1、、井壁不穩定地層的類型與井壁不穩定現象井壁不穩定地層的類型鉆井過程中所鉆遇的地層，如泥頁巖、砂質或粉砂質泥巖、流砂、砂巖、泥 質砂巖或粉砂巖、礫巖、煤層、巖漿巖、碳酸鹽巖等均可能發生井壁不穩定。但 井塌大多發生在泥頁巖地層中，約占90%以上。縮徑大多發生在蒙脫石含量高、 含水量大的淺層泥巖、鹽膏層、含鹽膏軟泥巖、高滲透性砂巖或粉砂巖、瀝青等 類地層中。壓裂則可發生在任何一類地層中。井塌可能發生在各種巖性、不同粘土礦物種類及含量的地層中；但嚴重井塌往往發生在下述地層中：層理裂隙發育或破碎的各種巖性地層。孔隙壓力異常的泥頁巖。處于強地應力作用的地區。厚度大的泥巖層。(5 )生油層。(6)傾角大易發

2、生井斜的地層等。井壁不穩定現象井塌的現象鉆井或完井過程中如發生井塌會出現以下現象：返出鉆屑尺寸增大，數量增多并混雜。泵壓增高且不穩定，嚴重時會出現憋泵現象，并可憋漏地層扭矩增大，蹩鉆嚴重，停轉盤打倒車。上提鉆具遇卡，下放鉆具遇阻；接單根、下鉆下不到井底時會發生卡鉆或 無法劃全井底。井徑擴大，出現糖葫蘆井眼，測井遇阻卡。縮徑的現象當鉆井過程中地層發生縮徑時，由于井徑小于鉆頭直徑，會出現扭矩增大， 蹩鉆等現象，嚴重時轉盤無法轉動，甚至被卡死；上提鉆具或起鉆遇卡，嚴重時 發生卡鉆；下放鉆具或下鉆遇阻，如地層縮徑嚴重，可使井眼閉合，如勝利油田 和南疆鉆含鹽軟泥時均出現過此現象。壓裂的現象當鉆井液的循環

3、壓力大于地層的破裂壓力時，就會壓裂地層，使地層出現裂 縫，從而導致泵壓下降，鉆井液漏入地層，井筒中液柱壓力下降。如液柱壓力降 全上部易塌地層的坍塌壓力或孔隙壓力之下，就可能發生井塌或井噴等井下復雜 情況。、地層組構特性、理化性能和井壁穩定性的室內評價方法司返叵地層組構特性和理化性能的分析方法研究井壁失穩的原因及技術對策必須搞清井壁不穩定地層的組構特性和理 化性能，常用的分析方法有以下幾種：肉眼觀察通過肉眼觀察可以掌握地層的層理、裂隙和鏡面擦痕發育情況，地層傾角大 小，地層軟硬程度及遇水后膨脹、分散和強度定性變化情況。X光衍射分析法、紅外光譜吸收法和差熱分析等方法采用以上方法測定 地層中各種非粘

4、土礦物，品態粘土礦物、非晶態粘土礦物的相對和絕對含量。掃描電鏡分析用掃描電鏡可以定性地確定地層中粘土礦物征、裂隙發育情況及裂縫寬度。(4 )薄片分析薄片分析可測定碎屑、基巖及膠結物的組分及分布型，測定粘土礦物的分布 及成因。密度用甘氏比重瓶或李氏比重瓶進行測定。陽離子交換容量用亞甲基藍溶液吸附法進行測定。可溶性鹽的含量采用鉆井液濾液化學分析法進行分析。吸附等溫線試驗描述孔隙的性質和類測定不同平衡條件下泥頁巖的含水量，用以估計地層的膨脹程度、活度。比表面積比表面積是表征泥頁巖水化特性或膨脹性能的物理量。測定比表面積有助于 了解泥頁巖水化膨脹特性和分析井壁穩定問題。比表面積測定方法較多，如亞甲 基

5、藍法、CST法、乙二醇質量法等。Z電位通常可用電泳法測定顆粒的Z電位。在電泳池中，一定電場強度下，測得 顆粒的運移速度，依據下式計算&電位：Z 電位=(4n n M ) / (DE)式中 n 一介質粘度；M 一膠粒的電泳速度；D 一介質的介電常數；E一外加電場的電位梯度。泥頁巖漿z電位的大小可以用來判斷泥頁巖的膨脹，分散特性。美國學者 Lauzon曾提出以下看法：Z電位為一 60mV時屬于極端分散；Z電位為一 40mV 時屬于較強分散：Z電位為一 20mV時屬于可能分散：Z電位為一 10mV時屬于 不分散。井壁穩定性的室內評價方法分散性試驗國內外分散性試驗方法常用的有兩種頁巖滾動試驗此法可用來

