井壁失稳的机理

井眼由于地质因素、泥页岩与泥浆相互作用和钻井作业等因素而出现不稳定的问题，即井壁稳定问题是钻井系统工程中所遇到的一个十分复杂的世界性难题，迄今还没有研究出可以彻底解决这个问题的一套完整的、行之有效的方法。因此，人们更加重视井壁稳定机理的研究，以求在井壁稳定技术方面获得新的突破。目前在井壁稳定机理和技术研究方面有一个重要的特点，即将研究工作与环境保护、钻井液综合性能的改善相结合。

一、力学不稳定地层

力学不稳定地层是指受地质成因或受构造运动产生多向挤压作用，使地层内部受力不平衡，一旦被钻穿后就破坏了原来的原始平衡状态，受重力的作用使孔壁产生不稳定的坍塌，掉块现象。这类地层有的分布在地表浅层，如风化的堆积层（风积层、洪积层、冲积层）、流砂层、砂砾层等；有的分布在深部的老地层，如裂隙破碎带。力学不稳定地层不论其在浅层或深部，一般根据钻穿后在孔内发生坍塌程度的不同分为三类：

1、轻微坍塌，表现在钻进时泥浆性能发生变化，泥浆粘度、切力含砂量增大，起钻时有阻力，下钻时不到底，钻进时转动有阻力，有轻微蹩钻现象；

2、中等坍塌，表现在泥浆中岩块增多，孔内岩粉明显增加，以致起钻阻力很大，循环压力升高，因孔壁岩层破坏掉块往往扫孔不到底；

3、严重坍塌，钻进时坍塌部位岩层掉块增多，导致循环压力猛增，甚至循环停止，孔内发生卡钻、埋钻事故。

井眼稳定取决于钻井液体系和地层的地质力学性质两个方面，后者又与地层本身的固有特征有关。过去在井眼稳定机理研究中忽视了地质力学及其相关的固有特征，致使井眼稳定的问题仍很突出。

Maury 和Sauzy 研究气井的井壁稳定问题时发现导致井壁不稳定的另—个因素——剪切位移。在裂隙发育的破碎性地层进行施工时，如果钻井液密度不合理，使得与井壁交叉的天然裂缝重新张开时，沿着裂缝的应力快速释放，相对的两个裂缝面就会发生剪切滑移而使井壁剥落。根据产生剪切滑移位错的节理区域和剪切位移的大小可判断井壁是否稳定。

近几年来，国内外在井眼稳定的岩石力学研究方面进展很快，如在井壁岩石破坏机理、钻井液对岩石力学性质的影响、岩石的动静态参数的转换等研究方面都取得了显著的成果。而破碎性地层（如煤层）、硬脆性地层的井壁不稳定问题阻碍了勘探开发的发展进程。对破碎性地层井眼稳定机理的基础研究，无论是国内，还是国外报道不多，现有文献主要侧重现场工艺措施，以预防为主。

在外力作用下，当破坏应力超过岩体强度时，岩体就会发生破坏。对不同大小的外力，岩体破坏的失稳类型不同。岩体脆性破坏的失稳类型分为脆性断裂崩溃、脆性剪张破裂和介于这两者之间的过渡状态。

1、脆性断裂崩溃

2、脆性剪张破裂

3、从脆性断裂崩溃到脆性剪张的过渡状态临界值 σnp1 

4、岩体破碎的热力学分析

在不同条件下，岩石的破坏方式不同。岩体类型不同，其破坏方式也不同。严格地讲，脆性岩石的破坏方式有拉张破裂和剪切破裂两种。

脆性岩体破坏的失稳类型分为脆性断裂崩溃、脆性剪张破裂和介于这两者之间的过渡状态破裂三种。其中脆性断裂崩溃是突然的、猛烈的，在石油钻井中，常见于含弱面结构的低强度脆性岩层，如煤层，在这样的地层中钻井，会因这种崩溃而发生各种大小不同规模的突发性坍塌。从热力学原理和微观结构出发，分析了岩体的破碎过程，得出了岩体破碎(破坏)的判别准则(Ｇ—2γ)δ1≥0。当 G1<0 时，裂纹处于稳定状态，当 G1δ1>0 时，裂缝就会失稳，向前扩展演化，产生新的裂纹，到一定程度后，将会导致岩体破碎。

