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[摘 要]井壁坍塌问题是石油钻井工程中经常遇到的复杂情况。保持井壁稳定具有十分重要的意义。井眼破裂后稍不注意，井眼压力降低发生溢流，或又导致井塌，甚至有井喷的危险，严重影响了钻井工作速度和效益，阻碍了该油田勘探开发工作的进展。我国各油田也都存在一些易勘探的层位或区段，每年造成巨大耗费。石油工业发展到今天，由于定向井、水平井特殊的井身结构，理论和实践上井壁稳定问题在这些工程中显得格外突出和重要。
[关键词]石油钻井；井壁坍塌；复杂因素
中图分类号：TE28 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0367-01
1.地层复杂性与井眼坍塌的关系分析
1.1 膏盐层具有易水化和蠕变的特点
盐岩层在高温高压下易产生塑性流动，即蠕变。因此在盐岩地层常导致井眼缩径、坍塌、甚至发生遇阻、卡钻事故，更有甚者，蠕变的盐岩层将套管挤坏。盐岩的蠕变随温度的升高而加快，并且还与垂向主应力及水平主应力有直接关系。盐岩层埋藏越深，上覆压力越大，盐岩的蠕变就越快。在钻开井眼的短时间内，无论是均匀地层还是非均匀地层，岩石的蠕变都不明显。随着时间的延长，对于水平应力不等的非均匀地层，蠕变出现明显不同。在最大水平主应力方向上井径收缩得快，在最小水平主应力方向上井径收缩得慢，又由于受到较大的切向应力，可能出现井壁岩石坍塌，造成明显的椭圆井眼。在无水石膏和易吸水的泥岩含量较高的膏盐岩地层，其本身的岩石强度可能不是太低，但是由于地层岩石的吸水性，岩体发生膨胀，这就导致了岩石力学性质发生了重大改变，特别对于井壁附近岩石，表现为弹性模量急剧减小，泊松比增大，岩石强度减小，因此易容易发生井眼井稳。
1.2 砾岩、煤层和页岩具有强度低和脆性大的特点
1）砂岩、砾岩、砂砾岩未胶结或胶结不好。2）地层未成岩。3）页岩层理发育，这些岩性具有强度低和岩石脆性较大的特点，直接引起坍塌压力增大，使地层的稳定性变差。
1.3 构造高陡性与井眼坍塌的关系分析。
随着地层倾角的增大，井壁岩石抵抗剪切破坏的能力会减弱，从而导致井眼坍塌，地层倾角越大，井眼扩大率越大，井眼越易坍塌。
2.井壁失稳原因探讨
2.1 力学因素
地层被钻开之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力的作用下，处于应力平衡状态。当井眼被钻开后，井内钻井液作用于井壁的压力取代了所钻岩层原先对井壁岩石的支撑，破坏了地层和原有应力平衡，引起井壁周围应力的重新分布；如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，对于脆性地层就会发生坍塌，井径扩大；而对于塑性地层，则发生塑性变形，造成缩径。我们把井壁发生剪切破坏的临界井眼压力称为坍塌压力，此时的钻井液密度称为坍塌压力当量钻井液密度。
2.1.1 影响地层的坍塌压力因素
①地应力的影响。由于地质构造运动等原因使地壳物质产生的内应力效应，这种应力称为地应力。地应力是造成井壁岩石破坏的根本力源。井壁总是沿着最小地应力方向坍塌，其坍塌压力不仅与地应力大小有关，随地应力的增大而增大；而且还与地应力的非均匀性有关，随着地应力非均匀系数的增加而增大。
②地层强度的影响。地层坍塌是由于井壁岩石所受到的应力超过岩石强度而引起的，因而坍塌压力与地层强度密切相关。地层的坍塌压力随地层的强度系数和内摩擦角的增大而下降。
③孔隙压力的影响。地层的坍塌压力与破裂压力均随着孔隙压力的增加而增大，但破裂压力的增长速度小于坍塌压力，因此随着孔隙压力的增加，安全钻进的钻井液密度范围变小。
④地层渗透性的影响。如是渗透性地层，钻井液就会向地层渗透而产生渗透压力，导致井壁周围的孔隙压力发生变化，从而引起地层的坍塌压力增大。
