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摘 要：空气钻井钻遇地层出水后往往会转换为泡沫钻井。本文通过深入研究井壁失稳的机理，明确地层出水对井壁稳定性的影响，得出了增强井壁稳定剂效果和完善随钻流体封堵技术来应对井壁失稳的方法。
关键词：泡沫钻井；井壁失稳；地层出水；
中图分类号：TE19 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-01-00-01
空气钻井在提高钻井速度上有明显的优势， 然而，随着应用领域的拓展和地质条件的复杂，井壁失稳问题已成为制约空气钻井进一步发展应用的瓶颈。尤其是钻遇地层出水状况时，井壁稳定性会更差，大大影响了空气钻井的实际使用效果。近年来川东北地区泡沫钻井过程中，井壁坍塌情况会越来越严重，最终空气钻井无法正常进行，需要转换为钻井液钻井。
一、工程案例概况
（一）元陆703井
元陆703井是构造位置为四川盆地川东北九龙山背斜东南翼近轴部的开发评价井。二开Φ444.5mm井眼采用空气泡沫钻井，510m-603.78m井段采用空气钻井，钻进至603.78m时短起过程中发生卡阻，转换为空气泡沫钻井。空气泡沫钻进至井深1901.89m时接单根后不能下放到底，无法坐上方补心，甩掉单根，循环一小时后仍无法顺利到底，起钻至1824m遇阻，无法活动钻具，转盘憋停，出现卡阻。卡阻发生在侏罗系中统上沙溪庙组地层，该地层为紫色泥岩、粉砂质泥岩与褐灰色泥质粉砂岩、细砂岩不等厚互层。
（二）安顺1井
安顺1井是构造位置为黔南坳陷安顺凹陷普定复向斜带安顺岩性圈闭的风险探井。二开Φ311.2mm井眼采用空气泡沫钻井，804m-1128.87m井段采用空气钻进，钻进至井深1128.87m时取到砂样成糊状，活动钻具发现钻杆上有泥环，转换为空气泡沫钻进。空气泡沫钻进钻进至井深2100.25m时，活动钻具连续卡阻现象，结束空气泡沫钻进，转换为常规钻井液钻井。卡阻地层为二叠系上统龙潭组，该地层以粉砂岩、砂质泥岩、泥页岩为主，夹灰岩、燧石灰岩及煤层组成多个含煤旋回。
二、井壁失稳机理分析
可以看到，元陆703井和安顺1井的二开裸眼段仅有1300米左右，其长度明显少于正常空气钻井二开能达到的2000米裸眼段长度，但在11-12天的时间里井壁就发生了严重的坍塌。由此可见泡沫钻井的周期要明显小于纯空气钻井，也就是说地层出水明显降低了井壁稳定性。
（一）井壁失稳的常规原因
1、岩石力学强度低。软岩石或破碎性岩石，都具有相对较低的岩石力学强度。这些岩石本身极易产生坍塌破坏，气体钻井时由于没有井筒液柱压力支撑，井壁极易出现失稳状况。
2、高速携岩气流冲蚀。当高速气流携带岩屑向上运移时，岩屑会不可避免地对井壁产生碰撞和摩擦，导致井壁外侧裸露岩石的失稳。高速携岩气流的冲蚀和井眼不规则程度、井眼轨迹、气流速度、岩屑颗粒的浓度和大小紧密相关。但是，在直井段由于井眼相对比较平滑，冲刷破坏程度非常有限，甚至可以忽略不计。
3、钻柱机械振动碰击。在空气钻井过程中，高速旋转的钻柱会持续横向振动和纵向振动。剧烈的偏心转动会磨切、碰击井壁，改变井壁岩石的构造和性能。当聚集的能量超过了岩石的承受能力时，就会产生坍塌破坏。目前还没有一种方法来定量分析和评价这种过程对井壁稳定的影响。
（二）地层出水条件下的井壁失稳
