煤层段钻进时的井壁失稳机理及其对策
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。
井壁失稳机理分析及技术对策
1 井壁失稳机理分析(1)地应力 地壳运动时在地层的不同部位形成不同的构造应力，这些应力以潜能的方式存储在岩石内[1]。
在形成井眼时，钻井液液柱压力代替了被钻掉的岩石所提供的应力，井眼周围的应力将重新分配，当钻井液液柱压力不足以平衡地层的侧向力时，侧向力将向井眼内释放，造成地层剥落掉块或井壁垮塌。
(2)岩石本身性质 泥岩中，粘土矿物的含量一般为20%～30%，若黏土矿物以伊蒙混层为主，因一部分比另一部分水化能力强，易发生非均匀膨胀[2]，减弱了泥页岩的结构强度，实践证明，伊蒙混层是最不稳定的地层。
而在南堡4号构造东二、东三地层，粘土矿物的含量达到37%～48%。
(3)毛细管作用 泥岩在成岩过程中本就存在许多层理面和纹理，在构造力的作用下，泥岩很容易产生断裂而释放能量，从而形成更多微细裂纹，这些微细裂纹是良好的毛细管通道，很容易吸取泥浆滤液，这就为钻井过程中井壁垮塌提供更好的条件。
(4)渗透水化 当钻井液中的电解质浓度低于泥岩中电解质浓度时，泥浆中的水分子将向渗透地层中渗透[3]，渗透水化在泥岩内部进行，可以使蒙脱石的体积增加25倍，并形成很高的渗透压，对井壁造成很大的破坏。
2 南堡41-4568井失稳情况(1)基本情况 南堡41-4568三开钻进周期25.75天，裸眼段长2038.24米，原井眼于9月2日第一次电缆测井时在3100-3700米井段出现刮卡现象，通井后第二次测井出现同样问题，再次通井时下放至3170米遇阻，后经多次划眼无效后填眼侧钻。
(2)原因分析①本井三开裸眼井段较长，加之多次出现设备故障，增加了钻井液对井壁的浸泡时间。
原井眼在3280米反复划眼，表明东二段井眼已经发生井壁失稳。
②泥浆密度不能平衡地层坍塌压力，原井眼使用的泥浆密度为1.33g/cm ³，与后期新眼施工对比密度较低。
③钻井液性能。
含盐量：本井检测含盐量3.33%，根据研究及经验分析，钻井液中保持8%以上KCL 能够有效的保证井壁稳定，所以本井抑制性相对较差。
煤层坍塌机理与防塌技术分析
煤层坍塌机理与防塌技术分析摘要：煤岩的应力变化对煤层的影响大、煤岩的弹性模量小、较低的抗拉强度,存在裂隙和巨大的比表面,对机械和物理化学的外力作用敏感。
稳定煤岩井壁从两方面考虑：1.钻井工艺技术措施。
2.钻井液技术对策。
煤层防塌主要从钻井液方面考虑，所用钻井液体系及性能起着至关重要的作用。
关键词：煤层防塌坍塌井壁稳定钻井液引言：由于地层煤层多，下钻需要的划眼的时间长，钻头的使用效果被影响，钻进期间的扭矩不稳定，蹩跳严重，严重影响钻进的时间，影响钻进的速度，多次造成卡钻事故，使得井壁垮塌十分严重。
由于煤层的影响，所造成的煤岩坍塌、井漏、煤层气侵等问题，也极大的影响了钻井的速度。
正因为煤层对钻井的影响如此严重，所以研究煤层的相关性质及其机理,找出适当的钻井方法及防塌钻井液配方，解决在钻遇煤层时面临的煤层坍塌问题是极其迫切的。
1、煤岩的性能和特征1.1 煤岩的性能与常规的砂岩和泥岩相比较，煤岩的弹性模量比较低，具有较高的泊松比，较低的抗压及抗拉强度，脆性比较大，容易破碎，容易受压缩。
而且由于煤岩不均质性的结构，原生和次生裂隙非常发育和复杂，均使得煤岩的物理和力学性质具有显著的各向异性特征。
1.2 煤岩的结构构造特征煤岩的组成、结构特征造成了岩石物质成分的非均质性、物理力学性质的各向异性和构造的不连续性。
在同一个煤层中，煤岩的组成成分在不同方向以及不同深度上的差异，表现出其非均质性和各向异性，以及在其生成过程中所形成的明显的层状构造和孔隙结构所体现出的差异。
1.3 煤层井壁稳定的影响因素（1）煤本身的脆弱性。
（2）钻井液中水的影响。
（3）混油的影响。
（4）煤岩失稳的特殊性。
