1、井壁不稳定地层的类型与井壁不稳定现象一、井壁不稳定地层的类型与井壁不稳定现象 1井壁不稳定地层的类型钻井过程中所钻遇的地层，如泥页岩、砂质或粉砂质泥岩、流砂、砂岩、泥质砂岩或粉砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、碳酸盐岩等均可能发生井壁不稳定。但井塌大多发生在泥页岩地层中，约占90以上。缩径大多发生在蒙脱石含量高、含水量大的浅层泥岩、盐膏层、含盐膏软泥岩、高渗透性砂岩或粉砂岩、沥青等类地层中。压裂则可发生在任何一类地层中。 井塌可能发生在各种岩性、不同粘土矿物种类及含量的地层中；但严重井塌往往发生在下述地层中：(1)层理裂隙发育或破碎的各种岩性地层。(2)孔隙压力异常的泥页岩。(3)处于强地应力作用的地
2、区。(4)厚度大的泥岩层。(5)生油层。(6)倾角大易发生井斜的地层等。2井壁不稳定现象(1)井塌的现象钻井或完井过程中如发生井塌会出现以下现象：返出钻屑尺寸增大，数量增多并混杂。泵压增高且不稳定，严重时会出现憋泵现象，并可憋漏地层扭矩增大，蹩钻严重，停转盘打倒车。上提钻具遇卡，下放钻具遇阻；接单根、下钻下不到井底时会发生卡钻或无法划至井底。井径扩大，出现糖葫芦井眼，测井遇阻卡。(2)缩径的现象当钻井过程中地层发生缩径时，由于井径小于钻头直径，会出现扭矩增大，蹩钻等现象，严重时转盘无法转动，甚至被卡死；上提钻具或起钻遇卡，严重时发生卡钻；下放钻具或下钻遇阻，如地层缩径严重，可使井眼闭合，如胜利
3、油田和南疆钻含盐软泥时均出现过此现象。 (3)压裂的现象当钻井液的循环压力大于地层的破裂压力时，就会压裂地层，使地层出现裂缝，从而导致泵压下降，钻井液漏入地层，井筒中液柱压力下降。如液柱压力降至上部易塌地层的坍塌压力或孔隙压力之下，就可能发生井塌或井喷等井下复杂情况。 二、地层组构特性、理化性能和井壁稳定性的室内评价方法返回 1地层组构特性和理化性能的分析方法研究井壁失稳的原因及技术对策必须搞清井壁不稳定地层的组构特性和理化性能，常用的分析方法有以下几种：(1)肉眼观察通过肉眼观察可以掌握地层的层理、裂隙和镜面擦痕发育情况，地层倾角大小，地层软硬程度及遇水后膨胀、分散和强度定性变化情况。(2)
4、X光衍射分析法、红外光谱吸收法和差热分析等方法 采用以上方法测定地层中各种非粘土矿物，晶态粘土矿物、非晶态粘土矿物的相对和绝对含量。(3)扫描电镜分析用扫描电镜可以定性地确定地层中粘土矿物征、裂隙发育情况及裂缝宽度。(4)薄片分析薄片分析可测定碎屑、基岩及胶结物的组分及分布型，测定粘土矿物的分布及成因。(5)密度用甘氏比重瓶或李氏比重瓶进行测定。(6)阳离子交换容量用亚甲基蓝溶液吸附法进行测定。(7)可溶性盐的含量采用钻井液滤液化学分析法进行分析。(8)吸附等温线试验描述孔隙的性质和类测定不同平衡条件下泥页岩的含水量，用以估计地层的膨胀程度、活度。(9)比表面积比表面积是表征泥页岩水化特性或膨
5、胀性能的物理量。测定比表面积有助于了解泥页岩水化膨胀特性和分析井壁稳定问题。比表面积测定方法较多，如亚甲基蓝法、CST法、乙二醇质量法等。(10)电位通常可用电泳法测定颗粒的电位。在电泳池中，一定电场强度下，测得颗粒的运移速度，依据下式计算电位：电位(4)(DE)式中 介质粘度；胶粒的电泳速度；D一介质的介电常数； E一外加电场的电位梯度。泥页岩浆电位的大小可以用来判断泥页岩的膨胀，分散特性。美国学者Lauzon曾提出以下看法：电位为一60mV时属于极端分散；电位为一40mV时属于较强分散：电位为一20mV时属于可能分散：电位为一10mV时属于不分散。2井壁稳定性的室内评价方法(1)分散性试验
