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1、井壁不稳定地层分类与钻井液技术井壁不稳定是钻井工程中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；部分新探区还会因井壁不稳定而无法钻达目的层，延误勘探与开发的速度，影响其经济效益。为了获取在钻井工程中稳定井壁的主动权，从1979年开始对全国各含油气盆地发生井壁不稳定地层的几万块岩样的矿物组分、理化特性进行分析研究，并收集了几万口井钻井过程中所发生的井下复杂情况、钻井工程与钻井液技术措施。运用上述资料，对我国钻井工程中所发生井壁不稳定的原因与地层组构特征、钻井工程与钻井液技术措施之间的关系进行综合分析研究，提出了以井壁不稳定地层矿物组分与组构特征为主要依据的分类方法。经现场反复验证，八
2、次修改完善，得出我国含油气盆地井壁不稳定地层可分为六大类八个亚类的看法，以此作为选择钻井液体系和制定相应的技术对策的依据。此项研究成果是我国井壁稳定技术研究逐步实现科学化、定量化的重要标志。下面简单介绍各类地层的组构特点、潜在的井下复杂情况、井壁不稳定发生原因及钻井液技术对策的要点。1.胶结差的砂、砾、黄土层(1)地层组构特征：胶结差、未成岩的流砂层与砾石层；钻遇深度通常从01000m。(2)潜在的井下复杂情况：塌、漏。(3)井壁不稳定发生原因：胶结差。(4)钻井液技术对策：一般采用高粘切、高膨润土含量的膨润土浆或正电胶膨润土浆；对于大或特大砾石层，可适当提高钻井液密度和环空返速，以利于钻屑的
3、携带。(5)典型区块：辽河油田明化镇组地层，东疆北三台与三台构造第四系地层，吐哈盆地第四系地层等。2.层理裂隙不发育软的砂岩与泥岩互层此类地层依据其膨胀性与分散性可将其分为三个亚类：2-1易膨胀强分散的砂岩与泥岩互层(1)地层组构特征：此类地层粘土矿物以伊蒙无序间层为主；大多属于第三系或白垩系地层，成岩程度低，呈块状，处于早成岩期；分散性强，回收率大多小于20；阳离子交换容量高，15-30mmol/100g土；泥岩易膨胀，膨胀率高达20-30%；砂岩渗透率高；绝大部分地层属于正常压力梯度，极个别地区此类地层出现异常压力梯度；岩石可此项研究工作是与各油田泥浆技术人员共同进行的，由徐同台进行综合研
4、究。钻性级别低，小于1级3级。(2)潜在井下复杂情况：造浆性强，地层自造浆密度高，切力大，含砂量高；钻井过程中易缩径，起钻遇卡拔活塞，灌不进钻井液，处理不当易发生卡钻、井塌、下钻遇阻、划眼、蹩泵、井漏；阻卡井段固定，以700m1500m井段最为严重。(3)井壁不稳定发生原因：泥岩中伊蒙无序间层吸水膨胀、分散、缩径；高渗透砂岩形成厚泥饼；钻速高，环空钻屑浓度过高。311mm的井眼，在保证钻屑携带前题下，应尽可能降低粘切，提高钻井液的抑制性与返速，降低滤失量，改善泥饼质量；控制环空钻屑浓度；搞好固控。f244mm的井眼，应采用低密度、低粘、低切钻井液，提高返速，使环空钻井液处于紊流；对于直径等于或
5、大于f(4)钻井液技术对策：采用强包被的聚丙烯酸盐聚合物、两性离子聚合物、阳离子聚合物、正电胶阳离子聚合物、正电胶等类型钻井液；对于直径等于或小于(5)典型区块：东部各油田明化镇组地层等。2-2不易膨胀强分散的砂岩与泥岩互层13级)；部分地区地层水矿化度高。(1)地层组构特征：粘土矿物以伊利石、绿泥石为主；成岩程度低，呈块状；大多属于第三系、白垩系地层；分散性强，回收率小于10%；阳离子交换容量高(18-26mmol/100g土)；泥岩不易膨胀，膨胀率低(712%)；地层压力梯度正常；可钻性级别低(2)潜在井下复杂情况：易造浆，自造浆膨润土含量低，膨润土与钻屑比值可高达1：510；砂岩或粉砂岩
