一、井壁失稳机理分析

1、地应力。地壳运动时在地层的不同部位形成不同的构造应力，这些应力以潜能的方式存储在岩石内。在形成井眼时，钻井液液柱压力代替了被钻掉的岩石所提供的应力，井眼周围的应力将重新分配，当钻井液液柱压力不足以平衡地层的侧向力时，侧向力将向井眼内释放，造成地层剥落掉块或井壁垮塌。

2、岩石本身性质。泥岩中，粘土矿物的含量一般为20%～30%，若黏土矿物以伊蒙混层为主，因一部分比另一部分水化能力强，易发生非均匀膨胀，减弱了泥页岩的结构强度，实践证明，伊蒙混层是最不稳定的地层。而在南堡4号构造东二、东三地层，粘土矿物的含量达到37%～48%。

3、毛细管作用。泥岩在成岩过程中本就存在许多层理面和纹理，在构造力的作用下，泥岩很容易产生断裂而释放能量从而形成更多微细裂纹，这些微细裂纹是良好的毛细管通道，很容易吸取泥浆滤液，这就为钻井过程中井壁垮塌提供更好的条件。

4、渗透水化。当钻井液中的电解质浓度低于泥岩中电解质浓度时，泥浆中的水分子将向渗透地层中渗透，渗透水化在泥岩内部进行，可以使蒙脱石的体积增加25倍，并形成很高的渗透压，对井壁造成很大的破坏。

二、井壁失稳的因素分析

井壁失稳一般会产生以下问题：钻具泥包、固相分离效率低、缩径、卡钻、拉力和扭矩过大、井壁坍塌等。结合现场和室内研究，从可控因素和不可控因素两方面展开分析，确定引发井壁失稳的原因。

影响井壁稳定的可控因素：①井身结构和井眼轨迹，即套管层次和深度、井斜和方位等方面。②钻井液性能，包括钻井液类型（水基钻井液、非水钻井液、油基钻井液、合成油基钻井液等）、密度、钻井液化学成分及性质（含量、粒度分布、流变性、抑制性、封堵性、润滑性、盐度、活度等）。③钻井施工措施，包括井下钻具组合、机械参数（钻压、钻速）、水力参数（钻井液循

环速度）、起下钻、倒划眼、启停钻井泵等。

影响井壁稳定的不可控因素：①泥页岩性质，包括理化性（矿物成分和含量、孔隙度、渗透率、膜效率、孔隙水活度等）。②构造和力学性（强度、杨氏模量、内聚力、内摩擦角、各向异同性、胶结程度、层理结构、裂缝微裂缝）。③地质力学环境（地层构造类型，最大水平主应力、最小水平主应力、垂直应力）。

三、应对井壁失稳的有效对策

处理井壁失稳的原则就是：在充分了解不可控因素的基础上，规避不可控风险，优化可控因素。因此针对泥页岩井壁稳定问题，可从以下可控方面寻找相应对策：

1、优化井身结构和轨迹。钻井成井过程中，井壁周围发生应力集中，假如岩石强度不够大，井壁就会失效。应力集中的大小取决于井眼被替换的位置，因此，精确地确定地应力张量，适当设计井眼轨迹是很重要的。可以通过分析井斜和方位对钻井液密度窗口的影响，优化井眼轨迹。同时，也要合理规划套管层次，尽量封闭易水化失稳甚至垮塌的泥页岩地层，减少此类地层的暴露时间。

2、优选钻井液类型。从钻井液的抑制性、封堵能力、失水性和对岩石理化及力学性质的影响等方面，对钻井液进行适当评价和筛选。①非抑制性、分散性的水基钻井液，比如木质磺酸盐钻井液、石膏钻井液、石灰钻井液，这类钻井液一般不能阻止井壁的失稳。②传统抑制性的水基钻井液，比如KCl/PHPA钻井液，他们的原理是通过使用抑制剂，抑制泥页岩水化膨胀。这类钻井液对处理反应性的泥页岩地层（蒙脱石含量高，膨胀压大）是一个正确的选择，对钻屑的稳定也能达到满意的效果，但是对于非反应性的泥页岩地层作用不足。③渗透性水基钻井液，此类钻井液运用渗透膜，形成从泥页岩到钻井液的渗透压力梯度。在有效的渗透压力梯度的作用下，抵消钻井液过平衡水压，使泥页岩失水。④低侵入性或非侵入性的水基钻井液或油基钻井液，这类钻井液通过特殊的机理，防止水侵入到泥页岩中改变泥页岩水含量和孔隙压力。比如全油或全合成钻井液体系，由于毛细管吸入压力，钻井液被限制侵入到泥页岩。⑤低侵或非侵渗透性水基或油基钻井液，此类钻井液综合了以上第三类和第四类钻井液的特点。首先，运用毛细管吸入压力作用下的逆乳化剂和堵塞孔喉机理的硅酸盐防止钻井液侵入泥页岩。其次，通过降低钻井液水活度形成渗透压，从而产生高效率的渗透膜，使水从泥页岩孔隙流向钻井液。

3、优化钻井液密度。综合分析泥页岩地层岩性特点（物理化学性、构造和力学性、地质力学环境），优化钻井液密度。钻井液密度窗口主要取决于对原地应力和岩石力学性质的分析，同时考虑钻井液与泥页岩层之间的相互作用。钻井液密度下限是为了保证围压，防止剪切破坏，低于该密度，则抗压失效。它可由原地应力场和抗压强度估算出来。钻井液密度上限是为了防止应力破坏和漏失，高于最高钻井液压力，则抗张失效。它可由原地应力场和抗张强度估算出来。

4、优化钻井作业措施。在钻井工具方面，要选择合适的井下钻具组合，提供良好的机械钻速，降低裸眼暴露时间；要合理洗井，使钻屑及时反排；合理降低当量循环密度，使循环停止或者启动时，尽量减小钻井液对井壁的扰动；须防止过快起下钻，尽量避免倒划眼，在起下钻前，务必将井眼循环干净。

总之，在钻井过程中，经常出现井壁坍塌掉块、井径扩大、井漏、卡钻等事故，影响了钻井速度和油气层保护。在井壁稳定的维护处理过程中，钻井液各项性能的调整，提高了钻井液的抑制及携岩能力，各项施工工序的规范及优化，保证了井眼轨迹的圆滑，大幅降低扭矩，促进井眼清洁，进一步维护了井壁稳定，对今后施工井井壁稳定的维护提供了可借鉴性参考方案。

参考文献

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