第九章對付井下復雜情況的鉆井液技術井壁不穩定的機理及對策井壁不穩定是指鉆井或完井過程中的井壁坍塌、縮徑、地層壓裂等三種基本類型(見圖9—1)；前兩者造成井徑擴大或縮小，后者易造成井漏。井壁失穩是鉆井工程中常遇到的井下復雜情況之一，嚴重影響地質資料的錄取、鉆井速度、質量及成本；部分新探區還會因井壁不穩定而無法鉆達目的層，延誤勘探與開發的速度，影響其經濟效益。為了保持井壁穩定，實現安全鉆進，必須搞清井壁失穩地層的組構特征，井壁失穩發生的原因以及相關的鉆井工程與鉆井液技術措施。井壁不穩定的機理及對策井壁不穩定的機理及對策一、井壁不穩定地層的類型與井壁不穩定現象1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。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：

(1)層理裂隙發育或破碎的各種巖性地層。(2)孔隙壓力異常的泥頁巖。(3)處于強地應力作用的地區。(4)厚度大的泥巖層。(5)生油層。(6)傾角大易發生井斜的地層等井壁不穩定的機理及對策(1)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：①返出鉆屑尺寸增大，數量增多并混雜。②泵壓增高且不穩定，嚴重時會出現憋泵現象，并可憋漏地層；②扭矩增大，憋鉆嚴重，停轉盤打倒車。④上提鉆具遇卡，下放鉆具遇阻；接單根、下鉆下不到井底;遇阻劃眼，嚴重時會發生卡鉆或無法劃至井底。⑤井徑擴大，出現糖葫蘆井眼，測井遇阻卡。井壁不穩定的機理及對策

(2)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、憋鉆等現象，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。

(3)壓裂的現象

當鉆井液的循環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。如液柱壓力降至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。井壁不穩定的機理及對策二、地層結構特性、理化性能和井壁穩定性的室內評價方法1．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：(I)肉眼觀察；(2)X光衍射分析法、紅外光譜吸收法和差熱分析等方法；(3)掃描電鏡分析；(4)薄片分析；(5)密度；(6)陽離子交換容量；(7)可溶性鹽的含量；(8)吸附等溫線試驗；(9)比表面積；(10)ζ電位；井壁不穩定的機理及對策井底取出巖心薄片分析掃描電鏡分析油氣層室內評價實驗巖樣鉆取X-射線衍射分析井壁不穩定的機理及對策2．井壁穩定性的室內評價方法

(1)分散性試驗：國內外分散性試驗方法常用的有兩種：①頁巖滾動試驗；②CST(毛細管吸入時間)試驗。(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。

(3)膨脹性試驗：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。

(4)介電常數：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。井壁不穩定的機理及對策

(5)頁巖穩定指數法：此方法是美國Baroid鉆井液公司建立的。頁巖穩定指數表示地層在鉆井液等液體作用下，其強度、膨脹和分散侵蝕三方面綜合作用對井眼穩定性的影響。

(6)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：①膨脹所致孔徑的變化，②脆性巖石孔徑的擴大，③地應力引起的井壁不穩定。

(7)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165mm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。井壁不穩定的機理及對策三、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。井壁不穩定的機理及對策I．力學因素原地應力狀態下，即地層被鉆開之前，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。地層被鉆開后所引起的井眼周圍巖應力狀態的變化，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。造成井壁力學不穩定的原因：①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；②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；③井噴或井漏導致井筒中液柱壓力低于地層坍塌壓力；④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；⑤鉆井液密度過高。井壁不穩定的機理及對策2．物理化學因素

(1)地層的巖性:井壁不穩定可以發生在各種巖性的地層中。一般來講，巖石均由粘土礦物(如石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦等)、晶態粘土礦物(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。井壁不穩定的機理及對策

(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腹效率)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。井壁不穩定的機理及對策