在干空气钻井中，由于井筒和地层之间存在巨大的负压差，这种欠平衡状态使得地层流体更易产出进入井筒，严重影响井壁稳定性。
1、出水对岩石力学强度的影响。地层出水转换为泡沫钻井后，液体接触到上覆敏感性地层（如泥岩）时会产生物理化学反应，导致粘土水化膨胀、岩石力学强度降低，最终引起井壁失稳，即力学-化学耦合失稳。黄荣樽提出了岩石力学参数（弹性模量和泊松比）与含水量之间的关系表达式，如下：
由公式可知，随着地层含水量的增加，岩石的弹性模量减少，而泊松比增加。这两个参数的变化都反应了出水使得地层岩石力学强度变低。
2、泥页岩的水化膨胀。除了力学强度下降，页岩水化后膨胀并产生膨胀应力。水进入泥页岩黏土矿物颗粒之间，由于水化膜的形成和双电层斥力的存在，增加了矿物颗粒之间的距离，减弱了颗粒之间的范德华力和胶结力，降低了泥页岩的岩石强度。
3、地层孔隙压力降低。地层出水后，孔隙压力会逐渐降低。孔隙压力的降低会导致上覆有效应力增大，另外水平主应力也会逐渐发生变化，最终导致地应力的重新分布。
三、井壁失稳应对方法
（一）泡沫钻井的处理剂和处理工艺研究
目前空气钻井在地层少量出水的情况下会转换为泡沫钻井，然后泡沫钻井相对于干空气钻井的周期却明显缩短了，后期出现井壁失稳的几率也加大，而且往往不能达到干空气钻井所能钻达的井深。这就需要我们加强泡沫液中井壁稳定剂的研制。地层出水后在易失稳地层利用特殊稳定剂与地层快速反应，从而形成人工井壁，防止液相进一步侵入，确保岩石强度不发生明显变化，甚至提高井壁稳定性。
（二）地层流体预测方法和封堵技术
空气钻井钻遇水层时，可以通过封堵地层来解决固液耦合失稳问题，现有的封堵技术，包括膨胀管封堵技术、水泥封堵技术以及诸如封堵剂封堵技术，存在封堵不严、承压能力差、工艺复杂等问题。因此深入开展高强度快速封堵技术的研究，以实现随钻封堵，是避免出水造成井壁失稳的又一方向。
关键词：泡沫钻井；井壁失稳；地层出水；
中图分类号：TE19 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-01-00-01
空气钻井在提高钻井速度上有明显的优势， 然而，随着应用领域的拓展和地质条件的复杂，井壁失稳问题已成为制约空气钻井进一步发展应用的瓶颈。尤其是钻遇地层出水状况时，井壁稳定性会更差，大大影响了空气钻井的实际使用效果。近年来川东北地区泡沫钻井过程中，井壁坍塌情况会越来越严重，最终空气钻井无法正常进行，需要转换为钻井液钻井。
一、工程案例概况
（一）元陆703井
元陆703井是构造位置为四川盆地川东北九龙山背斜东南翼近轴部的开发评价井。二开Φ444.5mm井眼采用空气泡沫钻井，510m-603.78m井段采用空气钻井，钻进至603.78m时短起过程中发生卡阻，转换为空气泡沫钻井。空气泡沫钻进至井深1901.89m时接单根后不能下放到底，无法坐上方补心，甩掉单根，循环一小时后仍无法顺利到底，起钻至1824m遇阻，无法活动钻具，转盘憋停，出现卡阻。卡阻发生在侏罗系中统上沙溪庙组地层，该地层为紫色泥岩、粉砂质泥岩与褐灰色泥质粉砂岩、细砂岩不等厚互层。
（二）安顺1井
