井壁稳定的影响因素及预防措施
井壁防护措施
井壁防护措施1. 引言井壁是在采矿和建筑行业中常见的结构物，其存在一定的安全隐患。
为了保障工作人员的安全，采取适当的井壁防护措施至关重要。
本文将介绍一些常见的井壁防护措施。
2. 监测和评估在进行任何井壁工作之前，必须对井壁进行全面的监测和评估。
这包括确定井壁的稳定性，并记录任何可疑或危险的地方。
监测可以通过使用仪器来测量井壁的位移和压力变化来进行。
3. 加固井壁根据监测和评估的结果，必要时需要加固井壁。
加固措施可能包括使用加固材料（如钢筋混凝土）或其他支撑结构，以增强井壁的稳定性和承载能力。
加固工作应由经验丰富的专业人员进行，并按照相关标准和规范进行。
4. 使用防护设备在进行井壁工作时，必须使用适当的防护设备来保护工作人员的安全。
这包括佩戴头盔、安全带、防滑鞋等个人防护装备，以及设置防护栏杆和安全网等集体防护设备。
工作人员应接受必要的培训，正确使用和维护这些设备。
5. 定期检查和维护井壁的安全状况可能会随时间的推移而发生变化。
因此，定期检查和维护井壁非常重要。
检查应包括检查井壁的表面状况、排水情况、附近环境等。
如果发现任何损坏或变形迹象，应立即采取适当的修复措施。
6. 紧急应对措施尽管已经采取了防护措施，但意外情况仍然可能发生。
因此，在井壁工作现场应制定和实施紧急应对措施。
这包括制定逃生计划、准备应急设备、培训工作人员等。
工作人员应熟悉这些措施，并知道如何应对可能的紧急情况。
结论井壁防护措施是确保工作人员安全的重要步骤。
通过监测和评估、加固井壁、使用防护设备、定期检查维护以及制定紧急应对措施，可以降低井壁工作的风险并保证工作人员的安全。
所有这些措施应根据相关标准和规范进行，并由专业人员执行。
钻井井壁失稳的原因分析及预防处理探讨
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泥浆的不稳定因素等方面影响而出现的井壁失稳现象。
钻井过程进行的是复杂的地下工程，很多问题不能完全预估，对地下情况的分析并不是完整、系统的，研究人员一直致力于分析井壁的稳定机理，争取在稳定井壁的技术上获得新的突破，减少钻井事故的发生。
1 钻井井壁失稳问题的研究现状1.1 国外研究现状分析国外研究人员为解决井壁失稳的问题，早在本世纪40年代就提出将井壁从化学和力学两个角度分开研究，在理论方面进行定性的分析。
现场研究人员根据测井的相关资料从应用的角度提出稳固井壁的一些方法，70年代利用测井的数据来分析力学问题，井眼力学、岩石力学和测井力学稳定性等技术逐渐开发出来。
80年代以后，水平井和大位移井应用发展，对井壁稳定性的研究逐渐进入到定量化，并进行的现场应用。
1.2 国内研究现状分析 我国在钻井井壁稳定方面的研究比国外要晚，80年代初主要通过岩石力学分析地层蠕变对套管造成的破坏问题，直到90年代才在井壁稳固方面有所研究。
黄荣樽等人分析了水平井井壁力学和大斜度井的井壁受力情况，并建立相应的模型，计算井壁渗透性造成的坍塌压力。
之后石油大学岩石力学研究人员又研究了泥页岩的井壁坍塌力学问题。
还有学者根据损伤力学的理论建立硬脆性泥页岩的本构方程；在实验的基础上，用固体力学的方式建立膨胀性泥页岩水化的本构方程。
逐渐研究出选择合适的钻井液密度来解决井壁稳定问题的新方法[1]。
2 造成井壁失稳的原因分析2.1 地质原因造成失稳除高压油气层以外，地层的构造是造成井壁失稳现象的一个主要原因。