(3)粘土的水化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。

①影響水化的因素影響地層水化作用的主要因素有以下方面：

A．地層中鉆土礦物及其可交換陽離子的類型和含量

B．粘土晶體的部位

C、地層中所含無機鹽的類型及含量D．地層中層理裂紋發育程度E．溫度和壓力

F．時間②地層水化膨脹對并壁穩定的影響

A．孔隙壓力升高B．近井壁地帶地層力學性質發生變化井壁不穩定的機理及對策3．鉆井工程措施鉆井工程措施也是影響井壁穩定性一個重要因素，其影響可歸納為以下幾個方面：(1)井內壓力激動過大；(2)井內液柱壓力大幅度降低；(3)鉆井液對井壁的沖蝕作用；(4)井身質量不好；(5)對井壁過于嚴重的機械碰擊。綜上所述，在鉆井過程中，如果影響井壁穩定性的一些工程措施不當，有可能降低鉆井液作用在井壁上的壓力和巖石強度、導致井壁不穩定。井壁不穩定的機理及對策四、穩定井壁的技術措施及其確定方法

1．穩定井壁的技術措施：根據上面對井壁不穩定的原因分析，目前已在實踐中總結出各種穩定井壁的技術措施。這些措施可歸納為以下方面；(1)選用合理的鉆井液密度，保持井壁力學穩定。

(2)優選防塌鉆井液類型與配方，采用物理化學方法阻止或抑制地層的水化作用。主要技術措施有：①提高鉆井液的抑制性；②用物理化學方法封堵地層的層理和裂隙，阻止鉆井液濾液進入地層；③提高鉆井液對地層的膜效率，降低鉆井液活度使其等于或小于地層水的活度；④提高鉆井液濾液的粘度，降低鉆井液高溫高壓濾失量和泥餅滲透率，盡量減少鉆井液濾液進入地層的量等。井壁不穩定的機理及對策四、穩定井壁的技術措施及其確定方法

上述措施可通過優選鉆井液類型和配方來實現。國內外常用的防塌鉆井液有以下幾種類型：油基(或油包水)鉆井液、飽和鹽水鉆井液、KCl(或KCl聚合物)鉆井液、鈣處理鉆井液、聚合物(包括聚丙烯酰胺、鉀銨基聚合物、兩性離子聚合物、陽離子聚合物、聚磺等)鉆井液、硅基(或稀硅酸鹽)鉆井液和聚合醇(或多元醇)鉆井液等。上述大多數鉆井液的典型配方已在前面有關章節中介紹。井壁不穩定的機理及對策2．穩定井壁技術措施的確定方法

根據所鉆地層特點確定穩定井壁技術措施的一般程序和方法如下：

(1)作為基礎工作，首先應對所設計區塊易發生井壁不穩定地層的礦物組分、理化和組構特征、地層孔隙壓力、坍塌壓力、破裂壓力和漏失壓力等進行比較系統的測試和分析。

(2)在深入調研該地區所發生過的各種井下復雜情況或事故、鉆井技術措施和鉆井液使用情況的基礎上，綜合分析該地層可能出現井壁不穩定的原因及應采取的對策。井壁不穩定的機理及對策

(3)利用坍塌層的巖心或巖屑進行室內試驗，采用前面所介紹的各種方法評價鉆井液對井壁定地層的膨脹性、分散性、強度、封堵性能、HTHP濾失量和泥餅滲透率等性能的影響，在以上試驗基礎上優選穩定井壁的鉆井液類型、配方和性能，綜合評價鉆井液穩定井壁的效果

井壁不穩定的機理及對策

(4)確定穩定井壁的技術措施。首先依據坍塌壓力、破裂壓力和地應力等三個壓力剖面確定合理的鉆井液密度，以保持地層處于力學穩定狀態；然后再根據地層礦物組分、組構特征、已鉆井情況、室內試驗結果等來確定與易坍塌地層特性相配伍的鉆井液類型、配方和相應的工程技術措施。必須將優選鉆井液類型、配方、性能與優選裸眼鉆進時間、套管程序、鉆井參數、工藝技術措施等因素結合起來綜合考慮。此外，還需考慮所選擇的技術措施的可行性和經濟合理性、以及是否符合環保要求等。防漏與堵漏

