鉆井過程中井壁穩(wěn)定分析與對(duì)策

郜義

摘要：本文結(jié)合鉆井中井壁穩(wěn)定性較差地層特征和坍塌地層特征分析，從力學(xué)和物理化學(xué)兩個(gè)方面對(duì)井壁穩(wěn)定問題進(jìn)行了分析，并通過應(yīng)力因素引起的井壁失穩(wěn)控制和鉆井液因素引起的井壁失穩(wěn)控制兩方面措施研究，對(duì)提升井壁穩(wěn)定性進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：井壁穩(wěn)定性；鉆井技術(shù)；鉆井液

當(dāng)前，我國油田開發(fā)力度加大，逐步向深層、深海區(qū)塊延伸，水平井、大位移井等特殊井身結(jié)構(gòu)鉆井應(yīng)用增多，井壁坍塌等井下事故也相應(yīng)增加，極易在鉆井中出現(xiàn)井壁縮徑、坍塌、地層壓裂等情況，坍塌機(jī)理比較復(fù)雜，很難預(yù)防，影響鉆井井下安全和鉆井持續(xù)性。因此，有必要對(duì)井壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析，有針對(duì)性的提出提升井壁穩(wěn)定性的對(duì)策措施。

1 鉆井過程中井壁穩(wěn)定性

1.1鉆井井壁穩(wěn)定性較差和坍塌地層特征

在鉆井中，鉆遇泥頁巖、砂巖、礫巖、煤層、巖漿巖、灰?guī)r等都可能發(fā)生井壁坍塌，但90%以上的坍塌發(fā)生在泥頁巖地層，縮徑一般在鹽膏層、淺層泥巖和滲透性較高的砂巖發(fā)生。坍塌可能在各種巖性和粘土礦物含量地層中發(fā)生，但坍塌嚴(yán)重地層大多具有以下特征：發(fā)育有層理清晰的裂縫或破碎性較強(qiáng)的巖性地層；泥頁巖特別是孔隙壓力異常地層；地應(yīng)力較強(qiáng)、傾角大易發(fā)生井斜地層；厚度較大泥頁巖地層；高含水砂巖、泥巖地層等。

1.2井壁穩(wěn)定性影響因素

井壁穩(wěn)定性較差原因是鉆井液和鉆具在地層中作用，壓力超過井壁巖層承受強(qiáng)度，以及鉆井液與井壁地層巖石礦物發(fā)生物理化學(xué)作用，加大坍塌壓力、降低破裂壓力等引起井壁失穩(wěn)。

一是力學(xué)因素。地層鉆開前巖層受上覆壓力、水平地應(yīng)力和孔隙壓力作用，壓力均衡，鉆開后鉆井液對(duì)井壁壓力替代了鉆開巖層對(duì)井壁巖層的支撐，破壞了壓力平衡狀態(tài)，使周圍地應(yīng)力需要重新分布，在地應(yīng)力超過井壁周圍巖層承受強(qiáng)度后會(huì)發(fā)生剪切破壞，脆性地層會(huì)發(fā)生井壁坍塌，塑性地層會(huì)發(fā)生塑性變形（縮徑）。鉆井中井壁被剪切破壞臨界井眼壓力稱為坍塌壓力，該狀態(tài)下鉆井液密度為坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度。地應(yīng)力因素上，井壁坍塌以最小地應(yīng)力為方向，坍塌壓力隨地應(yīng)力及地應(yīng)力非均勻系數(shù)增大而增大。地層強(qiáng)度因素，地層坍塌壓力與井壁周邊地層的強(qiáng)度系數(shù)和內(nèi)摩擦角呈反比。孔隙壓力因素，地層坍塌和破裂壓力與孔隙壓力呈正比，但破裂壓力增速比坍塌壓力小，隨著孔隙壓力加大，鉆井液密度安全范圍逐步變小。地層滲透性因素，滲透性較強(qiáng)地層鉆井液會(huì)滲透到井壁周圍地層，產(chǎn)生滲透壓力加大井壁周圍地層孔隙壓力變化率，加大井壁坍塌概率。井徑擴(kuò)大率因素，安全鉆井允許一定程度坍塌，可適當(dāng)降低鉆井液密度。地層破碎程度因素，地層破碎程度越高，鉆井液滲入越強(qiáng)、滲入深度越大，也就增高了坍塌壓力。方位角、井斜角及鉆井液組成和性能等，都會(huì)對(duì)地層坍塌壓力產(chǎn)生一定影響。同時(shí)，在坍塌層鉆進(jìn)中鉆井液密度比地層坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度更低、鉆井中鉆井液密度異常過高、鉆井液密度過低對(duì)鹽層及含鹽含水軟泥巖塑性變形控制性較差、起鉆抽吸降低鉆井液壓力、井噴或井漏降低井筒內(nèi)液柱壓力等，也會(huì)引起井壁坍塌。

