井壁穩(wěn)定技術(shù)講座

張樂文勝利石油管理局鉆井工藝研究院井壁穩(wěn)定研究的現(xiàn)狀與發(fā)展內(nèi)容提要引言2．井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀3．發(fā)展趨勢1.引言

井壁不穩(wěn)定問題是伴隨石油鉆井和完井過程中的世界性重大工程技術(shù)難題。半個(gè)多世紀(jì)以來，井壁穩(wěn)定性問題是國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題，通過不懈努力，雖然取得了長足進(jìn)步，但目前仍沒有徹底解決。特別是，隨著當(dāng)代大位移鉆井技術(shù)、水平井鉆井技術(shù)、小井眼鉆井技術(shù)、分枝多底井鉆井技術(shù)、軟管鉆井技術(shù)以及欠平衡鉆井新技術(shù)的運(yùn)用．井壁不穩(wěn)定問題在某些情況下更加突出。1.引言

目前，我國東部的大慶、大港、冀東、江蘇等油田以及西部的塔里術(shù)等油田都存在井壁不穩(wěn)定問題。易發(fā)生井壁不穩(wěn)定的復(fù)雜地層主要包括：大段深層復(fù)雜泥頁巖層、膏泥鹽混層、破碎性的玄武巖、礫巖和煤層、高陡地應(yīng)力山前構(gòu)造帶等。廣泛調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析表明，油氣井鉆遇地層中約75％屬泥頁巖地層；約90％井壁不穩(wěn)定復(fù)雜情況發(fā)生在泥頁巖地層，特別是復(fù)雜的深層硬脆性泥巖地層。

井壁失穩(wěn)的影響因素1.引言1.引言井壁失穩(wěn)的類型井壁坍塌、縮徑，井眼漏失井壁失穩(wěn)的類型：(a)剪切破壞；(b)拉伸破壞1.引言

井壁不穩(wěn)定一般直接表現(xiàn)為泥巖水化膨脹縮徑、硬脆性泥頁巖的剝落掉塊擴(kuò)徑，以及地層壓裂漏失三種形式。井壁失穩(wěn)輕者引起起下鉆遇阻、卡鉆、扭矩過大、井眼凈化困難、井涌、井漏、測井和固井困難，重者導(dǎo)致井噴、井眼重鉆或報(bào)廢，延誤油氣勘探開發(fā)?？傊?，井壁不穩(wěn)定問題給安全、快速、經(jīng)濟(jì)鉆井帶來很大困難，是影響鉆井時(shí)效和耗資巨大的工程技術(shù)難題。據(jù)保守統(tǒng)計(jì)，全世界每年因井壁失穩(wěn)造成的資金浪費(fèi)高達(dá)7—10億美元。因此，迫切需要開展泥頁巖井壁穩(wěn)定性機(jī)理的深入研究。1.引言井壁失穩(wěn)的主要類型及防治井壁穩(wěn)定防井壁垮塌防井漏防縮徑－卡鉆泥漿性能2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀井壁失穩(wěn)機(jī)理和預(yù)測方法研究主要包括①經(jīng)驗(yàn)方法。根據(jù)在某地區(qū)的鉆進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，找出井壁失穩(wěn)的層位、類型和控制措施。②室內(nèi)物理模型試驗(yàn)。如厚壁圓筒(TWC)試驗(yàn)、井眼坍塌試驗(yàn)或真三軸試驗(yàn)，研究井壁失穩(wěn)的機(jī)理；③建立井壁失穩(wěn)分析模型。如力學(xué)分析模型和概率模型和人工智能模型。

2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀礦物組分與理化性能的研究方面：70年代未期，各油田開始不穩(wěn)定地層的礦物組分與理化性能研究。80年代中期，開始建立各區(qū)塊縱、橫向地層礦物組分與理化性能剖面。2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀井壁穩(wěn)定室內(nèi)評(píng)價(jià)方面：

評(píng)價(jià)鉆井液與井壁地層接觸時(shí)所發(fā)生的化學(xué)與力學(xué)性能變化膨脹性試驗(yàn)，包括常溫常壓和高溫高壓膨脹性試驗(yàn)。分散性試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)防塌試驗(yàn)等。