2、煤岩坍塌的机理分析及影响2.1 煤岩坍塌的机理煤岩坍塌的机理有以下几点：（1）由于煤岩极其发育的节理和裂隙，胶结较疏松，容易破碎，当地层被钻开时，钻井液进入后，产生水力冲击、压力波动及震动等，煤岩之间的胶结力被降低，导致坍塌。
（2）由于煤层中含有许多种粘土矿物，造成水化极其不均匀，导致煤层的局部强度有所下降；高温会更一步加剧煤层的水化，使得粘土分散、水化产生内张力，从而导致煤体崩解。
浅析钻井井壁失稳的原因及预防措施
浅析钻井井壁失稳的原因及预防措施长期以来，井壁失稳一直是困扰钻完井施工的一个主要难题。
特别是近年来，钻井面临的地质条件越来越复杂，且水平井、大位移井、分支井等复杂结构井越开越多，这使得钻完井过程中的井壁失稳问题更为突出。
本文是从井壁失稳的原因出发，探讨相关预防措施。
1 井壁失稳的原因从理论上，产生井眼失稳的根本原因，在于井眼形成过程中井眼周围的应力场（包括化学力）发生了改变，引起井壁应力集中，井内钻井液柱压力未能与地层中的地应力建立起新的平衡。
1.1 地质方面的原因除了高压油气层的影响外，地层的构造状态的影响是造成井壁失稳坍塌卡钻的最重要的地质方面的原因。
原始地应力，地壳是在不断运动之中，于是在不同的部位形成不同的构造应力（挤压、拉伸、剪切）。
当这些构造应力超过岩石本身的强度时，便产生断裂而释放能量。
但当这些构造应力的聚集尚未达到足以使岩石破裂的强度时，它是以潜能的形式储存在岩石之中，待机而发，当遇到适当的条件时，就会表现出来。
岩石本身的性质，由于沉积环境、矿物组分、埋藏时间、胶结程度、压实程度不同而各具特性。
泥页岩孔隙压力异常，泥页岩是有孔隙的，在成岩过程中，由于温度、压力的影响，使粘土表面的强结合水脱离成为自由水，如果处于封闭的环境内，多余的水排不出去，就在孔隙内形成高压。
钻井时，如果钻井液的液柱压力小于地层孔隙压力，孔隙压力就要释放。
如果孔隙和裂缝足够大且有一定的连通性，这些流体就会涌入井内。
1.2 物理化学方面的原因井壁失稳坍塌卡钻的物理化学方面的原因表现在岩石的水化膨胀、毛细管作用和流体静压力等，即与水的存在密切相关。
只要使用水基钻井液，只要有水的存在，就有泥页岩的水化膨胀和坍塌问题。
经过大量研究发现，泥页岩中的粘土含量、粘土成分、含水量及水分中的含盐骨对泥页岩的吸水及吸水后的表观有密切关系，泥页岩粘土含量越高，含盐量越高、含水量越少则越易吸水水化。
蒙脱石含量高的泥页岩易吸水膨胀，绿泥石含量高的泥页岩易吸水裂解、剥落。
钻井井壁失稳思考
(12三、)井壁失稳的处理
4、井壁失稳后的处理措施：
① 选择合适的钻具结构和钻头类型（松软地层、硬地层）； ② 选择合适的划眼畅通井眼措施（松软地层、硬地层）； ③ 软地层防出新眼的划眼方式（“冲、通、划”、“拨放点划”）； ④ 划出新眼时的处理； ⑤ 硬地层划眼注意事项（防蹩钻）； ⑥ 严重阻卡时的应急处理； ⑦ 稠浆“封井”或“段塞携带”注意事项等。
3
(三)12井、壁井失壁稳失的稳分的析处及理处理
3、硬脆性地层防塌体会
（１）硬脆性地层坍塌机理； （２）防塌思路； （３）防塌措施：
① 强化“吸附”泥饼和迅速“充填裂纹”的概念，重视膨润土含量； ② 强化“沉积”泥饼的概念，“高粘切”改变流型，促进“层流”护壁； ③ 借助油性润滑剂改变井壁润湿特性； ④ 研究地层沉积环境，改进钻井液液相性质（矿化度）； ⑤ 定期用“稠浆”封井，确保起下钻顺利，减少“拨动”效应； ⑥ 控制起、下钻速度和钻柱旋转速度，减少对井壁碰撞等。
5
(四)岩盐、高压盐水层的处理
① 选择合适的钻井液体系； ② 适当提高钻井液密度； ③ 根据蠕变速率确定施工工艺；
④ 简化底部钻具组合； ⑤ 采取“少钻多划”的方式； ⑥ 采用扩眼和随钻扩眼措施； ⑦ 防止套管挤毁变形； ⑧ 高压盐水层喷、漏同存时施工注意事项等。
根据温度、压力确定 钻井液密度示意图
(三)井壁失稳的分析及处理
１、防塌的常规做法
（抑制、物理、携带、稳定）
（1）浅层流砂、松散地层
（物理：稠膨润土浆护壁，携带，“悬浮”）
（2）易水化膨胀泥岩地层
