第十一章 井下复杂情况的钻井液技术随着深井、超深井、丛式井及水平井等特殊井的增加和欠平衡钻井等新技术的应用，钻井中遇到的井壁失稳、井漏、井喷及卡钻等井下复杂情况越来越突出，已经成为影响安全优质快速钻井和经济效益的主要因素之一因此，做好复杂情况下的钻井液工作尤为重要第一节 井壁不稳定机理及钻井液技术井壁不稳定是指钻井或完井过程中的井壁坍塌、缩径、地层压裂等三种基本类型(见图11-1)前两者造成井径扩大或缩小，后者易造成井漏井壁失稳是钻井工程中经常遇到的井下复杂情况之一，严重影响钻井速度、质量及成本，甚至延误勘探与开发的速度为了保持井壁稳定，实现优质安全钻进，必须搞清井壁失稳地层的结构特征，井壁失稳发生的原因以及相关的钻井工程与钻井液技术措施本节主要介绍前两种井壁失稳类型、机理及相应的钻井液技术图11-1 井壁失稳的类型一、井壁不稳定地层类型与井壁不稳定现象１．井壁不稳定地层的类型 在钻井过程中，如果钻遇泥页岩、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、碳酸盐岩等地层，就可能发生井壁不稳定问题井塌可能发生在各种不同岩性、不同粘土矿物种类及含量的地层中，但约占90％以上的井塌发生在泥页岩地层中，而严重井塌往往发生在层理裂缝发育或破碎的各种岩性地层、孔隙压力异常的泥页岩层、处于强地应力作用的层位、厚度大的泥岩层、生油层和倾角大易发生井斜的地层；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；压裂可发生在任何一类地层中。
２．井壁不稳定现象 1)井塌的现象（１）返出钻屑尺寸增大，数量增多并混杂 （２）钻井液的粘度、切力、密度、含砂量明显增高泵压增高且不稳定，严重时会出现憋泵现象，并可憋漏地层３）扭矩增大，蹩钻严重，停转转盘打倒车４）上提钻具遇卡，下放钻具遇阻；接单根、下钻下不到井底；划眼遇阻，严重时会发生卡钻或无法划至井底５）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３）压裂现象当钻井液的循环压力大于地层破裂压力时，就会压裂地层，使地层出现裂缝，从而导致泵压的下降如果液柱压力降到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复杂情况二、井壁不稳定的原因井壁不稳定的实质是力学不稳定当井壁岩石所受的应力超过其本身的强度时就会发生井壁不稳定其原因十分复杂，就其主要原因可归纳为力学因素、物理化学因素和工程技术措施等三个方面，但后两个因素最终均因影响井壁应力分布和井壁岩石的力学性能而造成井壁不稳定。
１．力学因素 １）原地应力状态原地应力状态是指在发生工程扰动之前就已经存在于地层内部的应力状态，简称为地应力一般认为它的三个主应力分量是铅垂应力分量、最大水平主应力分量和最小水平主应力分量地应力的铅垂应力分量通常称为上覆岩层压力，主要由上部地层的重力产生的国内外研究表明，水平地应力的大小受上覆岩层压力、地层岩性、埋藏深度、成岩历史、构造运动情况等诸多因素的影响其中上覆岩层压力的泊松效应和构造应力是主要影响因素 由于多次构造运动的结果，在岩石内部形成了十分复杂的构造应力场根据地质力学的观点，构造应力大多以水平方向为主，设两个主构造应力分量分别为s²x、s²y则总的水平主应力分量为上覆岩层压力泊松效应产生的压应力与构造应力之和 若没有构造运动，水平地应力仅由上覆岩层压力的泊松效应引起，为均匀水平地应力状态一般情况下存在构造运动，且两个水平主方向上构造应力的大小不等因此，在一般情况下，地应力的三个主应力分量的大小是不相等的由声发射法、差应变法等室内实验方法和应力释放法、水力压裂法等现场试验方法可以确定出地应力的大小和方向 ２）地层被钻开后所引起的井眼围岩应力状态的变化 地层被钻开之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力的作用，井壁处的应力状态即为原地应力状态，且处于平衡状态。