这类地层粘土矿物含量极低，一般来讲，地层不稳定主要是地层破碎及胶结能力差所致。在地层破碎，裂缝、溶洞发育或断裂带钻井时井壁容易发生坍塌。若地应力大且各向异性，则井壁不稳定问题更为严重。一旦井壁坍塌，极易导致蹩跳、阻卡及卡钻。在此类地层钻井时，应着重解决钻井液的如下问题：

(1)对地层具有强有力的封堵能力，快速有效地封堵地层裂缝、微裂缝，减少和清除破碎性地层的坍塌。为了达到对地层裂缝、微裂缝的有效封堵，根据逐级填充原理，处理剂粒度分布必须合适，如采用沥青质处理剂时应具有合适的软化点；

(2)钻井液密度必须足够高，以平衡地应力；

(3)必须具有良好的悬砂、携砂能力，良好的高温流变性，特别是高温高压条件下的悬浮和携带能力，及时将钻屑和坍塌物悬浮井携带至地面，降低或避免阻卡与卡钻等井下复杂情况和事故的发生，保证钻井、电测、下套管、固井等过程顺利进行。

二、遇水不稳定地层

遇水不稳定地层是指受冲洗液侵入产生水解、水化作用，使孔壁岩层发生松散、松软、溶胀、剥落等，一般统称为水敏性地层。钻遇这些地层会造成钻孔的缩径、超径等现象。

通常按照页岩中水敏性粘土含量的多少、性质、含水量、离子交换容量、分散程度等对页岩进行分类，按此分类将页岩分为五类：

A 级页岩，具有高的含水量和比较高的膨胀性粘土含量，可以以细小的颗粒分散于泥浆中使孔壁扩大，在高的含水量范围内，在上覆岩层压力的作用下，会被挤入孔内，泥浆比重越低越易发生这种情况。

B 级页岩，含蒙脱石、伊利石都多，吸附淡水后塑性增大，这种页岩中可能存在着异常的孔隙压力，除了压力的影响外，通常较稳定。

C 级页岩，主要成分是伊利石和中间成分的粘土，不含或仅含有微量的蒙脱石，为中硬岩，比A 级，B 级更易坍塌。这类页岩发现与构成B 级页岩相类似的沉积物，但在更大的深度，吸附淡水后会发生一些软化，有些页岩吸水后有膨胀，但仍然是坚硬的，有掉块现象，其碎片的破碎是由于沿层理的毛细吸附，或者是由于泥浆失水渗透到页岩的结果。该类页岩也可以有压力异常，当泥浆液柱压力低时，会造成大块的页岩剥落到孔内。

D 级页岩,全部成分是伊利石，绿泥石和高岭石组成，可以在浅部或深部发现，多半是比较老的地质年代，属易剥落的硬脆页岩。当遇水后会再分为细小的颗粒，但膨胀和软化很小，当与水接触时老地层的断裂面上引起分裂。该类地层对压力的异常很敏感，在压力不平衡的条件下钻进会有强烈的坍塌，掉块现象的发生。

E 级页岩,多半处在深部，且通常受压力异常的影响，这种页岩吸附淡水会发生强烈的坍塌，当压力不平衡时，会有大块岩块掉入孔内。

井壁不稳定的原因是复杂的、多变的，也常是综合的。国内外学者多从两方面研究井壁不稳定的原因，即物理化学因素和力学因素。

与井壁不稳定有关的物理化学因素主要指粘土的水化作用。粘土的水化作用是井壁不稳定的一个主要原因，因为泥页岩的主要成分是粘土矿物，粘土矿物具有两个主要的物理化学特性：带电性与亲水性(水化性)，由此引起页岩体积膨胀，颗粒分散和强度下降，这种特性在钻井过程中，常常称为泥页岩的水敏性，由于泥页岩的水敏性，降低了页岩的强度，改变了井眼周围的应力分布，从而造成井塌。因此，很多学者认为，井塌在很多情况下都与粘土的水化作用有关。几十年来，研究的焦点多集中在研究页岩的水化作用及其抑制方法上。