（抑制：抑制水化；物理：利用微扩眼器、射流、返 速、低粘切泥浆扩径）
（3）易剥蚀垮塌页岩地层
（物理＋抑制：封堵防塌、抑制防塌）
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。
复杂煤层段钻进时的井壁稳定性分析
重 庆科 技学 院学 报 （ 自然科 学 版 ）
２ ０ １ ５年 ８月
复 杂 煤 层 段 钻 进 时 的 井 壁 稳 定 性 分 析
郭 倡 俊 王 煜 孙 爱 生。 唐 汉 林 冯 一
（ １ ．延 长 油 田公 司定边 采 油厂 ，陕 西 榆 林 ７ １ ９ ０ ０ ０；
・
６１ ・
郭倡俊 ， 等： 复杂煤 层段 钻进 时的 井壁稳 定性 分析
２ 煤 层 段 井 壁 失 稳 机 理
煤岩 的 比表 面积 大 ， 具 有 较 强 的 吸水 能力 。钻 完 井作业 过 程 中 ， 液 相 在 正压 差 和 毛 细管 力 的作 用
的强度 准则 适用 于 破 碎体 的强 度 破坏 判 别 ， 其 主 应
碎 带 Ｊ 。破碎 带 作 为 一 个 低 强 度 、 易变形、 透 水 性
ｓ 一 无量 纲试验 常数 ， 岩体 的节理 化 系数 。 当 。 ＞ ＞ 时， 在 最 小 主 应力 方 位 ， 即 ０＝ ９ Ｏ 。 附近将 式 （ ２ ） 代人式 （ １ ） ， 得到 Ｈ ｏ ｅ ｋ—Ｂ ｒ ｏ ｗ ｎ准 则下破 碎岩 体坍 塌压力 当量 密度计 算模 型 ：
失稳 的机理。同时采用 Ｈ ｏ ｅ ｋ—Ｂ ｒ ｏ ｗ ｎ公式模 拟煤 岩的非连续性 ， 计算 某煤层段 的坍塌 密度 ， 并 利用有 限元 软件对计 算 结果加以验证 。研究表 明， 通过 Ｈ ｏ ｅ ｋ—Ｂ ｒ ｏ ｗ ｎ强度准则计算煤层段 坍塌压力 当量密度 的方法安全且有效 。
关键词 ： 煤层 ； 井 壁 稳 定 性 ；Ｈ ｏ ｅ ｋ— Ｂ ｒ ｏ ｗ ｎ强 度 准 则 ； 有 限 元 中图分类号 ： Ｔ ２ ５ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３—１ ９ ８ ０ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ４— ０ ０ ６ １ 一ｏ ３
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。
井壁失稳的原因及预防措施探讨
2019年第7期西部探矿工程*收稿日期：2018-10-31作者简介：商洪义（1983-），男（汉族），黑龙江讷河人，工程师，现从事钻井工程工作。
井壁失稳的原因及预防措施探讨商洪义*（大庆钻探工程公司钻井四公司，吉林松原138000）摘要：钻井施工中，井壁失稳会造成较大的影响和经济损失。
主要是从井壁失稳的研究情况出发，从地质、物理化学和工艺3个方面分析，探讨井壁失稳的预防和处理措施。
关键词：井壁失稳；钻井；坍塌中图分类号：TE2文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2019)07-0028-02井壁失稳是钻井施工过程中普遍存在的问题，对钻井工程有着很大影响。
相关资料显示，世界石油工业每年因井壁失稳带来的损失超过6亿美元。
钻井施工过程中有着十分复杂多变的地质结构，井壁失稳还可能诱发各类井下事故，严重危害到钻井工程的安全性和效率，这也是钻井行业中面临的世界性难题，国内外在此方面进行了大量攻关，取得了一定的效果。
1井壁失稳的研究状况从20世纪40年代开始，相关学者从岩石力学方面加大研究来分析井壁稳定问题，最初的研究是从化学和力学2个方面独立进行，主要是停留在理论定性分析层面。
随后的研究主要是在现场测井资料基础上分析井壁稳定问题，斯伦贝谢测井公司提出了井眼力学问题以及岩石力学性质测井力学稳定性测井。
随着大位移井和水平井的迅速发展，井壁失稳稳定得到了更大重视，更多的公司和研究机构加大投入，使其处于定量化阶段，在现场有着较好的应用。
