井眼安全--井壁穩(wěn)定

1、井壁不穩(wěn)定機理及對策渤海鉆探泥漿技術(shù)服務(wù)公司渤海鉆探泥漿技術(shù)服務(wù)公司 （一）鉆井液施工注意以下幾方面確保井眼安全（一）鉆井液施工注意以下幾方面確保井眼安全 1、井壁穩(wěn)定、井壁穩(wěn)定 2、井眼凈化、井眼凈化 3、潤滑防卡、潤滑防卡 4、油氣層保護、油氣層保護 其中井壁穩(wěn)定是關(guān)鍵、是鉆井液施工重點難點，其中井壁穩(wěn)定是關(guān)鍵、是鉆井液施工重點難點，施工中幾者關(guān)系相互聯(lián)系，只有協(xié)同作好以上施工中幾者關(guān)系相互聯(lián)系，只有協(xié)同作好以上幾個方面才能確保井眼的安全。幾個方面才能確保井眼的安全。一、緒論一、緒論井壁不穩(wěn)定問題是鉆井中的世界性技術(shù)難題。井壁不穩(wěn)定問題是鉆井中的世界性技術(shù)難題。目前仍沒有徹底解決。特別是，

2、隨著當代鉆目前仍沒有徹底解決。特別是，隨著當代鉆井新技術(shù)的運用，井壁不穩(wěn)定問題在某些情井新技術(shù)的運用，井壁不穩(wěn)定問題在某些情況下更加突出。況下更加突出。目前，水基鉆井液條件下深層泥頁巖井壁不目前，水基鉆井液條件下深層泥頁巖井壁不穩(wěn)定性問題更復(fù)雜，更普遍，是核心問題之穩(wěn)定性問題更復(fù)雜，更普遍，是核心問題之一。一。它是涉及鉆井液化學、巖石力學、微觀結(jié)構(gòu)它是涉及鉆井液化學、巖石力學、微觀結(jié)構(gòu)力學、滲流力學、泥巖礦物學以及鉆井工藝力學、滲流力學、泥巖礦物學以及鉆井工藝學等多門學科的復(fù)雜技術(shù)難題。學等多門學科的復(fù)雜技術(shù)難題。一、緒論一、緒論 二、井壁不穩(wěn)定地層的類型與井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象 1、井壁不穩(wěn)定地層類

3、型 鉆井過程鉆遇地層，如泥頁巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖等可能發(fā)生井壁不穩(wěn)定。但井塌多發(fā)生在泥頁巖地層中，約占90%以上，縮徑大多發(fā)生在含蒙脫石含量高、含水量大的淺層泥巖、鹽膏層、含鹽軟泥巖或粉砂巖、瀝青等類地層中。壓裂可發(fā)生在任何地層。 井塌可能發(fā)生在各種巖性、不同粘土種類及含量的地層中；但嚴重井塌往往發(fā)生在以下地層。 （1）層理裂隙發(fā)育或破碎的各種巖性地層。 （2）空隙（坍塌）壓力異常的泥頁巖。 （3）處于強地應(yīng)力作用的地區(qū)。 （4）厚度大的泥頁巖。（5）生油層。（6）傾角大易發(fā)生井斜的地層。2、井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象（1）井塌現(xiàn)象振動篩巖屑量增多，有掉塊（片狀、方狀-）下鉆下不到底，循環(huán)返出形狀不規(guī)則、尺

4、寸過大的巖屑（有時沒有大的巖屑返出）。有憋泵現(xiàn)象，劃眼到底后，停泵上提鉆具防卡、下放不到劃眼井深。電測井徑有異常擴大井段（大肚子、糖葫蘆井眼）（2）縮徑現(xiàn)象 當發(fā)生縮徑時，由于井徑小于鉆頭直徑，會出項扭矩增大、上提遇卡，下放遇阻，嚴重時發(fā)生卡鉆。 縮徑根據(jù)產(chǎn)生的原因，地層、地區(qū)采用適合有針對性措施。 例如：劃眼、增大濾失量、降低濾失量、提高密度等。（3）壓裂現(xiàn)象 當鉆井液液柱壓力大于地層破裂壓力，就會壓裂地層，產(chǎn)生井漏。井漏引起液柱壓力降低，易引起井涌及井塌等事故復(fù)雜。 三、井壁穩(wěn)定主要方法技術(shù) 1、加強封堵 （瀝青、低滲透封堵劑-） 2、提高抑制 （大分子包被劑、K+、-） 3、活度平衡 4