6、国内外分散性试验方法常用的有两种页岩滚动试验此法可用来评价泥页岩的分散特性，研究钻井液抑制地层分散能力的强弱。此试验采用干燥的泥页岩样品(如果投有岩心可用岩屑)，将其粉碎，使岩样过10目筛，往加温罐中加入350m1水(试验的液体)和50e岩样，然后将加温罐放人滚于加热炉中滚动16h(控制在所需温度)。倒出试验液体与岩样，过30目筛，干燥并称量筛上岩样，计算质量回收率(以百分数表示)。再取上述过30目筛干燥的岩样，放人装有350 ml水的加温罐中，继续滚动2h，倒出水与岩样，再过30目筛，干燥并称筛上的岩样，计算回收的岩样占原岩样的质量百分数。CST(毛细管吸人时间)试验CST试验是一种通过滤失
7、时间来测定页岩分散特性的方法，即在恒速混合器(高速搅拌器)中测定体积分数为15的稠页岩岩浆(过100目筛)在剪切不同时间后的滤失时间，用以表示页岩分散特性。通常将页岩岩浆滤液在CST仪器(见 图9-2)的特性滤纸上运移05cm距离所需的时间称为CST值。根据试验结果可绘制CST值与剪切时间的关系曲线，者为线性关系，可用下式表示页岩分散特性 Y=mx+b式中 YCST值，s；m页岩的水化分散速度，cms；X剪切时间，s；b瞬时形成的胶体颗粒数目。 b值大小取决于页岩的胶结程度，它是页岩含水量、粘土含量及压实程度的函数。最大的y值表示页岩的总胶体量，(Y一b)值是总胶体含量和瞬时可分散的粘土含量之
8、差，用来表示页岩潜在的水化分散能力。使用CST法所测得的1(Y一b)值可用来预测井塌的可能性。此值越高，井塌的可能性越大。 图9-2 CST测定仪l一圆柱试浆容器：2一特制滤纸，3一渗滤圈，4一控制器，5一计时器，6一电极(2)水化试验按照膨润土造浆率的测定方法测定泥页岩的造浆率,然后按下式计算出泥页岩的水化指数h。 hYsYb式中，Ys、Yb分别表示页岩和膨润土的造浆率(水化24h)，Yb一般取16m3/t。(3)膨胀性试验地层膨胀是地层中所含的粘土矿物水化的结果。通常采用测定岩样线性膨胀百分数(称为膨胀率)或岩样吸水量来表示地层的膨胀性能。由于温度对岩样膨胀率有较大影响，因此不仅应测定岩样
9、在常温下的膨胀串，还应测定在高温高压下的膨胀率。常温下膨胀率的测定常温下的膨胀率通常选用以下进行测定：A采用NP-01页岩膨胀仪进行测试，该仪器示意图见图9-3。称取一定重量风干的岩样(过100目筛)，测定岩样遇水(或其它液体)不同时间线膨胀量的变化，然后按下式计算出线性膨胀率。 Vt(LtH) 100 (9-4)式中 Vt 时间为t时岩样的线性膨胀率，；Lt时间为t时的线膨胀量，mm；H-岩样原始高度，mm。 B采用应变仪膨胀传感器(即直读式数字膨胀指示仪)进行测试。取垂直岩心基面切割下来的岩样，放在聚乙烯小袋中，按一定方向放在夹子上，使传感器上的初始应变为15in，袋中装满试验液体。当岩样
10、膨胀时，应变仪记录下位移，从指示器直接读出应变，用下式计算出线性膨胀串。直读式数字膨胀指示仪见图9-4。 Vt(KiL)10-4式中 Vt时间为t时岩样的线性膨胀率，；Ki常数；L岩样长度，mm；J-指示器读数。C采用Nsulin膨胀仪进行测试，图9-5是此仪器的示意图。试验时将试验用岩粉装在杯中并与过滤圆盘接触，吸附试液，其吸附量可由刻度吸管读取。在t时间内，单位质量岩样所吸附的水量即为膨胀率。可在双对数坐标纸上画出吸附量与吸附时间之间的关系曲线。因二者成线性关系，因而可用下式表示， LgMtlg Mi+Nlgt式中 Mt-在t时间内单位质量岩样所吸附的流体量,gg；Mi-瞬时吸水量，gg；