国内从20世纪80年代开始进行井壁稳定相关研究，起步较晚，最初只是研究地层蠕变对套管的破坏作用，20世纪90年代的研究取得了一定进展，深入研究水平井和大斜度井的井壁力学稳定问题，分析井壁渗透性与坍塌压力和破裂压力之间的关系，在泥页岩井壁坍塌的化学耦合和力学方面也加大研究。
此外，还在损伤力学理论基础上，从实验数据出发，通过固体力学方法建立方程和有限元计算模型，探讨新的方法来确定井壁稳定需要的钻井液密度值。
煤层气水平井井壁失稳机理及预防措施
本科毕业设计（论文）题目煤层气水平井井壁失稳机理及预防措施研究学生姓名学号教学院系石油工程学院专业年级石油工程2007级指导教师职称教授单位辅导教师职称单位完成日期2011 年 6 月Southwest Petroleum University Graduation ThesisMechanics of Wellbore Instability and Preventing Measures of Horizontal Well for Coalbed MethaneGrade: 2007Name:Speciality:Petroleum EngineeringInstructor: LI QianPetroleum Engineering College2011-6摘要井壁失稳问题是限制水平井在煤层气开发中大规模应用的最主要因素之一。
煤层割理和裂缝非常发育，机械强度低，因此在煤层中钻进时风险极高。
当使用清水做钻井液时井壁极易坍塌并造成井下钻具组合被埋。
特别是水平井，据报道截止2008年1月，沁水地区的水平井有32.65%发生了井壁坍塌。
井壁最容易发生破裂的位置在井壁被面割理和端割理切割处，本文依据已有的井壁应力分布模型推导出井壁任意位置的三向主应力以及最大主应力方向向量，再根据面割理和端割理的空间位置关系得出面割理和端割理的法向向量，计算出割理面法向与最大主应力的夹角，根据摩尔-库伦圆计算出井壁任意位置出现的面割理和端割理的有效正应力和切应力，进而判断面割理和端割理是否会发生剪切破坏。
依据面割理和端割理的有效正应力是否大于零判断其是否会张开即发生井壁破裂。
使用常规大位移井井壁稳定评价方法评价了煤岩基质的稳定性。
根据建立的煤层气水平井井壁稳定性评价模型编制出相应的计算机程序，用数值分析的方法分析各个地质因素以及工程因素对井壁稳定性的影响。
煤层气水平井井壁稳定性受多个因素的影响，要做好井壁稳定工作必须从地质选区、优化井身结构设计、使用合适的钻井液、选用合适的井下工具等方面共同努力。
钻井井壁失稳的防范对策分析
钻井井壁失稳的防范对策分析作者：盖莉莉来源：《环球市场》2019年第04期摘要：在钻井施工中，井壁失稳是最为常见的工程质量风险，其形成原因十分复杂，是立井建设中质量管理的重点。
本文在简要阐述钻井井壁失稳形成原因的基础上，针对性地提出了相应的防范对策，希望能够进一步提高钻井施工的规范性与高效性。
关键词：钻井;井壁失稳;原因剖析;防范对策在钻井施工中，因井眼会受到地质因素、施工因素、材料因素等方面的影响，造成整个井壁结构不稳定的问题，就是我们常说的井壁失稳。
由于钻井工程属于相对复杂的井下作业，存在许多不可测的风险因素，因此目前探讨井壁失稳原因和防范对策，已经成为业内外需要深入思考的课题，而这也是本文研究的根本出发点。
一、井壁失稳的主要原因探究（一）地质方面的原因在原始地应力的作用下，地壳运动赋予了不同地层不同的构造应力，在地壳运动下，岩土在诸多压力状态下会出现不同程度的断裂，进而带来地层能量的外泄，即便没有发生岩石锻炼，也会以潜能的方式隐藏于岩石结构内，一旦条件成熟就会如同一颗不定时炸弹随时爆发。
另外，岩石性能、受力状态、温度变化等都是不确定因素，尤其是孔隙内很容易隐藏泥页岩、生油岩等压力，当达到一定值时就会形成高压气体，最终带来岩土崩散，成为井壁失稳的一大原因。