受到原始地应力的影响，地壳运动导致地层之间产生构造应力，岩石受到挤压或拉伸力、剪切力的作用会产生断裂等现象，从而将能量释放出来，有时候构造应力的大小未能使岩石破裂，而是以潜能的形式隐藏在岩石结构之中，遇到一定的条件就会显现。
岩石自身性质差别，孔隙内的压力也各有不同，受温度和压力的影响，孔隙内会隐藏高压，如生油岩、泥页岩等，孔隙压力达到一定值时会产生高压气体，使岩石崩散。
非开挖钻井孔壁的稳定因素
非开挖钻井孔壁的稳定因素许多非开挖钻孔程度不同地存在着孔壁失稳的情况，表现为钻孔缩径、垮塌、超径，常常导致成孔困难、铺管阻力大、施工效率低，严重的甚至造成地面塌陷和地下、地上相邻构筑物的破坏。
为解决此类问题，我们结合非开挖工程特定的地质环境、工艺条件和技术措施，对影响非开挖钻孔孔壁稳定的主要因素进行较全面的分析，为采取相应的技术措施提供有用的依据。
1.土的性质非开挖铺管是在浅地层中实施，所遇到的地层除了有相对稳定的粘土层外，还有砂砾土、水敏性土和溶蚀性土等不稳定土层。
各类土层的物理、力学和化学性质差异较大。
在砂层、砾石、卵石以及破碎带地层中，成孔的难度很大。
这类地层称为机械分散地层。
由于颗粒之间胶结较差，钻进、扩孔和铺管时孔壁很容易坍塌。
在水敏性土中成孔，突出问题是孔壁的遇水膨胀、缩径，甚至流散、垮孔。
其原因是该类粘土中富含易水化的蒙脱石粘土矿物，使近孔壁地层接触到钻井液中的水时，即发生粘土的吸水、膨胀、分散，导致钻孔的缩径直至失稳破坏。
溶蚀性地层以富含氯化钠的盐渍土最为典型，其他还有钾盐、石膏、芒硝、天然碱等。
这类地层又称为水溶性地层，它遇到钻井液中的水，就会发生溶解，使钻井井壁溶蚀掉，其结果经常导致孔眼超径和严重垮塌。
1.地层压力地层压力也是决定非开挖钻孔稳定性的主要客观因素。
它主要体现为非开挖孔壁处的垂直应力бv和水平应力бh。
垂直应力由上覆地层的加权重度γ和深度h决定，即бv＝γh。
水平应力由垂直应力和测压力系数λ决定，即бh＝λбv。
不同的地质情况下侧压力系数差别很大，可以采用工程勘察中的原位测试确定，也可对岩土样进行室内土工实验获得泊松比µ（0～0.5），再由λ＝1/（1-µ）确定。
一般情况下，土层越稀软，泊松比越大，侧向变形缩径越严重。
1.地面动载荷地面动荷载一般包括地震、机械振动、车辆运行、爆炸、夯击等。
在动荷载作用下，土内产生新的应力使土粒移动，形成的新的弹塑性变形，甚至破坏土粒间的接触关系。
井壁失稳与坍塌卡钻预防及处理
井壁失稳与坍塌卡钻预防及处理1．井壁坍塌发生的原因（1）由于地质构造力造成的井壁坍塌。
如所钻井处在地层断裂带、褶皱、地层滑动上升或下降、地层倾角大地区。
此类坍塌在塔里木油田山前地区井表现较为突出，而且处理难度也较大。
（2）在欠压实地层井段，由于地层胶结不好而形成的坍塌，如流沙层。
（3）煤系地层和泥页岩地层的坍塌，在塔里木油田表现较为突出。
（4）复合盐岩层盐溶后，充填在复合盐层中的砂泥岩薄夹层失去支撑，引发的井壁坍塌。
（5）泥页岩孔隙压力异常，高压油气水层引发的井壁坍塌。
（6）水化膨胀是引起地层坍塌的重要原因。
这主要是由于粘土吸收钻井液中的水分子造成的。
由于普遍使用水基钻井液，因此，泥页岩水化膨胀始终是存在的，只是其轻重程度不同而已。
（7）由于钻井液密度低，不能平衡地层坍塌压力。
钻井液体系和性能不能满足井下情况的需要，与地层特性不适应，引发的井壁坍塌。