6、井段易缩径；起钻经常遇卡，阻卡发生在新钻开井段，一般距井底15150m处，没有固定卡点，遇卡时能灌进钻井液；一旦发生卡钻，能恢复循环，泡解卡剂加震击器均能解卡。(3)井壁不稳定原因：此类地层以砂岩、粉砂岩为主，易分散，渗透性好，极易形成虚厚泥饼，摩擦系数高，故易发生粘卡事故；个别层段机械钻速过高，造成环空钻屑浓度过高；环空返速低，井眼净化不好。(4)钻井液技术对策：采用强包被聚丙烯酸盐聚合物、聚磺、正电胶等类钻井液，抑制钻屑分散，控制低密度；钻井过程中补充优质预水化膨润土浆、降滤失剂、磺化沥青及润滑剂，在高渗透砂岩地层快速形成低渗透的内泥饼，并使外泥饼薄而润滑性能好；在可能条件下，尽可能提高环
7、空返速，形成紊流；控制环空钻屑浓度不要过高；加强固控，使用离心机，降低含砂量。(5)典型区块：塔里木轮南等构造第三系与白垩系地层，塔西南群库恰克构造第三系地层等。2-3中等分散砂岩与泥岩互层(1)地层组构特征：粘土矿物以伊利石、高岭石、绿泥石为主，并含伊蒙有序间层，个别地区含有少量伊蒙无序间层；已成岩，属于晚成岩A期；大多数为侏罗系、三叠系地层；中等分散，回收率5080%；阳离子交换容量低，38mmol/100g土；正常压力梯度；个别地区砂层渗透性好。(2)潜在井下复杂情况：清水钻进一般超过三天会发生井塌；含伊蒙无序间层的泥岩，如采用清水或全絮凝聚合物钻井液，极易发生井塌；对于砂岩发育的地层，
8、如用高粘高切钻井液钻进，当环空返速低时，起钻在新井段易与22类地层一样发生遇卡。(3)井壁不稳定发生原因：清水浸泡时间过长会引起伊蒙间层水化膨胀，造成泥岩坍塌；砂岩井段发生阻卡原因与2-2类相同。(4)钻井液技术对策：对于存在伊蒙有序间层地层采用抑制性全絮凝聚合物钻井液(聚合物可依据地层特点选用阴离子、两性离子或阳离子聚合物)；对于存在伊蒙无序间层的地层采用低膨润土含量聚合物钻井液、两性离子聚合物钻井液。(5)典型区块：四川侏罗系地层，长庆油田安塞、樊家川靖边上部地层等。3.层理裂隙发育的泥页岩(1)地层组构特征此类地层层理发育，大多数塌层均存在异常孔隙压力，处于从伊蒙无序间层向伊蒙有序间层或
9、伊蒙有序间层向伊利石过渡带、生油层或处于强地应力控制构造运动作用激烈的地带；其地质年代从第三系至志留系；已成岩，成岩期从早成岩B期至晚成岩A、B、C期；岩石从软至硬，岩石可钻性38级。此类地层依据其理化性能又可将其分为三个亚类：3-1易膨胀强分散泥岩此类泥岩以蒙皂石或伊蒙无序间层为主，其相对含量为3095%；易膨胀，膨胀率2030%；分散性能与地质年代和井深有关，对于东部第三系地层，通常井深小于2600m的泥岩，属于强分散，回收率小于10%；阳离子交换容量中至高，一般1222mmol/100g土。3-2易膨胀中等至弱分散泥页岩此类泥页岩大多数以伊蒙有序间层(2555%)伊利石(3572%)为主
10、，少数地区深井段仍以伊蒙无序间层为主；中至弱分散，回收率一般4090%；易膨胀，膨胀率2030%;阳离子交换容量中低，一般2 12mmol/100g土；处于深层强地应力作用下的泥页岩，往往裂隙发育，塌块大。3-3弱膨胀弱分散泥页岩此类泥页岩以伊利石为主，不含或含少量伊蒙有序间层(间层中含蒙皂石20%左右)；不易分散，回收率9099%；不易膨胀，膨胀率710%；阳离子交换容量低18mmol/100g土；部分地区此类地层层理发育，深层泥页岩往往处于强地应力作用下，裂隙发育，塌块大。(2)潜在井下复杂情况：井塌，卡钻，井漏。(3)井壁不稳定发生原因：钻井液密度偏低，不能平衡因泥页岩异常孔隙压力与强地
11、应力引起的高坍塌压力；裸眼井段长，上部存在强水化膨胀缩径的泥岩层，若钻井液与工程技术措施与地层不配伍，钻井过程中造成缩径，起钻阻卡产生抽吸，对下部地层形成负压差，引起井塌；钻井液滤液进入泥页岩，引起地层吸水膨胀，强度下降，并产生高的膨胀压力，引起井壁附近泥页岩产生裂缝，造成井塌；组成泥页岩的不同粘土矿物水化时所产生的膨胀量与膨胀压力不相同，在地层内部形成内应力，加剧泥页岩破裂；泥页岩中的层理与裂隙(钻井液滤液侵入的通道)是发生井塌的祸根，井塌的严重程度取决于泥岩层理、裂隙发育程度；环空钻井液返速过高，形成紊流冲刷井壁；不合理钻井工程措施，如起下钻过快形成过高的抽吸压力，环空返速过高，冲刷井壁等