11、N水化速度或膨胀速度，gmin；T吸附时间，min。M的大小取决于岩样中粘土和水的含量以及压实作用，它随地层岩密度及压实作用的增大而减小。高温高压下膨胀率的测定使用YPM-01型页岩膨胀模拟试验装置或HTHP-1型高温高压页岩膨胀仪，可测定温度从室温至180、压力010MPa下的页岩膨胀率。注意高温高压下所测定出的膨胀率与常温常压下的测定结果有较大的差别。(4)介电常数泥页岩的介电常数主要取决于其中水敏性粘土矿物的种类和含量，其大小与岩石强度和有效应力有关。因此，测定地层的介电常数可以了解地层的性质，预测井壁稳定性和岩石强度。该参数通常使用介电常数测定仪进行测定。其原理是测量充填了岩样的容器的
12、电容与充满空气时容器的电容的比值，从而获得该岩样的介电常数。(5)页岩稳定指数法页岩稳定指数表示地层在钻井液等液体作用下，其强度、膨胀和分散侵蚀三个方面综合作用对井眼稳定性的影响。此方法是美国Baroid钻井液公司建立的。试验时先将泥页岩磨细，过100目筛，与人造海水配成浆液(比例为7：3)，再放置在干燥器内预水化16h。用压力机在7MPa下压滤2h，取出岩心放人不锈钢杯中，再用91 MPa压力加压2mm，刮乎岩心表面，用针人度仪测定针人度，然后将岩心连同钢杯一起置于656下热滚16h，取出再测定针人度，并测量杯中岩样膨胀或侵蚀高度，按下式计算页岩稳定指数(SSl) SSI100-2(Hy-H
13、i)-4D式中 Hy-热滚前的针入度，mmHi-热滚后针人度，mm；D膨胀或侵蚀总量，mm。(6)三轴应力页岩稳定性试验仪使用该仪器，可进行在径向应力、纵向应力及试验液柱压力作用下的页岩稳定性试验，用以研究钻井液对以下三种不稳定性的影响：膨胀所致孔径的变化；脆性岩石孔径的扩大；地应力引起的井壁不稳定。使用此仪器可从以下几方面来判别钻井液的影响：在一定压力与流速作用下测定岩样被破坏的时间；岩样被侵蚀的百分数；岩样含水量及岩样孔径的变化。此类仪器有两种不同的类型，一种用于常温下测定，另一种用于高温下测定。 (7)DSC井下模拟装置此仪器可模拟上覆压力、围压及井下温度，在直径为165 mm的页岩样品
14、上钻进和循环钻井液，用以评价在模拟的井底条件下，各种钻井液抑制地层坍塌的效果。(8)经改造的高温高压滤失量测定仪采用经过改造的高温高压滤失量测定仪，可以评价钻井液封堵井壁的效果。采用一块直径为254mm、厚度为127mm的贝雷(Berea)砂岩作为渗滤介质，固定在岩心夹持器中，然后将其装人高温高压滤失量测定仪容器内，再将钻井液倒人上述仪器中，调节温度与压力至所需值，然后开始试验并记录滤失量。试验结束后，取出岩心，冷却后将岩心切片，在高倍显微镜下检测钻井液的封堵深度及效果。评价井壁稳定性的室内评价方法还有许多，在此不再一一介绍。三、井壁不稳定的原因分析 井壁不稳定的实质是力学不稳定。当井壁岩石所
15、受的应力超过其本身的强度就会发生井壁不稳定。其原因十分复杂，就其主要原因可归纳为力学因素、物理化学因素和工程技术措施等三个方面，但后两个因素最终均因影响井壁应力分布和井壁岩石的力学性能而造成井壁不稳定。1力学因素(1)原地应力状态原地应力状态是指在发生工程扰动之前就已经存在于地层内部的应力状态，也简称为地应力。一般认为它的三个主应力分量是铅垂应力分量、最大水平主应力分量和最小水平主应力分量。地应力的铅垂应力分量通常称为上覆岩层压力，主要由上部地层的重力产生的。国内外研究表明，水平地应力的大小受上覆岩层压力、地层岩性、埋藏深度、成岩历史、构造运动情况等诸多因素的影响。其中上覆岩层压力的泊松效应和