安顺1井是构造位置为黔南坳陷安顺凹陷普定复向斜带安顺岩性圈闭的风险探井。二开Φ311.2mm井眼采用空气泡沫钻井，804m-1128.87m井段采用空气钻进，钻进至井深1128.87m时取到砂样成糊状，活动钻具发现钻杆上有泥环，转换为空气泡沫钻进。空气泡沫钻进钻进至井深2100.25m时，活动钻具连续卡阻现象，结束空气泡沫钻进，转换为常规钻井液钻井。卡阻地层为二叠系上统龙潭组，该地层以粉砂岩、砂质泥岩、泥页岩为主，夹灰岩、燧石灰岩及煤层组成多个含煤旋回。
二、井壁失稳机理分析
可以看到，元陆703井和安顺1井的二开裸眼段仅有1300米左右，其长度明显少于正常空气钻井二开能达到的2000米裸眼段长度，但在11-12天的时间里井壁就发生了严重的坍塌。由此可见泡沫钻井的周期要明显小于纯空气钻井，也就是说地层出水明显降低了井壁稳定性。
（一）井壁失稳的常规原因
1、岩石力学强度低。软岩石或破碎性岩石，都具有相对较低的岩石力学强度。这些岩石本身极易产生坍塌破坏，气体钻井时由于没有井筒液柱压力支撑，井壁极易出现失稳状况。
2、高速携岩气流冲蚀。当高速气流携带岩屑向上运移时，岩屑会不可避免地对井壁产生碰撞和摩擦，导致井壁外侧裸露岩石的失稳。高速携岩气流的冲蚀和井眼不规则程度、井眼轨迹、气流速度、岩屑颗粒的浓度和大小紧密相关。但是，在直井段由于井眼相对比较平滑，冲刷破坏程度非常有限，甚至可以忽略不计。
3、钻柱机械振动碰击。在空气钻井过程中，高速旋转的钻柱会持续横向振动和纵向振动。剧烈的偏心转动会磨切、碰击井壁，改变井壁岩石的构造和性能。当聚集的能量超过了岩石的承受能力时，就会产生坍塌破坏。目前还没有一种方法来定量分析和评价这种过程对井壁稳定的影响。
（二）地层出水条件下的井壁失稳
在干空气钻井中，由于井筒和地层之间存在巨大的负压差，这种欠平衡状态使得地层流体更易产出进入井筒，严重影响井壁稳定性。
1、出水对岩石力学强度的影响。地层出水转换为泡沫钻井后，液体接触到上覆敏感性地层（如泥岩）时会产生物理化学反应，导致粘土水化膨胀、岩石力学强度降低，最终引起井壁失稳，即力学-化学耦合失稳。黄荣樽提出了岩石力学参数（弹性模量和泊松比）与含水量之间的关系表达式，如下：
由公式可知，随着地层含水量的增加，岩石的弹性模量减少，而泊松比增加。这两个参数的变化都反应了出水使得地层岩石力学强度变低。
2、泥页岩的水化膨胀。除了力学强度下降，页岩水化后膨胀并产生膨胀应力。水进入泥页岩黏土矿物颗粒之间，由于水化膜的形成和双电层斥力的存在，增加了矿物颗粒之间的距离，减弱了颗粒之间的范德华力和胶结力，降低了泥页岩的岩石强度。
3、地层孔隙压力降低。地层出水后，孔隙压力会逐渐降低。孔隙压力的降低会导致上覆有效应力增大，另外水平主应力也会逐渐发生变化，最终导致地应力的重新分布。
三、井壁失稳应对方法
（一）泡沫钻井的处理剂和处理工艺研究
目前空气钻井在地层少量出水的情况下会转换为泡沫钻井，然后泡沫钻井相对于干空气钻井的周期却明显缩短了，后期出现井壁失稳的几率也加大，而且往往不能达到干空气钻井所能钻达的井深。这就需要我们加强泡沫液中井壁稳定剂的研制。地层出水后在易失稳地层利用特殊稳定剂与地层快速反应，从而形成人工井壁，防止液相进一步侵入，确保岩石强度不发生明显变化，甚至提高井壁稳定性。
（二）地层流体预测方法和封堵技术
空气钻井钻遇水层时，可以通过封堵地层来解决固液耦合失稳问题，现有的封堵技术，包括膨胀管封堵技术、水泥封堵技术以及诸如封堵剂封堵技术，存在封堵不严、承压能力差、工艺复杂等问题。因此深入开展高强度快速封堵技术的研究，以实现随钻封堵，是避免出水造成井壁失稳的又一方向。