石油钻井中影响井壁稳定性因素分析

尹国庆，梁艺苇，琚　岩，曾　鑫，赵　崴，李元宝

(1.塔里木油田勘探开发研究院，新疆维吾尔族自治区 库尔勒 841000；2.百通思达(北京)石油科技发展有限公司，北京 100107)



石油钻井中影响井壁稳定性因素分析

尹国庆1，梁艺苇2，琚岩1，曾鑫2，赵崴1，李元宝2

(1.塔里木油田勘探开发研究院，新疆维吾尔族自治区 库尔勒 841000；2.百通思达(北京)石油科技发展有限公司，北京 100107)

井壁失稳问题是石油钻井过程中普遍存在并一直困扰石油工业界的一个重大问题，对影响井壁失稳因素进行了分析，得出如下结论：1)石油钻井过程中若水平应力比值不变，随地应力增大钻井安全泥浆窗口增大；若地应力非均匀性增大，安全钻井泥浆窗口则减小；2)渗透作用的结果降低了井壁的稳定性；3)孔隙压力增大，安全泥浆窗口变小；4)岩性由白云岩—灰岩—砂岩—泥岩，坍塌压力上升破裂压力减小；5)岩石有损伤时井壁易发生井漏，安全泥浆窗口小钻进难度增大。

井壁稳定性；影响因素；坍塌压力；破裂压力；安全泥浆窗口

1　概述

钻井过程中井壁失稳易造成井壁垮塌、缩径、漏失、卡钻及储层污染等井下事故，严重制约了油气田勘探开发的发展。在油气勘探开发中钻井费用占了勘探开发总费用的50%～80%。井壁失稳的原因是错综复杂的，有力学的原因，有地质的原因，还有工程方面的原因，总之是地层原地应力状态、井筒液柱压力、地层岩石力学特性、钻井液性能以及工程施工等多因素综合作用的结果。

从力学的角度来说，造成井壁坍塌的主要原因是由于井内液柱压力较低，使得井壁周围岩石所受应力超过岩石本身的强度而产生剪切破坏造成的。泥浆密度过低对于脆性地层，井壁应力将超过岩石的抗剪切强度而发生剪切破坏，表现为坍塌掉块、井径扩大，此时的临界井眼压力定义为坍塌压力；而对塑性地层，则向井眼内产生塑性变形，造成缩径。井壁坍塌的另一个原因是井内钻井液柱压力低于低渗地层的孔隙压力，使井壁岩石产生拉伸破坏而崩落，多发生在过渡带欠压实的超压低渗泥页岩地层中。

在钻井工程中，通常采用Mohr—Coulomb准则解释井壁的坍塌和地层破裂产生的机理，并得出保持井壁稳定的压力计算公式[2]。

保持井壁上不出现任何坍塌崩落的钻井液最小密度值为：

(1)

(2)

式中：ρm为坍塌压力泥浆当量液密度，g/cm3；H为井深，m；Pp为地层压力，MPa；Fc为岩石的黏聚力，MPa；η为应力非线性修正系数；σH、σh为最大、最小水平应力，MPa；α为有效应力修正系数，无量纲；φ为岩石内摩擦角，(°)。

保持地层不产生破裂的井液密度为：

(3)

式中：ρf为破裂压力泥浆当量液密度，g/cm3；St为抗张强度，MPa。

因此，钻井安全泥浆密度可由下式确定：ρm≤ρ≤ρf。

2　影响井壁稳定性因素分析

塔里木盆地沙漠腹地ZG17井石炭系巴楚组，根据坍塌压力、破裂压力计算方法，对各种条件下的地层坍塌压力和破裂压力进行计算。各参数情况分别为：

井垂深：H=4 439m；垂向应力：σZ=100.5MPa；纵波：DT=66.7us/ft；横波DTSM=119.5us/ft；密度：ρ=2.53g/cm3；地层孔隙压力系数：pp=1.079；泥质含量：SH=0.17；有效应力系数：α=0.75；水平构造应力系数最大、最小分别为0.002 35、0.001 5；应力非线性修正系数：η=0.704。

计算最大水平主应力为88.99 MPa，最小水平主应力为74.67 MPa，地层坍塌压力和破裂压力当量密度分别为1.06 g/cm3、2.46 g/cm3。实钻井泥浆液密度为1.10 g/cm3，大于地层坍塌压力安全钻井。

上述计算是假设地层不渗透，井径扩大率为0的条件下得出的，若上述条件或地应力、地层强度不同，则所得结果将发生变化，下面就影响地层坍塌压力和破裂压力的因素进行分析。

2.1地应力的影响

地应力是造成井壁岩石产生剪切和拉伸破坏的根本力源，坍塌和破裂压力不仅与最大、最小水平主应力的大小有关，还与地应力的非均匀性有关。

2.1.1地应力大小的影响

ZG17井最大水平主应力与最小水平主应力之比为1.19，假定水平应力之比不变，且不考虑地层渗透性影响，预测地层坍塌压力和破裂压力随地应力的变化情况。

随地应力增大，坍塌和破裂压力均近线性增大，破裂压力的增大速度明显大于坍塌压力的增大速度，随地应力增加，安全泥浆窗口变宽。在不发生渗漏情况下提高钻井液密度，就可以继续保持井壁稳定。但如果钻井液密度过高，也会带来一系列问题，如黏卡、渗漏、钻速降低等(如图1)。