6、評價泥頁巖的分散特性，研究鉆井液抑制地層分散能力的強弱。 此試驗采用干燥的泥頁巖樣品(如果投有巖心可用巖屑)，將其粉碎，使巖樣過 10目篩，往加溫罐中加入350m1水(試驗的液體)和50e巖樣，然后將加溫罐放 人滾于加熱爐中滾動16h(控制在所需溫度)。倒出試驗液體與巖樣，過30目篩， 干燥并稱量篩上巖樣，計算質量回收率(以百分數表示)。再取上述過30目篩十 燥的巖樣，放人裝有350 ml水的加溫罐中，繼續滾動2h，倒出水與巖樣，再過30目篩，干燥并稱篩上的巖樣，計算回收的巖樣占原巖樣的質量百分數。CST（毛細管吸人時間）試驗CST試驗是一種通過濾失時間來測定頁巖分散特性的方法，即在恒速混合器

7、 （高速攪拌器）中測定體積分數為15%的稠頁巖巖漿（過100目篩）在剪切不同時 間后的濾失時間，用以表示頁巖分散特性。通常將頁巖巖漿濾液在CST儀器（見 圖9-2）的特性濾紙上運移0. 5cm距離所需的時間稱為CST值。根據試驗結果可 繪制CST值與剪切時間的關系曲線，者為線性關系，可用下式表示頁巖分散特性Y=mx+b式中 Y-CST值，s；m一頁巖的水化分散速度，cm/ s；X-剪切時間，s；b-瞬時形成的膠體顆粒數目。b值大小取決于頁巖的膠結程度，它是頁巖含水量、粘土含量及壓實程度的 函數。最大的y值表示頁巖的總膠體量，（Y 一 b）值是總膠體含量和瞬時可分散 的粘土含量之差，用來表示頁巖

8、潛在的水化分散能力。使用CST法所測得的1/（Y b）值可用來預測井塌的可能性。此值越高，井塌 的可能性越大。4圖9-2 CST測定儀l 一圓柱試漿容器：2 一特制濾紙，3 一滲濾圈，4 一控制器，5 一計時器，6 一電極（2）水化試驗按照膨潤土造漿率的測定方法測定泥頁巖的造漿率，然后按下式計算出泥頁 巖的水化指數h。h=Y +Y式中，Y、Y分別表示頁巖和膨潤土的造漿率（水化24h），Y 一般取16m3/t。.s 一 一 b 一 一 .b（3）膨脹性試驗地層膨脹是地層中所含的粘土礦物水化的結果。通常采用測定巖樣線性膨脹 百分數（稱為膨脹率）或巖樣吸水量來表示地層的膨脹性能。由于溫度對巖樣膨脹

9、率有較大影響，因此不僅應測定巖樣在常溫下的膨脹串，還應測定在高溫高壓下的膨脹率。常溫下膨脹率的測定常溫下的膨脹率通常選用以下進行測定：采用NP-01頁巖膨脹儀進行測試，該儀器示意圖見圖9-3。稱取一定重 量風干的巖樣（過100目篩），測定巖樣遇水（或其它液體）不同時間線膨脹量的變 化，然后按下式計算出線性膨脹率。Vt=（L/H）X 100% （9-4）式中 V 一時間為t時巖樣的線性膨脹率，；Lt一時尚為t時的線膨脹量，mm；H-巖樣原始高度，mm。圖9-3 NP-O1頁巖膨脹儀示意圖1底理；2 濾紙；3 樣心；4測桿；采用應變儀膨脹傳感器（即直讀式數字膨脹指示儀）進行測試。取垂直巖 心基面切

