井壁稳定性问题的研究与进展

姜春丽

摘 要：本文从三个方面分别阐述了国内外关于井壁稳定的研究与进展。从二十世纪中叶开始关于井壁稳定机理的研究经历了试验摸索到定量描述的阶段。与此同时井壁模拟实验装置也在各种研究的需求下诞生并一路发展。先进的钻井液技术，新型处理剂钻井液体系的应用也大大提高了井壁稳定性能，减少了井下复杂情况的发生。

关键词：井壁稳定；泥页岩；钻井液

石油钻井过程中所遇到的井壁失稳大致可分为破碎体失稳、塑性体失稳和泥页岩失稳，其中泥页岩失稳就占90%以上[1-2]。在油气勘探开发前，地层泥页岩处于力学、物理、化学、流体力学的各种平衡状态，在油气勘探开发过程中，原有物理化学条件发生改变，各种平衡状态被破坏，系统逐渐向另一种平衡状态过渡，加之泥页岩本身的脆弱及其极强的物理化学敏感性，因而经常给油气勘探开发带来各种问题。

一、井壁稳定性机理研究进展

井壁稳定性问题的研究，早在二十世纪中叶就己经开始[3]。从研究思路来说，可以归结到以下三大类：井壁稳定的力学研究；泥页岩稳定的化学因素研究；泥页岩稳定的力学与化学耦合研究。

从国内外在这方面研究的发展过程来看，可以将泥页岩水化力学与化学耦合研究分为两个阶段：七十年代初到九十年代初的实验摸索阶段；九十年代以后的对化学影响定量描述的阶段。1970年，M.E.chenevert[4]开始研究页岩吸水以后力学性质的变化；通过实验观察了页岩密度、屈服强度、吸水膨胀与吸水量之间的关系，并测量了页岩吸附水量与时间和距离的关系。1989年，C.H.Yew和M.EChenevert在定量化研究中迈出了第一步[5]。他们首先假设泥页岩为渗透各向同性的基础上，再结合质量守恒方程，得到柱坐标内的吸水量方程。再将泥页岩的力学性质与其总含水量（总吸附水量）相关联，然后又将水化膨胀应变与总含水量W相关联，便可求得力学与化学耦合后的应力、应变及位移。1992年，Hale和Mody用等效孔隙压力法来研究泥页岩水化的耦合[6]，1993年又将半透膜等效孔隙压力理论应用到页岩与水基泥浆。C.P.Tan等人在1996一2000年间在对页岩稳定性的研究中认为，总水势（孔隙压力与渗透压之和）差是导致水流动的根本原因，并根据水和岩石组分的连续性方程推导出膨胀性介质中的水流方程[7]。

国内部分研究者采用了c.H.Yew方法进行了类似研究，最有代表意义的是石油大学黄荣蹲其不同处有以下几点：第一，认为泊松比与含水量有关。第二，认为弹性模量E与W成指数关系，而非线性关系。第三，给出了中国大庆页岩的内聚强度C和摩擦角必同W的线性关系。第四，采用有限元法求解方程。

二、井壁稳定模拟装置研究进展

模拟装置是进行室内开发层损害有关研究的必须设备。近十多年来，国内外均比较重视这方面的研制工作。

1987年，Marx等人率先设计了一套动滤失污染装置，研究了这些不同因素对堵塞比（DR）的影响规律。1992年，JiaoDimensionlesS等人设计了一个组合型装置，其主要由五部分组成：钻井液循环系统、滤失岩芯夹持器、压力测量接头、电阻率测量接头、正反向流动系统。1994年，D.Longeron等人研制了一套能够模拟孔底情况的装置，来研究钻井液在油层表面形成滤饼况和钻井液滤液的侵入。1996年，K.leerlooijeer等人研制了一套多岩芯动滤失装置。它可同时研究同一钻井液在四个岩芯端静动滤失及对岩芯渗透率的影响，并同时测出滤失过程中形成的滤饼的厚度。1997年，Paul Franois等人设计了一套全尺寸钻井模拟器，用于储层损害的研究。

我国在泥页岩井壁失稳的力学方面也进行了大量深入细致的研究工作，形成了一套完善的室内声发射凯塞尔试验与现场水力压裂试验相结合的地应力测试技术。形成了一套岩石强度参数的测定技术。利用多孔弹性介质力学理论，对井壁围岩的受力状态进行了分析计算，并结合岩石破坏准则，推导了地层坍塌压力和破裂压力的计算模型。建立了“井壁稳定力学分析系统”程序。

三、钻井液技术与钻井液体系的发展

随着对井壁稳定机理方面认识的不断深入，针对泥页岩地层的钻井液技术也有了相应的发展。从提高井壁稳定性，改善处理剂的抑制性能到使用高性能的钻井液体系等几方面都有了长足的进步与发展[3]。在钻井过程中严格控制钻井液的密度，使地层保持压力平衡。采用无机盐有机盐提高钻井液的抑制性能，运用大分子的聚合物提高钻井液对粘土的包被抑制作用，降低钻井液的滤失量，减少泥页岩的水化膨胀，并运用封堵材料对井壁的微裂缝进行及时的封堵，尽量减少水的运移，以确保井壁的稳定。在处理剂方面阳离子聚合物和两性离子聚合物烷基葡萄糖苷以及胺基抑制剂等处理剂的应用，大大提高了钻井液的抑制性能。除此之外各种高性能强抑制的水基钻井液体系的研发也大大降低了井下复杂情况的发生。近年来国内外先后出现了聚合醇钻井液体系[4]、强抑制胺基钻井液体系[5]、甲基葡萄糖苷钻井液体系[6]以及合成基钻井液体系等一系列强抑制体系，大大降低了泥页岩地层的复杂情况。

四、结束语

虽然近年来国内在针对井壁稳定方面的研究取得了一定的进展，但由于对泥页岩井壁水化失稳的机理和本质认识还不够深入和完善，泥页岩井壁水化失稳问题至今未能从根本上得到解决，仍是目前制约我国钻井工程发展的重要因素之一。在今后的研究中应进一步在低密度钻井液固相控制，新型强抑制钻井液处理剂的研发的同时加强机理研究，进一步减少井下复杂情况的发生。

参考文献

[1] 杨小华.提高井壁稳定性的途径及水基防塌钻井液研究与应用进展[J]，中外能源，2012，17（5）：53-58

[2] 罗平亚.提高探井钻井成功率的几点看法[J]，西南石油学院学报，1998，20（2）：32-36

[3] 王中华.国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识[J].中外能源，2011，16（1）：48-60

[4] 肖金裕，杨兰平，李茂森，等.有机盐聚合醇钻井液在页岩气井中的应用[J].钻井液与完井液，2011，28（6）：21-23

[5] 张洪伟，左风江，贾东民，等.新型强抑制胺基钻井液技术的研究[J].鉆井液与完井液，2011，28（1）：14-17

[6]高杰松，李战伟，郭晓军，等.无粘土相甲基葡萄糖苷水平井钻井液体系研究[J]，化学与生物工程，2011，28（7）：80-83