井眼安全井壁穩(wěn)定

1、井壁不穩(wěn)定機(jī)理及對(duì)策渤海鉆探泥漿技術(shù)服務(wù)公司渤海鉆探泥漿技術(shù)服務(wù)公司 （一）鉆井液施工注意以下幾方面確保井眼安全（一）鉆井液施工注意以下幾方面確保井眼安全 1、井壁穩(wěn)定、井壁穩(wěn)定 2、井眼凈化、井眼凈化 3、潤(rùn)滑防卡、潤(rùn)滑防卡 4、油氣層保護(hù)、油氣層保護(hù) 其中井壁穩(wěn)定是關(guān)鍵、是鉆井液施工重點(diǎn)難點(diǎn)，其中井壁穩(wěn)定是關(guān)鍵、是鉆井液施工重點(diǎn)難點(diǎn)，施工中幾者關(guān)系相互聯(lián)系，只有協(xié)同作好以上施工中幾者關(guān)系相互聯(lián)系，只有協(xié)同作好以上幾個(gè)方面才能確保井眼的安全。幾個(gè)方面才能確保井眼的安全。一、緒論一、緒論井壁不穩(wěn)定問(wèn)題是鉆井中的世界性技術(shù)難題。井壁不穩(wěn)定問(wèn)題是鉆井中的世界性技術(shù)難題。目前仍沒(méi)有徹底解決。特別是，

2、隨著當(dāng)代鉆目前仍沒(méi)有徹底解決。特別是，隨著當(dāng)代鉆井新技術(shù)的運(yùn)用，井壁不穩(wěn)定問(wèn)題在某些情井新技術(shù)的運(yùn)用，井壁不穩(wěn)定問(wèn)題在某些情況下更加突出。況下更加突出。目前，水基鉆井液條件下深層泥頁(yè)巖井壁不目前，水基鉆井液條件下深層泥頁(yè)巖井壁不穩(wěn)定性問(wèn)題更復(fù)雜，更普遍，是核心問(wèn)題之穩(wěn)定性問(wèn)題更復(fù)雜，更普遍，是核心問(wèn)題之一。一。它是涉及鉆井液化學(xué)、巖石力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)它是涉及鉆井液化學(xué)、巖石力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)、滲流力學(xué)、泥巖礦物學(xué)以及鉆井工藝力學(xué)、滲流力學(xué)、泥巖礦物學(xué)以及鉆井工藝學(xué)等多門學(xué)科的復(fù)雜技術(shù)難題。學(xué)等多門學(xué)科的復(fù)雜技術(shù)難題。一、緒論一、緒論 二、井壁不穩(wěn)定地層的類型與井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象 1、井壁不穩(wěn)定地層類

3、型 鉆井過(guò)程鉆遇地層，如泥頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖等可能發(fā)生井壁不穩(wěn)定。但井塌多發(fā)生在泥頁(yè)巖地層中，約占90%以上，縮徑大多發(fā)生在含蒙脫石含量高、含水量大的淺層泥巖、鹽膏層、含鹽軟泥巖或粉砂巖、瀝青等類地層中。壓裂可發(fā)生在任何地層。 井塌可能發(fā)生在各種巖性、不同粘土種類及含量的地層中；但嚴(yán)重井塌往往發(fā)生在以下地層。 （1）層理裂隙發(fā)育或破碎的各種巖性地層。 （2）空隙（坍塌）壓力異常的泥頁(yè)巖。 （3）處于強(qiáng)地應(yīng)力作用的地區(qū)。 （4）厚度大的泥頁(yè)巖。（5）生油層。（6）傾角大易發(fā)生井斜的地層。2、井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象（1）井塌現(xiàn)象振動(dòng)篩巖屑量增多，有掉塊（片狀、方狀-）下鉆下不到底，循環(huán)返出形狀不規(guī)則、尺

