井壁稳定
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。
准噶尔盆地玛湖1井区井壁稳定技术
准噶尔盆地玛湖1井区井壁稳定技术摘要：玛湖1井区位于准噶尔盆地中央坳陷玛湖凹陷南斜坡，目的层位：二叠系上乌尔禾组P3w22油藏，因老区大面积压裂，储层改造使原始地层压力已经破坏，钻开井眼后井壁失稳导致井塌、井漏复杂增加，成为制约油气勘探开发速度的主要技术瓶颈。
关键词：玛湖1井区；上乌尔禾组；井塌、井漏；井壁失稳。
井壁稳定主要是井眼受到地质的因素、钻井作业的因素以及泥页岩和钻井液的不稳定因素等方面影响而出现井壁失稳现象。
井壁稳定的关健是:准确掌握地层岩石坍塌应力，科学确定所用泥浆密度, 并使钻井液静液柱压力作用于井壁以有效平衡井壁坍塌压力，2023年玛湖1井区部署17口井，在钻井施工中有10口井出现井壁失稳大段划眼，延误工期。
其中MHD1001井,MHD1002井,MHD1005井复杂时率分别为42%、51%、52%。
都以垮塌掉块的井壁失稳形式表现导致回填侧钻。
一、玛湖1井区井壁失稳原因分析1、地质原因造成失稳：地层构造是造成井壁失稳现象的一个主要原因。
玛湖1井区，设计为二开井施工，一开0-500米，设计钻井液密度为1.10-1.20g/cm3，下套管前将密度提高 1.18-1.20g/cm3，配制稠段塞20m3(FV≥100 s，ρ=1.20 g/cm3)清洁井眼。
二开500-3990米，钻井液密度设计为1.15~1.35g/cm3现场施工中根据dc指数压力监测的结果，并结合实际钻井情况合理调整钻井完井液密度，二开井段施工主要在八道湾组地层疏松、煤层发育，克上、克下组砂砾岩泥岩互层交接疏松；目的层上乌尔禾组砂层较薄，泥岩砂岩互层较多，并存在裂缝发育，承压能力弱，垮塌掉块严重，阻卡频繁，引发的井下复杂事故频繁发生上乌尔禾组地层主要由泥岩、砂砾岩组成，胶结性差，粘土矿物含量少，遇水后粘土水化分散，砂砾岩分散成细砂和砾石使岩石崩散，岩石受到拉伸或挤压、剪切力的作用会产生断裂，诱掉掉块的发生，地层胶结能力变差，此外地层中可能存在着层里裂缝，微裂缝在井下与钻井液接触时，钻井液中的水沿着微微裂缝进入地层，引起地层水化膨胀，使井壁周围地层中的粘土矿物进一步渗透水化造成井壁失稳垮塌的重要原因。
威远地区页岩气水平钻井井壁稳定影响因素分析
威远地区页岩气水平钻井井壁稳定影响因素分析威远地区是四川盆地页岩气资源非常丰富的地区之一，页岩气水平钻井井壁稳定性是页岩气开发中一个重要的问题。
本文将对威远地区页岩气水平钻井井壁稳定的影响因素进行分析，以期为页岩气开发提供参考。
一、地质条件威远地区处于四川盆地西北缘，地处成都、绵阳、广元三市的交汇处，其地质构造以隆起为主。
该地区的页岩气储层主要分布在下侏罗统和中侏罗统地层，页岩气储层岩性为泥页岩和页岩，孔隙度较小，渗透率较低。
受地质构造和构造运动的影响，地下应力复杂，存在较大的地应力梯度，这是影响井壁稳定性的主要地质因素之一。
三、钻井液性能钻井液在水平钻井中起着非常重要的作用，其性能直接影响到井壁的稳定性。
在威远地区页岩气水平钻井中，由于地层的特殊性，通常会选择高密度、高黏度的钻井液，以增加井壁支撑力和稳定性。
还需要加入一定的井壁保护剂和抑制剂，以减小井壁的侵蚀和破坏，提高井壁的稳定性。
四、施工工艺水平钻井的施工工艺对井壁稳定性也有很大的影响。
在威远地区进行页岩气水平钻井时，需要选择合适的钻具和施工工艺，以减小地下应力的影响和地质构造的影响，提高井壁的稳定性。
还需要对井眼进行定向和轨迹控制，以保证钻井的顺利进行和井壁的稳定性。
五、温度和压力在页岩气水平钻井中，地层的温度和压力也是影响井壁稳定性的重要因素。
在威远地区，由于地层深度较大，地温和地压较高，这就对钻井液的性能和钻具的选择提出了更高的要求。
还需要加强对井眼周围地层的分析和评价，以确定井壁稳定的技术措施和支撑材料。
威远地区页岩气水平钻井井壁稳定的影响因素包括地质条件、井筒结构、钻井液性能、施工工艺和温度压力等多个方面。
针对这些影响因素，需要选择合适的技术措施和支撑材料，以保证页岩气水平钻井的顺利进行和井壁的稳定性。
希望本文的分析能为威远地区页岩气开发提供一定的参考和指导。
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。
钻井工程井壁稳定新技术