在许多情况下，井壁失稳主要由两方面的原因引起：泥浆密度过低，泥浆静液柱压力难于支撑力学不稳定的地层；泥浆静液柱压力高于地层孔隙应力，驱使泥浆进入泥页岩孔隙，产生压力穿透效应(pressurepenetration effects)，使井眼附近的泥页岩含水量增加，孔隙压力增大，泥页岩强度降低。后一方面的原因已被石油钻井界公认为主要的井壁失稳原因。在钻井过程中防止泥浆渗入泥页岩是保证井壁稳定的关键措施。

化学因素：

1、钻井液滤液进入地层的驱动力

从化学因素考虑，井塌主要是由于钻井液滤液与地层的相互作用，引起岩石的强度下降。因此，化学稳定井眼的根本途径就是阻止钻井液滤液进入地层。为此，必须了解有哪些驱动力使钻井液滤液进入地层。

90 年代国内外的研究结果表明，钻井液滤液进入地层的主要驱动力有：

（1）水力压差，主要取决于钻井液密度；

（2）化学势差，主要取决于钻井液的活度与地层的半透膜效率；

（3）毛细管力，主要取决于岩石的表面持性。

2、页岩(粘土)的水化作用机理及其影响因素

如果存在上述驱动力，水或钻井液滤液便会进入地层，引起页岩的水化作用。页岩水化膨胀受三种力的制约．即表面水化力、渗透水化力和毛细管作用。表面水化作用是页岩中粘土水化的第一阶段，是粘土晶体表面上吸附水分子的作用，也称为晶格膨胀；第二阶段，渗透水化是页岩中粘土在粘土表面水化完成后才进行的。这种情况发生的条件是，当粘土暴露在自由水中，由于粘土表面的阳离子浓度大于溶液内部的浓度，因此，水发生浓差扩散，形成双电层。渗透水化引起粘上体积增加比表面水化大得多，可高达原体积的20—25 倍。

Ballard 等人通过放射性示踪技术监测不同条件下(压力降、水中离子强度、水中离子组成)水和可溶性离子渗入泥页岩岩芯的过程，得出了一些重要结论，认为水和可溶性离子是通过以下两种机理渗入泥页岩的。

1、在岩芯两端压差为零或近平衡状态时，分子和离子的扩散为主要的作用机理，在这种情况下水的渗入速度大于可溶性离子的渗入速度。离子的浓度梯度对离子的迁移速率有一定的影响，但不影响水的渗入速度。当离子浓度足够大时，可溶性离子的扩散速度才接近水的扩散速度。通过不同条件下水和可溶性离子迁移速率的研究，发现泥页岩表面并不存在各种形式的半透膜，也就不存在由渗透压力产生的驱动力。Bol 等人]的研究也证明了上述结论。

2、在岩芯两端存在压差时(如井筒压力大于地层孔隙压力)，除了扩散机理以外，起主导作用的是对流作用(advection)机理。随着正向压力的增加，渗流驱动力加大，水和可溶性离子渗入泥页岩的速度明显增大。当正向压力足够大时，水和可溶性离子的渗入速度接近。

Bol 等人通过实验还发现PHPA 和PAC 等高聚物不能明显降低水的浸入速度，因此在井壁上形成膜封阻挡水的侵入并不是这些处理剂的主要防塌机理。

Cook 等人 应用CT 扫描技术(computed X ray tomographicscanning)对泥浆与泥页岩相互作用的机理进行了研究，得出了一些重要的结论，认为泥浆的侵入使泥页岩含水量增加，密度下降，沿井眼周围产生微裂缝，因而泥页岩强度降低。密度过低时泥浆侵入造成的微裂缝发育更为严重。在泥浆中加入KCl 能够有效地抑制泥页岩膨胀和微裂缝的发展，但当泥浆密度过低、不足以平衡地层压力时，井眼周围仍会有大量的微裂缝产生。研究表明水基泥浆侵入泥页岩和泥浆密度使用不当的共同作用将产生严重的井眼不稳定问题。这项研究启示我们，要有效地提高井壁稳定性，除了应有效地控制孔隙压力穿透外，还必须对裂缝有一定的胶结封堵作用。