图1　地层坍塌压力和破裂压力与地应力值关系

2.1.2地应力非均匀性影响

选取ZG17井4 439 m井深处地层参数，不考虑地层渗透性影响时，使最小水平主应力恒定在74.67 MPa，随着不均均系K(K=σH/σh)的变化，分析坍塌压力和破裂压力随K值的变化关系。

从图2可见，随K值增加，坍塌压力呈线性增大，而破裂压力呈线性减小。当K值由1(均匀地应力的情况)增加至2时，坍塌压力当量密度由0.6 g/cm3增加至3 g/cm3，增加了4.99倍；破裂压力当量密度由2.81 g/cm3下降到1.08 g/cm3，下降了2.59倍。由此可见，地应力非均匀性对地层坍塌压力和破裂压力的影响是十分巨大的。当地应力非均匀系数为1.53时，地层坍塌压力等于地层破裂压力，若非均匀系数再进一步增大，则地层坍塌压力要大于地层破裂压力，此时无法进行正常钻进。山前构造带由于地质构造运动激烈，地应力非均匀性也较大，此时井壁极易产生坍塌和破裂，而且坍塌压力和破裂压力值也更为接近，井壁稳定性极差且难于处理，这是造成山前构造带井壁不稳定、钻井复杂的根本原因。

图2　地层坍塌压力和破裂压力与地应力非均匀系数关系

ZG17井地应力非均匀系数小于1.53，非均匀系数小即水平应力差小，安全泥浆窗口大，易于钻井。随地应力非均匀系数增大，水平应力差增大，安全泥浆窗口变窄至无窗口，钻井难度增大至无法钻井(如图3)。

图3　地层坍塌压力和破裂压力与水平应力差关系

2.2地层渗透性的影响

考虑渗透作用时地层坍塌压力、破裂压力的计算公式为[3]：

(4)

(5)

式中：f为地层孔隙度；ξ为水平构造因子，无纲量；其他参数同式(1)。

渗透性地层钻井液向井壁渗透会产生渗透压力，导致井眼周围的孔隙压力发生变化，从而影响地层坍塌压力和破裂压力。

假设其他条件不变，采用ZG17井，改变孔隙度，预测安全泥浆窗口变化情况。隙度增大，坍塌压力、破裂压力均减小。当孔隙度由0.01增加到0.4时，破裂压力当量密度由3.9 g/cm3下降到2.5 g/cm3，下降了55.86%，坍塌压力下降41.60%(如图4)。也就是说渗透作用的结果使井壁更易坍塌和更易压裂，降低了井壁的稳定性，因此，在井壁上形成致密不渗透泥饼对保持井壁稳定是十分重要的。

图4　渗透性地层坍塌压力和破裂压力与孔隙度关系

2.3地层孔隙压力的影响

影响地层坍塌压力和破裂压力的另一个重要因素是地层孔隙压力，ZG17井假设其他条件不变，预测地层坍塌压力和破裂压力随孔隙压力变化情况。

随孔隙压力上升，水平应力增大，当孔隙压力系数由0.92上升到3时，最大水平主应力上升5.51%，最小水平主应力上升5.32%(图5(a))。随孔隙压力增大坍塌压力下降16.57%，破裂压力下降59.56%(图5(b))。

孔隙压力越大，安全钻井泥浆窗口越小。当破裂压力下降到一定值时，钻井液压力大于井壁拉伸破坏上限，井壁发生拉伸破坏，出现井壁渗漏事故；当孔隙压力增大至一定程度后，坍塌压力将等于破裂压力，此时无法进行正常钻进。因此，异常高压层属不稳定地层。

(a)

(b)图5　水平应力和安全泥浆随孔隙压力变化曲线

2.4岩性的影响

不同岩性具有不同的声波，岩性由白云岩—灰岩—砂岩—泥岩的变化过程是纵波时差不断增大的过程。ZG17井垂向应力、孔隙压力不变，且考虑地层渗透性影响，改变纵波，分析岩石对岩石力学参数、地应力的影响。

纵波时差由45 us/ft增大到110 us/ft，泊松比由0.19增大到0.26，弹性模量由50.88 GPa下降到5.69 GPa，抗压强度由149.96 MPa下降到25.26 MPa。即岩性由白云岩—灰岩—砂岩—泥岩变化，岩石弹性参数泊松比增大、弹性模量降低，岩石强度参数减小(图6)。

