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
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
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。
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
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
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。
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
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
（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
得非常复杂。
Hale Waihona Puke Baidu
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
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。
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
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；
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。
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
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
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。
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
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
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。
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
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
（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
得非常复杂。
Hale Waihona Puke Baidu
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
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。
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
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；
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。
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