（8）井身质量对井壁坍塌有一定影响，如狗腿严重井，无论是起下钻还是钻进中，由于钻具与井壁碰撞、蹭刮造成的井壁失稳，在定向井、水平井中表现较为突出。
（9）由于起钻中未按规定灌好钻井液，或因激动、抽汲压力过大，进行某项作业时降低了钻井液液柱压力（如中途测试），而引发的井壁坍塌。
（10）溢流、井喷后引发的井壁坍塌。
（11）井漏后，由于钻井液液柱压力下降造成的井壁坍塌。
2．井壁失稳与坍塌卡钻的预防井壁坍塌在钻进、起下钻和其它作业中都可能发生。
井壁坍塌造成的卡钻是处理难度较大的井下事故。
（1）选用合适的钻井液体系，强化钻井液防塌性能，如硅酸盐体系、钾基钻井液体系，加足防塌、封堵材料，严格控制钻井液滤失量，并在设计范围内适当提高钻井液密度、粘度，提高钻井液携砂能力。
（2）控制起下钻速度，降低抽汲压力和激动压力；起钻时按规定要求灌好钻井液；在进行其它作业时，要控制好钻井液液柱压力降低对井壁稳定的影响；要避免在易坍塌井段长时间循环钻井液。
（3）在易坍塌井段钻进时，要适当控制排量、泵压。
6-、井壁稳定性解析
[1] ( Max
Pp ) ( Min
Pp
)1 1
Sin Sin
[c ]
2cCos 1 Sin
则井壁稳定性系数：
K
[ 1] [ c ]
[c]为岩石允许承载的能力，[1]为岩石实际承受载荷。 当K>1时，井眼发生塑性变形；
当K＝1时，岩石处于极限平衡态;
当K1时，井壁稳定。
井壁稳定性判别模型
P
( H
h ) (1
2
R 2 ) ( H
r2
h ) (1 3R4 ) cos2
2
r4
[
(1
2
)
2(1 )
(1
R2 r2
)
](P
Pp
)
h min
A
A
h max
井壁稳定性判别模型 Mohr-coulomb准则--剪切破坏判别准则
Shear Stress Shear Stress
q´
井壁失稳的表现形式
井 壁 不稳定
漏失
缩径 、扩 径
张性破裂
剪切破坏 盐岩蠕变 泥岩水化膨胀
•井眼周围岩石所受载荷不平衡引起
井壁稳定性原理
原地应力状态 力学本构方程
井眼周围地层的受力状态
强度判
井
别准则
壁
井眼周围地层能够承受的力
稳 定
岩石的强度
井眼周围地层应力状态
意义？
井壁稳定性分析及安全泥浆密度窗 口的确定基础
井 壁 失 稳 常 见 力 学 模 式
(a) z r
(b) z r
(c) z r
(d) r z
(e) r 且 t
(f) r 且 r t
钻井过程中井壁失稳的原因分析及预防探讨
钻井过程中井壁失稳的原因分析及预防探讨作者：唐伦帅方曦来源：《中国化工贸易·中旬刊》2017年第09期摘要：钻井施工过程中，井壁失稳的原因是错综复杂的，有力学的原因，有化学的原因，还有工程方面的原因。
本文主要是从这个三个方面入手对井壁失稳的原因展开分析，探讨从合理选择钻井液密度、优选防塌剂和完善工程措施三个方面保障井壁稳定，提升钻井施工效率和安全性。
关键词：钻井；井壁失稳；钻井液钻井过程中井壁失稳易造成井壁垮塌、缩径、漏失、卡钻及储层污染等井下事故，严重制约了油气田勘探开发的发展。
在油气勘探开发中钻井费用占了勘探开发总费用的50%～80%。
井壁失稳的原因是错综复杂的，有力学的原因，有化学的原因，还有工程方面的原因，总之是地层原地应力状态、井筒液柱压力、地层岩石力学特性、钻井液性能以及工程施工等多因素综合作用的结果。
1 井壁失稳的原因井壁失稳问题的诱因很多，概括起来可分为天然和人为两个方面：天然因素主要有地层岩性、地层强度、粘土矿物的类型、地层倾角、孔隙度以及孔隙流体压力等；人为可控因素主要有钻井液的性能、地层裸眼时间、钻井液的对井壁的冲刷作用、激动压力、井眼轨迹等。