（二）物理化学方面的原因当泥浆密度不达标时，泥浆就会在液柱压力的作用下，渗透到泥页岩孔隙内，进而引起泥页岩含水量的快速上升，孔隙压力随之提高，最终造成泥页岩强度的急剧下降，对井壁稳定性带来破坏。
所以，在钻井施工中，做好泥浆调配，保证泥浆液柱压力的合理性，就成为了防范井壁失稳的重要对策。
另外，岩石的毛细管、水化、冻胀等物理性能，也会对井壁稳定性带来负面影响。
泥页岩的粘土含量、含水量、黏土构成等，是泥页岩吸水性的核心影响因素，黏土比重越大、含水量越少，那么泥页岩的吸水性就越强。
而就黏土构成来讲，蒙脱石成分较多的泥页岩会有较强的水化性，就是遇到水后会发生膨胀，而绿泥石成分较多的泥页岩则很容易产生崩解和剥落，这些都会对井壁稳定性造成破坏。
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。
煤田钻探中煤层坍塌的原因分析及防治措施
煤田钻探中煤层坍塌的原因分析及防治措施作者：高海燕来源：《城市建设理论研究》2014年第01期【摘要】：随着我国经济的高速发展，对煤炭的需求也越来越大，煤田地质勘探任务的增多，开采量急剧增加。
但是虽然当前开采技术较之前有了较大进步，但煤田的开采仍然存在着一些问题。
在煤田钻探中煤层坍塌的问题长久以来都在困扰着煤炭工作者。
本文首先给出了煤对煤田坍塌研究的意义，随后分析了煤层坍塌的常见种类以及原因，最后指出了处理方法以及预防措施。
【关键词】：煤炭;煤田钻探;煤层坍塌;措施中图分类号： X952 文献标识码： A引言随着社会经济的快速稳定的发展，作为经济发展的支柱-能源的生产已经在社会发展中起到了最为关键的作用。
我国百分之七十的能源来自于煤。
因此现在越来越多的高校和研究机构都在全力研究煤矿的安全、高效的生产。
而在煤田的钻探开采过程中，虽然经历了发展取得了长足的进步，但是一些问题仍然急需解决。
在煤田钻探中煤层的坍塌原因一直都在困扰着煤矿工作者，尤其在煤田开采量急剧增加的今天，此问题就显得更加的突出。
本文将就煤层坍塌研究的意义，种类以及处理方法和防止措施等进行了详细的分析。
对煤层坍塌研究的意义煤层坍塌的危害由于煤层本身硬度小，脆性大，割理发育，机械强度低，容易垮塌，加上大斜度井段煤层悬重大，煤岩地层遇水后更易发生严重垮塌，轻者卡钻划眼，重者埋钻具，导致井眼钻井工程报废，更为严重的是:下部煤层已打开而无法封闭、导致上下含水层水力联系,后续采矿不得不增设保护煤柱,造成资源浪费。
即使勉强抑制住坍塌,坍塌部位也是下部施工的隐患。
因此煤层坍塌严重地制约着我国煤层气钻井技术的快速发展。
煤层强度低、性脆、裂缝发育导致在煤层钻井施工过程中极易破碎坍塌,尤其是大曲率井段和水平井段,由于受到垂直应力的作用较大,煤层井壁极易发生失稳,坍塌现象,给钻井施工带来很大的不便。
钻井过程中滤液侵入煤层,也会导致煤层坍塌和失稳。
如果发生煤层垮塌,井口会返出大量煤屑,而且伴有接单根困难、上提遇阻和下放遇卡、憋泵、憋停顶驱等问题。
煤层气钻井井壁失稳机理与防塌钻井液技术
在钻井系统中，井壁稳定性至关重要，水进入煤层是造成煤岩井壁失稳的主要原因之一，而水在钻井液中的形态包括化学结合水、吸附水、自由水，由于地层煤岩毛细管自吸水和压差的作用下很容易进入煤层，这样就会造成塌方事故。
因此，亟需对防塌钻井液技术的应用要点进行详细探究。
1 井壁失稳机理分析1）在地应力地壳运动过程中，地层的不同部位会形成不同的构造应力，并以潜能的方式存储在岩石中。
在井眼的形成过程中，钻井液的液柱压力能够替代原有岩石的应力，同时，还可以对井眼的周边应力进行再次分配。
如果钻井液液柱的压力与地层的侧向力无法达到平衡状态，就会造成井壁塌方。
2）通常情况下，在岩石本身性质泥岩中，粘土矿物的含量在20%~30%之间，黏土矿物容易发生非均匀膨胀，这样就会造成泥页岩的结构强度降低，进而影响煤层结构稳定性。
3）在泥岩的成岩过程中，理面和纹理较为常见，在构造力因素的影响下，泥岩容易发生断裂，进而释放大量的能量，同时还会产生很多裂纹。