10、割下來的巖樣，放在聚乙烯小袋中，按一定方向放在夾子上，使傳感器 上的初始應變為1. 5in，袋中裝滿試驗液體。當巖樣膨脹時，應變儀記錄下 位移，從指示器直接讀出應變，用下式計算出線性膨脹串。直讀式數字膨脹指示 儀見圖9-4。伸縮桿(5)聚乙烯袋(6)頁巖測試樣(7)鉆井液(8)固定螺臺座(9)測試熒光顯小(4)V =(K./L)(5 X10-4式中 V：一時間為t時巖樣的線性膨脹率，；匕一常數；L 一巖樣長度，mm；J-指小器讀數。采用Nsulin膨脹儀進行測試，圖9-5是此儀器的示意圖。試驗時將試驗 用巖粉裝在杯中并與過濾圓盤接觸，吸附試液，其吸附量可由刻度吸管讀取。在 t時間內，單位質量巖

11、樣所吸附的水量即為膨脹率。可在雙對數坐標紙上畫出吸 附量與吸附時間之間的關系曲線。因二者成線性關系，因而可用下式表示，LgM =lg M +Nlg式中M在t時間內單位質量巖樣所吸附的流體量,g / g；M瞬時吸水量，g/g；N水化速度或膨脹速度，g / min；T 一吸附時間，min。M的大小取決于巖樣中粘土和水的含量以及壓實作用，它隨地層巖密度及壓 實作用的增大而減小。高溫高壓下膨脹率的測定使用YPM-01型頁巖膨脹模擬試驗裝置或HTHP-1型高溫高壓頁巖膨脹儀，可 測定溫度從室溫至180C、壓力010MPa下的頁巖膨脹率。注意高溫高壓下所 測定出的膨脹率與常溫常壓下的測定結果有較大的差別。

12、(4 )介電常數泥頁巖的介電常數主要取決于其中水敏性粘土礦物的種類和含量，其大小與 巖石強度和有效應力有關。因此，測定地層的介電常數可以了解地層的性質，預 測井壁穩定性和巖石強度。該參數通常使用介電常數測定儀進行測定。其原理是 測量充填了巖樣的容器的電容與充滿空氣時容器的電容的比值，從而獲得該巖樣 的介電常數。頁巖穩定指數法頁巖穩定指數表示地層在鉆井液等液體作用下，其強度、膨脹和分散侵蝕三 個方面綜合作用對井眼穩定性的影響。此方法是美國Baroid鉆井液公司建立的。 試驗時先將泥頁巖磨細，過100目篩，與人造海水配成漿液(比例為7： 3)，再 放置在干燥器內預水化16h。用壓力機在7MPa下壓

13、濾2h，取出巖心放人不銹鋼 杯中，再用9. 1 MPa壓力加壓2mm，刮乎巖心表面，用針人度儀測定針人度， 然后將巖心連同鋼杯一起置于65.6C下熱滾16h，取出再測定針人度，并測量 杯中巖樣膨脹或侵蝕高度，按下式計算頁巖穩定指數(SSl)SSI = 100-2(H -H )-4D式中Hy-熱滾前的針入度 ，mmH-熱滾后針人度，mm；D、膨脹或侵蝕總量，mm。三軸應力頁巖穩定性試驗儀使用該儀器，可進行在徑向應力、縱向應力及試驗液柱壓力作用下的頁巖穩 定性試驗，用以研究鉆井液對以下三種不穩定性的影響：膨脹所致孔徑的變化; 脆性巖石孔徑的擴大；地應力引起的井壁不穩定。使用此儀器可從以下幾方 面來

14、判別鉆井液的影響：在一定壓力與流速作用下測定巖樣被破壞的時間； 巖樣被侵蝕的百分數；巖樣含水量及巖樣孔徑的變化。此類儀器有兩種不同的 類型，一種用于常溫下測定，另一種用于高溫下測定。DSC井下模擬裝置此儀器可模擬上覆壓力、圍壓及井下溫度，在直徑為165 mm的頁巖樣品上 鉆進和循環鉆井液，用以評價在模擬的井底條件下，各種鉆井液抑制地層坍塌的 效果。經改造的高溫高壓濾失量測定儀采用經過改造的高溫高壓濾失量測定儀，可以評價鉆井液封堵井壁的效果。 采用一塊直徑為25. 4mm、厚度為12. 7mm的貝雷(Berea)砂巖作為滲濾介質， 固定在巖心夾持器中，然后將其裝人高溫高壓濾失量測定儀容器內，再將