钻井工程井壁稳定新技术井壁稳定问题包括钻井过程中的井壁坍塌或缩径（由于岩石的剪切破坏或塑性流动）和地层破裂或压裂（由于岩石的拉伸破裂）两种类型。
一、化学因素井壁稳定机理：1、温度和压力对泥岩水化膨胀性能的影响：膨润土水化膨胀速率和膨胀量随着温度的增高而明显的提高，尤其当温度超过120℃时，膨胀曲线形状有较大的变化，膨润土的膨胀程度随着压力的增高而明显下降。
2、泥页岩水化在10～24h范围内出现Na＋突然释放现象，阳离子释放总量及Na＋释放所占的比例越高，泥页岩越易分散，就越易引起井塌。
3、PH值水溶液中PH值低于9时，影响不大，PH值继续增加，泥岩岩水化膨胀加剧，促使泥页岩坍塌。
4、活度与半透膜对泥页岩水化的影响水基钻井液可通过加入无机盐降低活度来减缓泥岩水化膨胀；半透膜影响存有争议。
二、各种防塌处理剂稳定井壁机理1、K+防塌机理一是离子交换，另一是晶格固定，对不同类型的泥页岩，其作用方式不相同，随着PH值的增高，混入Ga2+、Na +等离子浓度的增加，会阻碍对泥页岩的固定作用。
钾离子主要对于蒙皂石等高活性粘土矿物起抑制作用。
2、硅酸盐类稳定剂（1）硅酸盐稳定粘土机理：1）主要机理：尺寸较宽的硅酸粒子通过吸附、扩散等途径结合到粘土晶层端部，堵塞粘土层片间的缝隙，抑制粘土的水化，从而稳定粘土，在某些极端的应用条件（如高温、长时间接触等）下，硅酸盐能与粘土进行化学反应长身无定形的、胶结力很大的物质，使粘土等矿物颗粒凝结层牢固的整体。
2）次要机理：负电性硅酸粒子结合到已经预水化的粘土颗粒端部，使其电动电位升高，粘度、切力和滤失量下降，有利于形成薄而韧的泥饼。
（2）硅粒子防塌机理有机硅在泥岩表面迅速展开，形成薄膜，在一定温度下，有机硅中的—Si—OH基和粘土表面的—Si—OH基缩合脱水形成—Si—O—Si—键，在粘土表面形成一种很强的化学吸附作用，同时有机硅中的有机基团有憎水作用，使粘土表面发生润湿反转，从而使泥岩水化得到控制。
08井壁稳定性1
2)、再将坐标x1、y1、 z1以y1为轴，按右手定则 旋转Ψ角，变为x、y、z 坐标。
Ω
φ
22
8.3 斜井的井壁稳定分析
变换后的坐标关系
x cos cos cos sin sin 1 y sin cos 0 2 z sin cos sin sin cos 3
推 导
23
8.3 斜井的井壁稳定分析
变换后，地应力的六个分量为：
xx yy zz xy xz yz cos2 ( H1 cos2 H 2 sin 2 ) v sin 2 sin 2 ( H1 cos2 H 2 sin 2 ) v cos2 cos sin ( H1 cos2 H 2 sin 2 v ) sin cos sin ( H1 H 2 ) cos cos sin ( H1 H 2 ) H1 sin 2 H 2 cos2
支不低于60亿美元。
保持井壁稳定一直钻井技术中一个十分重要的课题，在我国 表现十分普遍，对油田开发生产带来了很大影响。
1
8.1井壁失稳的原因及危害
新疆、塔里木、吐哈油田：破碎带易发生坍塌卡钻事故、凝灰岩微细 川东北：嘉陵江组普遍存在高压地层，飞仙关组气层多为高含 渤海海域：明化镇组泥岩地层坍塌，井下阻卡严重； 南海西部海域：涠二段层理性泥页岩层理发育，定向钻井坍塌严重； 中原油田、垦利11-2构造：塑性地层缩径，卡钻、套损严重； 裂缝发育，易塌易漏；水平井造斜段煤层垮塌、泥岩遇阻。 硫气层；钻井施工过程中易发生斜、漏、塌、卡等复杂情况；
物理知识应用实践之钻井井壁稳定性的力学分析
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
浅谈通过物理化学方法控制水平井井壁稳定
浅谈通过物理化学方法控制水平井井壁稳定摘要：泥页岩井壁不稳定是钻井作业中的一大难题，水平井作业中该问题尤为突出，为了更好的控制水平井钻井施工过程中的井壁坍塌问题，本文抛开力学原因（即钻井液密度）造成的井塌，从物理化学角度出发，研究分析井塌控制方法。
本文先后对泥岩水化效应、钻井液滤失量、滤饼物性等方面进行分析，通过对钻井液组分的调整，优化了以上特性，达到了控制井壁坍塌的目的，同时也避免了单一的利用密度控制井塌后密度过高所产生的副作用。
关键词：水平井泥岩钻井液滤失量滤饼1、泥岩水化效应对井壁稳定的影响水基钻井液与泥页岩之间会产生水化作用并改变泥页岩中的应力状态和岩石强度，泥页岩的水化问题实际上是由于渗透水化作用引起的，渗透有两层含义，一是指流体在压差作用下在孔隙介质中运移，另一个是指泥页岩井壁存在半透膜特性，由于膜两侧流体的化学势不同而导致流体穿过半透膜发生运移，所以只有进行钻井液化学和井壁围岩力学的耦合研究，才能确定出在给定钻井液下保持井壁稳定所需的合理钻井液密度。