二是物理化學(xué)因素。從地層構(gòu)成看，巖石主要由石英、長石、方解石等非粘土礦物，伊利石、伊蒙間層、綠泥石等晶態(tài)粘土礦物，以及蛋白石等非晶態(tài)粘土礦物構(gòu)成，不同巖性地層所含礦物類型、含量存在差異，會(huì)影響井壁穩(wěn)定性。從鉆井液滲入地層驅(qū)動(dòng)力看，鉆開地層后鉆井液在井筒中與地層孔隙流體間存在化學(xué)勢(shì)差、壓差，在這些壓力與地層毛細(xì)管力綜合驅(qū)動(dòng)下，鉆井液濾液會(huì)滲入地層造成粘土礦物水化膨脹，引起井壁失穩(wěn)。從粘土水化機(jī)理看，粘土礦物與水接觸后會(huì)發(fā)生離子水化、表面水化、滲透水化，易引發(fā)井壁失穩(wěn)。從地層水化膨脹看，鉆井液與井壁地層接觸后會(huì)升高孔隙壓力、引起近井筒地層力學(xué)性質(zhì)變化，地層水化膨脹加大井壁失穩(wěn)概率。

2 鉆井井壁失穩(wěn)控制技術(shù)措施

2.1應(yīng)力因素引起的井壁失穩(wěn)控制

一是優(yōu)化設(shè)計(jì)井身軌跡。套管可有效杜絕和避免井壁垮塌，要結(jié)合區(qū)塊地質(zhì)特征和巖層物理化學(xué)性質(zhì)，科學(xué)設(shè)計(jì)井身軌跡，確定套管放置層數(shù)和深度，在井壁地層壓力活躍、壓力較大井段放置套管，特別是對(duì)地層壓力難以控制井段放置套管，并確保裸眼井段地層壓力體系穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)地層鉆開后壓力均衡，避免局部井壁坍塌。

二是加強(qiáng)井壁坍塌預(yù)判分析。要綜合鉆井前掌握的各方面資料，建立井壁地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力等剖面模型，對(duì)不同剖面模型研究應(yīng)用不同鉆井液體系，通過井壁周邊地層壓力平衡確保地層整體壓力平衡。

三是優(yōu)化鉆井測(cè)井技術(shù)。要合理控制鉆井速度，防止測(cè)井儀器過多干擾。要控制好下鉆速度，對(duì)鉆井泵、機(jī)械泵等緩慢啟閉，避免對(duì)井眼造成抽吸或?qū)蹓毫Ξ惓ａ尫?，以及機(jī)械鉆具對(duì)井壁碰撞，降低井內(nèi)激動(dòng)壓力和液柱壓力，杜絕因震動(dòng)等產(chǎn)生地層裂縫引起井壁坍塌。

2.2鉆井液因素引起的井壁失穩(wěn)控制

鉆井液引發(fā)井壁坍塌多是液體與泥頁巖接觸后發(fā)生水和離子運(yùn)移水化作用，造成鉆井液與地層孔隙壓力產(chǎn)生水力壓差、鉆井液中水與地層水化學(xué)勢(shì)差驅(qū)動(dòng)下，使鉆井液滲入地層引起地層壓力重新分布，產(chǎn)生井壁坍塌。預(yù)防這類坍塌主要是應(yīng)用防塌鉆井液體系。

一是聚合物鉆井液。屬帶負(fù)電電解質(zhì)，通過靜電作用吸附帶電晶體，利用氫鍵在晶體層間吸附粘土，通過吸附可延緩水分子向泥頁巖滲透，穩(wěn)定井壁、控制粘土分散。其中，鉀離子防塌性較強(qiáng)，可與粘土表面鈉離子、鈣離子等發(fā)生交換形成水化膜，對(duì)雙電層擴(kuò)散進(jìn)行壓縮，抑制巖層水化。

二是復(fù)合離子聚合物鉆井液。該型鉆井液高分子鏈上存在較多官能團(tuán)，改變了聚合物與粘土表面單一氫鍵吸附模式，轉(zhuǎn)換為氫鍵與靜電吸附雙重吸附作用，增強(qiáng)聚合物在粘土表面吸附強(qiáng)度，加快吸附速度，確保了粘土在水化前就能被吸附到粘土表面，形成厚度較大的吸附膜抑制泥頁巖水化分散。

三是其他防塌鉆井液體系。如無固相不分散或低固相聚合物鉆井液、聚磺鉆井液、飽和鹽水鉆井液、油包水鉆井液等，都聚有較強(qiáng)防塌性，可視情況選擇。

3結(jié)論

綜上所述，石油鉆井井壁坍塌是影響鉆井安全和持續(xù)性的重要問題，通過對(duì)井壁穩(wěn)定性影響因素和控制技術(shù)措施進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，有利于提升鉆井井壁穩(wěn)定性，更好地開展石油鉆井。

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