16、构造应力是主要影响因素。由于多次构造运动的结果，在岩石内部形成了十分复杂的构造应力场。根据地质力学的观点，构造应力大多以水平方向为主，设两个主构造应力分量分别为x、y。则总的水平主应力分量为上覆岩层压力泊松效应产生的压应力与构造应力之和。若没有构造运动，水平地应力仅由上覆岩层压力的泊松效应引起，为均匀水平地应力状态。一般情况下存在构造运动，且两个水平主方向上构造应力的大小不等。因此，在一般情况下，地应力的三个主应力分量的大小是不相等的。由声发射法、差应变法等室内实验方法和应力释放法、水力压裂法等现场试验方法可以确定出地应力的大小和方向。(2)地层被钻开后所引起的井眼围岩应力状态的变化地层被钻开
17、之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力的作用，井壁处的应力状态即为原地应力状态，且处于平衡状态。孔隙压力指地下岩石孔隙内流体压力。在正常沉积环境中，地层处于正常的压实状态，孔隙压力保持为静液柱压力，即为正常地层压力，压力系数为1.0。在异常的压实环境中，当孔隙压力大于正常地层压力时称为异常高压地层，压力系数大于10。当井眼被钻开后，地应力被释放，井内钻井液作用于井壁的压力取代了所钴岩层原先对井壁岩石的支撑，破坏了地层和原有应力的平衡，引起井壁周围应力的重新分布。进一步的研究表明，井眼围岩的应力水平与井眼液柱压力有关。若钻井液密度降低，井眼围岩差应力(径向应力减小，切向应力增大)
18、水平就升高。当应力超过岩石的抗剪强度时，就要发生剪切破坏(对于脆性地层就会发生坍塌，井径扩大；而对于塑性地层，则发生塑性变形，造成缩径)。相反地，当钻井液密度升至一定值后，井壁处的切向应力就会变成拉应力，当拉伸应力大于岩石的抗拉强度时，就要发生拉伸破坏(表现为井漏)。(3)造成井壁力学不稳定的原因钻井过程中保持井壁处于力学稳定的必要条件是钻井液液柱压力必须大于地层坍塌压力，且钻井液的实际当量密度低于与地层破裂压力对应的当量钻井液密度。坍塌压力是指井壁发生剪切破坏的临界井眼压力，此时的钻井液密度称为坍塌压力的当量钻井液密度。钻井过程中井壁出现力学不稳定而造成井塌的主要原因可归纳为以下几个方面：钻
19、进坍塌地层时钻井液密度低于地层坍塌压力的当量钻井液密度井壁不稳定包括缩径与井壁坍塌，其实质是力学问题。孔隙压力异常不仅发生在储层中，而且在我国大量所钻遇的泥页岩地层中也较普遍地存在。在地应力作用地区，非均质的地应力对井壁稳定会产生很大的影响。长期以来，地质部门设计钻井液密度均依据所钻遇油气水层时的压力系数，而未考虑易坍塌地层可能存在异常孔隙压力与地应力，以及所造成的高地层坍塌压力对井壁稳定的影响。在实际钻井过程中，同一裸眼井段部分地层的坍塌压力往往大于油气水层的孔隙压力。因此，依据地质设计所确定的钻井液密度在高坍塌压力地层钻进时，井筒中钻井液液柱压力就不足以平衡地层坍塌压力(对盐膏层和含盐膏泥
20、岩则为发生塑性变形的压力)，就会造成所钻地层处于力学不稳定状态，引起井壁坍塌。 起钻时的抽吸作用造成作用于井壁的钻井液压力低于地层坍塌压力在起钻过程中，由于未及时灌注钻井液、钻井液塑性粘度和动切力过高以及起钻速度过快等均会产生高的抽吸压力。这种抽吸作用使钻井液作用于井壁的压力下降，当其低于地层坍塌压力时就会发生井塌。此外，在裸眼井段，如果所钻的上部地层中存在大段含蒙脱石或伊蒙无序间层的泥岩，而在钻进下部地层时，如钻头在井下工作时间过长(超过两天以上)又没短起下钻，则含蒙脱石或伊蒙无序间层的泥岩就会吸水膨胀而造成井径缩小，起钻至此井段则发?quot;拔活塞，环空灌不进钻井液，从而产生很大的抽吸压