5、、有效應(yīng)力支持 （合理的密度、平衡地層-） 四者協(xié)同是井壁穩(wěn)定基礎(chǔ)n1.80sg的有機鹽完的有機鹽完井液井液n浸泡三年浸泡三年n不散、不變形不散、不變形強抑制性強抑制性強抑制性強抑制性強抑制性不強強抑制性不強歸納提煉出鉆井液物理化學力學（巖石和巖石和滲透滲透力學力學）協(xié)同防塌基本原理： “封堵固結(jié)抑制水化化學滲透平衡 有效應(yīng)力支撐” “ “封堵固結(jié)封堵固結(jié)”穩(wěn)定井壁原理與措施穩(wěn)定井壁原理與措施 所謂封堵固結(jié)：包括機械封堵和化學膠結(jié)加固兩種作用。封堵阻緩壓力傳遞和濾液滲透作用?？p隙發(fā)育的地層，不強調(diào)封固，只強調(diào)提高密度，防塌效果有時會實得其反。（常用的封堵型防塌劑：瀝青及其改性產(chǎn)品、有機鋁絡(luò)合物

6、、聚合醇、多元醇成膜樹脂、硅酸鹽等） 有效應(yīng)力支撐井壁穩(wěn)定基本原理：有效應(yīng)力支撐井壁穩(wěn)定基本原理： 合理鉆井液密度的優(yōu)選是關(guān)鍵。必須考慮孔隙壓力傳遞和泥頁巖水化效應(yīng)（水化應(yīng)力和力學參數(shù)變化）。 封堵作用是實施有效應(yīng)力支撐井壁作用的基本前提。特別是破碎性地層，只提高密度防塌效果，有時會適得其反。 總之：以上四個方面防塌途徑互相聯(lián)系且存在總之：以上四個方面防塌途徑互相聯(lián)系且存在 一定的制約關(guān)系。一定的制約關(guān)系。 針對復(fù)雜泥頁巖：一般應(yīng)采取針對復(fù)雜泥頁巖：一般應(yīng)采取“四元四元”協(xié)同協(xié)同防塌措施：即物理化學防塌措施：即物理化學力學（巖石和滲透）防力學（巖石和滲透）防塌新原理塌新原理： “ “封固封固抑

7、制水化抑制水化化學滲透平衡化學滲透平衡有效應(yīng)有效應(yīng)力力 支撐井壁支撐井壁” ” 四、泥頁巖水化膨脹和分散特性的研究四、泥頁巖水化膨脹和分散特性的研究（1）泥頁巖膨脹機理的研究 泥頁巖是沉積巖，一般都含有大量的粘土，在地質(zhì)壓實過程中這些巖石因泥頁巖內(nèi)的各粘土薄層互相擠壓而脫水，產(chǎn)生吸附極性分子的能力。帶有可交換陽離子的雙電層和層間水給泥頁巖表面提供了一個負電環(huán)境，使之吸附正電離子和水。當井眼穿過這種脫水泥頁巖時，鉆井液中的水被頁巖中的粘土吸收，并產(chǎn)生膨脹壓力。當膨脹壓力達到一定程度時，就會引起巖石的破壞。（2）泥頁巖粘土礦物組分與理化性能之間關(guān)系的研究 國內(nèi)系統(tǒng)研究了泥頁巖中所含的各種粘土礦物，

8、如蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石、無序或有序伊蒙混層、綠蒙混層等自身的陽離子交換容量、分散與膨脹性能；對我國各油田不同地質(zhì)年代、不同井深的幾千塊泥頁巖的粘土與非粘土礦物種類及其含量、密度、陽離子交換容量、分散性能、活度、可溶性鹽的含量等性能進行了測定，系統(tǒng)地研究了上述各種性能之間的關(guān)系，為研究新區(qū)不穩(wěn)定地層坍塌機理及技術(shù)對策奠定了基礎(chǔ)。（2）活度和半透膜對泥頁巖水化的影響 石油勘探院、石油大學等單位通過研究也得出鉆井過程中，鉆井液的濾液向頁巖中擴散的動力是鉆井液與頁巖間的水化學勢之差。影響它的主要因素是鉆井液液柱壓力與孔隙壓力之差及鉆井液水活度與頁巖水活度之比。只有存在較高效率的半透膜時，鉆井