15、鉆井液 倒人上述儀器中，調節溫度與壓力全所需值，然后開始試驗并記錄濾失量。試驗 結束后，取出巖心，冷卻后將巖心切片，在高倍顯微鏡下檢測鉆井液的封堵深度 及效果。評價井壁穩定性的室內評價方法還有許多，在此不再一一介紹。三、井壁不穩定的原因分析井壁不穩定的實質是力學不穩定。當井壁巖石所受的應力超過其本身的強度 就會發生井壁不穩定。其原因十分復雜，就其主要原因可歸納為力學因素、物理 化學因素和工程技術措施等三個方面，但后兩個因素最終均因影響井壁應力分布 和井壁巖石的力學性能而造成井壁不穩定。力學因素原地應力狀態原地應力狀態是指在發生工程擾動之前就已經存在于地層內部的應力狀態， 也簡稱為地應力。一般認

16、為它的三個主應力分量是鉛垂應力分量、最大水平主應 力分量和最小水平主應力分量。地應力的鉛垂應力分量通常稱為上覆巖層壓力，主要由上部地層的重力產生 的。國內外研究表明，水平地應力的大小受上覆巖層壓力、地層巖性、埋藏深度、 成巖歷史、構造運動情況等諸多因素的影響。其中上覆巖層壓力的泊松效應和構 造應力是主要影響因素。由于多次構造運動的結果，在巖石內部形成了十分復雜的構造應力場。根據 地質力學的觀點，構造應力大多以水平方向為主，設兩個主構造應力分量分別為 。x、。y。則總的水平主應力分量為上覆巖層壓力泊松效應產生的壓應力與 構造應力之和。若沒有構造運動，水平地應力僅由上覆巖層壓力的泊松效應引起，為均

17、勻水 平地應力狀態。一般情況下存在構造運動，且兩個水平主方向上構造應力的大小 不等。因此，在一般情況下，地應力的三個主應力分量的大小是不相等的。由聲 發射法、差應變法等室內實驗方法和應力釋放法、水力壓裂法等現場試驗方法可 以確定出地應力的大小和方向。地層被鉆開后所引起的井眼圍巖應力狀態的變化地層被鉆開之前，地下的巖石受到上覆壓力、水平方向地應力和孔隙壓力的 作用，井壁處的應力狀態即為原地應力狀態，且處于平衡狀態。孔隙壓力指地下 巖石孔隙內流體壓力。在正常沉積環境中，地層處于正常的壓實狀態，孔隙壓力 保持為靜液柱壓力，即為正常地層壓力，壓力系數為1.0。在異常的壓實環境中， 當孔隙壓力大于正常地

18、層壓力時稱為異常高壓地層，壓力系數大于1. 0。當井 眼被鉆開后，地應力被釋放，井內鉆井液作用于井壁的壓力取代了所鉆巖層原先 對井壁巖石的支撐，破壞了地層和原有應力的平衡，引起井壁周圍應力的重新分 布。進一步的研究表明，井眼圍巖的應力水平與井眼液柱壓力有關。若鉆井液密 度降低，井眼圍巖差應力（徑向應力減小，切向應力增大）水平就升高。當應力超 過巖石的抗剪強度時，就要發生剪切破壞（對于脆性地層就會發生坍塌，井徑擴 大；而對于塑性地層，則發生塑性變形，造成縮徑）。相反地，當鉆井液密度升 至一定值后，井壁處的切向應力就會變成拉應力，當拉伸應力大于巖石的抗拉強 度時，就要發生拉伸破壞（表現為井漏）。（

19、3）造成井壁力學不穩定的原因鉆井過程中保持井壁處于力學穩定的必要條件是鉆井液液柱壓力必須大于 地層坍塌壓力，且鉆井液的實際當量密度低于與地層破裂壓力對應的當量鉆井液 密度。坍塌壓力是指井壁發生剪切破壞的臨界井眼壓力，此時的鉆井液密度稱為 坍塌壓力的當量鉆井液密度。鉆井過程中井壁出現力學不穩定而造成井塌的主要 原因可歸納為以下幾個方面：鉆進坍塌地層時鉆井液密度低于地層坍塌壓力的當量鉆井液密度井壁不穩定包括縮徑與井壁坍塌，其實質是力學問題。孔隙壓力異常不僅發 生在儲層中，而且在我國大量所鉆遇的泥頁巖地層中也較普遍地存在。在地應力 作用地區，非均質的地應力對井壁穩定會產生很大的影響。長期以來，地質部