⑤井径扩大率的影响。考虑到实际钻井过程中允许地层有一定程度的坍塌，则所需的钻井液密度可适当降低。
⑥地层破碎程度的影响。 地层层理裂隙越发育或越破碎，钻井液越容易进入，进入深度亦越大，造成坍塌压力增高，井壁亦更易坍塌。
⑦钻井液的组成与性能的影响。钻井过程中，当钻井液与井壁地层接触，会产生非常复杂的物理、物理化学作用，最终导致地层坍塌压力增高。
2.1.2 造成井壁不稳定的力学因素
钻井过程中，如所采用的钻井液密度过高，大大超过地层孔隙压力，就会对井壁形成较大的压差，从而增加了钻井液滤液进入地层的数量，加剧地层中粘土矿物水化，引起地层孔隙压力的增加，围岩强度的降低，最终导致地层坍塌压力增大，当坍塌压力当量密度超过钻井液密度，井壁就会发生力学不稳定，造成井塌。特别是在钻高破碎性地层时，当所使用的钻井液密度合适时，围绕井壁的应力集中，闭合了所有的径向接合面，因此封闭了井壁，钻井液不能进入裂隙网；当钻井液密度增高超过临界值时，径向接合面逐渐由闭合状态变为开启状态，与此同时切向接合面闭合；由于钻井液进入，引起地层孔隙压力增高，一部分裂隙网变得易被钻井液侵入，相应的结合面被增压，单元变得松散；这样岩石就容易被循环钻井液和井底钻具组合的冲击而坍塌。
2.2 物理化学因素
①地层的组成。井壁不稳定可以发生在各种岩性的地层中，岩石均由非粘土矿物（如石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等）、晶态粘土矿物（如蒙皂石、伊利石、伊蒙间层、绿泥石、绿蒙间层、高岭石等）和非晶态粘土矿物（如蛋白石等）等所组成，但不同岩性地层所含的矿物类型和含量不完全相同。对井壁稳定性发生影响的主要组分是地层中所含的粘土矿物。
②钻井液滤液进入地层的驱动力。地层被钻开后，在井筒中钻井液与地层孔隙流体之间的压差、化学势差（取决于钻井液与地层流体之间的活度差和地层的半透膜效率）和地层毛细管力（取决于岩石的表面性质）的驱动下，钻井液滤液进入井壁地层，引起地层中粘土矿物水化膨胀，导致井壁不稳定。
③粘土的水化机理。地层中的粘土矿物与水接触发生水化膨胀是由表面水化、离子水化、渗透水化力三种机理造成。
④影响地层水化作用的因素。地层中粘土矿物种类、含量和可交换阳离子种类；粘土晶体部位；地层中所含的无机盐种类与含量；地层中层理裂隙发育程度；温度、压力、时间；钻井液的组成与性能。
⑤地层水化膨胀对井壁稳定的影响。钻井过程中，当钻井液与井壁地层接触，会产生非常复杂的物理、物理化学作用。概括起來，表现为两方面：A.孔隙压力升高。 钻井液滤液进入地层，由于压力传递和滤液与地层粘土矿物之间通过水化作用产生水化应力，引起井壁地层孔隙压力的升高。B.近井筒地层力学性质变化。钻井液滤液进入地层，引起地层中含水量升高，导致地层力学性质发生变化。
3.结论与建议
1）在计算坍塌周期时，应该考虑钻井地质环境，地层倾角大、岩体破碎、裂缝发育、渗透性强、同一裸眼段内多套压力系统共存、地层容易坍塌等因素的影响。
2）通过从地质角度和力学角度分析井眼坍塌失稳原因，发现地层压力异常、构造高陡、破碎程度大和岩性复杂多变是引起井眼坍塌失稳最主要的因素。
3）在从力学角度分析井眼坍塌的原因时，还考虑了地层各向异性的影响，发现井眼坍塌规律有以下一点：地层越破碎，井眼越易坍塌；地层各向异性越强，则岩石发生剪切破坏需要克服的强度越小，井眼越易坍塌；孔隙压力和地层倾角越大，则井壁岩石的切向应力和径向应力的差值越大，井眼越易坍塌。
4）研究发现坍塌周期和地层到井轴的距离以及钻井液密度有关，地层到井轴的距离越小，则坍塌周期越短，井眼越易坍塌；泥浆密度越大，则坍塌周期越长，井眼越稳定。
参考文献
[1] 唐继平，王书琪，陈勉.《盐膏层钻井技术》[M].石油工业出版社，2004（5）.
