井眼尺寸與井壁穩定性關系分析

嚴大松

(大慶油田大慶鉆探鉆井一公司,黑龍江大慶 163000)

井眼尺寸與井壁穩定性關系分析

嚴大松

(大慶油田大慶鉆探鉆井一公司,黑龍江大慶 163000)

伴隨著社會經濟的發展,石油能源日趨緊張,這就使得對石油鉆井的關注力度呈增加的發展趨勢。本文以井壁穩定性的影響因素分析為基礎,對井眼尺寸與井壁穩定性的關系進行了探討。該研究對我國關于井壁穩定性的理論研究與實踐應用有一定的參考作用。

井眼尺寸 井壁穩定性 關系

井壁穩定性是石油鉆井過程中一直關注的話題。由于井壁穩定性方面存在的問題每年給全球的石油工業能造成約六億美元的經濟損失。井壁穩定性方面的問題導致鉆井施工很難順利的進行，進而導致地下石油資源的勘探與開發存在巨大的經濟損失[1]。導致井壁穩定性存在問題的因素是多方面的，本文從井眼尺寸與井壁穩定性關系的層面進行分析。

1 井壁穩定的影響因素分析

井壁穩定性方面的問題是石油鉆井過程中經常存在的問題，該問題一直存在并且一直對石油工業產生著重要的影響。井壁穩定性方面問題的存在導致石油鉆井施工經常不能順利的實施，同時還給地下石油的勘探與開發帶來不可低估的損失[2]。從鉆井實施過程的層面來看，鉆井本身是在地下進行的，因而就會不可避免的涉及到復雜的地質結構，這就導致井壁穩定性方面的問題誘發的事故就會對鉆井工程項目帶來極大的傷害。正因為如此，鉆井工程中的井壁穩定性方面的問題目前已經成為世界性難題，其復雜性一直得到了國內和國外石油工業的廣泛關注。從井壁穩定的影響因素來看，主要包括地質因素、工程因素以及泥頁巖的水化等內容。從地質方面的影響因素來看，地質構造類型與原地應力、地層巖性、產狀、含粘土礦物類型，弱面的存在以及層面的膠結狀況；地質的巖石強度，節理裂縫的發育狀況；孔隙性、滲透性以及孔隙中流體的壓力；異常壓力地層所存在的壓力釋放；鉆遇地質破碎帶、斷層、含有大量微裂縫地層以及煤層等等諸多地質因素都會對井壁的穩定性產生影響。從工程方面的影響因素來看，鉆井液的性能，即鉆井液的濾失量、粘度、流變性、密度以及成分等都可以對井壁的穩定性產生影響；鉆井液排量過大，沖蝕井壁也會對井壁的穩定性產生作用；起下鉆太慢，導致壓力激動，壓裂地層；鉆井液液柱的壓力低于地層壓力以及鉆井液所浸泡的時間過長，井眼軌跡形狀與鉆柱對井壁所產生摩擦與碰撞等工程方面的因素都會對井壁的穩定性產生作用[3]。從泥頁巖的水化層面來看，也會導致井壁出現不穩定的情況，泥頁巖地層中的粘土礦物容易吸水膨脹與分散，導致井壁巖石的強度出現降低，造成井壁不穩定情況的存在。也就是說，井壁穩定性方面問題其本質是力學與化學兩者結合的綜合問題，這也就決定了解決該問題也應該從這兩個方面出發進行綜合研究。由于涉及到的因素較多，本文僅對井眼尺寸與井壁穩定性關系進行探討。

2 井眼尺寸與井壁穩定性關系

2.1 任意井眼與井壁穩定性關系

井壁穩定性研究中一個非常重要的環節就是確定鉆井液安全密度窗口，其基本理論源于井壁穩定性力學的機理，鉆井造成本來由巖石承擔的地應力重新分配，井眼圍巖的應力與地層強度的比較結果決定了井壁是否穩定，如果地層巖石力學強度大于井眼圍巖的應力則井壁穩定，否則井壁失穩。大量研究表明，井眼圍巖的應力不僅與原地應力狀態有關，而且與井眼鉆井液柱壓力也有關系。從理論上講，鉆井液密度的增大會使井壁上產生拉應力，當拉應力增加到超過巖石抗拉強度時，井眼壁會產生拉張破壞，造成井漏，此即所說的地層破裂壓力對應鉆井液密度上限；反之，鉆井液密度過低，井眼應力集中程度加大，當井壁應力超過巖石的抗剪強度時，井眼就會產生剪切破壞，造成脆性地層井壁坍塌(掉塊)或者塑性地層向井眼內塑性變形(縮徑)，這就是所說的地層坍塌壓力對應鉆井液密度下限。實際鉆井過程中只要控制鉆井液密度大于其臨界值即可保持井壁不發生大量坍塌，而且可大大提高機械鉆速，可為現場提供更為精確的安全鉆井液密度，使鉆井安全、快速、有效的進行，并為鉆井工程節約成本，提高經濟效益。

2.2 井眼尺寸與井壁穩定性關系

目前低滲透、特低滲透氣田在我國天然氣儲量與分布中占有舉足輕重的地位，但其開發成本較高，采用小井眼井大幅度地降低低滲透、特低滲透氣田的開發成本[4]。所謂小井眼是指完井井眼尺寸小于152.4mm，或全井60%以上井眼尺寸為152.4m。小井眼比常規井穩定性好對于低豐度、小型或者邊際油氣田的特殊油氣藏，在地層強度適當的條件下，小井眼鉆完井是最佳選擇。巖石的物理力學性質受其生成條件及后期的地質構造作用、大氣風化作用的影響，在巖石內部形成各種類型的孔隙、微裂縫及肉眼可觀察到的各種缺陷。巖石大小不同，其力學性質也存在差異，這就是尺寸效應或者比例尺效應。同一種巖性、形狀相似的巖樣，單軸抗壓強度隨尺寸增大而明顯減小，并最終趨于此類巖石的最小強度值。一般來說，隨著井眼尺寸的減小，其所對應的坍塌壓力降低而破裂壓力增加。就不同井眼尺寸下坍塌壓力、破裂壓力進行比較，小井眼鉆進時的安全泥漿密度窗口范圍大，更利于井壁穩定。但這并沒有考慮鉆井液與地層相互作用，所得坍塌壓力不允許井壁發生任何坍塌，破裂壓力不考慮地層的滲透作用。

井壁穩定性方面的問題通常是在鉆井施工中，井壁穩定問題是一個十分復雜的問題，本文僅從井眼尺寸與井壁穩定性關系上研究了該問題的一個重要方面，井壁穩定性問題的徹底解決還有待于各領域和學科的共同配合和進一步研究[5]。

[1]曹園,蔚寶華,鄧金根,閆傳梁,袁俊亮.砂巖地層井壁穩定性分析[J].科技導報,2014(2)：34-36.

[2]李國釗,陳強,張鵬.科學探索井大尺寸井眼鉆井液技術應用[J].創新技術,2012(5)：39-41.

[3]徐一龍,黃凱文,梁繼文,鹿傳世,吳江.定向井井眼軌跡與井壁穩定性關系研究[J].重慶科技學院學報(自然科學版),2011(12)：51-53.

[4]尹虎,黃建智,劉輝.側鉆分支井分叉段井壁穩定分析[J].科學技術與工程,2012(7)：4616-4618.

[5]王倩,周英操,唐玉林,姜智博.泥頁巖井壁穩定影響因素分析[J].巖石力學與工程學報,2012(1)：171-177.