气体钻井井壁失稳机理及评价方法研

Gao Li 等著 翻译：张志财（油化所） 审校：赵怀珍（油化所）

摘要：井壁失稳已经成为严重制约气体钻井技术进一步发展和应用的瓶颈。为此，对气体钻井井壁失稳机理进行了研究，并提出了四种井壁失稳机理，包括力学强度较低的软弱岩体和破碎岩体的力学失稳、产液条件下的力学——化学耦合失稳、快速钻进时的岩石崩爆与上覆泥岩的动力学失稳。由于气体钻井具有不同于常规钻井的作业工艺，因此室内模拟现场钻井工艺是评价气体钻井井壁稳定的关键，而且涉及更多的评价参数，包括地层温度、孔隙压力、上覆地层压力、围压、井筒压力、地层流体的类型和产量、滑行波波速以及钻井作业类型（包括干气钻井、泡沫/钻井液钻井和气液钻井转换过程）。同时，深入研究井壁失稳的机理和评价方法、提高处理剂质量和处理工艺、加强预测技术和随钻流体封堵技术也是提高气体钻井井壁稳定的有效方法，也更有利于了解气体钻井井壁失稳机理和改善评价方法。 关键词： 气体钻井 井壁失稳机理 地层产液 评价方法 封堵技术

前 言

对于深井油气藏和非常规油气藏开发，气体钻井具有巨大的优势。然而，随着应用领域的进一步拓展和地质条件的日益复杂，井壁失稳问题已成为制约气体钻井进一步发展应用的瓶颈。由于钻遇产层，产液包括产水、产油和产气会使井壁失稳更加复杂。

许多学者对气体钻井井壁失稳机理和解决方法进行了研究。Albert K. Dittmer（1967）认为井壁失稳包括剥蚀和坍塌，并分析了钻具扰动、气体环空返速和地层压力变化对井壁稳定的影响。姜玉芳（2009）针对大庆油田火山岩地层建立了气体钻井水层定量识别方法和井壁稳定预测模型。王兰（2012）提出了防塌成膜钻井液技术解决气体钻井后泵入钻井液时的井壁失稳问题并验证了其效果。徐子辰（2012）叙述了一种通过加入纳米润湿反转剂来保持气液中间转换期间井壁稳定的方法。在现有研究成果的基础上，本文对气体钻井井壁失稳机理和评价方法进行了研究，提出了四种井壁失稳机理：力学强度较低的软弱岩体和破碎岩体的力学失稳、产液条件下的力学-化学耦合失稳、快速钻进时的岩石崩爆与上覆泥岩的动力学失稳。同时，还讨论了井壁稳定的影响因素。现有的理论模型不能真实地反映气体钻井现场条件，因此本文设计了一种模拟现场工作条件的实验方案，同时还分析了提高气体钻井井壁稳定性的方法。

气体钻井井壁失稳机理

不产液时失稳机理

井壁稳定的关键在于岩石强度是否超过作用在近井壁地层的应力。即使没有来自钻井液的影响，气体钻井时软岩层或破碎性岩层（图1）也无法保持井壁稳定。软岩层主要表现为井眼缩径和坍塌，破碎性岩石主要表现为崩落、掉块和大面积扩径坍塌。最近的气体钻井过程已经出现这样的情况。在四川西部大邑构造地区气体钻井期间，须家河组上部偶尔会发生坍塌，随着井深的增加，坍塌情况会越来越严重，最终导致卡钻[7]。一般来说，井壁坍塌分

析主要采用库伦-摩尔准则。根据库伦-摩尔准则，当岩石剪切面的剪应力大于岩石固有的抗剪切强度和作用在剪切面上的内聚力之和时，就会发生剪切破坏[11-13]，即：

（1）

τ和σ用三个主应力表示（σ1、σ2和σ3），公式(1)可转换为：

（2）

若考虑地层孔隙压力，则式（2）表示为：

（3）

上述公式为描述基本力学失稳的基本理论模型。下面进一步讨论特殊地层的力学失稳机理。

a.火山岩 b. 砾岩 c.硬脆性泥页岩 d.塑性泥岩

图1 典型的软岩体岩样

力学强度低

软岩石或破碎性岩石，如塑性泥岩、盐膏岩、弱胶结砾岩、破碎性火山岩、糜棱岩、破碎性煤岩、微裂缝发育的硬脆性泥页岩等等，都具有相对较低的岩石力学强度。气体钻井时由于没有井筒液柱压力支撑，这些岩石极易产生坍塌破坏，通常主要采用优化钻井设计来避免钻遇这些地层。

