井壁穩定性問題的研究與進展

姜春麗

摘 要：本文從三個方面分別闡述了國內外關于井壁穩定的研究與進展。從二十世紀中葉開始關于井壁穩定機理的研究經歷了試驗摸索到定量描述的階段。與此同時井壁模擬實驗裝置也在各種研究的需求下誕生并一路發展。先進的鉆井液技術，新型處理劑鉆井液體系的應用也大大提高了井壁穩定性能，減少了井下復雜情況的發生。

關鍵詞：井壁穩定；泥頁巖；鉆井液

石油鉆井過程中所遇到的井壁失穩大致可分為破碎體失穩、塑性體失穩和泥頁巖失穩，其中泥頁巖失穩就占90%以上[1-2]。在油氣勘探開發前，地層泥頁巖處于力學、物理、化學、流體力學的各種平衡狀態，在油氣勘探開發過程中，原有物理化學條件發生改變，各種平衡狀態被破壞，系統逐漸向另一種平衡狀態過渡，加之泥頁巖本身的脆弱及其極強的物理化學敏感性，因而經常給油氣勘探開發帶來各種問題。

一、井壁穩定性機理研究進展

井壁穩定性問題的研究，早在二十世紀中葉就己經開始[3]。從研究思路來說，可以歸結到以下三大類：井壁穩定的力學研究；泥頁巖穩定的化學因素研究；泥頁巖穩定的力學與化學耦合研究。

從國內外在這方面研究的發展過程來看，可以將泥頁巖水化力學與化學耦合研究分為兩個階段：七十年代初到九十年代初的實驗摸索階段；九十年代以后的對化學影響定量描述的階段。1970年，M.E.chenevert[4]開始研究頁巖吸水以后力學性質的變化；通過實驗觀察了頁巖密度、屈服強度、吸水膨脹與吸水量之間的關系，并測量了頁巖吸附水量與時間和距離的關系。1989年，C.H.Yew和M.EChenevert在定量化研究中邁出了第一步[5]。他們首先假設泥頁巖為滲透各向同性的基礎上，再結合質量守恒方程，得到柱坐標內的吸水量方程。再將泥頁巖的力學性質與其總含水量（總吸附水量）相關聯，然后又將水化膨脹應變與總含水量W相關聯，便可求得力學與化學耦合后的應力、應變及位移。1992年，Hale和Mody用等效孔隙壓力法來研究泥頁巖水化的耦合[6]，1993年又將半透膜等效孔隙壓力理論應用到頁巖與水基泥漿。C.P.Tan等人在1996一2000年間在對頁巖穩定性的研究中認為，總水勢（孔隙壓力與滲透壓之和）差是導致水流動的根本原因，并根據水和巖石組分的連續性方程推導出膨脹性介質中的水流方程[7]。

國內部分研究者采用了c.H.Yew方法進行了類似研究，最有代表意義的是石油大學黃榮蹲其不同處有以下幾點：第一，認為泊松比與含水量有關。第二，認為彈性模量E與W成指數關系，而非線性關系。第三，給出了中國大慶頁巖的內聚強度C和摩擦角必同W的線性關系。第四，采用有限元法求解方程。

二、井壁穩定模擬裝置研究進展

模擬裝置是進行室內開發層損害有關研究的必須設備。近十多年來，國內外均比較重視這方面的研制工作。

1987年，Marx等人率先設計了一套動濾失污染裝置，研究了這些不同因素對堵塞比（DR）的影響規律。1992年，JiaoDimensionlesS等人設計了一個組合型裝置，其主要由五部分組成：鉆井液循環系統、濾失巖芯夾持器、壓力測量接頭、電阻率測量接頭、正反向流動系統。1994年，D.Longeron等人研制了一套能夠模擬孔底情況的裝置，來研究鉆井液在油層表面形成濾餅況和鉆井液濾液的侵入。1996年，K.leerlooijeer等人研制了一套多巖芯動濾失裝置。它可同時研究同一鉆井液在四個巖芯端靜動濾失及對巖芯滲透率的影響，并同時測出濾失過程中形成的濾餅的厚度。1997年，Paul Franois等人設計了一套全尺寸鉆井模擬器，用于儲層損害的研究。

我國在泥頁巖井壁失穩的力學方面也進行了大量深入細致的研究工作，形成了一套完善的室內聲發射凱塞爾試驗與現場水力壓裂試驗相結合的地應力測試技術。形成了一套巖石強度參數的測定技術。利用多孔彈性介質力學理論，對井壁圍巖的受力狀態進行了分析計算，并結合巖石破壞準則，推導了地層坍塌壓力和破裂壓力的計算模型。建立了“井壁穩定力學分析系統”程序。

三、鉆井液技術與鉆井液體系的發展

隨著對井壁穩定機理方面認識的不斷深入，針對泥頁巖地層的鉆井液技術也有了相應的發展。從提高井壁穩定性，改善處理劑的抑制性能到使用高性能的鉆井液體系等幾方面都有了長足的進步與發展[3]。在鉆井過程中嚴格控制鉆井液的密度，使地層保持壓力平衡。采用無機鹽有機鹽提高鉆井液的抑制性能，運用大分子的聚合物提高鉆井液對粘土的包被抑制作用，降低鉆井液的濾失量，減少泥頁巖的水化膨脹，并運用封堵材料對井壁的微裂縫進行及時的封堵，盡量減少水的運移，以確保井壁的穩定。在處理劑方面陽離子聚合物和兩性離子聚合物烷基葡萄糖苷以及胺基抑制劑等處理劑的應用，大大提高了鉆井液的抑制性能。除此之外各種高性能強抑制的水基鉆井液體系的研發也大大降低了井下復雜情況的發生。近年來國內外先后出現了聚合醇鉆井液體系[4]、強抑制胺基鉆井液體系[5]、甲基葡萄糖苷鉆井液體系[6]以及合成基鉆井液體系等一系列強抑制體系，大大降低了泥頁巖地層的復雜情況。

四、結束語

雖然近年來國內在針對井壁穩定方面的研究取得了一定的進展，但由于對泥頁巖井壁水化失穩的機理和本質認識還不夠深入和完善，泥頁巖井壁水化失穩問題至今未能從根本上得到解決，仍是目前制約我國鉆井工程發展的重要因素之一。在今后的研究中應進一步在低密度鉆井液固相控制，新型強抑制鉆井液處理劑的研發的同時加強機理研究，進一步減少井下復雜情況的發生。

參考文獻

[1] 楊小華.提高井壁穩定性的途徑及水基防塌鉆井液研究與應用進展[J]，中外能源，2012，17（5）：53-58

[2] 羅平亞.提高探井鉆井成功率的幾點看法[J]，西南石油學院學報，1998，20（2）：32-36

[3] 王中華.國內外鉆井液技術進展及對鉆井液的有關認識[J].中外能源，2011，16（1）：48-60

[4] 肖金裕，楊蘭平，李茂森，等.有機鹽聚合醇鉆井液在頁巖氣井中的應用[J].鉆井液與完井液，2011，28（6）：21-23

[5] 張洪偉，左風江，賈東民，等.新型強抑制胺基鉆井液技術的研究[J].鉆井液與完井液，2011，28（1）：14-17

[6]高杰松，李戰偉，郭曉軍，等.無粘土相甲基葡萄糖苷水平井鉆井液體系研究[J]，化學與生物工程，2011，28（7）：80-83