壁稳定分析
地层孔隙压力预测2.1 孔隙压力的预测方法地层孔隙压力是指岩石孔隙流体所具有的压力。
作为一个地质参数，孔隙压力在油气勘探、钻井工程及油气开发中占有十分重要的地位。
就钻井工程而言，孔隙压力是实现快速、安全、经济、合理钻进的一个必不可少的重要参数，因此准确的预测孔隙压力非常重要。
地层孔隙压力评价的方法很多，我们采用了国家“863”攻关项目“海洋探查与资源开发技术”中“精确的地层压力预测和监测技术”专题的研究成果，以测井资料为基础，采用高精度的地层压力预测和检测方法，进行地层孔隙压力预测计算。
在岩性和地层水变化不大的地层剖面中，正常压实地层的特点是，随着地层深度的增加，上覆岩层载荷增加，泥页岩的压实程度增大，导致地层孔隙度减小，岩石密度增大。
泥页岩的压实程度直接反应地层孔隙压力的变化。
而在目前的测井系列中，有多种测井方法都能较好地反应地层孔隙压力。
在本研究中，选用了资料来源最广、经济方便的声波时差法。
2.1.1 声波时差法解释原理声波测井测量的是弹性波在地层中的传播时间。
声波时差主要反映岩性、压实程度和孔隙度。
除了含气层的声波时差显示高值或出现周波跳跃外，它受井径、温度及地层水矿化度变化的影响比其它测井方法小得多。
所以用它评价和计算地层孔隙压力比较有效。
对岩性已知、地层水性质变化不大的地质剖面，声波时差与孔隙度之间成正比关系。
在正常压实的地层中可导出相似公式：CH 0e Δt Δt =将上式变换可得：B AH Δt +=logt ∆─深度为H 处的地层声波时差，ft s /μ；0t ∆─深度为0处的地层声波时差，ft s /μ；A 、B 、C 为系数，其中A <0，C <0。
该式即为压实地层声波时差正常趋势线公式，从式中可以直观地看出：t ∆log 与H 成线性关系，斜率是 A (A <0 )，在半对数曲线上，正常压实地层的t ∆对数值随深度呈线性减少。
如出现异常高压，t ∆散点会明显偏离正常趋势线。
[实用参考]钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术
![[实用参考]钻井地质力学环境描述及井壁稳定技术](https://img.taocdn.com/s3/m/594a2d172f60ddccda38a055.png)
– 非线弹性模型
– 多孔弹性介质模型
p
Drained test Undrained test p
对于排水实验，静水应力与体积应变的关系如下：
p K fr v
对于非排水实验，静水应力与体积应变的关系为：
C p p p K fr v M
C pp 有效应力定义： p M
v=(m-p)/K
基本概念：
塑性变形
外力去除后，变形不能恢复
•屈服函数
F(,H)<0 弹性变形
F(,H)=0 塑性变形
•应变硬化
•扩容 随着塑性应变的增加，体积增大的现象。
• 典型岩石的变形特征和破坏特性
– 常温常压下岩石的力学性质 Miller将单轴压缩应力应变曲线分为六类： 弹性变形 弹-塑性变形 塑-弹性变形 塑-弹-塑性变形 塑-弹-塑性变形 弹-塑-蠕变
z zx zy
3 y yz yx
2 x xz xy 1 1 > 2 > 3
– 偏应力和八面体应力
应力可分解为偏应力和静水应力分量 平均应力（或静水应力） m= I1/3 偏应力 Sij=ij-ij m
• 静力平衡方程
z y x y
y
y y
dy
x yx zx X 0 x y z y xy zy Y 0 y x z z xz yz Z 0 z x y
• Mohr’s stress circle
1 1 1 2 1 2 cos 2 2 2 1 1 2 sin 2 2
二、钻井地质力学环境描述
（一）弹性力学基础
物理知识应用实践之钻井井壁稳定性的力学分析
代生活和生产是相脱 节的。 如何打破基础物理 “ 无用 ”的错误偏 见？ 作者针对我校石 油类专 业学 生就业 主要 面 向油 田各 个领 域 的特
其 中，ｐ 为上覆岩层竖直方 向的平均密度 ［ ｋ ｇ ／ ｍ ２ ］． ｇ 为重力加