高速携岩气流对井壁的冲刷

当高速气流携带岩屑向上运移时，这些岩屑就不可避免地对井壁产生碰撞和摩擦，导致近井壁岩石的失稳。高速携岩气流的冲刷和井眼不规则程度、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。

钻柱振动

在气体钻井过程中，高速旋转的钻柱会持续横向振动和纵向振动。钻柱振动造成的不平衡、非连续冲击力会改变井眼周围岩石的构造和性能，并使应力重新分布。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。一些研究成果根据能量计算分析了不稳定原因。

（4）

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。 井眼的几何形状

除了气流冲蚀和钻柱振动的影响，井眼的几何形状也会影响井眼周围应力的分布。在此

可将椭圆形井眼看作中间带椭圆孔的无限大平面，两个水平主应力和井筒压力分别为σ2、σ3和pw，则周向应力可表示为：

（5）

根据上式即可分析出气体钻井过程中周向应力随着井眼几何形状的变化趋势（图2）。

图2 周向应力和圆周角的关系

在上图中，m是短轴和长轴的比例。结果表明，当m逐渐减小时，最小水平主应力和最大水平主应力的周向应力都是逐渐增大的，而且周向应力和径向应力之间的差值也是逐渐增大。因此，井眼周围岩石表面的有效剪应力增大，井壁失稳程度更加严重。这意味着在已经坍塌过的椭圆形井眼更容易发生二次井壁失稳。

产液条件下的力学-化学耦合失稳

在气体钻井中，由于井筒和地层之间存在巨大的负压差，且几乎不存在固液相损害，地层流体更易产出并对井壁稳定产生严重影响。地层产液，尤其是产水（图3）引起的井壁失稳是目前严重制约气体钻井技术进一步拓展应用的主要难题。在中国西部的DB地区，由于上部砾石主要是粘土胶结，胶结强度低，气体钻井过程中钻遇水层后易发生严重垮塌。

图3 力学-化学耦合失稳示意图

岩石力学强度降低

地层产出液体或人工注入液体接触到上覆液体敏感性地层（如泥岩）时会产生物理化学反应，导致粘土水化、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：

（6） （7）

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。由水和页岩之间的化学反应转化的力学性质还会导致地应力的重新分布。如果将页岩看成弹性材料并考虑横向和/纵向应变，那么水侵后地应力的数学模型可表示为：

（8） （9）

（10）

孔隙压力降低

地层产液后，地层孔隙压力会逐渐降低。根据上覆地层压力、岩石有效应力和孔隙压力之间的关系可知，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。

（11）

产气引起的动力学失稳

近期，中国西部高压致密气藏的几口井采用气体钻井时出现了井壁稳定问题。尽管不存在页岩水化问题，但是还有一些特殊的失稳机理。结合现场工况，对失稳机理进行了分析。

高速产气

随着地层流体的产出，地层孔隙压力下降、岩石有效应力增大，岩石的可压缩性和强度发生变化。这些变化都会影响井壁稳定，尤其是在高速产气过程中更加严重，有可能导致钻具卡钻和钻屑向钻具内的反灌。然而，在产气方面还没有准确的关于孔隙压力的分布规律及其影响方面的评价模型。孔隙压力分布规律由多孔介质线性单相渗流基本方程进行评价，如下：

（12）

产层的岩石爆裂

在较高的原应力状态条件下，地层深部产层储存着较高的应力能量。然而，一旦气体钻井钻开产层，井眼内的井壁就没有足够的能量支撑。根据能量守恒观点，近井壁岩石的巨大能量会沿井眼方向快速释放，地层到井筒之间就会产生冲击力，从而破坏近井壁岩石的构造

和强度，甚至会造成井壁坍塌。另外，如果孔隙压力下降或地层存在裂缝，那么井壁失稳会更加严重。

上覆泥岩的动力学失稳

邻近产层的泥岩也具有较高的孔隙压力，而且泥岩的孔隙压力释放速率要远小于产层的压力释放速率。这种速度差会对泥岩产生拖曳力，而且由于地层坍塌，产层的支撑力会逐渐降低。在上述情况下，上覆泥岩也会变得不稳定，甚至会造成井壁坍塌，而且这个过程是动态的。