然而，泥页岩并不是理想的半透膜，它不仅允许水通过，也允许部分溶质通过，水和溶质的运移改变了体系中各组分的化学势，泥页岩孔隙中流体的浓度不再是一个常数，建立了一个将水和溶质耦合流动结合到井壁稳定计算中的模型，其数值模拟结果表明，化学作用对井壁稳定有重要影响，从该模型中可以计算出给定泥页岩地层的防塌钻井液密度。
2、钻井液滤失量及滤饼物性对井壁稳定的影响2.1钻井液滤失量从比亲水量、能量守恒以及岩石断裂力学等方面分析了钻井液封堵特性和滤失量对防止井壁坍塌的重要作用。
根据现场实例指出：岩石内部微裂纹在应力作用下的扩展促进了微裂纹的连接，随之侵入的钻井液滤液与岩石间的物理化学反应使岩石内能增加进一步加速了岩石裂纹的扩展，是造成井壁坍塌和失稳的主要原因。
因此，加强钻井液封堵性能，降低钻井液滤失量，防止岩石与钻井液滤液间的物理化学作用是防止井壁坍塌的重要途径。
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井壁稳定问题是钻井工程中经常遇到的一个十分复杂的难题，随着勘探领域向新区扩展, 钻遇地层日趋复杂, 井壁不稳定已成为实现勘探目的的障碍。
由于这些地区地层所造成的井壁不稳定, 既影响了钻井速度与测井、固井质量, 又使部分地区无法钻达目的层,影响勘探目的实现。
地层矿物组分与理化性能是研究井壁不稳定机理与技术对策的基础。
1、地层组构分析
利用X射线衍射、扫描电镜、薄片分析、透射电镜及测井资料对地层矿物组分、矿物分布层理、裂隙发育状况进行分析。
2、地层理化性能分析方法
岩石密度、阳离子交换容量、膨胀率、分散性(滚动试验法与C ST 法)页岩稳定指数、比表面积、夸电位、活度、可溶性盐类、胶体含量、岩石强度与硬度及地层压力系数等。
3、井壁稳定问题
钻井过程中的井壁坍塌或缩径(由于岩石的剪切破坏或塑性流动)和地层破裂或压裂(由于岩石的拉伸破裂)两种类型。
井壁不稳定间题是力学问题, 又是化学问题, 归根结底仍是力学问题。
1、化学因素
井壁不稳定的原因及研究方法
1、井壁不稳定的原因
如果经验内的泥浆密度过低，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），可以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。
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的划地眼，否则会出现卡钻现象。
拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可能造成井喷。
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。
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以分为四大类；（1）地质力学因素，原地应力状态、地层空隙压力、原地温度、地质构造特征
等。
（2）岩石的综合性质，岩石的强度和变形特征等、孔隙度、含水量、粘土含量、组成和压实情况等。
(3)钻井液的综合性质，化学组成，连续相的性质、内部的组成和类型、与连续相有关的添加剂类型、泥浆体系的维护等。
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影响非常大。
（4）其他工程因素，包括打开井眼的时间、裸眼长度、井身结构参数、压力激动和抽吸等。
4、井壁稳定的方法
井壁稳定性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，三是化学和力学耦合研究。
泥浆化学方面的研究：
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的化学添加剂和泥浆体系，最大限度地减少钻井液对底层的负面影响。
力学方面的研究：
岩石力学研究主要包括原地应力状态的确定、岩石力学性质的测定、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，尽可能多地搜集井眼情况情况资料，尽可能准确的估计岩石的性能，确定起主要的作用作用参数有哪些。