井壁失稳 文献综述

井壁失稳的机理及原因分析(文献综述)

一、井眼不稳定性分析

井壁失稳的原因是错综复杂的，一般可归结为两方面的因素：地层力学因素和物理化学因素。不论是地层力学因素还是物理化学因素，最终均可归结为井壁力学不稳定所致。

地应力的大小、方向和各项异性对井壁的稳定性具有不可忽视的重要影响，尤其是3个主应力的比值(表征地应力的各向异性程度)对坍塌压力和破裂压力有显著影响。比值越大，坍塌压力和破裂压力的差值就越小(即钻井液密度窗就越小)，钻井作业就越困难，甚至出现既涌又塌的恶性事故。不仅如此，不同地区地应力的分布规律不同。例如，对于陆上多数油田和渤海湾地区，eH>ev>eh；对于南海、辽河和苏北油田，ev>eH>eh；对于大庆油田长恒构造，eH>eh>ev。因此，各地区的地应力数据还应具体测定。同时我们也知：对于不同地应力分布规律，钻井方向(即井眼轨迹)对井壁稳定性的影响规律也不同，而且，无论地应力的分布规律如何，总是沿中间地应力的方向钻进相对最不稳定。

二、对井壁失稳原因和机理的认识

对于井壁失稳的原因和机理，我们小组调研了相关文献得出井壁失稳主要由两方面的原因引起：泥浆密度过低，泥浆液柱压力难于支撑力学不稳定的地层；泥浆液柱压力高于地层孔隙应力，驱使泥浆进入泥页岩孔隙，产生压力穿透效应，使井眼附近的泥页岩含水量增加，孔隙压力增大，泥页岩强度降低。但同时对于不同的地层，不同的情况其失稳的原因各有不同。

黄维安等人就煤层气钻井井壁失稳机理进行研究得出：泥页岩地层井壁失稳原因是入井流体沿微裂缝侵入泥页岩后引起局部水化，导致剥落掉快；煤岩体中含有一定的粘土矿物，同时煤岩体的割理和微裂缝发育，井壁失稳原因一方面是入井流体沿割理或微裂缝侵入煤岩体后引起局的粘土矿物水化，消弱了颗粒间联接力，另一方面是煤岩体性脆、易破碎，钻具碰撞引起井下垮塌。

谢水祥等人对塔里木盆地群库恰克地区井壁失稳机理进行分析。塔里木盆地群库恰克地区油气产层主要位于石炭系和泥盆系，岩性复杂，已完钻的几口探井钻进过程中共发生了20次井下复杂及钻井事故，因此对其进行井壁失稳分析得

出：井壁失稳的原因：失稳井段泥页岩的矿物成分以伊利石为主，其次为伊/蒙间层、高岭石和绿泥石，缺失蒙脱石，岩样泥页岩膨胀率低；井壁不稳定的原因主要是伊利石的分散作用；现场所用水基钻井液体系滤液进入地层是导致井壁不稳定的重要原因之一。

李皋，孟英峰等人就气体钻井井壁失稳机理进行了研究得出：气体钻井井壁失稳机理主要包括由于缺乏足够井筒流体压力支撑引起的力学失稳，地层产水、产油、雾化、钻井液转化过程中的力学-化学耦合失稳，钻遇产层段的岩石蹦爆与相邻泥岩动力学失稳等；原地岩石力学性质、地应力状态与力学-化学耦合作用规律是气体钻井井壁稳定评价的重点，同时需要尽可能模拟实际复杂工况条件下对井壁稳定性的影响。

邹灵战等人对山前高陡构造节理围岩的井壁失稳机制进行研究,井壁周围的应力集中出现在水平最小主应力方位上，而渗流则主要发生在水平最大主应力方位的节理面上，随着渗流作用节理面上流体压力逐渐升高，并导致围岩在节理面上发生拉张破坏而坍塌，井壁坍塌主要出现在水平最大主应力方位上。这一结果合理解释双井径测井曲线上井眼长轴发生翻转的现象。研究结果表明，降低节理面的渗流速度能够明显地减轻节理围岩的失稳，说明加强钻井液封堵性能对稳定井壁具有针对性；过低的井眼液柱压力会导致水平最小主应力方位上井壁围岩剪切破坏，然而过高的井眼液柱压力却对水平最大主应力方位上节理围岩的稳定产生不利影响，说明控制泥浆密度上限是必要的。

