硬脆性泥頁巖井壁失穩及工程對策研究

摘 要：硬脆性泥頁巖易發生井壁失穩，研究了脆性泥頁巖強度及坍塌壓力隨井眼鉆開時間的變化關系，結果表明硬脆性泥頁巖地層的坍塌壓力隨浸泡時間的增加而升高。合理的鉆井液密度，提高鉆井液的封堵性、抑制性和攜巖能力是解決硬脆性泥頁巖井壁穩定的關鍵。

關鍵詞：硬脆性泥頁巖；井壁穩定；坍塌壓力；鉆井液

井壁失穩問題是石油鉆井過程中普遍存在并一直困擾石油工業界的一個重大問題，全世界每年因井壁失穩造成的損失約占鉆井總成本的10%，世界各大公司都把井壁穩定技術作為重點課題進行研究[1]。鉆井實踐表明，最容易發生井壁失穩的地層有兩類：硬脆性泥巖地層和水敏性泥巖地層[2]。本文研究了硬脆性泥頁巖坍塌壓力隨時間的變化規律，并提出此類地層的井壁穩定對策。

1 硬脆性泥頁巖井壁穩定模型

井壁穩定性分析中的定量計算目標是獲得鉆井中允許使用鉆井液密度的上下限，密度下限由孔隙壓力或坍塌壓力確定，密度上限由漏失壓力確定。

在地應力和井眼內液柱壓力的作用下，井眼周圍應力分布可根據平面應變線彈性方法求解。破壞準則采用莫爾-庫侖準則[6]，考慮鉆井液向地層滲流造成的強度降低、壓力傳遞以及附加應力，硬脆性泥頁巖地層的坍塌壓力可由式（1）得出。

式中，Pc為坍塌壓力，σH、σh分別為水平最大、最小主應力，Pp為孔隙壓力，C為地層粘聚力，η為非線性修正系數，f為地層孔隙度，α為有效應力系數，ξ為與地層泊松比有關的系數，K為與地層內摩擦角有關的系數。

井眼鉆開后，地層強度受鉆井液設地層強度隨浸泡時間的變化符合下式：

式中，UCS（t）為時間相關的地層強度；UCSo、UCS′分別為初始強度和浸泡后趨于穩定的地層強度，t為時間，α為系數。

對硬脆性泥頁巖坍塌壓力變化規律進行了計算。計算出的坍塌壓力隨井眼鉆開時間的變化情況見圖1。坍塌壓力隨井眼鉆開時間的增加不斷升高，井眼剛鉆開時上升幅度最快，隨后逐漸降低。剛鉆開時坍塌壓力約1.37g/cm3，鉆開2天后坍塌壓力升高至約1.43g/cm3，鉆開約5天之后，坍塌壓力升高至約1.45g/cm3，基本達到穩定。跟據坍塌壓力隨井眼鉆開時間變化的計算結果，在3000m井段，采用密度為1.45g/cm3的鉆井液基本能較長時間保持井壁穩定。

2 硬脆性泥頁巖井壁失穩對策分析

針對硬脆性泥頁巖井壁失穩特性，本文提出三種對策穩定硬脆性泥頁巖井壁。

⑴合理的鉆井液密度。井眼鉆開后需要一定的鉆井液密度來防止地層坍塌，但密度過高又會加劇鉆井液向地層的滲流，改變地層的力學性質，引起井壁失穩。

⑵提高鉆井液的抑制性與封堵性。提高鉆井液抑制性有利于防止泥頁巖水化膨脹，加強對裂縫封堵的主要目的是降低鉆井液滲流對地層的影響。若封堵性不好，提高鉆井液密度會加快鉆井液沿裂縫的滲流，對穩定井壁不利。

⑶提高鉆井液的攜巖能力。理論分析及鉆井實踐都表明，硬脆性泥頁巖地層易產生較大的掉塊，因此要求鉆井液具有良好的攜巖性能。

3 結論

⑴硬脆性泥頁強度隨鉆井液浸泡時間的增加而降低。

⑵井眼鉆開后，坍塌壓力隨井眼鉆開時間的增加而增加，增加速率逐漸降低。

⑶合理的鉆井液密度，提高鉆井液的封堵性、抑制性和攜巖能力是解決硬脆性泥頁巖井壁失穩的關鍵。

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