井漏是在鉆井、固井、測試等各種井下作業中，各種工作液(包括鉆井液、水泥漿、完井液及其它流體等)在壓差作用下漏入地層的現象。一旦發生漏失，不僅延誤鉆井時間，損失鉆井液，損害油氣層，干擾地質錄井工作，而且還可能引起井塌、卡鉆、井噴等一系列復雜情況與事故，甚至導致井眼報廢，造成重大的經濟損失。因此，在鉆井過程中應盡量避免井漏發生。井漏發生的原因及分類1、漏失地層的特征各類巖性的地層均可以發生井漏。研究漏失地層特征必須搞清漏失地層中漏失通道的形成原因、基本形態和分布規律。

(1)漏失通道的形成：漏失通道按其形成原因可分為兩類：一類是自然漏失通道，即因構造運動形成的裂縫、因風化作用形成的溶孔及其它層間疏松的通道，易發生井漏。另一類是人為漏失通道。人為漏失通道主要是指誘導裂縫。誘導裂縫又分為兩種，一種是由于施加的外力大于地層巖石的破裂壓力，造成巖石破碎而形成的裂縫，另一種是外力使天然閉合裂縫開啟而形成的裂縫。井漏發生的原因及分類

(2)漏失通道的基本形態：漏失通道的基本形態主要有孔隙型、裂縫型、洞穴型、孔隙裂縫型和洞穴裂縫型等五種類型，后兩類是前三類的交叉，見圖9—42。井漏發生的原因及分類2．發生井漏的原因

井漏的發生一般應具備以下必要條件：井筒對于地層存在正壓差，即井筒中工作液的壓力大于地層孔隙、裂縫或溶洞中液體的孔隙壓力。并且，地層中存在著漏失通道和較大的足夠容納液體的空間，此通道的開口尺寸應大于外來工作液中固相的粒徑。因此，在鉆井和完井過程中，當出現以下兩種情況時均會發生井漏。第一種情況，當地層存在天然漏失通道時，井筒中鉆井液作用于井壁的動壓力超過地層的漏失壓力，即發生井漏；另一種情況是，當動壓力大于地層的破裂壓力時，先壓裂地層，形成新的漏失通道，然后發生漏失。為了進一步搞清井漏發生的原因，需分析影響地層漏失壓力、破裂壓力和動壓力的各種因素。井漏發生的原因及分類

(1)影響地層漏失壓力的因素：該因素與①地層孔隙壓力；②地層天然漏失通道的大小、形態及漏層厚度；③鉆井液流變性能；④漏失層內外泥餅的質量。

(2)影響地層破裂壓力的因素：地層的破裂壓力主要取決于地層的巖石力學性質和所受地應力的大小。

(3)影響鉆井液動壓力的因素：鉆井液動壓力與以下因素有關：①鉆井液靜液柱壓力。②鉆井液的環空壓耗。③鉆井液的激動壓力。發生井漏的原因井漏發生的原因及分類3．漏失的分類漏層的分類方法很多，這些方法分別從不同的側面反映漏失的規律。下面僅介紹現場常用的按漏速和漏失地層通道的分類法。(1)按漏速分類：按漏速可將漏失分為五類．見表9－9。

(2)按漏失地層通道分類：按漏失通道形成的原因可將其分為自然漏失通道和人為漏失通道兩大類。按漏失通道的形狀又可將其分為孔喉、裂縫、洞穴及混合型。確定漏層的方法確定漏層的位置是堵漏措施中一個非常重要的環節，確定漏層的方法有以下幾種：

(1)觀察鉆進情況通過鉆進時憑經驗觀察，可以判斷天然裂縫、孔隙或洞穴地層一類漏層的位置。例如，當鉆開天然裂縫性巖層時，鉆井液通常會突然漏失，并伴隨有扭矩增大和憋跳鉆現象。如上部地層沒有發生過漏失，則此現象便是漏層在井底的可靠顯示。

(2)觀察巖心和鉆屑情況通過對巖心的觀察，可以了解地層的傾角、接觸關系、孔隙、溶洞、裂隙及斷層等的發育情況；通過巖心收獲率可以判斷地層的破碎程度；通過對這些觀察結果的綜合分析，可以了解漏失通道情況，判斷漏層層位。