[2] 邓金根，张洪生.《钻井工程中井壁失稳的力学机理》[M].石油工业出版社，1998.
[关键词]石油钻井；井壁坍塌；复杂因素
中图分类号：TE28 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0367-01
1.地层复杂性与井眼坍塌的关系分析
1.1 膏盐层具有易水化和蠕变的特点
盐岩层在高温高压下易产生塑性流动，即蠕变。因此在盐岩地层常导致井眼缩径、坍塌、甚至发生遇阻、卡钻事故，更有甚者，蠕变的盐岩层将套管挤坏。盐岩的蠕变随温度的升高而加快，并且还与垂向主应力及水平主应力有直接关系。盐岩层埋藏越深，上覆压力越大，盐岩的蠕变就越快。在钻开井眼的短时间内，无论是均匀地层还是非均匀地层，岩石的蠕变都不明显。随着时间的延长，对于水平应力不等的非均匀地层，蠕变出现明显不同。在最大水平主应力方向上井径收缩得快，在最小水平主应力方向上井径收缩得慢，又由于受到较大的切向应力，可能出现井壁岩石坍塌，造成明显的椭圆井眼。在无水石膏和易吸水的泥岩含量较高的膏盐岩地层，其本身的岩石强度可能不是太低，但是由于地层岩石的吸水性，岩体发生膨胀，这就导致了岩石力学性质发生了重大改变，特别对于井壁附近岩石，表现为弹性模量急剧减小，泊松比增大，岩石强度减小，因此易容易发生井眼井稳。
1.2 砾岩、煤层和页岩具有强度低和脆性大的特点
1）砂岩、砾岩、砂砾岩未胶结或胶结不好。2）地层未成岩。3）页岩层理发育，这些岩性具有强度低和岩石脆性较大的特点，直接引起坍塌压力增大，使地层的稳定性变差。
1.3 构造高陡性与井眼坍塌的关系分析。
随着地层倾角的增大，井壁岩石抵抗剪切破坏的能力会减弱，从而导致井眼坍塌，地层倾角越大，井眼扩大率越大，井眼越易坍塌。
2.井壁失稳原因探讨
2.1 力学因素
地层被钻开之前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力的作用下，处于应力平衡状态。当井眼被钻开后，井内钻井液作用于井壁的压力取代了所钻岩层原先对井壁岩石的支撑，破坏了地层和原有应力平衡，引起井壁周围应力的重新分布；如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，对于脆性地层就会发生坍塌，井径扩大；而对于塑性地层，则发生塑性变形，造成缩径。我们把井壁发生剪切破坏的临界井眼压力称为坍塌压力，此时的钻井液密度称为坍塌压力当量钻井液密度。
2.1.1 影响地层的坍塌压力因素
①地应力的影响。由于地质构造运动等原因使地壳物质产生的内应力效应，这种应力称为地应力。地应力是造成井壁岩石破坏的根本力源。井壁总是沿着最小地应力方向坍塌，其坍塌压力不仅与地应力大小有关，随地应力的增大而增大；而且还与地应力的非均匀性有关，随着地应力非均匀系数的增加而增大。
②地层强度的影响。地层坍塌是由于井壁岩石所受到的应力超过岩石强度而引起的，因而坍塌压力与地层强度密切相关。地层的坍塌压力随地层的强度系数和内摩擦角的增大而下降。
③孔隙压力的影响。地层的坍塌压力与破裂压力均随着孔隙压力的增加而增大，但破裂压力的增长速度小于坍塌压力，因此随着孔隙压力的增加，安全钻进的钻井液密度范围变小。
④地层渗透性的影响。如是渗透性地层，钻井液就会向地层渗透而产生渗透压力，导致井壁周围的孔隙压力发生变化，从而引起地层的坍塌压力增大。
⑤井径扩大率的影响。考虑到实际钻井过程中允许地层有一定程度的坍塌，则所需的钻井液密度可适当降低。
⑥地层破碎程度的影响。 地层层理裂隙越发育或越破碎，钻井液越容易进入，进入深度亦越大，造成坍塌压力增高，井壁亦更易坍塌。