这些裂纹都可以作为毛细管通道，裂隙能够吸收泥浆滤液，这样就容易发生塌方事故。
4）如果钻井液中的电解质浓度比泥岩中的电解质浓度低，则你讲中的水分就会渗透到底层中，进而形成较高的渗透压，对井壁造成破坏。
2 基于防塌钻井液技术的实验准备2.1 实验材料蔗糖AR，黄原胶XC、高粘羧甲基纤维素CMC、水解聚丙烯酰胺PAM、羧甲基淀粉CMS、吸水树脂，过硫酸铵等均为工业品，蒸馏水。
2.2 实验仪器2WA-J阿贝折射仪，SYP-Ⅲc玻璃恒温水浴，精密电子天平，容量瓶等。
2.3 束缚水钻井液构建选用对自由水具有较强束缚作用的吸水树脂等处理剂，并引入成膜剂复合为束缚水胶凝剂，以束缚水胶凝剂为核心处理剂，构建开发出束缚水钻井液，其配方为：清水+0.1%纯碱+（0.5~0.8）%束缚水胶凝剂+（0.5~ 1.0）%水基润滑剂。
3 防塌钻井液技术应用实验3.1 侵入深度将过40目、80目和100目筛（40目、80目、100目对应的筛孔尺寸分别为0.425、0.180、0.150mm）的天然石英砂等质量混合并填充至无渗透仪，在0.7MPa压差下记录0.5h时钻井液侵入砂床的深度，以此表征钻井液的封堵能力。
煤层段钻进时的井壁失稳机理及其对策
煤层段钻进时的井壁失稳机理及其对策煤层段钻进过程中极易发生井壁失稳的状况。
本文从煤基岩的力学及物理化学性质入手，分析了煤层段井壁失稳的机理，采用Hoek-Brown公式来模拟煤岩的非连续性，并对煤层段的坍塌密度进行了实例计算，利用Ansys软件对计算结果进行了验证，研究表明采用Hoek-Brown强度准则计算煤层段的坍塌压力当量密度是安全有效的，在仅考虑力学作用的前提下，煤层不会发生崩落坍塌的状况。
最后，总结了煤层段钻进时的技术对策。
标签：煤层井壁稳定性Hoek-Brown强度准则1引言目前我国所钻遇的井壁不稳定地层主要为易水化膨胀的泥页岩地层和破碎性地层。
其中破碎性地层如煤层的井壁稳定性问题一直困扰着钻井工程，严重地阻碍了石油勘探开发的发展进程。
钻井作业过程中煤岩坍塌可能带来两个方面的危害：（1）影响钻井安全，造成起下钻遇阻、遇卡、憋泵等事故和井下复杂情况，降低钻井速度和效率;（2）井眼直径严重扩大，井身质量差，在煤岩局部形成“大肚子”和“糖葫芦”井眼。
同时由于环空间隙的剧烈变化，钻井液的上返速度差异大，严重影响带砂效率，水泥浆顶替返速达不到要求，难以保证固井质量。
本文拟从煤岩的力学特性和物理化学性质入手，分析煤层段井壁失稳的机理，结合前人的研究基础给出确定了煤层段钻井液密度窗口的方法，最后提出了相应的工艺技术对策，优选了适合煤层段的钻井液体系及配方。
2煤岩的物理化学性质煤岩含炭量较高，质轻易脆，且自身发育大量的天然裂隙、割理，相互垂直的面割理和端割理将煤基岩块分割成一个个斜方体（如图1所示）。
割理以及裂隙的存在使得煤岩的力学行为表现出非连续性，其力学性质同砂泥岩也存在着较大差异[1]，见表1。
由表1不难看出煤岩的机械力学参数与常规砂岩储层有很大差别，泊松比大于砂岩，但煤岩的弹性模量却小于砂岩。
White[3]的研究结果表明，煤岩的强度与含碳量有关。
当含碳量为70%～80%时，煤岩的抗压强度达到最小;当含碳量大于80%时抗压强度随着含碳量的增大而增大;相应地，当含碳量小于70%时，抗压强度随着含碳量的减小而增大。
钻井过程中井壁稳定分析与对策
钻井过程中井壁稳定分析与对策当前，我国油田开发力度加大，逐步向深层、深海区块延伸，水平井、大位移井等特殊井身结构钻井应用增多，井壁坍塌等井下事故也相应增加，极易在钻井中出现井壁缩径、坍塌、地层压裂等情况，坍塌机理比较复杂，很难预防，影响钻井井下安全和钻井持续性。
因此，有必要对井壁稳定性进行分析，有针对性的提出提升井壁稳定性的对策措施。
1 钻井过程中井壁稳定性1.1钻井井壁稳定性较差和坍塌地层特征在钻井中，钻遇泥页岩、砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、灰岩等都可能发生井壁坍塌，但90%以上的坍塌发生在泥页岩地层，缩径一般在盐膏层、浅层泥岩和渗透性较高的砂岩发生。
