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[摘要]随着我国油气勘探开发不断向深部地层发展，深井、超深井的钻探规模日益扩大，深井、超深井的快速钻井技术已被列入技术攻关范围。本文探讨了某油田深井失稳的形式和失稳的原因，对提高钻井速度有重要意义。
[关键词] 深井 井壁 失稳
[中图分类号] TE3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-11-283-1
石油钻井的对象是地壳岩石，钻井过程中所面临的主要技术难题是岩石的可钻性和井壁稳定性。两者决定着钻井工程的成败或效益。某油田自1964年建厂至今钻井过程中始终面临这两大问题的困扰。
目前，油田发展逐渐向深层和滩海区域转移，深井和大位移井数量随之增多，而在深井钻井中由于其钻遇的地质层系多，岩性变化频繁，地层可钻性差，裸眼浸泡时间长，因此深层井壁稳定问题更显得突出。
据不完全统计，在已完成的深井中70%～80%的事故是由于井壁失稳所致。井壁失稳不仅在大港油田深井钻井中存在，在中国其他各油田乃至世界许多油田都存在，并且一直没有得到很好解决。据美国资料统计，全世界石油钻井工程每年仅井壁失稳一项就损失费用8～10亿美元，约占钻井总成本的10%。所以世界上各大公司都把控制井壁稳定技术作为重点课题进行研究。
1井壁失稳的形式
井壁失稳问题，从广义上讲包括脆性泥页岩、低强度砂岩的井壁坍塌、塑性泥页岩井壁的缩径和粘弹性变形以及一些岩层在钻井液压力作用下的破裂。井壁失稳一般表现为坍塌（扩径）、缩径、破裂。井壁坍塌是井壁失稳中最为常见的形式。某油田曾对各区块钻井事故进行统计说明，约有70%的区块井壁失稳是岩层坍塌和掉块。最为典型的是Fa井，在3440～3650m东营底和沙一上段地层，因事故连续5次注水泥浆打塞，共注99.2m水泥浆，经计算该井段平均井径为888mm，约是钻头直径的4倍，最大井径处达到1.5m。缩径经常发生在易水化膨胀的泥页岩地层，在钻井过程中其主要表现形式为：起钻遇卡拔活塞、下钻遇阻划眼。
如某油田700～2000m明化镇地层。井壁破裂常出现在裂缝或胶结差甚至无胶结物的破碎性地层。如某油田的馆陶组、孔店组、石炭系煤层、奥陶系灰岩等。在乌深一井311.1mm井眼钻进到5320m时上部井段（4700m左右）出现了较严重的坍塌掉块，钻井液密度由1.44g/cm提高到1.46g/cm时地层破裂，发生严重漏失，共漏失钻井液1280m3，主要是由于该井在4857～4861m井段地层岩性为含砾砂岩，胶结甚差，5190～5200m为沙泥岩互层胶结差，5294～5300m为煤层裂缝所致。
2井壁失稳的原因
井壁不稳定的原因是复杂的，一般认为有两个因素，即：地层力学因素、物理化学因素。不论是什么失稳因素，最终可归结为井壁受力不稳定所致。
2.1地层力学因素对井壁稳定的影响
任何一口油气井开钻前原地应力就已存在于地层岩石中（图1）。这些压力可分为上覆压力v、最大水平地应力H和最小水平地应力h。油气井Fa井，在3440～3650m东营底和沙一上段地层，眼钻开后，钻井液柱压力取代了被钻岩层提供的支撑，无疑会引起井眼周围的岩石应力的重新分布[3]。这些重新分布的应力可称为沿井眼环向应力、径向应力、轴向应力。在定向井中还包括剪切应力分量。如果这些重新分布的应力超过岩石强度（不管是抗拉强度还是抗压强度）和平衡不了原地应力时，将会导致井壁失稳。Fa井3440～3650m井段的严重坍塌就是因为外方坚持采用1.26g/cm3钻井液密度作业所致，待发生事故后将钻井液密度提高到1.35g/cm3才控制住坍塌，井壁趋于稳定。乌深一井31115mm井眼钻进到4700m古生界二叠系岩层，采用的钻井液密度为1.38g/cm泥岩和沙泥岩地层严重坍塌，随钻井液返出的岩屑最大达到40mm×50×140mm，起下钻阻卡严重，将钻井液密度提高到1.42g/cm后井壁趋于稳定。石油大学（北京）利用该井上部地层测井资料计算出的3000～4800m井段地层坍塌压力和破裂压力剖面，经现场验证，符合率比较高。所以油气钻探工作者首先要弄清楚作业地区当前的地应力分布状况，以便建立拟钻井的地层孔隙压力、地层坍塌压力以及地层破裂压力3个剖面。
2.2物理化学因素对井壁稳定的影响
就一口井而言，约75%的岩层由泥页岩组成，而95%的井壁失稳发生在泥页岩段，且绝大多数受物理化学因素影响所致。泥页岩的主要矿物成分为蒙脱石、伊利石和伊蒙混层，这些矿物具有两个主要的物理化学特性，即带电性和亲水性（化学性），并由此引起泥页岩体积膨胀、粘土颗粒分散和岩石强度下降。经研究和实验证明各种粘土矿物膨胀能力排序为：蒙脱石>混层矿物>伊利石>高岭石>绿泥石。粘土矿物的这种特性在油气井钻井中又被称为泥页岩的水敏，正是由于泥页岩的水敏性，降低了泥页岩的强度，改变了井周的应力分布，造成井壁坍塌。
参考文献
[1]徐芝纶. 弹性力学（上册）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[2]刘向君，罗平亚. 岩石力学与石油工程[M]. 北京：石油工业出版社. 2004.