孔隙压力指地下岩石孔隙内流体压力在正常沉积环境中，地层处于正常的压实状态，孔隙压力保持为静液柱压力，即为正常地层压力，压力系数为1.0在异常的压实环境中，当孔隙压力大于正常地层压力时称为异常高压地层，压力系数大于1.0当井眼被钻开后，地应力被释放，井内钻井液作用于井壁的压力取代了所钻岩层原先对井壁岩石的支撑，破坏了地层和原有应力的平衡，引起井壁周围应力的重新分布进一步的研究表明，井眼围岩的应力水平与井眼液柱压力有关若钻井液密度降低，井眼围岩差应力(径向应力减小，切向应力增大)水平就升高当应力超过岩石的抗剪强度时，就要发生剪切破坏(对于脆性地层就会发生坍塌，井径扩大，而对于塑性地层，则发生塑性变形，造成缩径)相反，当钻井液密度升至一定值后，井壁处的切向应力就会变成拉应力，当拉伸应力大于岩石的抗拉强度时，就要发生拉伸破坏(表现为井漏) ３）造成井壁力学不稳定的原因 钻井过程中保持井壁力学稳定的必要条件是钻井液液柱压力必须大于地层坍塌压力，且钻井液的实际当量密度低于与地层破裂压力对应的当量钻井液密度坍塌压力是指井壁发生剪切破坏的临界井眼压力，此时的钻井液密度称为坍塌压力的当量钻井液密度。
钻井过程中造成井壁力学不稳定的原因可归纳为以下几个方面： （1）液柱压力小于地层坍塌压力 孔隙压力异常不仅发生在储层中，而且在我国大量钻遇的泥页岩地层中也较普遍地存在在地应力作用地区，非均质的地应力对井壁稳定会产生很大的影响长期以来，设计钻井液密度均依据所钻遇油气水层的压力系数，而没考虑易坍塌地层可能存在异常孔隙压力与地应力，以及所造成的高地层坍塌压力对井壁稳定的影响在实际钻井过程中，同一裸眼井段部分地层的坍塌压力往往大于油气水层的孔隙压力因此，依据这样确定的钻井液密度在高坍塌压力地层钻进时，井筒中钻井液液柱压力就不足以平衡地层坍塌压力(对盐膏层和含盐膏泥岩则是发生塑性变形的压力)，就会造成所钻地层处于力学不稳定状态，引起井壁坍塌 （2）起钻时的抽吸作用降低了液柱压力 在起钻过程中，由于未及时灌注钻井液、钻井液塑性粘度和动切力过高以及起钻速度过快等均会产生高的抽吸压力这种抽吸作用使钻井液作用于井壁的压力下降，当其低于地层坍塌压力时就会发生井塌此外，在裸眼井段，如果所钻的上部地层中存在大段含蒙脱石或伊蒙无序间层的泥岩，而在钻进下部地层时，如钻头在井下工作时间过长，泥岩就会吸水膨胀而造成井径缩小，起钻至此井段则发生“拔活塞”，环空灌不进钻井液，从而产生很大的抽吸压力而形成负压差，严重时便会抽塌下部地层。
例如吉林油田乾安构造在钻探初期，绝大部分井均由于上部嫩3、4、5层段泥岩缩径(井径平均缩小6％～8％)，起钻时发生严重抽吸，从而抽塌下部嫩2、1等层段的泥岩层，平均井径扩大率高达32％～84％ （3）井喷或井漏导致井筒中液柱压力低于地层坍塌压力 钻井过程中如发生井喷或井漏，均会造成井筒中液柱压力下降当此压力小于地层坍塌压力时，就会出现井塌 （4）钻井液密度过低不能控制岩盐层、含盐膏软泥岩和高含水软泥岩的塑性变形由于岩盐层、含盐膏软泥岩和高含水的软泥岩等地层均是具有塑性特点的地层，当其埋藏较深而被钻穿后，它们的高度延展性能几乎可以传递上覆地层的全部覆盖负荷的重量若此时的钻井液液柱压力不足以控制住这种作用，就会引起塑性变形，使井径缩小，这就是上述岩层所具有的蠕变特性所谓蠕变是指材料在恒应力状态下，变形随时间而逐渐增大的一种特性通常岩石的弹性变形也会引起缩径，但弹性变形的时间较短，且变形量小岩盐在深部高温高压下，由于具有蠕变特性，即使井壁上的应力仍处于弹性范围，也会导致井眼随时间而逐渐缩小根据国内外对岩盐蠕变的研究，可将其分为以下三个阶段(见图11-２) A．初始蠕变(又称过渡蠕变)。