评价方法

基本评价过程

受岩样的数量限制，通过室内试验测试分析无法获得连续的井壁稳定参数剖面信息。通常用来评价井壁稳定的方法是结合相关参数的实验分析校正测井资料解释得到的结果。但是，气体钻井条件下能够获得的测井资料十分有限，因此经常利用同一区块的常规钻井条件下获得的测井信息进行井壁稳定性评价。为了获得原始地层性质，有必要通过室内实验对测井信息进行校正，并且需要考虑地层有流体产出或气液钻井转换的情况。评价的主要内容包括：地应力计算、不稳定地层的特性分析、岩石力学强度及电特性参数测试、液相侵入规律分析以及确定岩石强度特性、坍塌压力特性和自然扩径率剖面（图4）。

图4 气体钻井井壁稳定性评价流程图

原地应力

地应力通常由三个主应力表示，分别是垂向主应力、水平最大主应力和水平最小主应力。作为关键参数，获得精确的原地应力参数是井壁稳定性评价的关键。蒋祖军（2007）提出了平缓构造地区水平主应力的计算公式，如下：

（13）

现有的方法主要包括测井资料分析和地应力测试实验。但是，受实际情况限制，不可能获得每个角度的岩心，对不同方向的岩样进行地应力测试并不能得到真实的水平主应力。本

文得到了声波时差与岩石的水平面方位角之间关系曲线（图5），并根据不同围压下岩石的声波时差特性[21-22]，准确得出水平最大/最小主应力的方向。最后，再分别沿两个主应力方向进行地应力测试就可计算出真实的水平主应力。

图5 岩样的声波时差与方位角之间的关系

岩石强度的去水化校正

由于常规钻井的测井数据受钻井液影响不能直接应用于气体钻井中岩石强度分析，必须进行去水化校正，可采用两种方法。如果取自地层纵剖面的岩样较少，可直接进行测井数据的去水化校正，并计算出气体钻井中岩石力学参数；如果岩样充足，首先利用测井数据计算岩石力学参数，再通过对比实验分析水化对岩石力学参数的影响，最后对测井解释结果进行修正。具体流程如

图6 气体钻井岩石力学参数校正流程图

坍塌压力

最常用的井壁坍塌判断方法是库伦-摩尔准则。首先进行岩石力学强度测试、声波时差实验和地应力测试，从而获得地层岩石的力学强度和应力状态；再根据相关理论模型计算出

地层岩石的坍塌压力。黄荣樽提出了一种考虑孔隙压力变化的理论模型

[17]

下：

，如下：

（14）

然而，液相侵入后岩石力学强度和应力状态都会发生变化，因此为了准确计算地层岩石

的坍力，进行入影验。出了验装7），

塌压

还需要液相侵响

实本文提一个实置（图该装置

可以测出液相侵入深度、侵入速度和侵入量、压力的传递速度以及泊松比和弹性模量的变化。另外，该装置还可以模拟不同围压、温度、液相侵入状态（包括自吸和正压差条件下的侵入）。

图7 液相侵入测试系统简图

模拟现场工况条件下的实验评价方法

气体钻井井壁稳定评价最直接有效的方法是通过专门的井壁稳定模拟装置模拟现场条件进行评价实验（图8）。该模拟装置可以模拟现场条件和地层参数，包括地层温度、孔隙压力、上覆地层压力、围压、井筒压力、地层产液的类型和产液量、滑行波速度以及钻井工况，其中钻井工况又包括干气钻井、泡沫或钻井液钻井、气液钻井的转换过程。然后再通过监测不同参数的实时变动，观察模拟井筒的稳定性来分析井壁稳定性。

详细的实验流程如下：首先，为模拟钻井井眼，沿实验用岩心轴向钻一个直径35毫米的孔；其次，可以通过应用上覆地层压力控制系统、围压控制系统、真三轴压缩稳定系统和

加热系统来模拟地层的真实温度、上覆压力和围压；第三，通过井筒压力控制系统注入孔隙压力，并通过改变注入液体类型来模拟不同地层流体；第四，将流体注入模拟井眼。通过改变注入压力和流体类型来控制井筒压力和不同的现场条件；最后，利用实时监测数据分析所有参数的变化规律，评价现场条件下井壁稳定性。另外，整个实验过程是可视的。

