浅析钻孔护壁的基本原理

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  摘要:随着科学技术的发展,国内地质钻探也正如火如荼的开展着。然而,钻孔越多,遇到的钻探问题也随着而来。为了不影响钻探进度,减少施工过程中遇到的突发事件,降低工程成本,对钻孔护壁进行有效的堵漏是非常必要的。
  关键词:原因;类型;平衡条件;护壁
  一、引言
  钻探过程中,经常会遇到喀斯特地形以及一些裂隙发育地层,或者在钻进过程中破坏了岩石的力学性质,导致地层压力发生变化,这些都会使得钻孔发生失稳现象。这一现象的发生,会导致其他钻探事故的发生(比如烧钻、卡钻等),钻井液流失,严重时还会导致塌孔、甚至钻孔报废。因此,为了减少钻探事故的发生率,降低钻探成本,有必要对钻孔进行护壁。这就要求我们必须掌握相关的基本原理。
  二、孔壁失稳的原因
  造成孔壁失稳的因素,主要是孔壁周围岩石受力不平衡。孔壁周围岩石主要承受静液柱压力、上覆岩石压力、地层压力的作用,在岩土体中进行钻孔后,钻孔周围原岩应力的平衡状态受到破坏,发生变化。在钻井液的作用下,孔壁岩石的应力再次得到平衡。但当钻井液的参数性能发生改变时,钻孔岩石应力又将失去平稳,这就导致了钻孔孔壁的失稳。
  三、孔壁失稳的类型
  1、脆性岩层。当钻孔孔内液柱压力大于地层压力时,由于脆性岩层不具有弹性缓冲,液柱压力对孔壁产生压力,压裂岩层,造成孔壁破坏。而当孔内液柱压力小于地层压力时,岩层将向孔洞释放压力,孔壁岩石因外界缺少抵抗压力,向孔内发生突出变形,形成孔壁坍塌。
  2、塑性岩层。在易产生塑性流动的岩层钻进时,孔内液柱压力不足,或者未采用有效抑制地层膨胀的添加剂时,由于地层沿孔内径向压力大于孔内钻井液液柱压力,导致孔壁岩层向孔内径向变形,引发孔径缩小,造成钻孔缩径以及卡钻等相关事故。
  四、稳定孔壁的基本原理
  根据孔壁失稳的机理,要稳定孔壁,可以从不稳定孔壁的特点出发,针对以下三个方面采取相关的技术措施进行处理:(1)根据孔壁岩层的力学性质,建立孔内液柱与岩层之间的压力平衡,以实现钻进过程中的平稳钻进。(2)根据不同岩层失稳的特征,采用不同的护壁材料,调整其组成和参数,达到保护孔壁的目的。(3)选用优质钻井液,采用合理的钻进技术,尽可能的减少钻进过程中破坏压力平衡,确保孔壁的稳定。
  1、孔壁岩层受力情况
  欲稳定钻孔孔壁,压力平衡是最有效的方法。想要建立钻孔——地层间的平衡压力,首先就要了解钻孔和地层之间的压力类型。除了静液柱压力(Pw)、上覆岩层压力(P0)和孔隙压力(PP)三种主要压力外,还有以下几种压力:a、钻井液环空压力,b、激动压力,c、泥页岩的表面水化力,d、渗透水化力等。由于各种压力的不同作用,在建立平衡时,要注意钻孔静止时、开钻时和起下钻时的各种压力。
  2、孔壁稳定的平衡条件
  为建立以上这些平衡条件,我们可以改变一些主观上可以调整的参数性能,如静夜柱压力、环空压力、激动压力等,调整方法:①调整钻井液密度和含盐量。②选择抑制性的泥浆体系,调节其组成和配方。③调节钻井液的粘度、切力、滤失量等。
  孔壁压力平衡之后,还需要进行一些护壁措施。正确选用防塌方法和防塌泥浆的类型,有利于控制孔壁的稳定。近几年,随着有机高分子聚合物的应用,防塌的理论和新型防塌泥浆的应用,有了很大的发展。
  五、结论
  对于预防孔壁稳定,首先就是要进行压力平衡条件分析,这样才能减少孔壁破坏发生的可能性。但是,由于地层的复杂性和钻进过程中的技术措施和操作,当压力平衡条件满足时,钻孔孔壁也可能发生破坏,所以,在钻进比较容易发生孔壁破坏的地方,要提高注意。(作者单位:东华理工大学)
  参考文献
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