9、液與頁巖的水活度差才能在較長的時間內(nèi)控制水的遷移。（3）活度和半透膜對泥頁巖水化的影響 油基鉆井液具有較理想的半透膜效率。對于頁巖是否存在半透膜有不同的看法，部分人認為受到較強壓實作用的頁巖或孔隙低的頁巖，其自身可起到半透膜的作用，但可能在幾十小時或幾十分鐘就消失?？赏ㄟ^加入特殊處理劑來提高泥頁巖的膜效率。另一部分人認為泥頁巖本身可作為一種半透膜，其效率不是100%?？捎糜行О胪改は禂?shù)來表征膜的理想性。水基鉆井液通過加入無機鹽可以降低水的活度，降低頁巖水化膨脹的程度。（4）泥頁巖吸水量與強度的關(guān)系 國內(nèi)90年代初也開始研究鉆頁巖地層時鉆井液對井壁穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)鉆井液濾液侵入頁巖的深度是時間

10、的函數(shù)，且與鉆井液類型有關(guān)。當壓力越高，有效圍壓越低，鉆井液濾液侵入頁巖的速度越快。頁巖吸水越多，強度越低。（5）用離子釋放法可研究泥頁巖的水化過程 石油大學、大慶油田等單位，曾通過對泥頁巖水化過程中離子釋放規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)頁巖水化在1024 h范圍內(nèi)，出現(xiàn)鈉離子突然釋放現(xiàn)象，此時頁巖回收率明顯下降，陽離子釋放總量及鈉離子釋放總量所占的比例越高，泥頁巖越易分散，就越易引起井塌。（6）泥頁巖中無機鹽含量與水敏性之間關(guān)系的研究泥頁巖中含有無機鹽會使它的吸水量增加。（7）溫度和壓力對泥頁巖水化膨脹性能影響 鉆井液由井底上返時，會加熱上步的裸眼井段，這是造成上部井眼垮塌的主要原因5。許多研究單位使用高

11、溫高壓膨脹儀對膨潤土水化特性進行了研究，得出了如下看法：膨潤土水化膨脹速率和膨脹量隨溫度升高而明顯地增大，在120oC時，膨脹曲線形狀有較大的變化，膨潤土的膨脹程度隨壓力的增大而明顯下降，膨潤土在常溫常壓下與高溫高壓下的膨脹特性有較大的差別，所以研究井壁穩(wěn)定技術(shù)措施時必須考慮溫度和壓力的影響。（8）鉆井液的pH值對泥頁巖水化膨脹、分散的影響 通過研究發(fā)現(xiàn)，粘土晶體表面可以靠氫鍵吸附氫氧根，氫氧根又會通過氫鍵與靜電作用發(fā)生水化。提高鉆井液的pH值，會加劇頁巖的水化膨脹，加速硬脆性頁巖的裂解掉塊。實驗表明，當水溶液的pH值低于9時，對泥頁巖水化影響不大；但當pH值繼續(xù)增加時，泥頁巖水化加劇，將促使

12、泥頁巖坍塌。五、防塌處理劑穩(wěn)定井壁機理的研究五、防塌處理劑穩(wěn)定井壁機理的研究（1）高聚物的吸附量與泥頁巖水化膨脹之間關(guān)系的研究 Theng的實驗結(jié)果表明，當鈉蒙脫石所吸附的聚乙烯醇（PVA）數(shù)量增加時，其吸水量大大降低。當丙烯酰胺與丙烯酸共聚物在頁巖上的吸附量最低時，抑制頁巖分散作用效率最高2。用透射電鏡證實聚合物的包被作用，并系統(tǒng)地研究了聚合物的類型、分子量、結(jié)構(gòu)、官能團等因素對穩(wěn)定井壁的影響1。作用機理主要是作用機理主要是“濁點效應(yīng)濁點效應(yīng)”溫度在濁點以下時，該溫度在濁點以下時，該產(chǎn)品溶于水，在濁點以上表現(xiàn)為產(chǎn)品溶于水，在濁點以上表現(xiàn)為“親油疏水而又分散于親油疏水而又分散于水水”-。 濁點