2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀井壁穩(wěn)定機(jī)理研究方面：（1）化學(xué)因素穩(wěn)定井壁機(jī)理研究（2）力學(xué)因素穩(wěn)定井壁機(jī)理研究（3）化學(xué)－力學(xué)耦合穩(wěn)定井壁的機(jī)理研究2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2.1、在過去相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi),關(guān)于泥頁巖井壁穩(wěn)定性的化學(xué)和力學(xué)研究是彼此獨(dú)立進(jìn)行的。1）僅從鉆井液化學(xué)的角度進(jìn)行的井壁穩(wěn)定研究，主要探討泥頁巖水化膨脹、分散的機(jī)理，評(píng)價(jià)不同鉆井液體系對(duì)泥頁巖水化影響的強(qiáng)弱程度，從中優(yōu)選最佳鉆井液體系；其中主要評(píng)價(jià)方法有：高溫高壓膨脹，陽離子交換容量，滾動(dòng)回收率等，這些常規(guī)評(píng)價(jià)方法只是從不同側(cè)面表征了鉆井液與泥頁巖的相互作用，但不能給出相互作用的全貌。2）純力學(xué)研究主要以線彈性連續(xù)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，研究井壁周圍的應(yīng)力狀態(tài),然后根據(jù)某種強(qiáng)度準(zhǔn)則確定出防止井壁坍塌的理論破裂壓力和坍塌壓力。存在如下問題：使用水基鉆井液，由于水化作用，改變了地層的初始強(qiáng)度，因此，了解地層在水基鉆井液作用后的強(qiáng)度是提高井壁穩(wěn)定分析精度的關(guān)鍵因素之一；2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2.2、關(guān)于泥頁巖井壁穩(wěn)定的力化耦合理論研究真正能用于定量計(jì)算的方法只有兩種,一種是Texas大學(xué)Ｃ.Ｈ.Yew的熱彈性比擬法,另一種是Shell公司Ｆ.Ｋ.Mody等人的水分子自由能熱動(dòng)力理論法。2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2.2、關(guān)于泥頁巖井壁穩(wěn)定的力化耦合理論研究1）化學(xué)力學(xué)耦合的熱彈性比擬法1989年,Texas大學(xué)的Ｃ.Ｈ.Yew等人才首次將泥頁巖水化膨脹應(yīng)力比擬為熱膨脹變溫應(yīng)力。根據(jù)熱彈性力學(xué)理論,對(duì)泥頁巖水化產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)建立了定量化模型。中國學(xué)者黃榮樽采用該方法進(jìn)行了類似研究，得出含水量與泥頁巖力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系式2.井壁穩(wěn)定研究現(xiàn)狀2.2、關(guān)于泥頁巖井壁穩(wěn)定的力化耦合理論研究2）化學(xué)力學(xué)耦合的水分子自由能熱動(dòng)力理論法1993年,Ｆ.Ｋ.Mody和Ａ.Ｈ.Hale基于鉆井液與泥頁巖間水分子自由能差的熱動(dòng)力學(xué)理論,把化學(xué)作用引起的應(yīng)力變化同力學(xué)作用引起的應(yīng)力變化結(jié)合了起來。該理論認(rèn)為,由于鉆井液與井壁泥頁巖間活度(化學(xué)勢)差的存在,驅(qū)使自由水進(jìn)出泥頁巖,改變井壁的孔隙壓力,從而影響近井壁的有效應(yīng)力。根據(jù)該耦合模型和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度準(zhǔn)則,便可確定出保持井壁穩(wěn)定的最佳泥漿含鹽濃度和最佳泥漿密度。3、發(fā)展趨勢國內(nèi)外大量的室內(nèi)研究和現(xiàn)場實(shí)踐表明，泥頁巖井壁穩(wěn)定性問題是涉及鉆井液化學(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)以及鉆井工藝學(xué)等多門學(xué)科的復(fù)雜技術(shù)難題。綜觀國外近年來井壁穩(wěn)定性研究的現(xiàn)狀，不難看出，當(dāng)代井壁穩(wěn)定研究的最新動(dòng)向主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：