[3] 赵忠举， 徐同台， 刘玉石等. 国外力学和化学稳定井壁机理和方法的调研[ M ] . 北京： 北京石油工业出版社， 1998.
[关键词] 深井 井壁 失稳
[中图分类号] TE3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-11-283-1
石油钻井的对象是地壳岩石，钻井过程中所面临的主要技术难题是岩石的可钻性和井壁稳定性。两者决定着钻井工程的成败或效益。某油田自1964年建厂至今钻井过程中始终面临这两大问题的困扰。
目前，油田发展逐渐向深层和滩海区域转移，深井和大位移井数量随之增多，而在深井钻井中由于其钻遇的地质层系多，岩性变化频繁，地层可钻性差，裸眼浸泡时间长，因此深层井壁稳定问题更显得突出。
据不完全统计，在已完成的深井中70%～80%的事故是由于井壁失稳所致。井壁失稳不仅在大港油田深井钻井中存在，在中国其他各油田乃至世界许多油田都存在，并且一直没有得到很好解决。据美国资料统计，全世界石油钻井工程每年仅井壁失稳一项就损失费用8～10亿美元，约占钻井总成本的10%。所以世界上各大公司都把控制井壁稳定技术作为重点课题进行研究。
1井壁失稳的形式
井壁失稳问题，从广义上讲包括脆性泥页岩、低强度砂岩的井壁坍塌、塑性泥页岩井壁的缩径和粘弹性变形以及一些岩层在钻井液压力作用下的破裂。井壁失稳一般表现为坍塌（扩径）、缩径、破裂。井壁坍塌是井壁失稳中最为常见的形式。某油田曾对各区块钻井事故进行统计说明，约有70%的区块井壁失稳是岩层坍塌和掉块。最为典型的是Fa井，在3440～3650m东营底和沙一上段地层，因事故连续5次注水泥浆打塞，共注99.2m水泥浆，经计算该井段平均井径为888mm，约是钻头直径的4倍，最大井径处达到1.5m。缩径经常发生在易水化膨胀的泥页岩地层，在钻井过程中其主要表现形式为：起钻遇卡拔活塞、下钻遇阻划眼。
如某油田700～2000m明化镇地层。井壁破裂常出现在裂缝或胶结差甚至无胶结物的破碎性地层。如某油田的馆陶组、孔店组、石炭系煤层、奥陶系灰岩等。在乌深一井311.1mm井眼钻进到5320m时上部井段（4700m左右）出现了较严重的坍塌掉块，钻井液密度由1.44g/cm提高到1.46g/cm时地层破裂，发生严重漏失，共漏失钻井液1280m3，主要是由于该井在4857～4861m井段地层岩性为含砾砂岩，胶结甚差，5190～5200m为沙泥岩互层胶结差，5294～5300m为煤层裂缝所致。
2井壁失稳的原因
井壁不稳定的原因是复杂的，一般认为有两个因素，即：地层力学因素、物理化学因素。不论是什么失稳因素，最终可归结为井壁受力不稳定所致。
2.1地层力学因素对井壁稳定的影响
任何一口油气井开钻前原地应力就已存在于地层岩石中（图1）。这些压力可分为上覆压力v、最大水平地应力H和最小水平地应力h。油气井Fa井，在3440～3650m东营底和沙一上段地层，眼钻开后，钻井液柱压力取代了被钻岩层提供的支撑，无疑会引起井眼周围的岩石应力的重新分布[3]。这些重新分布的应力可称为沿井眼环向应力、径向应力、轴向应力。在定向井中还包括剪切应力分量。如果这些重新分布的应力超过岩石强度（不管是抗拉强度还是抗压强度）和平衡不了原地应力时，将会导致井壁失稳。Fa井3440～3650m井段的严重坍塌就是因为外方坚持采用1.26g/cm3钻井液密度作业所致，待发生事故后将钻井液密度提高到1.35g/cm3才控制住坍塌，井壁趋于稳定。乌深一井31115mm井眼钻进到4700m古生界二叠系岩层，采用的钻井液密度为1.38g/cm泥岩和沙泥岩地层严重坍塌，随钻井液返出的岩屑最大达到40mm×50×140mm，起下钻阻卡严重，将钻井液密度提高到1.42g/cm后井壁趋于稳定。石油大学（北京）利用该井上部地层测井资料计算出的3000～4800m井段地层坍塌压力和破裂压力剖面，经现场验证，符合率比较高。所以油气钻探工作者首先要弄清楚作业地区当前的地应力分布状况，以便建立拟钻井的地层孔隙压力、地层坍塌压力以及地层破裂压力3个剖面。
2.2物理化学因素对井壁稳定的影响
就一口井而言，约75%的岩层由泥页岩组成，而95%的井壁失稳发生在泥页岩段，且绝大多数受物理化学因素影响所致。泥页岩的主要矿物成分为蒙脱石、伊利石和伊蒙混层，这些矿物具有两个主要的物理化学特性，即带电性和亲水性（化学性），并由此引起泥页岩体积膨胀、粘土颗粒分散和岩石强度下降。经研究和实验证明各种粘土矿物膨胀能力排序为：蒙脱石>混层矿物>伊利石>高岭石>绿泥石。粘土矿物的这种特性在油气井钻井中又被称为泥页岩的水敏，正是由于泥页岩的水敏性，降低了泥页岩的强度，改变了井周的应力分布，造成井壁坍塌。
参考文献
[1]徐芝纶. 弹性力学（上册）[M]. 北京：高等教育出版社，2006.
[2]刘向君，罗平亚. 岩石力学与石油工程[M]. 北京：石油工业出版社. 2004.
[3] 赵忠举， 徐同台， 刘玉石等. 国外力学和化学稳定井壁机理和方法的调研[ M ] . 北京： 北京石油工业出版社， 1998.