1.1 力学因素井内钻井液液柱压力起到了一定的支撑所钻岩层原本提供的支撑作用，井壁处原本的三向应力平衡被破坏，使得井眼周围应力重新分布。
当井内液柱压力小于地层孔隙压力时，可能使井壁岩石产生剪切破坏，对于塑性岩石这个时候通常会导致缩径问题，而脆性岩石则会产生坍塌掉块，造成复杂情况。
地层强度对浅井井壁稳定性有着显著的影响，大幅度提高钻井液密度可以解决如浅部地层强度太低的问题。
但是对于深部泥页岩地层，由于其具有极强的粘土矿物的水敏性，简单依靠增大钻井液密度来平衡地层压力是不可取的，甚至会造成井漏或者垮塌。
1.2 化学因素泥页岩主要由水敏性粘土矿物组成，其与钻井液中的水的相互作用是必然的。
由于泥页岩结构和组分上的特点，采用不同的钻井液体系，这种作用的差别也是很大的，离子交换作用、渗透作用、水沿泥页岩的微裂隙的侵人以及毛管力作用产生的渗析强度都有明显影响。
钻井井壁失稳的原因分析及预防处理
1411 井壁失稳的原因对井眼失稳的原因进行理论分析，主要是因为在形成过程中发生了应力场的改变，出现井壁应力集中，地层的地应力无法与井内钻井液柱压力平衡。
井壁失稳的原因主要包括地质、物理化学以及钻井工艺3个方面。
地质方面的原因主要包括原始地应力、岩石本身性质、泥页岩孔隙压力异常等。
在地壳运动作用下，剪切、拉伸和挤压等构造力会随着部位不同而不同，在超过岩石强度的情况下就会出现断裂，在未达到断裂极限值时，就会在岩石内储存，形成潜能。
沉积岩包括玄武岩、凝灰岩、石灰岩、泥页岩、砾岩和砂岩等，在不同的压实程度、胶结程度、埋藏时间、矿物成分以及沉积环境下会呈现不同的特性。
泥页岩成岩过程中，在压力和温度影响下，黏土表面的强结合水会因脱离而形成自由水，在封闭环境中无法排出而形成高压。
在地层空隙压力超过液柱压力的情况下就会释放空隙压力，在足够大的裂缝和孔隙下就会形成连通而将液体流入井内。
分析井壁失稳坍塌卡钻的原因，在物理化学方面主要与水相关，因流体静压力、毛细管作用和水化膨胀等，在使用水基钻井液的情况下就会导致坍塌和水化膨胀等问题。
泥页岩的吸水和吸水表现与其含水量、黏土成分和黏土含量相关，越少的含水量、预告的含盐量和黏土含量就会越易于吸水水化。
蒙脱石含量越高越易吸水膨胀，绿泥石含量越高越易吸水剥落和裂解。
泥页岩的强度在吸水后会急剧下降，更容易引发坍塌。
钻井施工中无法改变地应力和地层性质，防止地层坍塌只能从工艺层面入手。
压力激动控制效果不佳、不当的钻具组合、方位和井斜的影响估计不足都可能引发坍塌。
防止坍塌最主要的是对液柱压力进行控制。
在应力集中地层、破碎地层和薄弱地层中，通过合理的钻井液密度来调整液柱压力。
提升钻井液密度加强井壁支撑力的同时还需要考虑其朝地层渗透，降低内部结构力。
在确定钻井液浓度前还要保证钻井液液柱压力小于产层孔隙压力。
钻井施工过程中，要对钻井液的流变性和性能实时关注。
过大循环排量和高返速会对井壁地层形成冲蚀而导致坍塌。
井壁失稳与坍塌卡钻预防及处理
井壁失稳与坍塌卡钻预防及处理1．井壁坍塌发生的原因（1）由于地质构造力造成的井壁坍塌。
如所钻井处在地层断裂带、褶皱、地层滑动上升或下降、地层倾角大地区。
此类坍塌在塔里木油田山前地区井表现较为突出，而且处理难度也较大。
（2）在欠压实地层井段，由于地层胶结不好而形成的坍塌，如流沙层。
（3）煤系地层和泥页岩地层的坍塌，在塔里木油田表现较为突出。