20、門 設計鉆井液密度均依據所鉆遇油氣水層時的壓力系數，而未考慮易坍塌地層可能 存在異常孔隙壓力與地應力，以及所造成的高地層坍塌壓力對井壁穩定的影響。 在實際鉆井過程中，同一裸眼井段部分地層的坍塌壓力往往大于油氣水層的孔隙 壓力。因此，依據地質設計所確定的鉆井液密度在高坍塌壓力地層鉆進時，井筒 中鉆井液液柱壓力就不足以平衡地層坍塌壓力（對鹽膏層和含鹽膏泥巖則為發生 塑性變形的壓力），就會造成所鉆地層處于力學不穩定狀態，引起井壁坍塌。起鉆時的抽吸作用造成作用于井壁的鉆井液壓力低于地層坍塌壓力 在起鉆過程中，由于未及時灌注鉆井液、鉆井液塑性粘度和動切力過高以及起鉆 速度過快等均會產生高的抽吸壓力。這種

21、抽吸作用使鉆井液作用于井壁的壓力下 降，當其低于地層坍塌壓力時就會發生井塌。此外，在裸眼井段，如果所鉆的上 部地層中存在大段含蒙脫石或伊蒙無序間層的泥巖，而在鉆進下部地層時，如鉆 頭在井下工作時間過長（超過兩天以上）又沒短起下鉆，則含蒙脫石或伊蒙無序間 層的泥巖就會吸水膨脹而造成井徑縮小，起鉆至此井段則發?quot;拔活塞，環 空灌不進鉆井液，從而產生很大的抽吸壓力并形成負壓差，嚴重時便會抽塌下部 地層。例如吉林油田乾安構造在鉆探初期，絕大部分井均由于上部嫩3、4、5 層段泥巖縮徑（井徑平均縮小6%8%），起鉆時發生嚴重抽吸，從而抽塌下部嫩2、1等層段的泥巖層，平均井徑擴大率高達32% 84%

22、，處理井塌時間長達半 個多月。井噴或井漏導致井筒中液柱壓力低于地層坍塌壓力鉆井過程中如發生井噴或井漏，均會造成井筒中液柱壓力下降。當此壓力小 于地層坍塌壓力時，就會出現井塌。鉆井液密度過低不能控制巖鹽層、含鹽膏軟泥巖和高含水軟泥巖的塑性變 形當巖鹽層、含鹽膏軟泥巖和高含水的軟泥巖等地層被鉆開后，如所使用的 鉆井液密度過低，就會發生塑性變形。由于上述地層均是具有塑性特點的地層， 當其埋藏較深而被鉆穿后，它們的高度延展性能幾乎可以傳遞上覆地層的全部覆 蓋負荷的重量。若當時的鉆井液液柱壓力不足以控制住這種作用時，就會引起塑 性變形，使井徑縮小，這就是上述巖層所具有的蠕變特性。所謂蠕變是指材料在 恒應

23、力狀常巖石的彈性變形也會引起縮徑，但彈性變形的時間較短，且變形量小。 巖鹽在深部高溫高壓作用下，由于具有蠕變特性，即使井壁上態下，變形隨時間 而逐漸增大的一種特性。通的應力仍處于彈性范圍，也會導致井眼隨時間而逐漸 縮小。根據國內外對巖鹽蠕變的研究，可將其分為以下三個階段（見圖9-6）：初始蠕變（又稱過渡蠕變）。此階段在應變時間曲線上，巖石初始蠕變速 率很高，隨后速率變緩，其原因是應變硬化速度大于材料中晶粒的位錯運動速度。次級蠕變（又稱穩態蠕變）。此階段硬化速度和位錯速度達到平衡。對于巖 鹽層，井眼的收縮是最重要的蠕變階段。第三階段蠕變（又稱不穩定蠕變）。當應力足夠大時，會在晶粒界面及礦 物顆粒

24、界面發生滑動，這一變形的結果使蠕變曲線向較大變形的一側反彎，進入 不穩定狀態，最后使晶界松散、脫落，導致材料的破裂。一般認為，巖鹽層的塑性變形在低溫狀態是以品層滑動為主，而在高溫下則 在滑動面出現多邊形結構和再結品。由于巖鹽層的塑性變形（蠕變）引起井眼縮 徑，常導致起下鉆遇阻卡、卡鉆。例如中原油田文-218井使用密度為1. 79 g /cms，鉆井液，鉆進巖鹽層至3 912m時，從電測得知在3 856-3 899m井段井 徑縮小18% 23% （比鉆頭直徑小40 一 50mm）。繼續電測時又發生遇阻，下鉆 劃眼至3 912m，后上提遇卡。又如南疆庫喀-1井在電測時曾多次在2 7352 732m

