钻井中井壁不稳定因素浅析

钻井中井壁不稳定因素浅析

摘要：钻进生产中井壁失稳最为常见，机理复杂，难于预防。对井壁失稳机理重新认识，为井壁稳定技术对策提供依据。

关键词：井壁不稳定；水化膨胀；坍塌压力

井壁不稳定是指钻井或完井过程中的井壁坍塌、缩径、地层压裂三种基本类型，是影响井下安全的主要因素之一。

一、井壁不稳定地层的特征

钻井过程中所钻遇的地层，如泥页岩、砂质或粉砂质泥岩、流砂、砂岩、泥质砂岩或粉砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、灰岩等均可能发生井壁不稳定。但井塌大多发生在泥页岩地层中，约占90%以上。缩径大多发生在蒙皂石含量高含水量大的浅层泥岩、盐膏层、含盐膏软泥岩、高渗透性砂岩或粉砂岩、沥青等类地层中。

二、坍塌地层的特征

井塌可能发生在各种岩性、不同粘土矿物种类及含量的地层中；但严重井塌往往发生在具有下述特征的地层中：（1）层理裂隙发育或破碎的各种岩性地层；（2）孔隙压力异常泥页岩；（3）处于强地应力作用地区；（4）厚度大的泥岩层；（5）生油层；（6）成岩第一或第二脱水带；（7）倾角大易发生井斜的地层；（8）含水量高的泥岩或砂岩、粉砂岩等。

三、井壁不稳定实质是力学不稳定问题

井壁不稳定根本原因是钻井液作用在地层的压力地层破裂压力，从而造成井壁岩石所受的应力超过岩石本身强度，引起井壁不稳定。钻井液与地层所发生物理化学作用，最终均因造成地层坍塌压力增高和破裂压力降低，而引起井壁不稳定。

四、井壁失稳原因探讨

1.力学因素

地层被钻开之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力的作用下，处于应力平衡状态。当井眼被钻开后，井内钻井液作用于井壁的压力取代了所钻岩层原先对井壁岩石的支撑，破坏了地层和原有应力平衡，引起井壁周围应力的重新分布；如井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏，对于脆性地层就会发生坍塌，井径扩大；而对于塑性地层，则发生塑性变形，造成缩径。我们把井壁发生剪切破坏的临界井眼压力称为坍塌压力，此时的钻井

液密度称为坍塌压力当量钻井液密度。

1.1影响地层的坍塌压力因素

①地应力的影响。由于地质构造运动等原因使地壳物质产生的内应力效应，这种应力称为地应力。地应力是造成井壁岩石破坏的根本力源。井壁总是沿着最小地应力方向坍塌，其坍塌压力不仅与地应力大小有关，随地应力的增大而增大；而且还与地应力的非均匀性有关，随着地应力非均匀系数的增加而增大。

②地层强度的影响。地层坍塌是由于井壁岩石所受到的应力超过岩石强度而引起的，因而坍塌压力与地层强度密切相关。地层的坍塌压力随地层的强度系数和内摩擦角的增大而下降。

③孔隙压力的影响。地层的坍塌压力与破裂压力均随着孔隙压力的增加而增大，但破裂压力的增长速度小于坍塌压力，因此随着孔隙压力的增加，安全钻进的钻井液密度范围变小。

④地层渗透性的影响。如是渗透性地层，钻井液就会向地层渗透而产生渗透压力，导致井壁周围的孔隙压力发生变化，从而引起地层的坍塌压力增大。

⑤井径扩大率的影响。考虑到实际钻井过程中允许地层有一定程度的坍塌，则所需的钻井液密度可适当降低。

⑥地层破碎程度的影响。地层层理裂隙越发育或越破碎，钻井液越容易进入，进入深度亦越大，造成坍塌压力增高，井壁亦更易坍塌。

⑦井斜角和方位角的影响。当sh1>上覆应力>sh2时，随着井斜角增大，坍塌压力减小，破裂压力增大；如上覆应力>sh1>sh2，则随着井斜角增大，坍塌压力增大，而破裂压力减小。坍塌压力随方位角的增大而增大，但当井斜到90°时，则坍塌压力随方位角增大先增大，而后又略为下降。