俞杨烽、康毅力等人对碱侵蚀了的泥页岩进行了井壁失稳机理的分析，得到：碱液不仅能增强黏土矿物的水化能力，而且对黏土矿物和石英等硅质矿物具有侵蚀作用。添加抑制剂或采用油基钻井液虽然可以有效抑制水化作用，但是高pH 值钻井液的侵蚀作用仍可继续进行，从而可能导致泥页岩力学强度降低，故推测碱液侵蚀作用可能是导致泥页岩井壁失稳的原因之一。研究表明：在微米尺度范围内，当石英与黏土矿物粒径相当时，矿物碱液侵蚀序列为：蒙脱石>石英>高岭石>伊利石>绿泥石；泥页岩碱液侵蚀率受矿物组成和粒度控制，通常由黏土矿物主导；碱液侵蚀后，泥页岩产生大量侵蚀孔，结构变疏松，岩石抗压强度大幅下降。泥页岩碱液侵蚀作用，不仅在油基钻井液钻进时存在，而且在水基钻井液钻进中更加明显。因此，弱化并有效控制碱液侵蚀作用的程度及范围是控制

泥页岩井壁失稳的重要方式之一。

刘锋报等人针对哈拉哈塘油田硬脆性泥页岩井壁失稳问题，分别从地层力学和地层物理化学2方面进行失稳机理及对策研究。研究结果表明，油田地层 3 大主应力分布规律为σZ＞σH＞σh，三叠系比志留系容易发生力学失稳；三叠系硬脆性泥页岩阳离子交换容量、蒙脱石率、胶体率和膨胀率分别为25.4 mmol/100 g、36.3%、76.4%和 23.2%，表面水化能力较强，易发生物理化学失稳；志留系硬脆性泥页岩阳离子交换容量、蒙脱石率、胶体率和膨胀率都较低，分别为 8 mmol/100 g、11.4%、25.1% 和 9.7%，水化膨胀能力较弱，但由于地层裂缝发育，易发生裂缝性失稳。

汪传磊等人川南硬脆性页岩井壁失稳机理进行了实验研究。地层井壁失稳机理主要是在井筒压差以及毛管力作用下钻井液滤液沿层理面渗入，导致层理面的力学性质发生变化，从而引起页岩整体强度下降出现剥落，最终造成井壁失稳垮塌，通过对该区块页岩实验研究分析，为该地区页岩钻井过程中钻井液优选提供有效的理论支撑，确保页岩层段钻进高效，顺利地进行。

程万等人为了解决西部超深硬脆性泥岩地层侧钻过程中井壁易垮塌的难题，从矿物特征及钻井液作用下地层强度的变化规律出发，确定了井壁失稳原因，考虑了层理面产状、井眼轨迹及地应力的综合影响，根据桑塔木组井壁围岩强度破坏条件建立了造斜井段井壁失稳地质力学模型。现场试验表明，相同井斜角和侧钻方位角条件下，随着差应力比值的增大以及泥岩裸露在钻井液中时间的增长，维持井壁稳定的钻井液密度增大。研究认为，钻井设计时应根据地应力状态优选合理的造斜方位，以有效规避地层井壁围岩坍塌失稳风险高的井段，降低安全钻进风险。

参考文献:

[1]黄维安等.煤层气钻井井壁失稳机理及防塌钻井液技术.煤田地质与勘探，2013，41(2)，37-41.

[2]谢水祥等.破解塔里木盆地群库恰克地区井壁失稳难题的钻井液技术.天然气工业,2011,30(10),68-72.

[3]李皋等.气体快速钻井井壁失稳研究.钻采工艺，2013,36(4):26-30.

[4]邹灵战等.山前高陡构造节理围岩的井壁失稳机制研究.岩石力学与工程学