25、 遇阻，經反復劃眼后測得井徑僅為135mm（鉆頭直徑為215mm）。因此，巖鹽層的 蠕變或塑性變形是鉆進該類地層時造成井下復雜情況的一個重要原因。此外，鹽膏層中的泥巖即使在上覆蓋層壓力與井溫作用下，粘土表面所吸附的四 層水會逐漸被擠出成為孔隙水。由于泥巖表面吸附水的密度可高達1. 401. 70g /cm3，故當這些層間水變為孔隙水時，體積約增大40%70%。若泥巖被鹽層 所封閉，而鹽層不具備滲透性能，水無處可排，因而會導致在兩個鹽層之間的泥 巖孔隙中形成異常壓力帶。鉆開此類地層時，如果鉆井液液柱壓力低于此類泥巖 發生塑性變形的壓力，泥巖就會縮徑，導致井下復雜情況。由于此類泥巖含鹽， 鹽在高溫

26、高壓下所發生的塑性變形亦會對含鹽泥巖帶來影響。因此，鹽膏層塑性 變形不僅發生在巖鹽中，而且還會發生在含鹽泥巖中。鉆井液密度過高鉆井過程中，如所采用的鉆井液密度過高，大大超過地層孔隙壓力，就會對 井壁形成較大的壓差，從而會有更多的鉆井液濾液進入地層，加劇地層中粘土礦 物水化，引起地層孔隙壓力增加及圍巖強度降低，最終導致地層坍塌壓力增大。 當坍塌壓力的當量密度超過鉆井液密度，井壁就會發生力學不穩定，造成井塌。 特別是在鉆高破碎性地層時，如所使用的鉆井液密度合適，則圍繞井壁的應力集 中，閉合了所有的徑向接合面，因此封閉了井壁，鉆井液不能進入到裂隙網內； 但如果鉆井液密度增高并超過了臨界值，徑向接合面

27、逐漸由閉合狀態變為開啟狀 態，與此同時切向接合面閉合。此時由于鉆井液進入，引起地層孔隙壓力增高， 一部分裂隙網變得易被鉆井液侵入，相應的結合面被增壓，單元變得松散，這樣 巖石就容易受到鉆井液和井底鉆具組合的沖擊而坍塌。由上述原因所引起的井壁 不穩定大多發生在深部地層，與巖性關系不大。例如，柯深1井第三系地層是砂 泥巖互層，其5 200S 750m井段的孔隙壓力系數為1. 501. 60，坍塌壓力 的壓力系數為1. 60L 70； 5 750-5 900m井段的孔隙壓力系數為1. 15-1. 35, 坍塌壓力的壓力系數為1. 40 一 1. 60。該井田244mm技術套管下至5 025. 08m

28、。 四開采用口 215 111121鉆頭鉆進，由于誤判5 009m出現的高壓鹽水層（壓力系 數為1. 89）沒有封死，并為了對付地質預告5 600m的高壓氣層，采用密度為952. 02g / cm3的鉆井液鉆進。鉆至5 441 m時，鉆進過程出現大的塌塊， 下鉆遇阻劃眼，返出大的塌塊。從此之后每次下鉆均遇阻劃眼，劃眼井段均為新 鉆井眼。當鉆至5 829m時，發生壓差卡鉆。解卡后，為了防止再卡鉆，降低鉆 井液密度至1. 751. 80g/cm3，并增加鉆井液中高軟化點低磺化度磺化瀝青、 氯化鉀、SMP和硅酸鉀的加量，以提高鉆井液封堵與抑制能力，井塌緩解。物理化學因素（1）地層的巖性井壁不穩定可以

29、發生在各種巖性的地層中。一般來講，巖石均由非粘土礦物 （如石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦等、品態粘土礦物（如蒙脫石、伊利 石、伊蒙間層、綠泥石、綠蒙間層、高嶺石等）和非晶態粘土礦物（如蛋白石等） 所組成，但不同巖性地層所含的礦物類型和含量不完全相同。對井壁穩定性產生 影響的主要組分是地層中所含的粘土礦物。（2）鉆井液濾液對地層的侵入當地層被鉆開后，在井筒中鉆井液與地層孔隙流體之間的壓差、化學勢差（取 決于鉆井液與地層流體之間的活度差和地層的半透膜效率）和地層毛細管力（取 決于巖石的表面性質）的驅動下，鉆井液濾液進入井壁地層，引起地層中粘土礦 物水化膨脹，導致井壁不穩定。表9-1四種典型粘土