坍塌可能在各种岩性和粘土矿物含量地层中发生，但坍塌严重地层大多具有以下特征：发育有层理清晰的裂缝或破碎性较强的岩性地层；泥页岩特别是孔隙压力异常地层；地应力较强、倾角大易发生井斜地层；厚度较大泥页岩地层；高含水砂岩、泥岩地层等。
1.2井壁稳定性影响因素井壁稳定性较差原因是钻井液和钻具在地层中作用，压力超过井壁岩层承受强度，以及钻井液与井壁地层岩石矿物发生物理化学作用，加大坍塌压力、降低破裂压力等引起井壁失稳。
一是力学因素。
地层钻开前岩层受上覆压力、水平地应力和孔隙压力作用，压力均衡，钻开后钻井液对井壁压力替代了钻开岩层对井壁岩层的支撑，破坏了压力平衡状态，使周围地应力需要重新分布，在地应力超过井壁周围岩层承受强度后会发生剪切破坏，脆性地层会发生井壁坍塌，塑性地层会发生塑性变形（缩径）。
钻井中井壁被剪切破坏临界井眼压力称为坍塌压力，该状态下钻井液密度为坍塌压力当量钻井液密度。
地应力因素上，井壁坍塌以最小地应力为方向，坍塌压力随地应力及地应力非均匀系数增大而增大。
地层强度因素，地层坍塌压力与井壁周边地层的强度系数和内摩擦角呈反比。
孔隙压力因素，地层坍塌和破裂压力与孔隙压力呈正比，但破裂压力增速比坍塌压力小，随着孔隙压力加大，钻井液密度安全范围逐步变小。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
煤层段钻进时的井壁失稳机理及其对策
煤层段钻进过程中极易发生井壁失稳的状况。
本文从煤基岩的力学及物理化学性质入手，分析了煤层段井壁失稳的机理，采用Hoek-Brown公式来模拟煤岩的非连续性，并对煤层段的坍塌密度进行了实例计算，利用Ansys软件对计算结果进行了验证，研究表明采用Hoek-Brown强度准则计算煤层段的坍塌压力当量密度是安全有效的，在仅考虑力学作用的前提下，煤层不会发生崩落坍塌的状况。
最后，总结了煤层段钻进时的技术对策。
标签：煤层井壁稳定性Hoek-Brown强度准则
1引言
目前我国所钻遇的井壁不稳定地层主要为易水化膨胀的泥页岩地层和破碎性地层。
其中破碎性地层如煤层的井壁稳定性问题一直困扰着钻井工程，严重地阻碍了石油勘探开发的发展进程。
钻井作业过程中煤岩坍塌可能带来两个方面的危害：（1）影响钻井安全，造成起下钻遇阻、遇卡、憋泵等事故和井下复杂情况，降低钻井速度和效率;（2）井眼直径严重扩大，井身质量差，在煤岩局部形成“大肚子”和“糖葫芦”井眼。
同时由于环空间隙的剧烈变化，钻井液的上返速度差异大，严重影响带砂效率，水泥浆顶替返速达不到要求，难以保证固井质量。
本文拟从煤岩的力学特性和物理化学性质入手，分析煤层段井壁失稳的机理，结合前人的研究基础给出确定了煤层段钻井液密度窗口的方法，最后提出了相应的工艺技术对策，优选了适合煤层段的钻井液体系及配方。
2煤岩的物理化学性质
煤岩含炭量较高，质轻易脆，且自身发育大量的天然裂隙、割理，相互垂直的面割理和端割理将煤基岩块分割成一个个斜方体（如图1所示）。
割理以及裂隙的存在使得煤岩的力学行为表现出非连续性，其力学性质同砂泥岩也存在着较大差异[1]，见表1。
由表1不难看出煤岩的机械力学参数与常规砂岩储层有很大差别，泊松比大于砂岩，但煤岩的弹性模量却小于砂岩。
White[3]的研究结果表明，煤岩的强度与含碳量有关。
当含碳量为70%～80%时，煤岩的抗压强度达到最小;当含碳量大于80%时抗压强度随着含碳量的增大而增大;相应地，当含碳量小于70%时，抗压强度随着含碳量的减小而增大。
此外煤岩周围的炭质泥岩具有很强的亲水性;且煤岩占主导的内生裂隙多被黏土矿物充填，电子显微镜观察[3]发现黏土矿物多为细分散状，斑点状或是浸染状产出，局部为团块状。
3煤层段井壁失稳机理
煤岩由于比表面极大而具有强烈的吸水性，煤岩周围的炭质泥岩同样具有很强的亲水性，水化后对煤岩层施加膨胀应力;且煤岩占主导的内生裂隙多被黏土
