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1、. . . .一、井壁不稳定地层的类型与井壁不稳定现象 1井壁不稳定地层的类型钻井过程中所钻遇的地层，如泥页岩、砂质或粉砂质泥岩、流砂、砂岩、泥质砂岩或粉砂岩、砾岩、煤层、岩浆岩、碳酸盐岩等均可能发生井壁不稳定。但井塌大多发生在泥页岩地层中，约占90以上。缩径大多发生在蒙脱石含量高、含水量大的浅层泥岩、盐膏层、含盐膏软泥岩、高渗透性砂岩或粉砂岩、沥青等类地层中。压裂则可发生在任何一类地层中。 井塌可能发生在各种岩性、不同粘土矿物种类及含量的地层中；但严重井塌往往发生在下述地层中：(1)层理裂隙发育或破碎的各种岩性地层。(2)孔隙压力异常的泥页岩。(3)处于强地应力作用的地区。(4)厚度大的泥岩
2、层。(5)生油层。(6)倾角大易发生井斜的地层等。2井壁不稳定现象(1)井塌的现象钻井或完井过程中如发生井塌会出现以下现象：返出钻屑尺寸增大，数量增多并混杂。泵压增高且不稳定，严重时会出现憋泵现象，并可憋漏地层扭矩增大，蹩钻严重，停转盘打倒车。上提钻具遇卡，下放钻具遇阻；接单根、下钻下不到井底时会发生卡钻或无法划至井底。井径扩大，出现糖葫芦井眼，测井遇阻卡。(2)缩径的现象当钻井过程中地层发生缩径时，由于井径小于钻头直径，会出现扭矩增大，蹩钻等现象，严重时转盘无法转动，甚至被卡死；上提钻具或起钻遇卡，严重时发生卡钻；下放钻具或下钻遇阻，如地层缩径严重，可使井眼闭合，如胜利油田和南疆钻含盐软泥时
3、均出现过此现象。 (3)压裂的现象当钻井液的循环压力大于地层的破裂压力时，就会压裂地层，使地层出现裂缝，从而导致泵压下降，钻井液漏入地层，井筒中液柱压力下降。如液柱压力降至上部易塌地层的坍塌压力或孔隙压力之下，就可能发生井塌或井喷等井下复杂情况。 二、地层组构特性、理化性能和井壁稳定性的室内评价方法返回 1地层组构特性和理化性能的分析方法研究井壁失稳的原因及技术对策必须搞清井壁不稳定地层的组构特性和理化性能，常用的分析方法有以下几种：(1)肉眼观察通过肉眼观察可以掌握地层的层理、裂隙和镜面擦痕发育情况，地层倾角大小，地层软硬程度及遇水后膨胀、分散和强度定性变化情况。(2)X光衍射分析法、红外光
4、谱吸收法和差热分析等方法 采用以上方法测定地层中各种非粘土矿物，晶态粘土矿物、非晶态粘土矿物的相对和绝对含量。(3)扫描电镜分析用扫描电镜可以定性地确定地层中粘土矿物征、裂隙发育情况及裂缝宽度。(4)薄片分析薄片分析可测定碎屑、基岩及胶结物的组分及分布型，测定粘土矿物的分布及成因。(5)密度用甘氏比重瓶或李氏比重瓶进行测定。(6)阳离子交换容量用亚甲基蓝溶液吸附法进行测定。(7)可溶性盐的含量采用钻井液滤液化学分析法进行分析。(8)吸附等温线试验描述孔隙的性质和类测定不同平衡条件下泥页岩的含水量，用以估计地层的膨胀程度、活度。(9)比表面积比表面积是表征泥页岩水化特性或膨胀性能的物理量。测定比
5、表面积有助于了解泥页岩水化膨胀特性和分析井壁稳定问题。比表面积测定方法较多，如亚甲基蓝法、CST法、乙二醇质量法等。(10)电位通常可用电泳法测定颗粒的电位。在电泳池中，一定电场强度下，测得颗粒的运移速度，依据下式计算电位：电位(4)(DE)式中 介质粘度；胶粒的电泳速度；D一介质的介电常数； E一外加电场的电位梯度。泥页岩浆电位的大小可以用来判断泥页岩的膨胀，分散特性。美国学者Lauzon曾提出以下看法：电位为一60mV时属于极端分散；电位为一40mV时属于较强分散：电位为一20mV时属于可能分散：电位为一10mV时属于不分散。2井壁稳定性的室内评价方法(1)分散性试验国内外分散性试验方法常