4、寸過(guò)大的巖屑（有時(shí)沒(méi)有大的巖屑返出）。有憋泵現(xiàn)象，劃眼到底后，停泵上提鉆具防卡、下放不到劃眼井深。電測(cè)井徑有異常擴(kuò)大井段（大肚子、糖葫蘆井眼）（2）縮徑現(xiàn)象 當(dāng)發(fā)生縮徑時(shí)，由于井徑小于鉆頭直徑，會(huì)出項(xiàng)扭矩增大、上提遇卡，下放遇阻，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生卡鉆。 縮徑根據(jù)產(chǎn)生的原因，地層、地區(qū)采用適合有針對(duì)性措施。 例如：劃眼、增大濾失量、降低濾失量、提高密度等。（3）壓裂現(xiàn)象 當(dāng)鉆井液液柱壓力大于地層破裂壓力，就會(huì)壓裂地層，產(chǎn)生井漏。井漏引起液柱壓力降低，易引起井涌及井塌等事故復(fù)雜。 三、井壁穩(wěn)定主要方法技術(shù) 1、加強(qiáng)封堵 （瀝青、低滲透封堵劑-） 2、提高抑制 （大分子包被劑、K+、-） 3、活度平衡 4

5、、有效應(yīng)力支持 （合理的密度、平衡地層-） 四者協(xié)同是井壁穩(wěn)定基礎(chǔ)n1.80sg的有機(jī)鹽完的有機(jī)鹽完井液井液n浸泡三年浸泡三年n不散、不變形不散、不變形強(qiáng)抑制性強(qiáng)抑制性強(qiáng)抑制性強(qiáng)抑制性強(qiáng)抑制性不強(qiáng)強(qiáng)抑制性不強(qiáng)歸納提煉出鉆井液物理化學(xué)力學(xué)（巖石和巖石和滲透滲透力學(xué)力學(xué)）協(xié)同防塌基本原理： “封堵固結(jié)抑制水化化學(xué)滲透平衡 有效應(yīng)力支撐” “封堵固結(jié)封堵固結(jié)”穩(wěn)定井壁原理與措施穩(wěn)定井壁原理與措施 所謂封堵固結(jié)：包括機(jī)械封堵和化學(xué)膠結(jié)加固兩種作用。封堵阻緩壓力傳遞和濾液滲透作用。縫隙發(fā)育的地層，不強(qiáng)調(diào)封固，只強(qiáng)調(diào)提高密度，防塌效果有時(shí)會(huì)實(shí)得其反。（常用的封堵型防塌劑：瀝青及其改性產(chǎn)品、有機(jī)鋁絡(luò)合物、聚

6、合醇、多元醇成膜樹脂、硅酸鹽等） 有效應(yīng)力支撐井壁穩(wěn)定基本原理：有效應(yīng)力支撐井壁穩(wěn)定基本原理： 合理鉆井液密度的優(yōu)選是關(guān)鍵。必須考慮孔隙壓力傳遞和泥頁(yè)巖水化效應(yīng)（水化應(yīng)力和力學(xué)參數(shù)變化）。 封堵作用是實(shí)施有效應(yīng)力支撐井壁作用的基本前提。特別是破碎性地層，只提高密度防塌效果，有時(shí)會(huì)適得其反。 總之：以上四個(gè)方面防塌途徑互相聯(lián)系且存在總之：以上四個(gè)方面防塌途徑互相聯(lián)系且存在 一定的制約關(guān)系。一定的制約關(guān)系。 針對(duì)復(fù)雜泥頁(yè)巖：一般應(yīng)采取針對(duì)復(fù)雜泥頁(yè)巖：一般應(yīng)采取“四元四元”協(xié)同協(xié)同防塌措施：即物理化學(xué)防塌措施：即物理化學(xué)力學(xué)（巖石和滲透）防力學(xué)（巖石和滲透）防塌新原理塌新原理： “封固封固抑制水化抑

7、制水化化學(xué)滲透平衡化學(xué)滲透平衡有效應(yīng)有效應(yīng)力力 支撐井壁支撐井壁” 四、泥頁(yè)巖水化膨脹和分散特性的研究四、泥頁(yè)巖水化膨脹和分散特性的研究（1）泥頁(yè)巖膨脹機(jī)理的研究 泥頁(yè)巖是沉積巖，一般都含有大量的粘土，在地質(zhì)壓實(shí)過(guò)程中這些巖石因泥頁(yè)巖內(nèi)的各粘土薄層互相擠壓而脫水，產(chǎn)生吸附極性分子的能力。帶有可交換陽(yáng)離子的雙電層和層間水給泥頁(yè)巖表面提供了一個(gè)負(fù)電環(huán)境，使之吸附正電離子和水。當(dāng)井眼穿過(guò)這種脫水泥頁(yè)巖時(shí)，鉆井液中的水被頁(yè)巖中的粘土吸收，并產(chǎn)生膨脹壓力。當(dāng)膨脹壓力達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)引起巖石的破壞。（2）泥頁(yè)巖粘土礦物組分與理化性能之間關(guān)系的研究 國(guó)內(nèi)系統(tǒng)研究了泥頁(yè)巖中所含的各種粘土礦物，如蒙脫石、伊