矿物充填，液体的侵入造成黏土水化，产生的内张力从很小的煤碎裂体内部进一步瓦解煤体的完整性，裂缝间的胶结被破坏，煤岩强度下降，内外力作用打破煤岩地层中近似平衡的稳定状态，煤层出现破碎掉块。
煤层下泥页岩坍塌后，煤层因失去支撑而加剧其坍塌;同样，煤层的坍塌也促进了其上部泥页岩的坍塌，形成恶性循环。
煤层出现破碎掉块。
裂隙在滤液的侵入作用下的扩展和滑移同样也对煤层的井壁稳定性有很大的影响。
4煤层段安全钻井液密度窗口确定
由于煤岩具有高度的非连续特征，因此以连续介质理论为基础的井壁稳定性计算模型难以准确描述煤层周围的应力和应变情况，无法准确地确定煤层的坍塌压力。
很多实例表明，在煤层段钻进时采用连续介质模型计算的钻井液密度，仍然出现了大面积井壁垮塌的现象。
非连续性在数学、力学上都是挑战，因此如何解决非连续问题是理论界研究的重点，目前最常用的方法主要有两种：（1）采用Hoek-Brown公式来模拟煤岩的非连续性;（2）利用离散元或者断裂力学来研究煤岩的非连续性。
通常，安全钻井液密度的上、下限是根据某一井段地层自上而下的坍塌压力、破裂压力和地层孔隙压力确定的，安全钻井液密度上限等于这一段地层各深度处破裂压力的最小值，而安全钻井液密度下限等于这一段地层各深度处坍塌压力和孔隙压力的最大值。
5煤层段钻进时的技术对策
5.1 钻井液性能要求
依据煤层段的力学及物理化学特征，开展了大量的煤层段钻井液处理剂和体系的优选的调研工作，发现煤层段的钻井液需具备以下要求：（1）合理的钻井液密度。
（2）钻井液应具有强封堵能力及优良的造壁性。
（3）控制钻井液排量及优化钻井液流变参数。
若钻井液排量大、粘度及切力低，在井眼内易形成紊流，对井壁的冲刷作用增强，从而造成煤层坍塌，同时导致钻井液携砂能力减弱;若粘度及切力太高，活动钻具或起下钻时井内压力波动增大，容易引起井壁煤块的松动，同样不利于井壁稳定。
合理的流变性既能满足携砂要求又能减少对井壁稳定产生的不利影响。
（4）钻井液应具有良好的抑制性。
5.2现场钻井工艺措施
在进入煤层之前，需要将钻井液体系调整为煤系地层的防塌钻井液体系，一次性加足各类材料，避免在煤层段钻进时大幅度调整钻井液性能;煤层段钻进时应甩掉稳定器及其他特殊工具，采用光钻铤钻具组合;采用适当钻压和转速（50～60r/ min），减少钻具旋转对井壁的冲击破坏;控制钻井液排量和流变性，适当降低排量并换较大的水眼，减轻射流对井壁的冲蚀作用，同时避免紊流对井壁的冲刷;严格控制起下钻速度以减轻波动压力对井壁的影响;严格控制钻速。
6结论
（1）煤岩强度低，质脆，发育有正交的割理组合及天然的裂隙。
在钻头破碎、钻井液冲蚀、钻具碰撞等外力作用下，极易破碎坍塌;极发育的裂缝和孔洞使煤体比表面积特别大，毛细管作用突出，易吸附水，钻井液滤液进入煤层后，降低胶结力，引起煤体的水化膨胀，溶解裂缝间的胶结物，使煤层失去支撑，强度下降，常造成煤层剥落坍塌。
（2）煤层属于破碎性岩体，常规的Mohr-Coulomb强度准则无法准确地求取煤层段的坍塌压力，而Hoek-Brown公式可以用于模拟煤岩的非连续性，实例计算结果表明采用Hoek-Brown计算模型求取的钻井液密度是安全有效的。
（3）针对煤层裂隙、割理的特征，在钾基聚合物钻井液体系的基础上加入一定量的沥青材料，可以增强钻井液的封堵性能，以满足煤层段井壁稳定的需要。
参考文献
[1]严俊涛，孟英峰，李皋，等. 泥煤互层段井壁稳定分析新方法[J]. 钻采工艺，2012，35（4）：19-21.
[2]White C，Adrian P，Ivan C，et al. Aphron-based drilling fluid：Novel technology for drilling depleted formations in the North Sea[C]//SPE/IADC Drilling Conference. 2003.
[3]郝琦. 煤的显微孔隙形态特征及其成因探讨[J]. 煤炭学报，1987，12（4）：51-57.。