硬脆性泥页岩井壁失稳及工程对策研究
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摘 要：硬脆性泥页岩易发生井壁失稳，研究了脆性泥页岩强度及坍塌压力随井眼钻开时间的变化关系，结果表明硬脆性泥页岩地层的坍塌压力随浸泡时间的增加而升高。合理的钻井液密度，提高钻井液的封堵性、抑制性和携岩能力是解决硬脆性泥页岩井壁稳定的关键。
关键词：硬脆性泥页岩；井壁稳定；坍塌压力；钻井液
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，全世界每年因井壁失稳造成的损失约占钻井总成本的10%，世界各大公司都把井壁稳定技术作为重点课题进行研究[1]。钻井实践表明，最容易发生井壁失稳的地层有两类：硬脆性泥岩地层和水敏性泥岩地层[2]。本文研究了硬脆性泥页岩坍塌压力随时间的变化规律，并提出此类地层的井壁稳定对策。
1 硬脆性泥页岩井壁稳定模型
井壁稳定性分析中的定量计算目标是获得钻井中允许使用钻井液密度的上下限，密度下限由孔隙压力或坍塌压力确定，密度上限由漏失压力确定。
在地应力和井眼内液柱压力的作用下，井眼周围应力分布可根据平面应变线弹性方法求解。破坏准则采用莫尔-库仑准则[6]，考虑钻井液向地层渗流造成的强度降低、压力传递以及附加应力，硬脆性泥页岩地层的坍塌压力可由式（1）得出。
式中，Pc为坍塌压力，σH、σh分别为水平最大、最小主应力，Pp为孔隙压力，C为地层粘聚力，η为非线性修正系数，f为地层孔隙度，α为有效应力系数，ξ为与地层泊松比有关的系数，K为与地层内摩擦角有关的系数。
井眼钻开后，地层强度受钻井液设地层强度随浸泡时间的变化符合下式：
式中，UCS（t）为时间相关的地层强度；UCSo、UCS?分别为初始强度和浸泡后趋于稳定的地层强度，t为时间，α为系数。
对硬脆性泥页岩坍塌压力变化规律进行了计算。计算出的坍塌压力随井眼钻开时间的变化情况见图1。坍塌压力随井眼钻开时间的增加不断升高，井眼刚钻开时上升幅度最快，随后逐渐降低。刚钻开时坍塌压力约1.37g/cm3，钻开2天后坍塌压力升高至约1.43g/cm3，钻开约5天之后，坍塌压力升高至约1.45g/cm3，基本达到稳定。跟据坍塌压力随井眼钻开时间变化的计算结果，在3000m井段，采用密度为1.45g/cm3的钻井液基本能较长时间保持井壁稳定。
2 硬脆性泥页岩井壁失稳对策分析
针对硬脆性泥页岩井壁失稳特性，本文提出三种对策稳定硬脆性泥页岩井壁。
⑴合理的钻井液密度。井眼钻开后需要一定的钻井液密度来防止地层坍塌，但密度过高又会加剧钻井液向地层的渗流，改变地层的力学性质，引起井壁失稳。
⑵提高钻井液的抑制性与封堵性。提高钻井液抑制性有利于防止泥页岩水化膨胀，加强对裂缝封堵的主要目的是降低钻井液渗流对地层的影响。若封堵性不好，提高钻井液密度会加快钻井液沿裂缝的渗流，对稳定井壁不利。
⑶提高钻井液的携岩能力。理论分析及钻井实践都表明，硬脆性泥页岩地层易产生较大的掉块，因此要求钻井液具有良好的携岩性能。
3 结论
⑴硬脆性泥页强度随钻井液浸泡时间的增加而降低。
⑵井眼钻开后，坍塌压力随井眼钻开时间的增加而增加，增加速率逐渐降低。
⑶合理的钻井液密度，提高钻井液的封堵性、抑制性和携岩能力是解决硬脆性泥页岩井壁失稳的关键。
[参考文献]
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