8、利石、綠泥石、高嶺石、無(wú)序或有序伊蒙混層、綠蒙混層等自身的陽(yáng)離子交換容量、分散與膨脹性能；對(duì)我國(guó)各油田不同地質(zhì)年代、不同井深的幾千塊泥頁(yè)巖的粘土與非粘土礦物種類及其含量、密度、陽(yáng)離子交換容量、分散性能、活度、可溶性鹽的含量等性能進(jìn)行了測(cè)定，系統(tǒng)地研究了上述各種性能之間的關(guān)系，為研究新區(qū)不穩(wěn)定地層坍塌機(jī)理及技術(shù)對(duì)策奠定了基礎(chǔ)。（2）活度和半透膜對(duì)泥頁(yè)巖水化的影響 石油勘探院、石油大學(xué)等單位通過(guò)研究也得出鉆井過(guò)程中，鉆井液的濾液向頁(yè)巖中擴(kuò)散的動(dòng)力是鉆井液與頁(yè)巖間的水化學(xué)勢(shì)之差。影響它的主要因素是鉆井液液柱壓力與孔隙壓力之差及鉆井液水活度與頁(yè)巖水活度之比。只有存在較高效率的半透膜時(shí)，鉆井液與頁(yè)巖的水

9、活度差才能在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)控制水的遷移。（3）活度和半透膜對(duì)泥頁(yè)巖水化的影響 油基鉆井液具有較理想的半透膜效率。對(duì)于頁(yè)巖是否存在半透膜有不同的看法，部分人認(rèn)為受到較強(qiáng)壓實(shí)作用的頁(yè)巖或孔隙低的頁(yè)巖，其自身可起到半透膜的作用，但可能在幾十小時(shí)或幾十分鐘就消失?？赏ㄟ^(guò)加入特殊處理劑來(lái)提高泥頁(yè)巖的膜效率。另一部分人認(rèn)為泥頁(yè)巖本身可作為一種半透膜，其效率不是100%?？捎糜行О胪改は禂?shù)來(lái)表征膜的理想性。水基鉆井液通過(guò)加入無(wú)機(jī)鹽可以降低水的活度，降低頁(yè)巖水化膨脹的程度。（4）泥頁(yè)巖吸水量與強(qiáng)度的關(guān)系 國(guó)內(nèi)90年代初也開始研究鉆頁(yè)巖地層時(shí)鉆井液對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)鉆井液濾液侵入頁(yè)巖的深度是時(shí)間的函數(shù)，且與

10、鉆井液類型有關(guān)。當(dāng)壓力越高，有效圍壓越低，鉆井液濾液侵入頁(yè)巖的速度越快。頁(yè)巖吸水越多，強(qiáng)度越低。（5）用離子釋放法可研究泥頁(yè)巖的水化過(guò)程 石油大學(xué)、大慶油田等單位，曾通過(guò)對(duì)泥頁(yè)巖水化過(guò)程中離子釋放規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖水化在1024 h范圍內(nèi)，出現(xiàn)鈉離子突然釋放現(xiàn)象，此時(shí)頁(yè)巖回收率明顯下降，陽(yáng)離子釋放總量及鈉離子釋放總量所占的比例越高，泥頁(yè)巖越易分散，就越易引起井塌。（6）泥頁(yè)巖中無(wú)機(jī)鹽含量與水敏性之間關(guān)系的研究泥頁(yè)巖中含有無(wú)機(jī)鹽會(huì)使它的吸水量增加。（7）溫度和壓力對(duì)泥頁(yè)巖水化膨脹性能影響 鉆井液由井底上返時(shí)，會(huì)加熱上步的裸眼井段，這是造成上部井眼垮塌的主要原因5。許多研究單位使用高溫高壓膨脹儀