⑦钻井液的组成与性能的影响。钻井过程中，当钻井液与井壁地层接触，会产生非常复杂的物理、物理化学作用，最终导致地层坍塌压力增高。
2.1.2 造成井壁不稳定的力学因素
钻井过程中，如所采用的钻井液密度过高，大大超过地层孔隙压力，就会对井壁形成较大的压差，从而增加了钻井液滤液进入地层的数量，加剧地层中粘土矿物水化，引起地层孔隙压力的增加，围岩强度的降低，最终导致地层坍塌压力增大，当坍塌压力当量密度超过钻井液密度，井壁就会发生力学不稳定，造成井塌。特别是在钻高破碎性地层时，当所使用的钻井液密度合适时，围绕井壁的应力集中，闭合了所有的径向接合面，因此封闭了井壁，钻井液不能进入裂隙网；当钻井液密度增高超过临界值时，径向接合面逐渐由闭合状态变为开启状态，与此同时切向接合面闭合；由于钻井液进入，引起地层孔隙压力增高，一部分裂隙网变得易被钻井液侵入，相应的结合面被增压，单元变得松散；这样岩石就容易被循环钻井液和井底钻具组合的冲击而坍塌。
2.2 物理化学因素
①地层的组成。井壁不稳定可以发生在各种岩性的地层中，岩石均由非粘土矿物（如石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等）、晶态粘土矿物（如蒙皂石、伊利石、伊蒙间层、绿泥石、绿蒙间层、高岭石等）和非晶态粘土矿物（如蛋白石等）等所组成，但不同岩性地层所含的矿物类型和含量不完全相同。对井壁稳定性发生影响的主要组分是地层中所含的粘土矿物。
②钻井液滤液进入地层的驱动力。地层被钻开后，在井筒中钻井液与地层孔隙流体之间的压差、化学势差（取决于钻井液与地层流体之间的活度差和地层的半透膜效率）和地层毛细管力（取决于岩石的表面性质）的驱动下，钻井液滤液进入井壁地层，引起地层中粘土矿物水化膨胀，导致井壁不稳定。
③粘土的水化机理。地层中的粘土矿物与水接触发生水化膨胀是由表面水化、离子水化、渗透水化力三种机理造成。
④影响地层水化作用的因素。地层中粘土矿物种类、含量和可交换阳离子种类；粘土晶体部位；地层中所含的无机盐种类与含量；地层中层理裂隙发育程度；温度、压力、时间；钻井液的组成与性能。
⑤地层水化膨胀对井壁稳定的影响。钻井过程中，当钻井液与井壁地层接触，会产生非常复杂的物理、物理化学作用。概括起來，表现为两方面：A.孔隙压力升高。 钻井液滤液进入地层，由于压力传递和滤液与地层粘土矿物之间通过水化作用产生水化应力，引起井壁地层孔隙压力的升高。B.近井筒地层力学性质变化。钻井液滤液进入地层，引起地层中含水量升高，导致地层力学性质发生变化。
3.结论与建议
1）在计算坍塌周期时，应该考虑钻井地质环境，地层倾角大、岩体破碎、裂缝发育、渗透性强、同一裸眼段内多套压力系统共存、地层容易坍塌等因素的影响。
2）通过从地质角度和力学角度分析井眼坍塌失稳原因，发现地层压力异常、构造高陡、破碎程度大和岩性复杂多变是引起井眼坍塌失稳最主要的因素。
3）在从力学角度分析井眼坍塌的原因时，还考虑了地层各向异性的影响，发现井眼坍塌规律有以下一点：地层越破碎，井眼越易坍塌；地层各向异性越强，则岩石发生剪切破坏需要克服的强度越小，井眼越易坍塌；孔隙压力和地层倾角越大，则井壁岩石的切向应力和径向应力的差值越大，井眼越易坍塌。
4）研究发现坍塌周期和地层到井轴的距离以及钻井液密度有关，地层到井轴的距离越小，则坍塌周期越短，井眼越易坍塌；泥浆密度越大，则坍塌周期越长，井眼越稳定。
参考文献
[1] 唐继平，王书琪，陈勉.《盐膏层钻井技术》[M].石油工业出版社，2004（5）.
[2] 邓金根，张洪生.《钻井工程中井壁失稳的力学机理》[M].石油工业出版社，1998.