探讨油田深井井壁稳定问题

【摘要】石油测井的对象是钻井旁边的岩石，但是在石油测井中面临井壁的坍塌，主要技术的难题是岩石的可钻性和井壁岩石的稳定性，井壁的稳定性是直接影响测井的关键因素。本文探讨深井井壁稳定问题，分析井壁失稳的原因并且提出了控制井壁失稳的常用技术。

【关键词】测井 井壁 稳定

随着油田的开发，老的油田发展逐渐向深层和深海地区转移，钻探的深井和水平井数量较多，水平井位移数量随之变大，而在深井测井中，由于深井钻遇的地质层系较多，岩石岩性变化复杂，钻探过程中裸眼浸泡时间长，因此深层井壁的稳定性较差，在深层测井中面临井壁稳定问题更显得突出

1 井壁失稳的形式

井壁失稳的形式具有多种性，在测井上表现为井径扩大、岩石坍塌。井壁失稳问题主要的形式包括井壁坍塌（脆性泥页岩、低强度砂岩井易发生）、缩径变形（泥页岩井壁易发生）和破裂（钻井压力作用）。在深井中井壁的坍塌是最为常见的形式，井壁坍塌直接影响钻探和测井的进程。

2 井壁失稳的原因

地层力学因素和岩石物理化学因素是直接影响井壁不稳定主要因素，这两个因素最终导致井壁受力不稳定，受力不稳定导致井壁坍塌。

2.1 地层力学因素对井壁稳定的影响

地层应力就是油气井开采前地层受到的原始压力。这些压力可分为上覆压力v、最大水平地应力H和最小水平地应力h，按照作用力的方向可以称为沿井眼环向应力、径向应力、轴向应力，其中在深层定向井中包括剪切应力分量。这些原始的作用力超过岩石的强度（不管是抗拉强度还是抗压强度）和平衡不均，这都将导致井壁受力不稳定导致井壁失稳。考虑上述情况，在钻探测井前先通过其他技术了解作业地区地层应力分布状况，可以模拟建立地层孔隙压力、地层坍塌压力以及地层破裂压力3个剖面，以便在钻探过程中监控钻探，预防井壁坍塌（图1）。

2.2 岩石物理化学因素对井壁稳定的影响

岩石的物理化学特征直接影响井壁的稳定性，一般井壁失稳主要发生在泥页岩层段，主要取决泥岩的物理化学特征带电性和亲水性，这些特征可以引起泥岩的体积膨胀、粘土颗粒分散和岩石强度下降。泥页岩的主要矿物成分为伊利石、蒙脱石和伊蒙混层，这都是井壁失稳易发生的岩石。经过岩石实验可以证明粘土矿物膨胀能力排序为：蒙脱石>混层矿物>伊利石>高岭石>绿泥石。泥页岩当遇到水，体积膨胀，导致降低了泥页岩的强度，增加岩石的塑性，改变了井边应力分布造成井壁坍塌。

3 控制井壁失稳的常用技术

地层力学因素和岩石物理化学因素是直接影响井壁不稳定主要因素，控制井壁失稳就必须从地层力学和钻井配套液两个方面着手。综合分析上述两个主要的因素，采取相应措施才有较好的结果，预防和监控井壁坍塌。

3.1 控制地应力因素引起井壁失稳的通用技术

（1）设计优化井身结构。套管可以有效避免垮塌，科学放置中间套管的层数和放置的深度，把套管放置于地层压力比较活跃、压力较大一致钻井液不能够压制的井段，确保裸眼井段保持一个稳定的地层压力体系，确保压力的均衡，避免局部的坍塌。

（2）模拟建立坍塌压力、地层孔隙压力和破裂压力3个剖面，在钻探过程中，采用适当的钻井液针对不同的压力剖面，以平衡井周边的压力，确保压力的平衡。

（3）优化钻井测井技术。控制钻井速度，避免测井仪器的干扰。控制钻探的下钻速度，可以避免对井眼的抽吸和对井眼压力的不正常的释放，钻探中缓慢开启钻井泵特别是机械泵， 避免因为震动产生岩层裂缝，也引起井眼垮塌。

3.2 钻井液化学因素引起井壁失稳常用控制技术

钻井液化学因素引起井壁失稳是由于钻井液与钻开的井眼井壁泥页岩接触发生水和离子的运移产生水化作用，这种作用靠钻井液和地层孔隙压力间的水力压差及钻井液的水和地层孔隙水间的化学势差两个主要驱动力的支配，在水力压差和化学势差作用下，往往造成钻井液中的水进入到泥页岩层中，引起地应力重新分布，导致泥页岩破坏，产生井壁坍塌失稳。当人们认识到钻井液化学因素是引起井壁失稳的主要因素时，就一直致力于防塌钻井液的研究， 目前最常用的防塌钻井液体系有以下几种。

（1）聚合物―KCl 钻井液。主要防塌机理： 聚合物是带负电的聚电解质， 通过静电作用吸附在晶体带电的边缘处， 也可以通过氢键吸附在粘土晶体的层面间， 这些高聚物在井壁上的吸附层滞缓了水分子向泥页岩中的渗透，从而起到稳定井壁防止粘土分散的作用。K也具有很强的防塌作用。K与粘土表面的Na，Ca等离子发生交换时，给粘土带来很薄的水化膜， 大大压缩了扩散双电层，抑制了泥页岩水化作用。另外K还可以进入粘土两个晶层间的硅氧六角环间的空间，形成紧密的堆积结构， 有效发生晶格膨胀。

（2）复合离子聚合物钻井液。主要防塌机理：在高分子链上引入多种官能团， 使聚合物与粘土表面的相互作用方式由单一的氢键吸附变为氢键吸附与静电吸附双重作用， 增强了聚合物在粘土表面的吸附强度，加快了吸附速度， 使其能在粘土水化之前就牢固吸附在粘土表面上，形成厚的吸附膜，防止了泥页岩的水化分散。

（3）其他体系的防塌钻井液。除以上4种常用防塌钻井液体系外， 现场常用的防塌钻井液还有无固相不分散聚合物钻井液、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。

参考文献

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[2] 赵良孝.用测井资料分析压裂漏失及井壁应力崩落的机理和特征.石油工业出版社，1996

[3] 张宗林，张广垠.江苏富民永安地区坍塌压力剖面的建立及应用[J].石油钻采工艺，2003

[4] 王冠贵，章成广.用全波测井资料确定的碳酸盐岩地层的破裂压力值的分析[J].地球物理测井，1990

作者简介

孙兴宇，辽宁铁岭人，工程师，供职于中石化中原石油工程有限公司地球物理测井公司，研究方向：测井。