Bol 等人认为井壁不稳定是一个复杂的现象，他总结了五种容易引起井壁不稳定的情况：(1)钻遇微裂缝发育的地层；(2)钻遇脆性地层，钻具震动引起碎裂；(3)泥浆密度过高产生张应力，使上述两种地层结构稳定性降低；(4)泥浆密度过低使泥页岩承受过大的挤压应力；(5)孔隙压力穿透作用使孔隙压力增大，泥浆液柱压力对井壁的有效支撑力减少，泥页岩承受过大的拉伸应力。

Bol 等人通过实验认为通过加入封堵材料降低泥页岩的渗透性，可明显地减少由于孔隙压力穿透作用造成的泥页岩井壁附近孔隙压力的增加(相当于泥浆密度增加，提高井壁稳定性)。另外，加入封堵材料能封堵、胶结泥页岩地层的微裂缝，也是井壁稳定的一个重要机理。现场经验表明通过加入低软化点沥青粉能够有效地封堵破碎性地层的裂缝，

从而稳定井壁，防止井塌。

Exy 等人应用液态金属保护样品技术在厚壁空心砂岩和灰岩岩芯柱上研究了应力引起的井眼扩大问题，认为井眼周围压应力过高会产生微裂缝。这些微裂缝起初很靠近井眼，随后不断发育而向深部发展。与井眼垂直和水平的两种裂缝的不断发展并相互结合就引起了井塌和井眼扩大。

程远方认为就井壁围岩的特征而言，作用在岩样上的应力是不均匀的，最大应力出现在井壁上。泥页岩井壁失稳是由于泥页岩吸水使井壁附近岩石变弱，出现径向裂纹。裂纹的产生促进了泥浆中自由水的进一步渗入，裂纹变深变宽，到一定程度后裂纹发生转向而形成周向裂纹，其过程是随时间的延长而逐渐发展扩大。泥浆中自由水渗入引起的井壁周围裂纹产生与发展是井壁失稳的重要机理之一。我国大量的井塌事故就发生在层理和裂缝发育的泥页岩胶结地层。

由此可见，泥页岩中自身存在的微裂缝及其在钻井过程中不断发展扩大是井壁失稳的一个重要原因，应引起足够的重视。

Alford认为，裸露于泥浆中的泥页岩，其物性及状态主要取决于泥页岩的三个结构特征：(1)泥页岩颗粒的接触点；(2)粘土的类型；(3)泥页岩中粘土的含量。因此，泥页岩的稳定性取决于泥页岩颗粒的表面化学特性。在水敏性泥页岩中，稳定作用取决于颗粒表面之间的氢键(由泥页岩颗粒表面的硅醇形成)。当水溶液削弱了泥页岩颗粒之间的结合力时，强度降低，粘土的膨胀力便成为泥页岩分散的主要因素。采用油基泥浆时由于连续油相对相邻泥页岩颗粒接触点之间的氢键没有干扰，泥页岩接触点之间的结合力也就不受影响。在水基泥浆中要阻止水在颗粒接触点处侵入是很困难的。Alford 认为在水溶液中要使泥页岩稳定，需要加入键合剂。Wingrave认为泥页岩不稳定的决定性因素是保持泥页岩颗粒间接触点的氢键联结的稳定性被破坏。

Hale 等人也明确指出井壁稳定主要由井眼的压力状态所控制，而井眼压力状态又决定于孔隙压力及其变化和原始的地层强度。他对露头岩芯和经过特殊处理以保持原始状态的原生泥页岩岩芯的含水量与抗压强度的关系以及泥页岩岩芯经过不同配方(油水比、盐水相盐度)的油基泥浆浸泡后含水量变化与抗压强度的关系进行了研究，证明泥页岩含水量的变化对泥页岩的岩石性能有直接和重要的影响。泥页岩含水量增加时强度大幅度下降，含水量减少时抗压强度明显提高。泥页岩含水量的变化决定井眼周围孔隙压力的变化，也就决定泥页岩强度的变化。王正良等人也认为含水量是影响硬脆性泥页岩稳定性的重要因素，含水量的微小变化会引起硬脆性泥页岩稳定性的很大变化，影响程度甚至大大超过一些稳定剂。因此控制滤液水渗入泥页岩是井壁稳定的关键措施。