6、用的有两种页岩滚动试验此法可用来评价泥页岩的分散特性，研究钻井液抑制地层分散能力的强弱。此试验采用干燥的泥页岩样品(如果投有岩心可用岩屑)，将其粉碎，使岩样过10目筛，往加温罐中加入350m1水(试验的液体)和50e岩样，然后将加温罐放人滚于加热炉中滚动16h(控制在所需温度)。倒出试验液体与岩样，过30目筛，干燥并称量筛上岩样，计算质量回收率(以百分数表示)。再取上述过30目筛干燥的岩样，放人装有350 ml水的加温罐中，继续滚动2h，倒出水与岩样，再过30目筛，干燥并称筛上的岩样，计算回收的岩样占原岩样的质量百分数。CST(毛细管吸人时间)试验CST试验是一种通过滤失时间来测定页岩分散特性
7、的方法，即在恒速混合器(高速搅拌器)中测定体积分数为15的稠页岩岩浆(过100目筛)在剪切不同时间后的滤失时间，用以表示页岩分散特性。通常将页岩岩浆滤液在CST仪器(见 图9-2)的特性滤纸上运移05cm距离所需的时间称为CST值。根据试验结果可绘制CST值与剪切时间的关系曲线，者为线性关系，可用下式表示页岩分散特性 Y=mx+b式中 YCST值，s；m页岩的水化分散速度，cms；X剪切时间，s；b瞬时形成的胶体颗粒数目。 b值大小取决于页岩的胶结程度，它是页岩含水量、粘土含量及压实程度的函数。最大的y值表示页岩的总胶体量，(Y一b)值是总胶体含量和瞬时可分散的粘土含量之差，用来表示页岩潜在的
8、水化分散能力。使用CST法所测得的1(Y一b)值可用来预测井塌的可能性。此值越高，井塌的可能性越大。 图9-2 CST测定仪l一圆柱试浆容器：2一特制滤纸，3一渗滤圈，4一控制器，5一计时器，6一电极(2)水化试验按照膨润土造浆率的测定方法测定泥页岩的造浆率,然后按下式计算出泥页岩的水化指数h。 hYsYb式中，Ys、Yb分别表示页岩和膨润土的造浆率(水化24h)，Yb一般取16m3/t。(3)膨胀性试验地层膨胀是地层中所含的粘土矿物水化的结果。通常采用测定岩样线性膨胀百分数(称为膨胀率)或岩样吸水量来表示地层的膨胀性能。由于温度对岩样膨胀率有较大影响，因此不仅应测定岩样在常温下的膨胀串，还应
9、测定在高温高压下的膨胀率。常温下膨胀率的测定常温下的膨胀率通常选用以下进行测定：A采用NP-01页岩膨胀仪进行测试，该仪器示意图见图9-3。称取一定重量风干的岩样(过100目筛)，测定岩样遇水(或其它液体)不同时间线膨胀量的变化，然后按下式计算出线性膨胀率。 Vt(LtH) 100 (9-4)式中 Vt 时间为t时岩样的线性膨胀率，；Lt时间为t时的线膨胀量，mm；H-岩样原始高度，mm。 B采用应变仪膨胀传感器(即直读式数字膨胀指示仪)进行测试。取垂直岩心基面切割下来的岩样，放在聚乙烯小袋中，按一定方向放在夹子上，使传感器上的初始应变为15in，袋中装满试验液体。当岩样膨胀时，应变仪记录下位