11、對(duì)膨潤(rùn)土水化特性進(jìn)行了研究，得出了如下看法：膨潤(rùn)土水化膨脹速率和膨脹量隨溫度升高而明顯地增大，在120oC時(shí)，膨脹曲線形狀有較大的變化，膨潤(rùn)土的膨脹程度隨壓力的增大而明顯下降，膨潤(rùn)土在常溫常壓下與高溫高壓下的膨脹特性有較大的差別，所以研究井壁穩(wěn)定技術(shù)措施時(shí)必須考慮溫度和壓力的影響。（8）鉆井液的pH值對(duì)泥頁(yè)巖水化膨脹、分散的影響 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，粘土晶體表面可以靠氫鍵吸附氫氧根，氫氧根又會(huì)通過(guò)氫鍵與靜電作用發(fā)生水化。提高鉆井液的pH值，會(huì)加劇頁(yè)巖的水化膨脹，加速硬脆性頁(yè)巖的裂解掉塊。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)水溶液的pH值低于9時(shí)，對(duì)泥頁(yè)巖水化影響不大；但當(dāng)pH值繼續(xù)增加時(shí)，泥頁(yè)巖水化加劇，將促使泥頁(yè)巖坍塌。

12、五、防塌處理劑穩(wěn)定井壁機(jī)理的研究五、防塌處理劑穩(wěn)定井壁機(jī)理的研究（1）高聚物的吸附量與泥頁(yè)巖水化膨脹之間關(guān)系的研究 Theng的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)鈉蒙脫石所吸附的聚乙烯醇（PVA）數(shù)量增加時(shí)，其吸水量大大降低。當(dāng)丙烯酰胺與丙烯酸共聚物在頁(yè)巖上的吸附量最低時(shí)，抑制頁(yè)巖分散作用效率最高2。用透射電鏡證實(shí)聚合物的包被作用，并系統(tǒng)地研究了聚合物的類型、分子量、結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)等因素對(duì)穩(wěn)定井壁的影響1。作用機(jī)理主要是作用機(jī)理主要是“濁點(diǎn)效應(yīng)濁點(diǎn)效應(yīng)”溫度在濁點(diǎn)以下時(shí)，該溫度在濁點(diǎn)以下時(shí)，該產(chǎn)品溶于水，在濁點(diǎn)以上表現(xiàn)為產(chǎn)品溶于水，在濁點(diǎn)以上表現(xiàn)為“親油疏水而又分散于親油疏水而又分散于水水”-。 濁點(diǎn)在濁點(diǎn)在30

13、-5030-50之間之間，在鉆井液中可始終保持在鉆井液中可始終保持“親油疏水分親油疏水分散于水散于水”的狀態(tài)，可吸附于鉆屑及粘土顆粒表面，抑制其水的狀態(tài)，可吸附于鉆屑及粘土顆粒表面，抑制其水化分散與膨脹化分散與膨脹-； 同類產(chǎn)品對(duì)比，優(yōu)勢(shì)突出同類產(chǎn)品對(duì)比，優(yōu)勢(shì)突出-。（2）鉀離子 實(shí)驗(yàn)證明，K+穩(wěn)定井壁有三方面的作用：一是抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹；二是抑制泥頁(yè)巖的分散；三是促進(jìn)高聚物在泥頁(yè)巖上吸附。采用X-射線衍射儀、原子吸收光譜儀等儀器可研究鉀離子防塌機(jī)理。鉀離子與泥頁(yè)巖相互作用存在兩種方式，一種是離子交換，另一種是晶格固定；不同類別泥頁(yè)巖，鉀離子作用方式不同。當(dāng)pH值增高，及混入鈣、鈉等陽(yáng)離子

14、的濃度增加時(shí)，會(huì)阻礙泥頁(yè)巖對(duì)鉀離子的固定作用。 按抑制強(qiáng)弱，可將鉀鹽分為4類： K2SiO3抑制作用極強(qiáng),頁(yè)巖回收率可大于80%；證明了硅酸鹽的模數(shù)越高，其抑制分散作用越好； KCl、KNO3和醋酸鉀（KAC），具有強(qiáng)抑制分散能力，頁(yè)巖回收率可大于70%； K2SO4、K2CO3、K3PO4、K2CrO7和K4P2O7,頁(yè)巖回收率均大于60%，具有較強(qiáng)的抑制水化分散能力； 總之總之：針對(duì)鉆遇復(fù)雜泥頁(yè)巖特性，必須針對(duì)性地開展抑制劑的優(yōu)選及其作用機(jī)理的深入研究，以便指導(dǎo)抑制劑種類和加量的優(yōu)化選擇。（3）有機(jī)陽(yáng)離子化合物及陽(yáng)離子聚合物 有機(jī)陽(yáng)離子處理劑穩(wěn)定井壁的主要原因是，它能中和泥頁(yè)巖表面的負(fù)電荷

