页岩气水平井井壁稳定性影响因素与对策分析

摘要：水平井作为页岩气开采的关键技术，在提高页岩气产量，降低页岩气开发成本过程中起到重要的作用。页岩气水平井在实际钻井过程中，水平段普遍较长，页岩特征较脆，在层理上很发达，遇水后易水化、易膨胀。在钻井作业中，经常发生井壁失稳，造成掉块，井塌等事故，影响钻井周期，增加钻井成本，因此，对于井壁稳定影响因素的研究对页岩气钻井有重要的意义。

关键词：页岩气；水平井；井壁稳定；影响因素；对策分析

1页岩水平井井壁稳定性影响因素分析

影响井筒失稳的因素主要包括内部因素和外部因素。内部因素包括地质力学因素和地层岩石的整体特征，外部因素主要是人为因素，如钻井液综合性能、钻井工程因素等。目前对井筒稳定性的研究，除了一些钻井工程因素外，还可以归结为一套井筒稳定性力学模型，模型中的参数就是这些因素的体现。下面结合井筒稳定性研究的总体思路，对影响井筒稳定性的因素进行说明，包括地层岩石的整体性质、地质力学因素、钻井液的整体性能等。

（1）地层岩石的综合性质。主要是岩石的强度和变形特性。影响因素包括岩石结构、矿物组成、含量、孔隙度、含水量、压力等。

（2）地质力学因素。力学因素也是影响页岩气钻井井壁稳定性的重要因素之一，从力学角度看，地应力是影响井壁失稳的最重要因素，在此基础上导致井壁失稳的形式可分为：拉伸破坏和剪切破坏。剪切破坏主要是在未开始钻井施工前期，地应力始终保持平衡状态，当钻开井眼后，井壁底层原有的支撑力遭到破坏，并由钻井液产生的静液柱压力所取代，与此同时，需要将地应力进行重新分布，如果此时井筒中钻井液密度不能平衡地层应力，会导致井眼发生直径扩张或缩小的情况，井壁也会会出现一定破坏，从而出现井壁失稳情况；拉伸破坏通常情况下是由于井内液压过高，且已经超过了岩石的抗张强度，则会导致井壁出现裂缝，发生井漏等情况，严重的甚至会出现溢流和井喷，对人员安全、环境保护造成严重威胁。

（3）钻井液的综合性质。在钻井过程中，钻井液滤失渗透（压力差、化学势差等）并扩散到地层中，从而改变了地层的孔隙压力、矿物的晶体结构、岩石（主要是富含粘土矿物的地层岩石）的强度和变形特征、孔隙压力和地层温度都会受到影响。对于其他工程因素，如钻井液对井壁的冲刷程度、循环激动压力、起下钻过程中产生的激动压力和抽吸压力等，井眼轨迹（可以反映在井筒稳定性力学模型）、井筒暴露时间（井筒失稳时间效应，或情况规定的井筒塌陷期）等，钻柱与井筒的摩擦和碰撞。对于页岩气水平井，造成井失稳的原因也属于上述四类。由于页岩层理的独特结构，其强度特征具有很强的非均质性。改进现有测力方法，改进井筒稳定性力学模型。关于钻井液的使用，在页岩地层施工过程中，为降低油页岩水化，目前主要使用油基钻井液，但仍存在性能不稳定、成本高、环境压力大等难点。

2页岩气水平井井壁稳定技术措施

（1）充分认识页岩的特性及页岩地层的地应力。页岩的特性主要以矿物组成和孔隙度分析为主。通过页岩单轴、三轴力学实验，可以得出页岩地层各项异性的力学特性。根据页岩的各向异性特征，通过建立综合考虑页岩弹性和强度各向异性的井壁坍塌压力计算模型，以实测岩石力学和地质力学参数为依据，分析各向同性、弹性各向异性、弹性和强度各向异性3种情况下的井壁坍塌压力，结果表明：综合考虑弹性和强度各向异性计算得到的坍塌压力最高，强度各向异性的影响明显大于弹性各向异性；在井斜角较小时，井眼方位对坍塌压力的影响较小；随着井斜角增加，井眼方位对坍塌压力的影响愈加显著；沿水平最大主应力方向钻进水平井的稳定性最好，其次为直井和小角度定向井，沿水平最大主应力方向钻进水平井稳定性最差。