⑧钻井液的组成与性能的影响。钻井过程中，当钻井液与井壁地层接触，会产生非常复杂的物理、物理化学作用，最终导致地层坍塌压力增高。

1.2造成井壁不稳定的力学因素

①钻进坍塌层时钻井液密度低于地层坍塌压力的当量钻井液密度；GH2井采用钻井液密度1.15g/cm3，低于地层坍塌压力系数，井壁坍塌，无法钻达目的层，工程报废；GH3井钻井液密度1.30g/cm3，高于地层坍塌压力系数，顺利钻达目的层，实现勘探目的。

②钻井液密度过高；钻井过程中，如所采用的钻井液密度过高，大大超过地层孔隙压力，就会对井壁形成较大的压差，从而增加了钻井液滤液进入地层的数量，加剧地层中粘土矿物水化，引起地层孔隙压力的增加，围岩强度的降低，最

终导致地层坍塌压力增大，当坍塌压力当量密度超过钻井液密度，井壁就会发生力学不稳定，造成井塌。特别是在钻高破碎性地层时，当所使用的钻井液密度合适时，围绕井壁的应力集中，闭合了所有的径向接合面，因此封闭了井壁，钻井液不能进入裂隙网；当钻井液密度增高超过临界值时，径向接合面逐渐由闭合状态变为开启状态，与此同时切向接合面闭合；由于钻井液进入，引起地层孔隙压力增高，一部分裂隙网变得易被钻井液侵入，相应的结合面被增压，单元变得松散；这样岩石就容易被循环钻井液和井底钻具组合的冲击而坍塌。

③钻井液密度过低不能控制岩盐层、含盐软泥岩和高含水软泥岩的塑性变形；

④起钻时的抽吸作用造成作用于井壁的钻井液压力低于地层坍塌压力；

⑤井喷或井漏导致井筒中液柱压力低于地层坍塌压力。

2.物理化学因素

①地层的组成。井壁不稳定可以发生在各种岩性的地层中，岩石均由非粘土矿物（如石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等）、晶态粘土矿物（如蒙皂石、伊利石、伊蒙间层、绿泥石、绿蒙间层、高岭石等）和非晶态粘土矿物（如蛋白石等）等所组成，但不同岩性地层所含的矿物类型和含量不完全相同。对井壁稳定性发生影响的主要组分是地层中所含的粘土矿物。

②钻井液滤液进入地层的驱动力。地层被钻开后，在井筒中钻井液与地层孔隙流体之间的压差、化学势差（取决于钻井液与地层流体之间的活度差和地层的半透膜效率）和地层毛细管力（取决于岩石的表面性质）的驱动下，钻井液滤液进入井壁地层，引起地层中粘土矿物水化膨胀，导致井壁不稳定。

③粘土的水化机理。地层中的粘土矿物与水接触发生水化膨胀是由表面水化、离子水化、渗透水化力三种机理造成。

④影响地层水化作用的因素。地层中粘土矿物种类、含量和可交换阳离子种类；粘土晶体部位；地层中所含的无机盐种类与含量；地层中层理裂隙发育程度；温度、压力、时间；钻井液的组成与性能。

⑤地层水化膨胀对井壁稳定的影响。钻井过程中，当钻井液与井壁地层接触，会产生非常复杂的物理、物理化学作用。概括起来，表现为两方面：A.孔隙压力升高。钻井液滤液进入地层，由于压力传递和滤液与地层粘土矿物之间通过水化作用产生水化应力，引起井壁地层孔隙压力的升高。B.近井筒地层力学性质变化。钻井液滤液进入地层，引起地层中含水量升高，导致地层力学性质发生变化。

3.工程技术措施

（1）合理的井身结构；（2）井内压力激动过大；（3）井内液柱压力大幅度