速度 ［ ｍ ／ ｓ ］． Ｈ为井深 ［ ｍ］ 。该 微 元 在 水平 面 内 的受 力 如 图 ２
知识和经验 ， 通过运行各种钻井设备 ，实施相应 的技术工艺 ，用钻头 在地层中形成一个规则 的井眼的过程 ，它包含有一 系列的钻井措施 和
工艺。但 是 ，钻井工程是隐蔽性很强 的地下工程 ，施工 过程中所产生 的很多问题都是不可见 的。例如 ，井壁 的稳定性 问题就是限制钻井 速 度的重要瓶颈之一。井壁如何保持稳定 ，以往 总是从岩石的化学性 质
企 业 管 理
物理知识应用实践之钻井井壁稳定性的力学分析
陈 枫 （ 山东胜利职业学院
摘
山东
东营 ２ ５ ７ ０ ０ ０ ）
要 ：井壁稳定问题是 限制钻 井速度的重要瓶 颈之一 ，为 了给钻 井现场施 工提 供强有 力的理论 基础 ，通过物理方 法，利 用柱 面坐标 ，建
立了竖直 圆柱井筒围岩力学模型 ，得到 了简化条件 下的井下岩石受 力表达式 ，指 出由于井下围岩 压力 占主导 地位 ，对造成 井壁岩石 失效的判 断
确定地层原始地应力 ，然后计算出钻井过程 形成井眼后 ，周 围地层 岩
！ ！
： 一
（ ３ ）
石的应力分布公式 ，结合地层岩石 的强度性 质数据就可确定理 论上岩 石状态被破坏 的压力 ，从而确定保持井壁稳定所需 的外 力范围 （ 主要 是钻井液液柱压力 ，可计算 出钻 井液密度 ） ，当钻井过程 中井壁 四周 地层岩石所受应力超过了岩石的强度时 ， 表现 为井壁失稳 ；当岩石井 壁 四周地层所受应力小于岩石的强 度时， 表现为井壁稳定 。 国外 已有文献对从井壁围岩的力学特性出发 ，讨论井壁 稳定性的 论述很 多，主要有 四个模 型。１ ）基 于线弹性 理论 ，通 过库伦一摩尔
其 中，ｐ 为上覆岩层竖直方 向的平均密度 ［ ｋ ｇ ／ ｍ ２ ］． ｇ 为重力加
速度 ［ ｍ ／ ｓ ］． Ｈ为井深 ［ ｍ］ 。该 微 元 在 水平 面 内 的受 力 如 图 ２
知识和经验 ， 通过运行各种钻井设备 ，实施相应 的技术工艺 ，用钻头 在地层中形成一个规则 的井眼的过程 ，它包含有一 系列的钻井措施 和
工艺。但 是 ，钻井工程是隐蔽性很强 的地下工程 ，施工 过程中所产生 的很多问题都是不可见 的。例如 ，井壁 的稳定性 问题就是限制钻井 速 度的重要瓶颈之一。井壁如何保持稳定 ，以往 总是从岩石的化学性 质
企 业 管 理
物理知识应用实践之钻井井壁稳定性的力学分析
陈 枫 （ 山东胜利职业学院
摘
山东
东营 ２ ５ ７ ０ ０ ０ ）
要 ：井壁稳定问题是 限制钻 井速度的重要瓶 颈之一 ，为 了给钻 井现场施 工提 供强有 力的理论 基础 ，通过物理方 法，利 用柱 面坐标 ，建
立了竖直 圆柱井筒围岩力学模型 ，得到 了简化条件 下的井下岩石受 力表达式 ，指 出由于井下围岩 压力 占主导 地位 ，对造成 井壁岩石 失效的判 断
确定地层原始地应力 ，然后计算出钻井过程 形成井眼后 ，周 围地层 岩
！ ！
： 一
（ ３ ）
石的应力分布公式 ，结合地层岩石 的强度性 质数据就可确定理 论上岩 石状态被破坏 的压力 ，从而确定保持井壁稳定所需 的外 力范围 （ 主要 是钻井液液柱压力 ，可计算 出钻 井液密度 ） ，当钻井过程 中井壁 四周 地层岩石所受应力超过了岩石的强度时 ， 表现 为井壁失稳 ；当岩石井 壁 四周地层所受应力小于岩石的强 度时， 表现为井壁稳定 。 国外 已有文献对从井壁围岩的力学特性出发 ，讨论井壁 稳定性的 论述很 多，主要有 四个模 型。１ ）基 于线弹性 理论 ，通 过库伦一摩尔
谈谈定向井井壁稳定问题
谈谈定向井井壁稳定问题从岩石力学、地球物理测井、工程录井、环空水力学和钻井液化学等方面分析定向井井壁稳定问题，以实现对钻井液性能、井身结构及其它工程参数的优化设计。
标签：定向井岩石应力；地层压力；地层破裂压力液柱压力数学模型引言导致井眼出现失稳问题的因素包括天然的原因和人为的原因。
在天然的原因方面包括：地质构造类型和原地应力，孔隙度渗透性及孔除中的流体压力等；在人为的原因方面包括：钻井液的性能，泥页岩化学作用的强弱，钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。