（4）复合盐岩层盐溶后，充填在复合盐层中的砂泥岩薄夹层失去支撑，引发的井壁坍塌。
（5）泥页岩孔隙压力异常，高压油气水层引发的井壁坍塌。
（6）水化膨胀是引起地层坍塌的重要原因。
这主要是由于粘土吸收钻井液中的水分子造成的。
由于普遍使用水基钻井液，因此，泥页岩水化膨胀始终是存在的，只是其轻重程度不同而已。
（7）由于钻井液密度低，不能平衡地层坍塌压力。
钻井液体系和性能不能满足井下情况的需要，与地层特性不适应，引发的井壁坍塌。
（8）井身质量对井壁坍塌有一定影响，如狗腿严重井，无论是起下钻还是钻进中，由于钻具与井壁碰撞、蹭刮造成的井壁失稳，在定向井、水平井中表现较为突出。
（9）由于起钻中未按规定灌好钻井液，或因激动、抽汲压力过大，进行某项作业时降低了钻井液液柱压力（如中途测试），而引发的井壁坍塌。
（10）溢流、井喷后引发的井壁坍塌。
（11）井漏后，由于钻井液液柱压力下降造成的井壁坍塌。
2．井壁失稳与坍塌卡钻的预防井壁坍塌在钻进、起下钻和其它作业中都可能发生。
井壁坍塌造成的卡钻是处理难度较大的井下事故。
（1）选用合适的钻井液体系，强化钻井液防塌性能，如硅酸盐体系、钾基钻井液体系，加足防塌、封堵材料，严格控制钻井液滤失量，并在设计范围内适当提高钻井液密度、粘度，提高钻井液携砂能力。
（2）控制起下钻速度，降低抽汲压力和激动压力；起钻时按规定要求灌好钻井液；在进行其它作业时，要控制好钻井液液柱压力降低对井壁稳定的影响；要避免在易坍塌井段长时间循环钻井液。
（3）在易坍塌井段钻进时，要适当控制排量、泵压。
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1 井壁失稳的因素
1.1 物理化学因素对井壁稳定的影响
与井壁不稳定有关的物理化学因素主要有泥页岩的水化作用。
泥页岩中一般有伊利石、高岭石、蒙脱石等粘土矿物成分。
当钻井液中的水吸附在泥页岩中粘土的表面时，岩石会吸水膨胀。
当井眼内钻井液密度较低，泥页岩的膨胀压力达到一定值时，井眼就会被破坏，出现缩径现象；当膨胀压力超过泥页岩的屈服强度时，就会发生水化剥落，井眼扩径等现象[1]。
1.2 地层力学因素对井壁稳定的影响
钻井过程就是一个以钻井液代替井眼岩石承受本应由岩石承受的应力的过程。
由于三种大小不同的主应力支撑的岩石被三向应力相同的钻井液所代替，并且一般情况下钻井液所能提供的压力低于三种主应力中最小的应力，因此，井眼的局部应力会发生变化。
这种应力的变化会使井壁岩石发生变形甚至破裂。
从井壁失稳的岩石力学分析出发，任何一口油气井开钻前原地应力就已经存在于地层岩石中。
在未开钻之前，地下岩石受上覆岩层压力、水平地应力以及地层空隙压力的作用而处于平衡状态。
开钻后，钻井液柱压力取代了本来由被钻开岩层提供的支撑而打破了这种平衡，会引起岩石应力的重新分布，如果这种重新分布的应力超过岩石抗压强度或者抗拉强度就会导致井壁失稳。
1.3 钻井液对井壁稳定的影响
目前国内外的钻井液技术水平基本上可以满足钻井作业的要求，但仍然面临着很大的问题，其中钻井液对井壁稳定的影响就是其中非常重要的一项，包括膨润土含量、钻井液滤液的侵入量、侵入液的性质、钻井液的造壁性与流变性、钻井液密度、钻井液的性能大起大落。
当钻井液密度和粘度维护不佳，水力参数和流变参数不当时，都极易加剧井壁失稳。
1.4 钻井工艺对井壁稳定的影响
由于钻井过程中各个环节都是相互关联的，因此工程方面的因素也会对井壁的稳定性产生影响。