非膨胀性的粘土矿物如高岭石和伊利石颗粒吸水是从单个晶体裂解面进水开始的。其中，10 个晶格的伊利石吸水80%，10 个晶格的高岭石吸水120%。因此这类粘土的吸水是值得注意的。粘结伊利石与高岭石的凝结力初步认为是范德华引力，它的有效作用范围很小，故堆叠晶层之间的任何分离都将大大降低其凝结力。硅石层(即氧化硅)吸水的氢键力比范德华力强得多，故水可侵入伊利石的硅石层或高岭石的氧化铝层。内层水的侵入和可形成氢键的液体都会使层面分离，减弱它们之间的凝结力。伊利石的硅层对水的吸引力要比范德华力强得多，故遇水后先沿层面吸水，削弱层面间的联结力而使层面分离。地层的裂缝和微裂缝发育可增大粘土与水的接触面积，促进泥页岩的水化裂解。当水溶液呈碱性时，活泼性强的OH 极其稳固的偶极特性，会比水更牢固地与硅石层联结起来，加剧了泥页岩的裂解。

粘土表面存在硅醇(SiOH)现已为人们所接受，硅石反应形成硅醇已有很多文献记载。这是泥浆引起晶间凝结力变化和裂解的化学作用基础，因而也应该是防塌抑制作用的突破口。PVA 聚合物催化体系就是一例。

从以上研究结果可以看出，井内泥浆对泥页岩的化学作用最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数和近井壁应力状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力学性能，使岩石强度降低；另一方面产生水化膨胀，如果这种膨胀受到约束便会产生膨胀应力，从而改变近井壁的应力状态，诱发或加剧井壁岩石的受力不平衡。要彻底解决泥页岩井壁失稳问题，就应该将影响井壁稳定性的化学作用和由此产生的力学效应有机地结合起来，研究出新的泥浆处理剂井壁稳定机理。

影响粘土水化膨胀的因素很多，主要有：

(1)粘土矿物种类及其交换性阳离子组成

粘土矿物不同，其交换性阳离子组成不同，水化膨胀的程度有很大

的差别、如蒙皂石的阳离于交换容量高，水化膨胀厉害，分散度也高。

而高岭石、伊利石、绿泥石都属于非膨胀型的粘土矿物，水化膨胀较差。

同一种粘土矿物，当其交换性阳离子不同，水化膨胀特性也不相同，如

钠土的膨胀比钙土、钾土大得多。

(2)泥页岩中无机盐含量

泥页岩中含有氯化钠、氯化镁等无机盐时，会促使它吸水量增加。

例如胜利油田的“红层”(泥页岩)，在钻井过程中发生严重的水化膨胀，

就是因为其中含有大量的氯化钠。

(3)温度

温度升高，页岩的水基钻井液的pH 值升高会促进页岩水化膨胀。

研究结果表明，当pH 值在9 以下时，随pH 值升高，对页岩水化影响不大，而当pH 值达到11 以上时，则会使页岩的水化作用加剧，促进页岩剥落掉块。

三、解决井壁不稳定的技术途径

在钻井工程中，解决井壁不稳定的技术途径可以分为三种途径：

1、平衡作用

减少钻孔—地层体系的压力差，通常采用降低孔内液柱压力，环空循环压力损失以及选用低密度冲洗液。

2、抑制作用

调节冲洗液的流变性，通常采用调节冲洗液流型和降低泥浆的粘度与切力。

3、隔离作用

减少不稳定断面或隔离，通常采用防塌泥浆、水泥泥浆以及充填惰性材料。

综前所述，在钻井工程中钻孔的不稳定是一个复杂的多因素的综合反映，因此，应该根据钻孔—地层间的具体情况，采用不同的防治措施。