导致井眼失稳的最根本因素就是在形成井眼的过程中，井眼四周的应力场、化学力出现了变化，导致井壁应力集中的问题，致使井内钻液的压强不可以和底层的地应力重新建立起平衡的关系。
如果井内的钻井液液柱比坍塌的压力还要低的时候，井壁的岩石就会被破坏，这时候的塑性岩石会对井中产生塑性的流动，最后出现缩径的问题，而脆性的岩石就可能会发生坍塌的问题，导致井径的增大，如果当钻井液的液柱压力要比破裂时压力还要高的情况下，井壁内四周的岩石就会被拉伸导致出现井漏的问题。
此外，钻井液的密度最好是让井内的液柱和地层孔隙的压力能够互相平衡。
一、井壁应力分布因为上覆岩层的压力不能很好的和井轴重合，原来的水平地应力也就不能和井轴正交，所以井眼四周的岩石在切向正应力与法相正应力的共同作用之下处在三维应力的情况之下。
不仅正压力作用在井轴垂直平面井壁四周的岩石，剪应力也作用在井轴垂直平面与岩石之上，它们都严重的影响着井壁岩石的形态，对井壁岩石有破坏作用。
二、井壁岩石破坏准则当前许多人为拉伸断裂的机制操纵着地层的压裂情况，也就是说，如果当一个有效的主应力的大小能够与岩石拉伸的强度值相同时就会发生底层破裂的情况。
三、岩石强度参数的确定为了能够对全井段进行连续预测，仅凭室内岩心试验是不够的。
而要充分利用相关的间接资料，其中最完整的莫过于测井资料。
因此，将测井资料的处理与岩心试验结合起来，确定所需要的地层参数。
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（2）岩石的综合性质，岩石的强度(rock strength )和变形
(deformation )特征等、孔隙度(porosity )、含水量、粘土含量 (clay content )、组成和压实情况等。
（3）钻井液(drilling fluid )的综合性质，化学组成、连续
相的性质、内部相的组成和类型、与连续相有关的添加剂类型、泥
pressure)；
如果泥浆密度过高，井壁上将产生拉伸应力，当拉伸应力 (tensile stress )大于岩石的抗拉强度(tensile strength )时，将
产生拉伸破坏（ tensile failure,表现为井漏），此时的临界井眼压
力定义为破裂压力(fracture pressure )。 因此，在工程实际中，可以通过调整泥浆密度，来改变井眼附近
3、井壁失稳的原因
通过以上分析，可以发现，影响井壁稳定的因素概括起来可分为
四大类： （1）地质力学因素，原地应力状态(in site stress state )、
地层孔隙压力(formation pore pressure ) 、原地温度、地质构造特
征(geological structural feature)等。这些因素是不可改变的，只 能准确地确定它们。
4、井壁稳定的研究方法
井壁稳定性(borehole stability )的研究方法目前主要有
三种：一是泥浆化学研究，二是岩石力学研究，三是化学和力学 藕合起来研究。
泥浆化学方面研究:
从泥浆化学方面研究井壁稳定，主要研究泥页岩水化膨胀的 机理，寻找抑制泥页岩水化膨胀(hydrate expansion )的化学
浆体系的维护等。特别是对于泥页岩和泥质胶结的砂岩，钻井液对 它们的物理力学性质的影响非常的大。 （4）其它工程因素，包括打开井眼的时间、裸眼长度、井身 结构参数（井深、井斜角、方位角azimuth angle ）、压力激动和 抽吸(surge and swab pressure) 等。
这些因素和参数之间相互作用、相互影响，使井壁稳定问题变
得非常复杂。
易于发生井壁失稳的地区
高构造应力地区，如逆掩断层、山
前构造带或大倾角地层 异常高孔隙压力 水敏性地层 裂缝性地层 低强度地区
垂直于地层层理钻进井眼较稳定 对裂缝性地层，提高钻井液密度
不一定有助于防止坍塌 崩落后的井眼比圆形井眼更稳定 构造运动剧烈地区有可能通过优 化井眼方位来改善稳定性； 减少井眼裸露时间是有益的 强抑制、严封堵、合理密度是防 塌钻井液设计的方向 冷却钻井液有助于防塌