確定漏層的方法

(3)觀察鉆井液性能的變化情況鉆井液性能的變化通常能反應井底巖石性質、以此來判斷漏層位置。除上述幾種方法外還有，綜合分析鉆井過程中的各種資料、水動力學測試、儀器測試法等。

井漏的預防對付井漏應堅持以預防為主的原則，盡可能避免因人為失誤而引起的井漏。需要指出，對于存在天然漏失通道的地層，可以通過預先進行循環堵漏或先期堵漏來提高地層的承壓能力；但對于天然漏失通道不發育的漏失層，采用上述方法卻難以奏效。為了防止壓漏此類地層，必須嚴格控制鉆井液的動壓力，使其始終低于地層的破裂壓力，或通過改變套管程序防漏。井漏的預防主要有以下幾種方法:

3．提高地層的承壓能力2．降低井筒中鉆井液的動壓力；1．設計合理的井身結構；井漏的處理當鉆井和完井過程中發生井漏時，為了堵住漏層，必須加入各種堵漏材料(簡稱堵劑)，使之在距井筒很近范圍的漏失通道里建立一道堵塞隔墻，用以隔斷鉆井液的通道。各種堵漏材料按下述步驟在漏層建立堵塞隔堵：

(1)當堵漏材料到達漏層時，其固相顆粒的形狀、尺寸、漿液的流變性能等都要適應漏失通道的復雜形態，這樣才能按設計的數量進入漏層。

(2)堵劑進入漏層后，不能讓其源源不斷進人地層深處。進入地層的堵劑必須能抵御各種流體充填物的干擾。在各種流動阻力的作用下，使之在近井筒漏失通道某處發生滯流、堆集而充滿一定范圍的漏失通道空間。1．堵漏原理井漏的處理

(3)充滿一定范圍漏失空間的堵劑，在高溫、壓差或化學反應等作用下，以機械堆砌或化學生成物的堆集方式，建立具有一定機械強度的隔墻，并與漏失通道有比較牢固的粘結強度才能有效地封堵住漏層，不致于發生暫堵現象。2．堵漏方法常用的堵漏方法有以下幾種：(1)調整鉆井液性能與鉆井措施；(2)靜止堵漏；(3)橋接材料堵漏法；(4)高濾失漿液堵漏法；5)暫堵法；(6)化學堵漏法；(7)無機膠凝物質堵漏法；(8)復合堵漏法井噴的預防與處理

井噴是指地層流體失去控制，噴到地面，或是竄至其它地層里的現象。它是鉆井工程較為常見的惡性事故。輕則使油氣層受到破壞，影響鉆井工期；重則使油氣井報廢，延誤油氣田的勘探開發工作。一、井噴發生的原因鉆井過程中，井內的液柱壓力不是一個固定不變的恒定值，而是隨鉆井作業條件改變而不斷發生變化。作用于井底的壓力可用以下通式來表示；鉆井作業過程中，發生井噴的原因亦不完全相同。下面分別對鉆井的四個主要作業過程中發生井噴的原因進行分析。井噴的預防與處理1．鉆進過程中井噴發生的原因一、井噴發生的原因油氣井在鉆進過程中常有以下原因會導致井噴事故發生：(1)鉆到油、氣、水層時，鉆井液當量密度低于地層的壓力系數就會發生井噴。(2)如鉆井液氣侵嚴重，沒有及時采取措施，一旦液柱壓力降低到小于地層孔隙壓力，就會發生井噴。鉆井過程中鉆井液氣侵的嚴重程度與鉆井液密度、地層中的含氣量、鉆速以及環空返速等因素有關。(3)如果鉆進過程中發生井漏，井筒內鉆井液液面下降，液柱壓力降低。當液柱的靜液壓力降至低于高壓油、氣、水層壓力時，就會引起井噴。井噴的預防與處理2．起鉆過程中井噴發生的原因起鉆過程中，有下述原因可引起井筒中鉆井液作用在油氣水層的壓力下降。當壓力一旦降至低于地層孔隙壓力時就會引起井噴。

