井眼尺寸与井壁稳定性关系分析

严大松

(大庆油田大庆钻探钻井一公司,黑龙江大庆 163000)

井眼尺寸与井壁稳定性关系分析

严大松

(大庆油田大庆钻探钻井一公司,黑龙江大庆 163000)

伴随着社会经济的发展,石油能源日趋紧张,这就使得对石油钻井的关注力度呈增加的发展趋势。本文以井壁稳定性的影响因素分析为基础,对井眼尺寸与井壁稳定性的关系进行了探讨。该研究对我国关于井壁稳定性的理论研究与实践应用有一定的参考作用。

井眼尺寸 井壁稳定性 关系

井壁稳定性是石油钻井过程中一直关注的话题。由于井壁稳定性方面存在的问题每年给全球的石油工业能造成约六亿美元的经济损失。井壁稳定性方面的问题导致钻井施工很难顺利的进行，进而导致地下石油资源的勘探与开发存在巨大的经济损失[1]。导致井壁稳定性存在问题的因素是多方面的，本文从井眼尺寸与井壁稳定性关系的层面进行分析。

1 井壁稳定的影响因素分析

井壁稳定性方面的问题是石油钻井过程中经常存在的问题，该问题一直存在并且一直对石油工业产生着重要的影响。井壁稳定性方面问题的存在导致石油钻井施工经常不能顺利的实施，同时还给地下石油的勘探与开发带来不可低估的损失[2]。从钻井实施过程的层面来看，钻井本身是在地下进行的，因而就会不可避免的涉及到复杂的地质结构，这就导致井壁稳定性方面的问题诱发的事故就会对钻井工程项目带来极大的伤害。正因为如此，钻井工程中的井壁稳定性方面的问题目前已经成为世界性难题，其复杂性一直得到了国内和国外石油工业的广泛关注。从井壁稳定的影响因素来看，主要包括地质因素、工程因素以及泥页岩的水化等内容。从地质方面的影响因素来看，地质构造类型与原地应力、地层岩性、产状、含粘土矿物类型，弱面的存在以及层面的胶结状况；地质的岩石强度，节理裂缝的发育状况；孔隙性、渗透性以及孔隙中流体的压力；异常压力地层所存在的压力释放；钻遇地质破碎带、断层、含有大量微裂缝地层以及煤层等等诸多地质因素都会对井壁的稳定性产生影响。从工程方面的影响因素来看，钻井液的性能，即钻井液的滤失量、粘度、流变性、密度以及成分等都可以对井壁的稳定性产生影响；钻井液排量过大，冲蚀井壁也会对井壁的稳定性产生作用；起下钻太慢，导致压力激动，压裂地层；钻井液液柱的压力低于地层压力以及钻井液所浸泡的时间过长，井眼轨迹形状与钻柱对井壁所产生摩擦与碰撞等工程方面的因素都会对井壁的稳定性产生作用[3]。从泥页岩的水化层面来看，也会导致井壁出现不稳定的情况，泥页岩地层中的粘土矿物容易吸水膨胀与分散，导致井壁岩石的强度出现降低，造成井壁不稳定情况的存在。也就是说，井壁稳定性方面问题其本质是力学与化学两者结合的综合问题，这也就决定了解决该问题也应该从这两个方面出发进行综合研究。由于涉及到的因素较多，本文仅对井眼尺寸与井壁稳定性关系进行探讨。

2 井眼尺寸与井壁稳定性关系

2.1 任意井眼与井壁稳定性关系

井壁稳定性研究中一个非常重要的环节就是确定钻井液安全密度窗口，其基本理论源于井壁稳定性力学的机理，钻井造成本来由岩石承担的地应力重新分配，井眼围岩的应力与地层强度的比较结果决定了井壁是否稳定，如果地层岩石力学强度大于井眼围岩的应力则井壁稳定，否则井壁失稳。大量研究表明，井眼围岩的应力不仅与原地应力状态有关，而且与井眼钻井液柱压力也有关系。从理论上讲，钻井液密度的增大会使井壁上产生拉应力，当拉应力增加到超过岩石抗拉强度时，井眼壁会产生拉张破坏，造成井漏，此即所说的地层破裂压力对应钻井液密度上限；反之，钻井液密度过低，井眼应力集中程度加大，当井壁应力超过岩石的抗剪强度时，井眼就会产生剪切破坏，造成脆性地层井壁坍塌(掉块)或者塑性地层向井眼内塑性变形(缩径)，这就是所说的地层坍塌压力对应钻井液密度下限。实际钻井过程中只要控制钻井液密度大于其临界值即可保持井壁不发生大量坍塌，而且可大大提高机械钻速，可为现场提供更为精确的安全钻井液密度，使钻井安全、快速、有效的进行，并为钻井工程节约成本，提高经济效益。

2.2 井眼尺寸与井壁稳定性关系

目前低渗透、特低渗透气田在我国天然气储量与分布中占有举足轻重的地位，但其开发成本较高，采用小井眼井大幅度地降低低渗透、特低渗透气田的开发成本[4]。所谓小井眼是指完井井眼尺寸小于152.4mm，或全井60%以上井眼尺寸为152.4m。小井眼比常规井稳定性好对于低丰度、小型或者边际油气田的特殊油气藏，在地层强度适当的条件下，小井眼钻完井是最佳选择。岩石的物理力学性质受其生成条件及后期的地质构造作用、大气风化作用的影响，在岩石内部形成各种类型的孔隙、微裂缝及肉眼可观察到的各种缺陷。岩石大小不同，其力学性质也存在差异，这就是尺寸效应或者比例尺效应。同一种岩性、形状相似的岩样，单轴抗压强度随尺寸增大而明显减小，并最终趋于此类岩石的最小强度值。一般来说，随着井眼尺寸的减小，其所对应的坍塌压力降低而破裂压力增加。就不同井眼尺寸下坍塌压力、破裂压力进行比较，小井眼钻进时的安全泥浆密度窗口范围大，更利于井壁稳定。但这并没有考虑钻井液与地层相互作用，所得坍塌压力不允许井壁发生任何坍塌，破裂压力不考虑地层的渗透作用。

井壁稳定性方面的问题通常是在钻井施工中，井壁稳定问题是一个十分复杂的问题，本文仅从井眼尺寸与井壁稳定性关系上研究了该问题的一个重要方面，井壁稳定性问题的彻底解决还有待于各领域和学科的共同配合和进一步研究[5]。

[1]曹园,蔚宝华,邓金根,闫传梁,袁俊亮.砂岩地层井壁稳定性分析[J].科技导报,2014(2)：34-36.

[2]李国钊,陈强,张鹏.科学探索井大尺寸井眼钻井液技术应用[J].创新技术,2012(5)：39-41.

[3]徐一龙,黄凯文,梁继文,鹿传世,吴江.定向井井眼轨迹与井壁稳定性关系研究[J].重庆科技学院学报(自然科学版),2011(12)：51-53.

[4]尹虎,黄建智,刘辉.侧钻分支井分叉段井壁稳定分析[J].科学技术与工程,2012(7)：4616-4618.

[5]王倩,周英操,唐玉林,姜智博.泥页岩井壁稳定影响因素分析[J].岩石力学与工程学报,2012(1)：171-177.