论文部分内容阅读
摘要：本文结合钻井中井壁稳定性较差地层特征和坍塌地层特征分析，从力学和物理化学两个方面对井壁稳定问题进行了分析，并通过应力因素引起的井壁失稳控制和钻井液因素引起的井壁失稳控制两方面措施研究，对提升井壁稳定性进行了探究。
关键词：井壁稳定性；钻井技术；钻井液
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。地层渗透性因素，渗透性较强地层钻井液会渗透到井壁周围地层，产生渗透压力加大井壁周围地层孔隙压力变化率，加大井壁坍塌概率。井径扩大率因素，安全钻井允许一定程度坍塌，可適当降低钻井液密度。地层破碎程度因素，地层破碎程度越高，钻井液渗入越强、渗入深度越大，也就增高了坍塌压力。方位角、井斜角及钻井液组成和性能等，都会对地层坍塌压力产生一定影响。同时，在坍塌层钻进中钻井液密度比地层坍塌压力当量钻井液密度更低、钻井中钻井液密度异常过高、钻井液密度过低对盐层及含盐含水软泥岩塑性变形控制性较差、起钻抽吸降低钻井液压力、井喷或井漏降低井筒内液柱压力等，也会引起井壁坍塌。
二是物理化学因素。从地层构成看，岩石主要由石英、长石、方解石等非粘土矿物，伊利石、伊蒙间层、绿泥石等晶态粘土矿物，以及蛋白石等非晶态粘土矿物构成，不同岩性地层所含矿物类型、含量存在差异，会影响井壁稳定性。从钻井液渗入地层驱动力看，钻开地层后钻井液在井筒中与地层孔隙流体间存在化学势差、压差，在这些压力与地层毛细管力综合驱动下，钻井液滤液会渗入地层造成粘土矿物水化膨胀，引起井壁失稳。从粘土水化机理看，粘土矿物与水接触后会发生离子水化、表面水化、渗透水化，易引发井壁失稳。从地层水化膨胀看，钻井液与井壁地层接触后会升高孔隙压力、引起近井筒地层力学性质变化，地层水化膨胀加大井壁失稳概率。
2 钻井井壁失稳控制技术措施
2.1应力因素引起的井壁失稳控制
一是优化设计井身轨迹。套管可有效杜绝和避免井壁垮塌，要结合区块地质特征和岩层物理化学性质，科学设计井身轨迹，确定套管放置层数和深度，在井壁地层压力活跃、压力较大井段放置套管，特别是对地层压力难以控制井段放置套管，并确保裸眼井段地层压力体系稳定，实现地层钻开后压力均衡，避免局部井壁坍塌。
二是加强井壁坍塌预判分析。要综合钻井前掌握的各方面资料，建立井壁地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力等剖面模型，对不同剖面模型研究应用不同钻井液体系，通过井壁周边地层压力平衡确保地层整体压力平衡。
三是优化钻井测井技术。要合理控制钻井速度，防止测井仪器过多干扰。要控制好下钻速度，对钻井泵、机械泵等缓慢启闭，避免对井眼造成抽吸或对井眼压力异常释放，以及机械钻具对井壁碰撞，降低井内激动压力和液柱压力，杜绝因震动等产生地层裂缝引起井壁坍塌。
2.2钻井液因素引起的井壁失稳控制
钻井液引发井壁坍塌多是液体与泥页岩接触后发生水和离子运移水化作用，造成钻井液与地层孔隙压力产生水力压差、钻井液中水与地层水化学势差驱动下，使钻井液渗入地层引起地层压力重新分布，产生井壁坍塌。预防这类坍塌主要是应用防塌钻井液体系。
一是聚合物钻井液。属带负电电解质，通过静电作用吸附带电晶体，利用氢键在晶体层间吸附粘土，通过吸附可延缓水分子向泥页岩渗透，稳定井壁、控制粘土分散。其中，钾离子防塌性较强，可与粘土表面钠离子、钙离子等发生交换形成水化膜，对双电层扩散进行压缩，抑制岩层水化。
二是复合离子聚合物钻井液。该型钻井液高分子链上存在较多官能团，改变了聚合物与粘土表面单一氢键吸附模式，转换为氢键与静电吸附双重吸附作用，增强聚合物在粘土表面吸附强度，加快吸附速度，确保了粘土在水化前就能被吸附到粘土表面，形成厚度较大的吸附膜抑制泥页岩水化分散。
三是其他防塌钻井液体系。如无固相不分散或低固相聚合物钻井液、聚磺钻井液、饱和盐水钻井液、油包水钻井液等，都聚有较强防塌性，可视情况选择。
3结论
综上所述，石油钻井井壁坍塌是影响钻井安全和持续性的重要问题，通过对井壁稳定性影响因素和控制技术措施进行简要分析，有利于提升钻井井壁稳定性，更好地开展石油钻井。
参考文献：
[1]王中华.国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识[J].中外能源，2011（01）.