此阶段在应变时间曲线上，岩石初始蠕变速率很高，随后速率变缓，其原因是应变硬化速度大于材料中晶粒的位错运动速度 B．次级蠕变(又称稳态蠕变)此阶段硬化速度和位错速度达到平衡对于岩盐层，井眼的收缩是最重要的蠕变阶段图 11－2 岩石的广义蠕变曲线C第三阶段蠕变(又称不稳定蠕变)当应力足够大时，会在晶粒界面及矿物颗粒界面发生滑动，这一变形的结果使蠕变曲线向较大变形的一侧弯曲，进入不稳定状态，最后导致破裂一般认为，岩盐层的塑性变形在低温状态是以晶层滑动为主，而在高温下则在滑动面出现多边形结构和再结晶由于岩盐层的塑性变形(蠕变)引起井眼缩径，常导致起下钻遇阻卡、卡钻例如中原油田文-218井使用密度为1.79g/cm3钻井液，钻进岩盐层至3912m时，从电测得知在3856～3899m井段井径缩小18％～23％(比钻头直径小40～50 mm)继续电测时又发生遇阻，下钻划眼至3912m，后上提遇卡因此，岩盐层的蠕变或塑性变形是钻进该类地层时造成井下复杂情况的一个重要原因此外，盐膏层中的泥岩即使在上覆盖层压力与井温作用下，粘土表面所吸附的水会逐渐被挤出成为孔隙水由于泥岩表面吸附水的密度可高达1.40～1.70 g/cm3，故当这些层间水变为孔隙水时，体积约增大40％～70％。
若泥岩被盐层所封闭，而盐层不具备渗透性能，水无处可排，因而会导致在两个盐层之间的泥岩孔隙中形成异常压力带钻开此类地层时，如果钻井液液柱压力低于此类泥岩发生塑性变形的压力，泥岩就会缩径，导致井下复杂情况由于此类泥岩含盐，盐在高温高压下所发生的塑性变形亦会对含盐泥岩带来影响因此，盐膏层塑性变形不仅发生在岩盐中，而且还会发生在含盐泥岩中5）钻井液密度过高 钻井过程中，如所采用的钻井液密度过高，大大超过地层孔隙压力，就会对井壁形成较大的压差，从而会有更多的钻井液滤液进入地层，加剧地层中粘土矿物水化，引起地层孔隙压力增加及围岩强度降低，最终导致地层坍塌压力增大当坍塌压力的当量密度超过钻井液密度井壁就会发生力学不稳定，造成井塌２．物理化学因素 井壁不稳定可以发生在各种岩性的地层中一般来讲，岩石均由非粘土矿物(如石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等)、晶态粘土矿物(如蒙脱石、伊利石、伊蒙间层、绿泥石、绿蒙间层、高岭石等)和非晶态粘土矿物(如蛋白石等)所组成，但不同岩性地层所含的矿物类型和含量不完全相同对井壁稳定性产生影响的主要组分是地层中所含的粘土矿物当地层被钻开后，在井筒中钻井液与地层孔隙流体之间的压差、化学势差和地层毛细管力的驱动下，钻井液滤液进入地层，引起地层中粘土矿物水化膨胀，导致井壁不稳定。
地层中的粘土矿物与水接触发生水化膨胀，其影响因素是多方面的①地层中所含粘土矿物不同，其水化膨胀程度不同，粘土矿物膨胀能力的顺序为蒙脱石＞伊蒙间层矿物＞伊利石＞高岭石＞绿泥石；②地层中含有石膏、氯化钠和芒硝等无机盐时，则会促使地层发生吸水膨胀比如，当地层中含有无水石膏时，通过吸水无水CaSO4转变为CaSO4·2H2O,其体积增加约26％，因而含膏泥岩的膨胀性与其中无水石膏含量有密切关系；③地层中存在着层理裂缝，部分微细裂缝在井下高有效应力作用下会发生闭合，但当与水接触时，水仍然会沿着这些微缝进入，引起地层水化膨胀；④地层温度和压力对泥页岩的水化膨胀会产生一定影响随着温度升高，粘土的水化膨胀速率和膨胀量都明显增高而压力增高可抑制粘土水化膨胀；⑤粘土水化膨胀随地层中的粘土矿物与钻井液滤液接触时间的增长而加剧；⑥钻井液中所含有机处理剂和可溶性盐的类型。