13、在濁點在30-5030-50之間之間，在鉆井液中可始終保持在鉆井液中可始終保持“親油疏水分親油疏水分散于水散于水”的狀態(tài)，可吸附于鉆屑及粘土顆粒表面，抑制其水的狀態(tài)，可吸附于鉆屑及粘土顆粒表面，抑制其水化分散與膨脹化分散與膨脹-； 同類產(chǎn)品對比，優(yōu)勢突出同類產(chǎn)品對比，優(yōu)勢突出-。（2）鉀離子 實驗證明，K+穩(wěn)定井壁有三方面的作用：一是抑制泥頁巖的水化膨脹；二是抑制泥頁巖的分散；三是促進高聚物在泥頁巖上吸附。采用X-射線衍射儀、原子吸收光譜儀等儀器可研究鉀離子防塌機理。鉀離子與泥頁巖相互作用存在兩種方式，一種是離子交換，另一種是晶格固定；不同類別泥頁巖，鉀離子作用方式不同。當pH值增高，及混入鈣

14、、鈉等陽離子的濃度增加時，會阻礙泥頁巖對鉀離子的固定作用。 按抑制強弱，可將鉀鹽分為4類： K2SiO3抑制作用極強,頁巖回收率可大于80%；證明了硅酸鹽的模數(shù)越高，其抑制分散作用越好； KCl、KNO3和醋酸鉀（KAC），具有強抑制分散能力，頁巖回收率可大于70%； K2SO4、K2CO3、K3PO4、K2CrO7和K4P2O7,頁巖回收率均大于60%，具有較強的抑制水化分散能力； 總之總之：針對鉆遇復(fù)雜泥頁巖特性，必須針對性地開展抑制劑的優(yōu)選及其作用機理的深入研究，以便指導抑制劑種類和加量的優(yōu)化選擇。（3）有機陽離子化合物及陽離子聚合物 有機陽離子處理劑穩(wěn)定井壁的主要原因是，它能中和泥頁巖

15、表面的負電荷，降低Zeta電位，增大聚合物的吸附量，從而抑制水化分散。（4）硅離子 向鉆井液中加入有機硅防塌劑，有機硅在泥頁巖表面迅速展開，形成薄膜。在一定溫度下，有機硅中的-Si-OH基易和粘土表面的-Si-OH基縮合失水，形成-Si-O-Si鍵，在粘土表面產(chǎn)生一種很強的化學吸附作用，使粘土發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)，從而使泥頁巖的水化得到控制。（5）瀝青類防塌劑 國內(nèi)外使用天然瀝青和各種化學改性瀝青產(chǎn)品穩(wěn)定井壁已有多年的歷史。瀝青粉的主要作用機理是在鉆遇頁巖之前，往鉆井液中加入該種物質(zhì)，當鉆遇到頁巖時，若瀝青的軟化點與地層溫度相匹配，在鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力之間的壓差作用下，瀝青產(chǎn)品會發(fā)生塑性流動

16、，擠入頁巖孔隙、裂縫和層面，封堵地層層理與裂隙，提高對裂縫的粘結(jié)力，在井壁處形成良好的內(nèi)、外泥餅，外泥餅與地層之間有一層致密的保護膜，使外泥餅難以沖刷掉，阻止水進入地層，起到穩(wěn)定井壁的作用。（5）瀝青類防塌劑 不同瀝青類產(chǎn)品穩(wěn)定井壁機理不同。 瀝青類產(chǎn)品的軟化點及使用時的溫度與壓差直接影響其效果；在產(chǎn)品軟化點以內(nèi)，隨著使用溫度的增高，穩(wěn)定井壁效果增強；當溫度高于瀝青的軟化點時，瀝青變成流體，在壓差作用下進入裂縫深處，失去封堵作用。因此，使用時應(yīng)根據(jù)坍塌層的溫度來選擇合適軟化點的瀝青類產(chǎn)品。六、常用的防塌鉆井液六、常用的防塌鉆井液1、無固相不分散聚合物鉆井液 無固相不分散聚合物鉆井液包括：無固相不分散陰離子、陽離子及兩性離子聚合物鉆井液。2、低固相聚合物鉆井液 低固相聚合物鉆井液包括：陰離子聚合物鉆井液、陽離子聚合物鉆井液、鉀銨基聚合物鉆井液、正電膠陽離子聚合物鉆井液、兩性離子聚合物鉆井液。3、聚磺鉆井液 聚磺鉆井液包括：陰離子聚磺鉆井液、陽離子聚磺鉆井液、鉀銨基聚磺鉆井液、正電膠陽離子聚磺鉆井液、兩性離子聚磺鉆井液。4、有機硅鉆井液5、鉀石灰鉆井液6、正電膠鉆井液7、飽和鹽水鉆井液8、油包水鉆井液七、井塌的預(yù)防處理七、井塌的預(yù)防處理1、分析判斷初步分析判