10、移，从指示器直接读出应变，用下式计算出线性膨胀串。直读式数字膨胀指示仪见图9-4。 Vt(KiL)10-4式中 Vt时间为t时岩样的线性膨胀率，；Ki常数；L岩样长度，mm；J-指示器读数。C采用Nsulin膨胀仪进行测试，图9-5是此仪器的示意图。试验时将试验用岩粉装在杯中并与过滤圆盘接触，吸附试液，其吸附量可由刻度吸管读取。在t时间内，单位质量岩样所吸附的水量即为膨胀率。可在双对数坐标纸上画出吸附量与吸附时间之间的关系曲线。因二者成线性关系，因而可用下式表示， LgMtlg Mi+Nlgt式中 Mt-在t时间内单位质量岩样所吸附的流体量,gg；Mi-瞬时吸水量，gg；N水化速度或膨胀速度，
11、gmin；T吸附时间，min。M的大小取决于岩样中粘土和水的含量以及压实作用，它随地层岩密度及压实作用的增大而减小。高温高压下膨胀率的测定使用YPM-01型页岩膨胀模拟试验装置或HTHP-1型高温高压页岩膨胀仪，可测定温度从室温至180、压力010MPa下的页岩膨胀率。注意高温高压下所测定出的膨胀率与常温常压下的测定结果有较大的差别。(4)介电常数泥页岩的介电常数主要取决于其中水敏性粘土矿物的种类和含量，其大小与岩石强度和有效应力有关。因此，测定地层的介电常数可以了解地层的性质，预测井壁稳定性和岩石强度。该参数通常使用介电常数测定仪进行测定。其原理是测量充填了岩样的容器的电容与充满空气时容器的
12、电容的比值，从而获得该岩样的介电常数。(5)页岩稳定指数法页岩稳定指数表示地层在钻井液等液体作用下，其强度、膨胀和分散侵蚀三个方面综合作用对井眼稳定性的影响。此方法是美国Baroid钻井液公司建立的。试验时先将泥页岩磨细，过100目筛，与人造海水配成浆液(比例为7：3)，再放置在干燥器内预水化16h。用压力机在7MPa下压滤2h，取出岩心放人不锈钢杯中，再用91 MPa压力加压2mm，刮乎岩心表面，用针人度仪测定针人度，然后将岩心连同钢杯一起置于656下热滚16h，取出再测定针人度，并测量杯中岩样膨胀或侵蚀高度，按下式计算页岩稳定指数(SSl) SSI100-2(Hy-Hi)-4D式中 Hy-
13、热滚前的针入度，mmHi-热滚后针人度，mm；D膨胀或侵蚀总量，mm。(6)三轴应力页岩稳定性试验仪使用该仪器，可进行在径向应力、纵向应力及试验液柱压力作用下的页岩稳定性试验，用以研究钻井液对以下三种不稳定性的影响：膨胀所致孔径的变化；脆性岩石孔径的扩大；地应力引起的井壁不稳定。使用此仪器可从以下几方面来判别钻井液的影响：在一定压力与流速作用下测定岩样被破坏的时间；岩样被侵蚀的百分数；岩样含水量及岩样孔径的变化。此类仪器有两种不同的类型，一种用于常温下测定，另一种用于高温下测定。 (7)DSC井下模拟装置此仪器可模拟上覆压力、围压及井下温度，在直径为165 mm的页岩样品上钻进和循环钻井液，用以评价在模拟的井底条件下，各种钻井液抑制地层坍塌的效果。(8)经改造的高温高压滤失量测定仪采用经过改造的高温高压滤失量测定仪，可以评价钻井液封堵井壁的效果。采用一块直径为254mm、厚度为127mm的贝雷(Berea)砂岩作为渗滤介质，固定在岩心夹持器中，然后将其装人高温高压滤失量测定仪容器内，再将钻井液倒人上述仪器中，调节温度与压力至所需值，然后开始试验并记录滤失量。试验结束后，取出岩心，冷却后将岩心切片，在高倍显微镜下检测钻井液的封堵深度及效果。评价井壁稳定性的室内评价方法还有许多，在此不再一一介绍