pressure )的共同作用，处于平衡状态。
打开井眼后，井内的岩石被取走，井壁岩石失去了原有的支持，取而代之的
是泥浆静液压力，在这种新条件下，井眼应力将产生重新分布，使井壁附近
产生很高的应力集中，如果岩石强度不够大，就会出现井壁不稳定现象。
井壁失稳问题的工程分类：
缩径(out of gauge holes )： 井眼压力较小，井壁岩石发生延性流动；
井漏(lost circulation )：
井眼压力大于地层破裂压力；
井塌(borehole collapse )：
井眼压力小于地层破裂压力，
同时容易发生井喷(blowout )事故。
井壁失稳问题的工程现象：
起下钻遇阻，甚至卡钻 大钩负荷加大
划眼
扭矩加大
循环时返出岩屑棱角分明
测井井径扩大
第八章
第一节
井 壁 稳 定
井壁失稳的原因及危害
在石油钻井中，井眼稳定(borehole stability )问题是世界范围内普
遍存在的问题。每年由此造成的直径经济损失达数亿美元之巨。因此 国内外许多研究机构都在致力于此项研究。
在钻井之前，深埋在地下的岩层受到上覆岩层压力（ overburden
pressure） 、最大水平地应力(maximu horizontal in site stress )、最小 水 平 地 应 力 (minimum horizontal in site stress ) 和 孔 隙 压 力 (pore
等。
这些事故的发生会严重拖延了钻井周期，明显增加钻井成本， 并给后续工作带来不利影响。严重时可使部分井眼报废甚至使整个 井眼报废。
二、井壁不稳定的原因及其研究方法
1、井壁不稳定的原因
如果井眼内的泥浆密度过低，井壁应力将超过岩的抗剪强度
(shear strength )而产生剪切破坏（shear failure,表现为井眼坍 塌扩径或屈服缩径），此时的临界井眼压力定义为坍塌压力(collapse
添加剂和泥浆体系，最大限度地减少钻井液对地层的负面影响。
力学方面的研究: 岩石力学研究主要包括原地应力状态(in site stress state )的确定、岩石力学性质(rock mechanical character)的测定、井眼围岩应力(stresses around borehole )分析，最终确定保持井眼稳定的合理泥浆密度 (mud weight )。 化学和力学藕合研究 泥浆化学和岩石力学藕合起来研究，尽可能多地搜集井 眼情况资料（如井眼何时以何种方式出现复杂情况），尽可 能准确地估计岩石的性能，确定起主要作用的参数有哪些。
这种破坏通常发生在脆性岩石中，但对于弱胶结地层由于冲蚀作用 也可能出现井眼扩大； 另一种是延性破坏，导致缩径，发生在软泥岩、砂岩、岩盐等 地层，在工程上遇到这种现象要不断地划眼，否则会出现卡钻现象。 拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可造成井喷。 实际上井壁稳定与否最终都表现在井眼围岩的应力状态。如果 井壁应力超过强度包线，井壁就要破坏；否则井壁就是稳定的。
的应力状态(stress state )，达到稳定井眼的目的。
2、井壁失稳与岩石破坏类型的关系
井壁失稳 (unstable borehole) 时岩石的破坏类型主要有两种：
拉伸破坏(tensile failure)、剪切破坏（shear failure )。 剪切破坏又分为两种类型:
一种是脆性破坏，导致井眼扩大，这会给固井、测井带来问题。
一、井壁不稳定的危害
在我国各大油田的长期勘探开发过程中，井壁不稳定问题一直
比较突出。如环渤海湾地区主要表现为馆陶、明化镇组泥页岩地层 的水化膨胀，造成缩径卡钻事故；东营底、沙河街、孔店组泥页岩
地层的剥落掉块，造成井径扩大(out of gauge hole )、坍塌卡钻
(stuck drill pipe ) 、电测质量低下、固井不合格等工程事故； 一些特殊层位如：生物灰岩、裂隙性玄武岩、软弱砂岩的井塌井漏