图8 现场气体钻井井壁稳定模拟装置示意图

讨 论

复杂地层井壁失稳机理及评价方法

一些特殊类型的岩体胶结强度较低，气体钻井时不足以支撑井壁，因此不适合气体钻井。对于这种特殊岩体的稳定性在煤矿坑道和钻井领域均有研究，但还没有适合于气体钻井条件下的井壁稳定性预测模型，这已成为制约气体钻井在复杂地层应用的瓶颈之一。应结合多学科加强这些特殊岩体的强度影响因素和失稳机理研究，建立相应的理论模型，为该类地层气体钻井井壁稳定评价提供科学依据。另外，高压产层井壁稳定问题是影响地层气体钻井安全性的关键。气体钻井井壁稳定性的研究重点包括地层流体释放规律、井壁应力、岩石力学性质变化规律与失稳机理，以及失稳后的井筒流场和压力场研究。

气体钻井的处理剂和处理工艺研究

由于基础信息的缺乏和预测技术的不完善，目前还不能完全避免在产液层气体钻井。气体钻井经常钻遇未预见的产液层后由于井壁稳定问题而不得不结束。就目前已经开展的气体钻井试验区域，在地层产液尤其是产水条件下的井壁失稳问题已经成为气体钻井在钻井提速领域应用遇到的最大障碍，少量的地层产水就可以导致严重的井壁坍塌卡钻，大大限制了气体钻井的应用范围、降低了其经济效益。针对这一问题的重点攻关方向就是加强处理剂及处理工艺研究。地层产液后在易失稳地层利用特殊处理剂与地层快速反应，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。然而，由于没有钻井液作为介质，难以控制处理剂的性能，加之钻柱活动对井壁表面的不断修复，因此研究专门的处理工艺也很重要。

地层流体预测方法和封堵技术

气体钻井钻遇产液层，通过封堵地层产液基本上可以解决固液耦合失稳问题，因此封堵技术是一个重要的研究方向，需要精确预测产液层位置。气体钻井过程中的地层流体释放规律和流体饱和度、束缚流体饱和度、地层孔隙压力、井筒流体压力、岩性、孔渗特性、岩石压缩性、构造、水文地质环境和地层温度等等紧密相关。目前已有的钻前流体预测方法主要是根据邻井测井数据和生产测试资料得到的，无法得到可靠的结果，需要进一步加强研究。另外，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。为了实现随钻封堵，必须加强高强度快速封堵技术的研究。

结 论

岩石强度较低和固液耦合效应是影响气体钻井井壁稳定的重要因素，另外，负压差下的高速产气是导致产层和上覆泥岩失稳的重要机理。

岩石力学性质、地应力状态与力学—化学耦合作用规律是气体钻井井壁稳定评价的重点，开展模拟实际复杂工况条件下的评价实验是获得更加真实可靠评价结果的重要手段。

井壁失稳严重制约了气体钻井技术的应用。今后，加强特殊地层井壁失稳机理、产液条件的井壁稳定处理技术、以及流体预测及封堵技术研究是解决气体钻井井壁失稳的关键。

致 谢

非常感谢中国国家自然科学基金（编号51134004和51104124）和西南石油大学青年科研创新团队基金（编号2012XJZT003）的大力支持。

术语

f =内摩擦系数，f=tanϕ

ϕ=内摩擦角，rad

C=黏聚力，MPa τ=剪应力，MPa p=压力，MPa

Pp=地层孔隙压力，MPa Pw=井筒流体压力，MPa σ=正应力，MPa

σ1，σ2，σ3=三主应力，MPa

σr，σθ，σv=分别为径向应力、周应力和垂直应力，MPa σ′=地层上覆有效应力，MPa

σH，σh=分别为最大水平主应力和最小水平主应力，MPa ρw=地层坍塌密度，g/cm3 α=有效应力系数， Em=机械能，J Es=应力能，J Et=热能，J Ec=化学能，J Ef=热能，J E=弹性模量，MPa μ，μs=泊松比和静态泊松比

εr，εθ，εv=分别为径向应变、周应变和垂直应变 υ=孔隙度，无因次 K=地层渗透率，μm2 μ′=气体黏度，mPa·s m=短轴和长轴之比 C′=气体可压缩系数，1/MPa r=地层到井眼轴线之间的长度，m t=时间，s θ=圆周角，rad

E1，E2，K1，K2=系数 w,w1=含水量，% m′=非均质性 ξ1，ξ2=构造应力系数 η=修正系数 H=井深，m

参考文献

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资料来源于SPE 165684