图6　岩石力学参数随纵波时差变化曲线

纵波时差增大，破裂压力当量密度由3.26 g/cm3下降到2.28 g/cm3，下降29.87%；坍塌压力当量密度由1.05 g/cm3上升至1.25 g/cm3，上升了19.39%；安全泥浆窗口范围由2.21 g/cm3减小为1.03 g/cm3(图7)。相同条件下，白云岩灰岩井壁稳定性好于泥岩。

图7　坍塌压力破裂压力随纵波时差变化曲线

2.5井壁稳定性的断裂损伤力学分析

由于岩石内部存在着各种微缺陷或微裂纹，在井壁附近的应力区将产生损伤。定义岩石裂纹开始起裂时的井壁压力为Pf*，即为初始损伤压力。裂缝发育时安全钻井泥浆密度为：ρm*≤ρ≤ρf*。

地层裂缝发育时，依据Lame解由Trzaghi的有效应力概念推导得坍塌压力、破裂压力公式[4]：

(6)

(7)

式中α=(1+tanφ2)0.5，其他参数如上。

图8　地层坍塌压力和破坏压力与KIC的关系

从图8可见，随断裂韧度增大，坍塌压力减小破裂压力增大，安全泥浆窗口变宽；相同断裂韧度条件下，随岩石材料的破碎度增大，破裂压力降低坍塌压力增大，安全泥浆窗口减小。即说明岩石有损伤时井壁易发生井漏，安全泥浆窗口小钻进难度增大[4]，这与文献的研究结果是一致的。

3　结语

1)水平应力比值不变时随地应力增大，坍塌和破裂压力均近线性增大，破裂压力的增大速度明显大于坍塌压力的增大速度，随地应力增加，安全泥浆窗口变宽，在不发生渗漏情况下提高钻井液密度，就可以继续保持井壁稳定。

随地应力非均匀增加，坍塌压力呈线性增大，而破裂压力呈线性减小，当地应力非均匀系数为1.53时，地层坍塌压力等于地层破裂压力，若非均匀系数再进一步增大，则地层坍塌压力要大于地层破裂压力，此时无法进行正常钻进。随地应力非均匀系数增大，水平应力差增大，井壁稳定性变差至无法钻进。

2)渗透性地层钻井液向井壁渗透产生渗透压力，导致井眼周围的孔隙压力发生变化。随孔隙度增大，安全泥浆窗口变小，渗透作用的结果使井壁更易坍塌和更易破裂，降低了井壁稳定性，因此，在井壁上形成致密不渗透泥饼对保持井壁稳定是十分重要的。

3)随孔隙压力增大，坍塌压力、破裂压力均下降，破裂下降速度大，安全钻井泥浆窗口变窄。当破裂压力下降到一定值时，钻井液压力大于井壁拉伸破坏上限，井壁发生拉伸破坏出现井壁渗漏事故；当孔隙压力增大至一定程度后，坍塌压力将等于破裂压力，此时无法进行正常钻进。

4)岩性由白云岩—灰岩—砂岩—泥岩的变化过程是纵波时差不断增大的过程。随纵波增大，破裂压力下降，坍塌压力上升，安全泥浆窗口变小。

5)随断裂韧度增大，坍塌压力减小，破裂压力增大，安全泥浆窗口变宽；相同断裂韧度条件下，随岩石材料的破碎度增大，破裂压力降低，坍塌压力增大，安全泥浆窗口减小。岩石有损伤时井壁易发生井漏，安全泥浆窗口小，钻进难度增大。

[1] 金业权，楼一珊.岩石力学与石油工程[M].北京：石油工业出版社，2006：104-109.

[2] 邓金根，张洪生.钻井工程中井壁失稳的力学机理[M].北京：石油工业出版社，1998:145-149.

[3] 肖昌，景艳波，姚棋文，等.井壁稳定性预测方法研究与应用[J].断块油气田，2015，22(1):108-115.

[4] 杨敬源.井壁稳定性若干力学问题的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009:113-115.

The Affecting Factors Analysis of Borehole Wall Stability in Petroleum Drilling

YIN Guo-qing，etc.

(ExplorationandDevelopmentResearchInstituteofTarimOilfield，Korla841000，China)

The borehole wall instability is a great problem during the drilling process，which has troubled petroleum industry for a long period.This paper mainly discusses and analyzes the influencing factors on borehole wall instability.When the ratio of horizontal stress keeps constant，the safety density window of drilling fluid would expand with the increasing in-situ stress.As the heterogeneity of in-situ stress increases，the safety window would narrow.The borehole wall stability would be undermined by the effect of permeation.Also，an increase in pore pressure will narrow down safety density window of drilling fluid.Collapse pressure increases while fracture pressure decreases with the change in lithology from dolomite，lime stone to sandstone and mudstone.The damage on borehole wall can easily contribute to a borehole wall leakage，and the drilling process becomes more difficult when there is a narrow safety density window.

borehole wall stability；influencing factor；collapse pressure；fracture pressure；drilling fluid safety

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.03.020

2016-06-30

尹国庆(1979-)，男(汉)，湖北襄樊，工程师

主要研究储层地质力学。

TE24：P55

A

1009-8984(2016)03-0089-05