（2）根据页岩的矿物和力学特性，针对性做好钻井液改进。当钻开井眼后，井壁底层原有的支撑力遭到破坏，并由钻井液产生的静液柱压力所取代，因此，合理控制钻井液密度是保障井壁稳定性的关键。根据对页岩的理化性能的分析，可以得出页岩遇水易膨胀，因此，页岩水平井施工应采用油基钻井液。虽然油基泥浆对页岩地层的物理化学作用不显著，但高密度油基钻井液滤液仍会沿层理和微裂隙侵入，并在层理和微裂隙面产生高孔隙压力支撑，一方面降低了层理面法向应力，另一方面润滑作用削弱了层理面摩擦系数，也可能引起页岩井壁掉块甚至垮塌。因此，不仅需要重视钻井液的抑制性，而且需重视钻井液的物理封堵性能，尤其是对层理和微裂隙的物理封堵。

（3）优化钻井参数，优选钻具组合。在实际钻井过程中，钻柱扰动是造成井壁失稳的重要因素。钻柱扰动是指在钻进过程中，由于钻柱旋转和钻柱与钻井液间的粘滞作用，使得钻井液在钻进过程中产生一定的周向扰动。由于泥页岩的水化作用影响，在长时间的钻井液周向运动的冲刷下，使得井壁产生一定的坍塌掉块现象。并且如果钻柱受压挠曲变形程度过大，使得挠曲顶点长期与井壁接触，在钻柱旋转过程中会直接对井壁产生切向滑移破坏。

为降低钻柱扰动对页岩井壁稳定性的影响，在实际钻井过程中应对钻井参数进行优化速、钻压、钻井液密度等因素对扰动作用的影响。在转速方面，随着钻柱旋转速度不断增大，钻井液受到的周向扰动作用不断增强，对泥页岩井壁的冲刷程度不断加剧，从而加剧了泥页岩井壁的失稳。在钻压方面，随着钻压的增强，使得钻柱的弯曲变形程度不断加大，即钻柱的挠曲程度不断加大，从而加剧了钻井液的周向扰动，使得钻井液对井壁的冲刷作用更加剧烈，进而造成井壁失稳掉块。

微裂缝对其的影响主要在于随着钻柱旋转带动钻井液周向扰动并对井壁产生冲刷，使得微裂缝中渗入一定量的钻井液滤液，结合泥页岩水化作用和钻井液对井壁的冲刷，使得微裂缝不断的扩展延伸，最终产生剥落掉块，而且随着井眼暴露时间的增加，井筒稳定性逐渐减弱，掉块情况会更加严重，为了避免页岩地层与钻井液接触时间过长，有必要先进行初步的实验室分析。在原位钻井液条件下，研究了页岩强度和地层孔隙压力减弱的时间效应，预测了钻井过程中塌陷压力随钻井时间的变化规律。此外，通过优化钻井参数，优选钻头和通过使用旋转导向等钻井工具，加快钻井速度，尽可能缩短页岩地层在钻井液中的浸泡时间，减少井壁失稳引起的井下事故。

3结束语

页岩气水平井井壁失稳是影响钻井效率的重要因素。本文通过分析井筒失稳因素，包括油页岩综合性质、地质力学因素、钻井液综合性能等工程因素，总结了预防页岩气水平井井壁失稳针对性措施，重点通过研究页岩的特性及页岩地层的地应力、根据页岩的矿物和力学特性，针对性做好钻井液改进、优化钻井参数，优选钻具组合等方面作了阐述，为页岩气水平井的安全施工提供了一定的参考和建议。

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