15、，降低Zeta電位，增大聚合物的吸附量，從而抑制水化分散。（4）硅離子 向鉆井液中加入有機(jī)硅防塌劑，有機(jī)硅在泥頁(yè)巖表面迅速展開，形成薄膜。在一定溫度下，有機(jī)硅中的-Si-OH基易和粘土表面的-Si-OH基縮合失水，形成-Si-O-Si鍵，在粘土表面產(chǎn)生一種很強(qiáng)的化學(xué)吸附作用，使粘土發(fā)生潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)，從而使泥頁(yè)巖的水化得到控制。（5）瀝青類防塌劑 國(guó)內(nèi)外使用天然瀝青和各種化學(xué)改性瀝青產(chǎn)品穩(wěn)定井壁已有多年的歷史。瀝青粉的主要作用機(jī)理是在鉆遇頁(yè)巖之前，往鉆井液中加入該種物質(zhì)，當(dāng)鉆遇到頁(yè)巖時(shí)，若瀝青的軟化點(diǎn)與地層溫度相匹配，在鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力之間的壓差作用下，瀝青產(chǎn)品會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)，擠入頁(yè)巖孔

16、隙、裂縫和層面，封堵地層層理與裂隙，提高對(duì)裂縫的粘結(jié)力，在井壁處形成良好的內(nèi)、外泥餅，外泥餅與地層之間有一層致密的保護(hù)膜，使外泥餅難以沖刷掉，阻止水進(jìn)入地層，起到穩(wěn)定井壁的作用。（5）瀝青類防塌劑 不同瀝青類產(chǎn)品穩(wěn)定井壁機(jī)理不同。 瀝青類產(chǎn)品的軟化點(diǎn)及使用時(shí)的溫度與壓差直接影響其效果；在產(chǎn)品軟化點(diǎn)以內(nèi)，隨著使用溫度的增高，穩(wěn)定井壁效果增強(qiáng)；當(dāng)溫度高于瀝青的軟化點(diǎn)時(shí)，瀝青變成流體，在壓差作用下進(jìn)入裂縫深處，失去封堵作用。因此，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)坍塌層的溫度來(lái)選擇合適軟化點(diǎn)的瀝青類產(chǎn)品。六、常用的防塌鉆井液六、常用的防塌鉆井液1、無(wú)固相不分散聚合物鉆井液 無(wú)固相不分散聚合物鉆井液包括：無(wú)固相不分散陰離子

17、、陽(yáng)離子及兩性離子聚合物鉆井液。2、低固相聚合物鉆井液 低固相聚合物鉆井液包括：陰離子聚合物鉆井液、陽(yáng)離子聚合物鉆井液、鉀銨基聚合物鉆井液、正電膠陽(yáng)離子聚合物鉆井液、兩性離子聚合物鉆井液。3、聚磺鉆井液 聚磺鉆井液包括：陰離子聚磺鉆井液、陽(yáng)離子聚磺鉆井液、鉀銨基聚磺鉆井液、正電膠陽(yáng)離子聚磺鉆井液、兩性離子聚磺鉆井液。4、有機(jī)硅鉆井液5、鉀石灰鉆井液6、正電膠鉆井液7、飽和鹽水鉆井液8、油包水鉆井液七、井塌的預(yù)防處理七、井塌的預(yù)防處理1、分析判斷初步分析判斷井塌的原因: 失水偏大 抑制性封堵性差 密度低不能平衡地層坍塌壓力2、制定措施 降低濾失量 提高粘切(帶出巖屑、懸浮住巖屑“大肚子井段”，避免憋泵或砂橋等卡鉆） 工程措施七、井塌的預(yù)防處理七、井塌的預(yù)防處理工程上防塌措施： 起鉆防止抽吸壓力。 起鉆要灌好鉆井液，保持井筒鉆井液液面。 井身質(zhì)量，直井要打直，斜井井眼