包括井身质量、钻机操作不当、钻井液柱压力降低、卡钻事故、钻具的机械碰撞。
1.5 地层温度对井壁稳定的影响
随着现在超深井工艺的日渐成熟，越来越多的井的深
度达到几千米甚至上万米，在地层深部温度可达几百摄氏
度。
较高的温度对钻井液的性能影响很大。
钻井液从井底返回至地面时，钻井液的温度和压力会随着钻井液的流动不断变化，如果地层坍塌压力和地层破裂压力之间压力差较小，小于循环压耗，就会出现井漏和井涌现象。
从而出现井壁失稳现象。
岩石也会随着温度的升高而发生膨胀，同样有可能导致井壁垮塌。
2 防止井壁失稳的对策
2.1 严格控制当量钻井液密度和浸泡时间
通过井壁不稳定力学和水化影响研究等确定钻井液密度安全窗口；将钻井液流变参数控制在设计范围之内；设计合理钻井液环空返速；减小激动压力；井壁不稳定是与浸泡时间密切相关的，应提高钻速，减少非生产作业时间，尽量缩短裸露地层的浸泡时间，因为地层受钻井液浸泡的时间越长，发生井塌的可能性越大。
2.2 钻井液应具有良好的封堵性
对于硬脆性裂隙发育地层，钻井液的封堵性应好，能快速优质的封堵以减少水的进入，减少水化引起的强度降低，避免“水锲作用”和水化产生的“推挤作用”带来的不利影响，还能减少孔隙压力传递。
因此选择合适的封堵材料尤为重要[2]。
2.3 增强体系的抑制性，控制钻井液失水和pH值
水进入泥页岩地层不可能完全避免，但如果钻井液体系具有良好的抑制性，侵入水也不会使泥页岩快速、显著的水化，可以减少或避免由于水化导致的井壁失稳；提高滤饼质量，尽量降低HTHP失水，严格控制HTHP失水小雨10mL。
3 结论和建议
1）严格控制钻井液密度和粘度，添加剂的性质。
2）优化钻井工艺技术，缩短钻井周期。
3）设计合理的井身结构，降低钻井周期，防止钻井液长时间侵泡井壁。
4）充分利用测井资料了解地层岩性，选择合理的钻井液体系。
参考文献
[1]王中华.钻井液性能及井壁稳定问题的几点认识[J].断块油气田，2009，16（1）：89-91.
[2]徐同台.井壁稳定技术研究现状及发展方向[J].钻井液与完井液，1997，14（4）：36-43.
井壁稳定的影响因素及预防措施
罗威 尹宝福
西安石油大学石油工程学院 陕西 西安 710065
摘要：引起井壁失稳的因素很多，本文从物理化学因素、地层因素、地层岩性、钻井液因素和工程因素等方面了解井壁失稳的机理，并提出解决井壁失稳的办法。
关键词：钻井液 井塌 防塌
Influential factors and preventive measures of wellbore stability
Luo Wei，Yin Baofu
School of Petroleum Engineering of Xi ’an Shiyou University ，Xi ’an 710065，China
Abstract：The mechanism of wellbore instability is discussed in this article in terms of the drilling fluid，engineering，formation，lithology，physical and chemical factors. Solutions are offered as well.
Keywords：drilling liquid；well-hole collapse；collapse prevention。