3、發(fā)展趨勢1)井壁穩(wěn)定性由單方面因素向多方面因素綜合分析，由單一學(xué)科向多學(xué)科交叉綜合研究方向發(fā)展

傳統(tǒng)的單方面因素分析和利用單一學(xué)科理論指導(dǎo)井壁穩(wěn)定性問題研究是偏面的。如果只強(qiáng)調(diào)和依賴鉆井液化學(xué)防塌作用，無法確定影響井壁力學(xué)穩(wěn)定性的鉆井液密度合理范圍；如果單一強(qiáng)調(diào)和依賴井壁宏觀巖石力學(xué)穩(wěn)定作用，不考慮鉆井液物理化學(xué)的影響，顯然就無法著手開展防塌鉆井液配方和性能優(yōu)化研究，也無法準(zhǔn)確計(jì)算合理鉆井液密度窗口；不借助滲流力學(xué)的理論分析，就無法探索泥頁巖／水基鉆井液間壓力傳遞和流體侵入機(jī)理及其對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響；不緊密結(jié)臺(tái)巖石微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)穩(wěn)定性理論分析．就無法搞清泥頁巖水化作用微觀本質(zhì)及其對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響。因此，鉆井液物理化學(xué)、宏觀和微觀巖石力學(xué)與滲流力學(xué)多學(xué)科交叉研究，是今后井壁穩(wěn)定性研究發(fā)展的必然趨勢。

3、發(fā)展趨勢2)特別重視井壁穩(wěn)定性微觀機(jī)理與宏觀評(píng)價(jià)緊密結(jié)合探明模擬條件下的泥頁巖／水基鉆井液作用(包括孔隙壓力傳遞和流體侵入、水化應(yīng)力產(chǎn)生以及強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)改變等)微觀機(jī)理及其對(duì)井壁穩(wěn)定性影響規(guī)律，是進(jìn)行井壁穩(wěn)定性宏觀分析研究，建立井壁穩(wěn)定性物理化學(xué)一力學(xué)耦臺(tái)模型．以及探討綜合高效防塌途徑的前提條件。鉆井工程中表現(xiàn)出的宏觀井壁失穩(wěn)，從根本上取決于泥頁巖中粘土礦物顆粒(亞)微觀界面間的相互作用力平衡關(guān)系被破壞的程度。微觀機(jī)理研究與宏觀評(píng)價(jià)分析，相互補(bǔ)充相互促進(jìn)。3、發(fā)展趨勢3)井壁穩(wěn)定性研究由靜態(tài)評(píng)價(jià)向動(dòng)態(tài)作用過程及其規(guī)律研究的方向發(fā)展。泥頁巖井壁穩(wěn)定性具有依時(shí)性，即表現(xiàn)為與時(shí)間的密切相關(guān)。這主要是由于某些巖石具有蠕變性．另外．泥頁巖／水基鉆井液間傳遞作用本身就是一個(gè)非常復(fù)雜的非平衡熱力學(xué)動(dòng)態(tài)作用過程，表現(xiàn)為對(duì)井壁穩(wěn)定性影響的依時(shí)性。以往主要是通過測試泥巖組構(gòu)和理化性能，以及泥頁巖與鉆井液(或試液)作用后的水化膨脹量、分散度、強(qiáng)度變化值等靜態(tài)特征參數(shù)來評(píng)價(jià)分析井壁穩(wěn)定性，缺乏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)作用過程及其對(duì)壁穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)研究。國外近年來，隨著實(shí)驗(yàn)新技術(shù)的發(fā)展和完善，特別重視泥頁巖／鉆井液間動(dòng)態(tài)傳遞機(jī)理和過壓力傳遞實(shí)驗(yàn)研究與有關(guān)理論分析相結(jié)合，基本搞清了孔隙壓力傳遞、水分子和溶質(zhì)離子在泥頁巖中的傳遞規(guī)律，并進(jìn)一步探索了水化應(yīng)力產(chǎn)生的原因、作用方式和對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律。目前，國外上述研究工作正在向定量化方向發(fā)展。3、發(fā)展趨勢4)井壁穩(wěn)定性研究由定性分析正在向定量化方向發(fā)展

井壁穩(wěn)定性由定性分析向半定量化、定量化研究方向發(fā)展，是井壁穩(wěn)定性研究不斷走向成熟的重要標(biāo)志，也是最終徹底解決復(fù)雜井壁穩(wěn)定問題的必然要求。一方面，泥頁巖／鉆井液相互作用及其對(duì)井壁穩(wěn)定性影響規(guī)律的研究由定性不斷向定量化方向發(fā)展；二是積極探索井壁穩(wěn)定性物理化學(xué)仂學(xué)耦合模型。影響井壁穩(wěn)定性因素眾多，當(dāng)前在耦臺(tái)模型中關(guān)聯(lián)所有因素是不現(xiàn)實(shí)的。目前，國外學(xué)者基于宏