21、力并形成负压差，严重时便会抽塌下部地层。例如吉林油田乾安构造在钻探初期，绝大部分井均由于上部嫩3、4、5层段泥岩缩径(井径平均缩小6%8)，起钻时发生严重抽吸，从而抽塌下部嫩2、1等层段的泥岩层，平均井径扩大率高达32一84，处理井塌时间长达半个多月。井喷或井漏导致井筒中液柱压力低于地层坍塌压力钻井过程中如发生井喷或井漏，均会造成井筒中液柱压力下降。当此压力小于地层坍塌压力时，就会出现井塌。 钻井液密度过低不能控制岩盐层、含盐膏软泥岩和高含水软泥岩的塑性变形 当岩盐层、含盐膏软泥岩和高含水的软泥岩等地层被钻开后，如所使用的钻井液密度过低，就会发生塑性变形。由于上述地层均是具有塑性特点的地层，当
22、其埋藏较深而被钻穿后，它们的高度延展性能几乎可以传递上覆地层的全部覆盖负荷的重量。若当时的钻井液液柱压力不足以控制住这种作用时，就会引起塑性变形，使井径缩小，这就是上述岩层所具有的蠕变特性。所谓蠕变是指材料在恒应力状常岩石的弹性变形也会引起缩径，但弹性变形的时间较短，且变形量小。岩盐在深部高温高压作用下，由于具有蠕变特性，即使井壁上态下，变形随时间而逐渐增大的一种特性。通的应力仍处于弹性范围，也会导致井眼随时间而逐渐缩小。根据国内外对岩盐蠕变的研究，可将其分为以下三个阶段(见图9-6)： A初始蠕变(又称过渡蠕变)。此阶段在应变时间曲线上，岩石初始蠕变速率很高，随后速率变缓，其原因是应变硬化速
23、度大于材料中晶粒的位错运动速度。B.次级蠕变(又称稳态蠕变)。此阶段硬化速度和位错速度达到平衡。对于岩盐层，井眼的收缩是最重要的蠕变阶段。C第三阶段蠕变(又称不稳定蠕变)。当应力足够大时，会在晶粒界面及矿物颗粒界面发生滑动，这一变形的结果使蠕变曲线向较大变形的一侧反弯，进入不稳定状态，最后使晶界松散、脱落，导致材料的破裂。一般认为，岩盐层的塑性变形在低温状态是以晶层滑动为主，而在高温下则在滑动面出现多边形结构和再结晶。由于岩盐层的塑性变形(蠕变)引起井眼缩径，常导致起下钻遇阻卡、卡钻。例如中原油田文-218井使用密度为179 gcm3，钻井液，钻进岩盐层至3 912m时，从电测得知在3 856
24、-3 899m井段井径缩小18一23(比钻头直径小40一50mm)。继续电测时又发生遇阻，下钻划眼至3 912m，后上提遇卡。又如南疆库喀-1井在电测时曾多次在2 7352 732m遇阻，经反复划眼后测得井径仅为135mm(钻头直径为215mm)。因此，岩盐层的蠕变或塑性变形是钻进该类地层时造成井下复杂情况的一个重要原因。此外，盐膏层中的泥岩即使在上覆盖层压力与井温作用下，粘土表面所吸附的四层水会逐渐被挤出成为孔隙水。由于泥岩表面吸附水的密度可高达140170gcm3，故当这些层间水变为孔隙水时，体积约增大4070。若泥岩被盐层所封闭，而盐层不具备渗透性能，水无处可排，因而会导致在两个盐层之间
25、的泥岩孔隙中形成异常压力带。钻开此类地层时，如果钻井液液柱压力低于此类泥岩发生塑性变形的压力，泥岩就会缩径，导致井下复杂情况。由于此类泥岩含盐，盐在高温高压下所发生的塑性变形亦会对含盐泥岩带来影响。因此，盐膏层塑性变形不仅发生在岩盐中，而且还会发生在含盐泥岩中。 钻井液密度过高钻井过程中，如所采用的钻井液密度过高，大大超过地层孔隙压力，就会对井壁形成较大的压差，从而会有更多的钻井液滤液进入地层，加剧地层中粘土矿物水化，引起地层孔隙压力增加及围岩强度降低，最终导致地层坍塌压力增大。当坍塌压力的当量密度超过钻井液密度，井壁就会发生力学不稳定，造成井塌。特别是在钻高破碎性地层时，如所使用的钻井液密度