[2]杨小华.提高井壁稳定性的途径及水基防塌钻井液研究与应用进展[J].中外能源，2012（05）.
关键词：井壁稳定性；钻井技术；钻井液
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。地层渗透性因素，渗透性较强地层钻井液会渗透到井壁周围地层，产生渗透压力加大井壁周围地层孔隙压力变化率，加大井壁坍塌概率。井径扩大率因素，安全钻井允许一定程度坍塌，可適当降低钻井液密度。地层破碎程度因素，地层破碎程度越高，钻井液渗入越强、渗入深度越大，也就增高了坍塌压力。方位角、井斜角及钻井液组成和性能等，都会对地层坍塌压力产生一定影响。同时，在坍塌层钻进中钻井液密度比地层坍塌压力当量钻井液密度更低、钻井中钻井液密度异常过高、钻井液密度过低对盐层及含盐含水软泥岩塑性变形控制性较差、起钻抽吸降低钻井液压力、井喷或井漏降低井筒内液柱压力等，也会引起井壁坍塌。
二是物理化学因素。从地层构成看，岩石主要由石英、长石、方解石等非粘土矿物，伊利石、伊蒙间层、绿泥石等晶态粘土矿物，以及蛋白石等非晶态粘土矿物构成，不同岩性地层所含矿物类型、含量存在差异，会影响井壁稳定性。从钻井液渗入地层驱动力看，钻开地层后钻井液在井筒中与地层孔隙流体间存在化学势差、压差，在这些压力与地层毛细管力综合驱动下，钻井液滤液会渗入地层造成粘土矿物水化膨胀，引起井壁失稳。从粘土水化机理看，粘土矿物与水接触后会发生离子水化、表面水化、渗透水化，易引发井壁失稳。从地层水化膨胀看，钻井液与井壁地层接触后会升高孔隙压力、引起近井筒地层力学性质变化，地层水化膨胀加大井壁失稳概率。
2 钻井井壁失稳控制技术措施
2.1应力因素引起的井壁失稳控制
一是优化设计井身轨迹。套管可有效杜绝和避免井壁垮塌，要结合区块地质特征和岩层物理化学性质，科学设计井身轨迹，确定套管放置层数和深度，在井壁地层压力活跃、压力较大井段放置套管，特别是对地层压力难以控制井段放置套管，并确保裸眼井段地层压力体系稳定，实现地层钻开后压力均衡，避免局部井壁坍塌。
二是加强井壁坍塌预判分析。要综合钻井前掌握的各方面资料，建立井壁地层孔隙压力、坍塌压力、破裂压力等剖面模型，对不同剖面模型研究应用不同钻井液体系，通过井壁周边地层压力平衡确保地层整体压力平衡。
三是优化钻井测井技术。要合理控制钻井速度，防止测井仪器过多干扰。要控制好下钻速度，对钻井泵、机械泵等缓慢启闭，避免对井眼造成抽吸或对井眼压力异常释放，以及机械钻具对井壁碰撞，降低井内激动压力和液柱压力，杜绝因震动等产生地层裂缝引起井壁坍塌。
2.2钻井液因素引起的井壁失稳控制
钻井液引发井壁坍塌多是液体与泥页岩接触后发生水和离子运移水化作用，造成钻井液与地层孔隙压力产生水力压差、钻井液中水与地层水化学势差驱动下，使钻井液渗入地层引起地层压力重新分布，产生井壁坍塌。预防这类坍塌主要是应用防塌钻井液体系。
一是聚合物钻井液。属带负电电解质，通过静电作用吸附带电晶体，利用氢键在晶体层间吸附粘土，通过吸附可延缓水分子向泥页岩渗透，稳定井壁、控制粘土分散。其中，钾离子防塌性较强，可与粘土表面钠离子、钙离子等发生交换形成水化膜，对双电层扩散进行压缩，抑制岩层水化。
二是复合离子聚合物钻井液。该型钻井液高分子链上存在较多官能团，改变了聚合物与粘土表面单一氢键吸附模式，转换为氢键与静电吸附双重吸附作用，增强聚合物在粘土表面吸附强度，加快吸附速度，确保了粘土在水化前就能被吸附到粘土表面，形成厚度较大的吸附膜抑制泥页岩水化分散。
三是其他防塌钻井液体系。如无固相不分散或低固相聚合物钻井液、聚磺钻井液、饱和盐水钻井液、油包水钻井液等，都聚有较强防塌性，可视情况选择。
3结论
综上所述，石油钻井井壁坍塌是影响钻井安全和持续性的重要问题，通过对井壁稳定性影响因素和控制技术措施进行简要分析，有利于提升钻井井壁稳定性，更好地开展石油钻井。
参考文献：
[1]王中华.国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识[J].中外能源，2011（01）.
[2]杨小华.提高井壁稳定性的途径及水基防塌钻井液研究与应用进展[J].中外能源，2012（05）.