12、。(4)钻井液技术对策A依据地层孔隙压力、地应力、岩石力学性能，选用合理的钻井液密度，保持井壁稳定是防止井壁坍塌的先决条件；B采用沥青类产品、植物油渣、磺化酚醛树脂、褐煤类等处理剂，封堵层理、裂隙，阻止钻井液滤液进入地层，此类处理剂加量随泥岩层理、裂隙发育程度加剧而增加；C降低高温高压滤失量与泥饼渗透性，控制钻井液pH值低于9；D依据坍塌层矿物组分与理化性能选用钻井液类型。对于3-1亚类，选用既能有效抑制泥岩水化分散，又能抑制膨胀，并能有效封堵的钻井液，如氯化钾聚合物钻井液、氯化钾腐钾钻井液及其它钾基钻井液，聚磺钻井液，钾铵基聚磺钻井液，两性离子聚磺钻井液，阳离子聚磺钻井液，正电胶钻井液，有机
13、硅钻井液等；对于3-2亚类，选用强抑制、强封堵的钻井液，如聚磺钻井液，两性离子聚磺钻井液，阳离子聚磺钻井液，正电胶阳离子聚合物钻井液、钾铵基聚磺钻井液，正电胶钻井液，钾石灰钻井液，有机硅钻井液等，如地层水矿化度高，可用氯化钾适当提高钻井液的矿化度；对于3-3亚类，选用强封堵钻井液，如三磺钻井液，硅酸钾聚磺钻井液，钾铵基聚磺钻井液、两性离子聚磺钻井液、若地层水矿化度高，可用氯化钾适当提高钻井液矿化度，若地层裂隙极发育，塌块大，应适当提高钻井液的粘切，及时带出塌块。E选用合适的泵量与环空返速，既确保钻屑的携带，又使钻井液在环空处于层流状态，减少钻井液对井壁的冲刷。(5)典型区块：3-1类：大港油田
14、与华北河西务构造沙河街组，东疆三台与北三台构造等；3-2类：胜利、辽河、华北等油田沙三组，江苏油田阜宁组与戴南组，吉林油田嫩二、一组，二连腾格尔组，塔里木侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系等；3-3类：大庆青山口组、泉头组，长庆西缘石千峰、石盒子组，酒西盆地三叠系、二叠系等。4.含盐膏地层此类地层按岩性可分为两个亚类：4-1纯厚盐膏层(1)地层组构特征：此类地层是纯厚盐层，单层厚度较大，一般从几米至几十米，总厚度从几十米至1900米；盐间夹层为不易发生坍塌的白云岩、灰岩及层理裂隙不发育不易坍塌的硬泥岩等；粘土矿物分为两类：一类以伊利石为主(93%99%)、含少量绿泥石(1%7%)，另一类以伊利石(
15、42%59%)与伊蒙有序间层(21%47%)为主；泥页岩阳离子交换容量低(310mmol/100g土)，中等分散，回收率大于20%(回收率与泥页岩中是含盐有关，含盐泥页岩的回收率低,不含盐回收率高)；易膨胀，膨胀率(2630)，膨胀率与泥页岩中含盐量和含水量有关。(2)潜在井下复杂情况：钻井液粘度、切力、滤失量增大，中深井段盐层井径扩大 ，夹层井径接近钻头直径；钻至深层时，易发生缩径，起下钻易发生阻卡与卡钻；固井质量差，易挤毁套管。(3)井壁不稳定发生原因：因盐溶引起钻井液性能变坏，中深井段井径扩大；因盐重结晶引起起下钻阻卡；深井段因盐塑性流动造成缩径，引起起下钻阻卡或卡钻，卡钻一般情况可泡淡水胶液溶解盐而解卡，下钻迂阻时，千万不要硬压，严防卡死。(4)钻井液技术对策：对于中深井段盐层总厚度不到100m的井,可采用适当钻井液密度的欠饱和盐水钻井液，使盐溶解而引起井径扩大率与盐岩因塑性变形而引起缩径率相接近，严防缩径。对于厚盐层采用饱和盐水钻井液钻进；浅井段补充盐水胶液，防止盐溶引起井径扩大；在中深井段适当补充淡水胶液，使盐溶解引起的井径扩大值与盐塑性变形引起的缩径值相接近。深井段，必须依据井深、井温、与盐岩类别来确定钻井液密度，控制盐岩因塑性变形而引起缩径，并使用盐抑制剂抑制盐重结晶。(5)典型区块