(1)起鉆時未及時灌鉆井液，造成井內液柱壓力下降。

(2)起鉆時鉆井液停止循環，失去循環壓力，使鉆井液作用在地層的壓力下降。

(3)起鉆過程中，因鉆頭或鉆鋌泥包、地層縮徑。鉆井液粘度和切力過大、起鉆速度過快等原因，使上提鉆具時產生很高的抓吸壓力，因而造成并內液柱壓力下降。井噴的預防與處理

3．下鉆過程中井噴發生的原因鉆井過程中如鉆井液切力過大，下鉆時下放速度過快，就會形成過大的激動壓力。如裸眼井段存在易漏地層，當井筒液柱壓力加上激動壓力超過地層漏失壓力或破裂壓力時，就會發生井漏。井漏的發生導致鉆井液液面下降引起井噴。此外，油氣層被鉆穿后，如起鉆后鉆井液在井下靜止時間過長，地層中氣體不斷擴散至井中，油氣上竄，引起液柱壓力下降，當下鉆過程中此壓力降到低于地層壓力時，也會引起并噴。井噴的預防與處理4．下鉆后循環過程中井噴發生的原因油、氣、水層被鉆穿后，由于起鉆上提鉆具所發生的抽吸作用，會將地層中的油氣抽至井中，再加上起鉆后鉆井液在井中靜止，地層中的氣體會通過井壁擴散到井筒內，因而下鉆至油、氣、水層等部位循環鉆井液時，隨著鉆井液不斷上返，鉆井液中的氣體便不斷膨脹。當氣體膨脹所產生的壓力大于上部液柱壓力時、鉆井液就會送出井口，井內液柱壓力不斷下降。如果該壓力降至低于油氣層壓力時，油氣就會大量侵入井中造成井噴。井噴的預防與處理二、預防井噴的鉆井液技術措施為了預防井噴，應采取的措施包括工程措施和鉆井液技術措施兩個方面。主要的工程措施包括：控制在油氣層鉆進時的機械鉆速，以防因鉆速過快而造成油氣進入井筒；依據三個地層壓力剖面設計合理的井身結構，防止上噴下漏或下噴上漏造成液柱壓力下降而引起井噴；按井的類別正確選用井控裝置，發現溢流應及時使用井控裝備，以防止井噴的發生等。預防井噴的鉆井液技術措施：選用合理的鉆井液密度；進入油、氣、水層前，調整好鉆井液性能；嚴防井漏；及時排除氣侵氣體；注意觀測鉆井液的體積；儲備一定數量的加重鉆井液；分段循環鉆井液。卡鉆的預防與解除

鉆井過程中，鉆具在井下既不能轉動又不能上下活動而被卡死的現象稱為卡鉆。如果對前面所介紹的井塌、井漏和井噴等各種井下復雜情況和事故處理不當，最后都可能導致卡鉆。在正常鉆進過程中，若采用的工程或鉆井液措施不當也會發生卡鉆。如果油氣井發生卡鉆，必須立即停鉆進行處理，輕則延誤鉆井時間，嚴重時甚至導致井的報廢，給鉆井工程帶來極大損失。卡鉆的預防與解除一、壓差卡鉆

壓差卡鉆是指鉆具在井中靜止時，在鉆井液與地層孔隙壓力之間的壓差作用下，緊壓在井壁泥餅上而導致的卡鉆。防止壓差卡鉆的措施：鉆井實踐證明，在大多數情況下，壓差卡鉆是可以防止的。其防止措施可歸納為以下幾點：(1)降低鉆井液密度；(2)減少鉆具與井壁的接觸面積；(3)降低泥餅摩擦系數，采用優質鉆井液；(4)減少巖屑床的厚度。解除壓差卡鉆的方法：(1)用油或解卡液浸泡；(2)用稀鹽酸浸泡；(3)降低鉆井液密度以減小壓差。卡鉆的預防與解除二、沉砂卡鉆1．沉砂卡鉆發生的原因

沉砂卡鉆是由于鉆井液懸浮性能不好，或處理鉆井液過程中由于粘度和切力下降幅度過大，導致鉆井液中所懸浮的鉆屑和重晶石沉淀，埋住井底一段井眼而造成的卡鉆。沉砂卡鉆亦可能發生在上部極軟地層的鉆進過程中，由于鉆