30、礦物的理化特性粘土礦 物比表面積/mg-1D50 /仇m表面電荷密度/Cm-2綠泥石6.621.50.731高嶺石48.62.70.122伊利石1056.60.184蒙脫石6336.70.179? 通過大量室內試驗，目前已證實在使用水基鉆井液時，低滲透泥頁 巖表面的確存在著非理想的半透膜，但其膜效率低于1。其值高低取決于鉆井液 的組成、地層的滲透率和孔喉尺寸，并隨鉆井液與巖石接觸時間增長而降低。鹽 水的膜效率僅為1%10%，聚合醇類水基鉆井液具有較高的膜效率地層中的粘 土礦物與水接觸發生水化膨脹是由兩種水化所造成，即表面水化和滲透水化。在 第二章中，已對其機理進行過討論。影響水化的因素影響地層

31、水化作用的主要因素有以下方面：A.地層中粘土礦物及其可交換陽離子的類型和含量在第二章中已闡述了蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石由于各種粘土礦物的 組構特征不同，其可交換陽離子組成亦各不相同，因而其水化膨脹程度差別很大。 如蒙脫石的陽離子交換容量高，易水化膨脹，分散度也較高；而高嶺石、綠泥石、 伊利石都屬于低膨脹型粘土礦物，不易水化膨脹。同種粘土礦物，當其交換性陽 離子不同時，水化膨脹特性也不相同，如鈉土的膨脹比鈣土、鉀土大得多。各種 粘土礦物膨脹能力的順序如下：蒙脫石伊蒙間層礦物伊利石高嶺石 綠泥石。由此看來，地層的水化作用強弱主，要取決于地層中所含粘土礦物及其可交 換陽離子的類型及含量。此外，

32、由于地層中非晶態粘土礦物的類型及含量會影響 陽離子交換容量的大小，因此它們對地層水化作用亦有較大的影響。地層中所含無機鹽的類型及含量如地層中含有石膏、氯化鈉和芒硝等無機鹽，則會促使地層發生吸水膨脹。 當地層中含有無水石膏時，由于密度為2. 9g / cm3的CaSO能通過吸水轉變為密 度為2. 3 g/cm3的CaSO2H 0,其體積增加約26%，因而含膏泥巖的膨脹性 與其中無水石膏含量有密切關系。含氯化鈉的泥巖的初始膨脹率較高，在5-7h達到最大值。隨著鹽的溶解， 膨脹率反而下降。中原油田文203-12井3 250m的含鹽泥巖，2 h的膨脹串為， 31%，但24h的膨脹率降為26%。用勝利油

33、田紅層中的含鹽泥巖進行吸水試驗， 然后用淡水洗去泥巖中的鹽再次吸水，其結果顯示含鹽泥巖的吸水量大大高于不 含鹽泥巖。地層中層理裂隙發育程度地層中存在著層理裂隙，部分微細裂縫在井下高有效應力作用下會發生閉 合。但當與水接觸時，水仍然會沿著這條裂縫進入地層深處，使井壁周圍地層中 的粘土礦物發生水化，因而井壁也容易坍塌。溫度和壓力流體進、出泥頁巖是受泥頁巖和流體的偏摩爾自由能之差來控制的，而偏摩 爾自由能的大小與溫度和壓力有關。因此，溫度和壓力對泥頁巖的水化膨脹會產 生一定影響。隨著溫度升高，粘土的水化膨脹速率和膨脹量都明顯增高。壓力增 高可抑制粘土水化膨脹。各種粘土礦物的膨脹率均隨預負荷或井眼壓力的增大而急劇下降。時間顯然，粘土水化膨脹隨地層中的粘土礦物與鉆井液濾液接觸時間的增長而加 劇鉆井液的組成與性能鉆井液中所含有機處理劑和可溶性鹽的類別及含量、濾液的pH值等均會影 響粘土的水化膨脹，這些影響將在穩定井壁技術措施中進行討論。地層水化膨脹對井壁穩定的影響鉆井過程中，鉆