26、合适，则围绕井壁的应力集中，闭合了所有的径向接合面，因此封闭了井壁，钻井液不能进入到裂隙网内；但如果钻井液密度增高并超过了临界值，径向接合面逐渐由闭合状态变为开启状态，与此同时切向接合面闭合。此时由于钻井液进入，引起地层孔隙压力增高，一部分裂隙网变得易被钻井液侵入，相应的结合面被增压，单元变得松散，这样岩石就容易受到钻井液和井底钻具组合的冲击而坍塌。由上述原因所引起的井壁不稳定大多发生在深部地层，与岩性关系不大。例如，柯深1井第三系地层是砂泥岩互层，其5 200S 750m井段的孔隙压力系数为150160，坍塌压力的压力系数为160L 70；5 750-5 900m井段的孔隙压力系数为115-
27、135，坍塌压力的压力系数为140一1. 60。该井田244mm技术套管下至5 02508m。四开采用口215 111121钻头钻进，由于误判5 009m出现的高压盐水层(压力系数为189)没有封死，并为了对付地质预告5 600m的高压气层，采用密度为195202gcm3的钻井液钻进。钻至5 441 m时，钻进过程出现大的塌块，下钻遇阻划眼，返出大的塌块。从此之后每次下钻均遇阻划眼，划眼井段均为新钻井眼。当钻至5 829m时，发生压差卡钻。解卡后，为了防止再卡钻，降低钻井液密度至175180gcm3，并增加钻井液中高软化点低磺化度磺化沥青、氯化钾、SMP和硅酸钾的加量，以提高钻井液封堵与抑制能
28、力，井塌缓解。2物理化学因素(1)地层的岩性井壁不稳定可以发生在各种岩性的地层中。一般来讲，岩石均由非粘土矿物(如石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等)、晶态粘土矿物（如蒙脱石、伊利石、伊蒙间层、绿泥石、绿蒙间层、高岭石等)和非晶态粘土矿物(如蛋白石等)所组成，但不同岩性地层所含的矿物类型和含量不完全相同。对井壁稳定性产生影响的主要组分是地层中所含的粘土矿物。(2)钻井液滤液对地层的侵入当地层被钻开后，在井筒中钻井液与地层孔隙流体之间的压差、化学势差(取决于钻井液与地层流体之间的活度差和地层的半透膜效率)和地层毛细管力(取决于岩石的表面性质)的驱动下，钻井液滤液进入井壁地层，引起地层中粘土矿物
29、水化膨胀，导致井壁不稳定。 表91 四种典型粘土矿物的理化特性 粘土矿物 比表面积 mg1D50 m 表面电荷密度 Cm2绿泥石6.621.50.731高岭石 48.62.70.122伊利石1056.60.184蒙脱石6336.70.179?通过大量室内试验，目前已证实在使用水基钻井液时，低渗透泥页岩表面的确存在着非理想的半透膜，但其膜效率低于l。其值高低取决于钻井液的组成、地层的渗透率和孔喉尺寸，并随钻井液与岩石接触时间增长而降低。盐水的膜效率仅为110，聚合醇类水基钻井液具有较高的膜效率地层中的粘土矿物与水接触发生水化膨胀是由两种水化所造成，即表面水化和渗透水化。在第二章中，已对其机理进行过讨论。影响水化的因素影响地层水化作用的主要因素有以下方面：A地层中粘土矿物及其可交换阳离子的类型和含量在第二章中已阐述了蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石由于各种粘土矿物的组构特征不同，其可交换阳离子组成亦各不相同，因而其水化膨胀程度差别很大。如蒙
