井壁不穩(wěn)定地層分類與鉆井液技術(shù)

井壁不穩(wěn)定地層分類與鉆井液技術(shù)井壁不穩(wěn)定地層分類與鉆井液技術(shù)井壁不穩(wěn)定是鉆井工程中常遇到的井下復(fù)雜情況之一，嚴(yán)重影響鉆井速度、質(zhì)量及成本；部分新探區(qū)還會因井壁不穩(wěn)定而無法鉆達(dá)目的層，延誤勘探與開發(fā)的速度，影響其經(jīng)濟(jì)效益。為了獲取在鉆井工程中穩(wěn)定井壁的主動權(quán)，從1979年開始對全國各含油氣盆地發(fā)生井壁不穩(wěn)定地層的幾萬塊巖樣的礦物組分、理化特性進(jìn)行分析研究，并收集了幾萬口井鉆井過程中所發(fā)生的井下復(fù)雜情況、鉆井工程與鉆井液技術(shù)措施。運用上述資料，對我國鉆井工程中所發(fā)生井壁不穩(wěn)定的原因與地層組構(gòu)特征、鉆井工程與鉆井液技術(shù)措施之間的關(guān)系進(jìn)行綜合分析研究，提出了以井壁不穩(wěn)定地層礦物組分與組構(gòu)特征為主要依據(jù)的分類方法。經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)驗證，八次修改完善，得出我國含油氣盆地井壁不穩(wěn)定地層可分為六大類八個亞類的看法，以此作為選擇鉆井液體系和制定相應(yīng)的技術(shù)對策的依據(jù)。此項研究成果是我國井壁穩(wěn)定技術(shù)研究逐步實現(xiàn)科學(xué)化、定量化的重要標(biāo)志。下面簡單介紹各類地層的組構(gòu)特點、潛在的井下復(fù)雜情況、井壁不穩(wěn)定發(fā)生原因20-30%；砂巖滲透率高；絕大部分地層屬于正常壓力梯度，極個別地區(qū)此類地層出現(xiàn)異常壓力梯度；巖石可

※此項研究工作是與各油田泥漿技術(shù)人員共同進(jìn)行的，由徐同臺進(jìn)行綜合研究。

鉆性級別低，小于1級～3級。

(2)潛在井下復(fù)雜情況：造漿性強(qiáng)，地層自造漿密度高，切力大，含砂量高；鉆井過

程中易縮徑，起鉆遇卡拔活塞，灌不進(jìn)鉆井液，處理不當(dāng)易發(fā)生卡鉆、井塌、下鉆遇阻、

劃眼、蹩泵、井漏；阻卡井段固定，以700m～1500m井段最為嚴(yán)重。

(3)井壁不穩(wěn)定發(fā)生原因：泥巖中伊蒙無序間層吸水膨脹、分散、縮徑；高滲透砂巖形成厚泥餅；鉆速高，環(huán)空鉆屑濃度過高。

311mm的井眼，在保證鉆屑攜帶前題下，應(yīng)盡可能降低粘切，提高鉆井液的抑制性與返速，降低濾失量，改善泥餅質(zhì)量；控制環(huán)空鉆屑濃度；搞好固控。244mm的井眼，應(yīng)采用低密度、低粘、低切鉆井液，提高返速，使環(huán)空鉆井液處于紊流；對于直徑等于或大于

(4)鉆井液技術(shù)對策：采用強(qiáng)包被的聚丙烯酸鹽聚合物、兩性離子聚合物、陽離子聚合物、正電膠陽離子聚合物、正電膠等類型鉆井液；對于直徑等于或小于

(5)典型區(qū)塊：東部各油田明化鎮(zhèn)組地層等。

2-2不易膨脹強(qiáng)分散的砂巖與泥巖互層

1～3級)；部分地區(qū)地層水礦化度高。

(1)地層組構(gòu)特征：粘土礦物以伊利石、綠泥石為主；成巖程度低，呈塊狀；大多屬于第三系、白堊系地層；分散性強(qiáng)，回收率小于10%；陽離子交換容量高(18-26mmol/100g土)；泥巖不易膨脹，膨脹率低(7～12%)；地層壓力梯度正常；可鉆性級別低(

(2)潛在井下復(fù)雜情況：易造漿，自造漿膨潤土含量低，膨潤土與鉆屑比值可高達(dá)1：5～10；砂巖或粉砂巖井段易縮徑；起鉆經(jīng)常遇卡，阻卡發(fā)生在新鉆開井段，一般距井底15～150m處，沒有固定卡點，遇卡時能灌進(jìn)鉆井液；一旦發(fā)生卡鉆，能恢復(fù)循環(huán)，泡解卡劑加震擊器均能解卡。

(3)井壁不穩(wěn)定原因：此類地層以砂巖、粉砂巖為主，易分散，滲透性好，極易形成虛厚泥餅，摩擦系數(shù)高，故易發(fā)生粘卡事故；個別層段機(jī)械鉆速過高，造成環(huán)空鉆屑濃度過高；環(huán)空返速低，井眼凈化不好。

(4)鉆井液技術(shù)對策：采用強(qiáng)包被聚丙烯酸鹽聚合物、聚磺、正電膠等類鉆井液，抑制鉆屑分散，控制低密度；鉆井過程中補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)預(yù)水化膨潤土漿、降濾失劑、磺化瀝青及潤滑劑，在高滲透砂巖地層快速形成低滲透的內(nèi)泥餅，并使外泥餅薄而潤滑性能好；在可能條件下，盡可能提高環(huán)空返速，形成紊流；控制環(huán)空鉆屑濃度不要過高；加強(qiáng)固控，使用離心機(jī)，降低含砂量。

(5)典型區(qū)塊：塔里木輪南等構(gòu)造第三系與白堊系地層，塔西南群庫恰克構(gòu)造第三系地層等。

2-3中等分散砂巖與泥巖互層

(1)地層組構(gòu)特征：粘土礦物以伊利石、高嶺石、綠泥石為主，并含伊蒙有序間層，個別地區(qū)含有少量伊蒙無序間層；已成巖，屬于晚成巖A期；大多數(shù)為侏羅系、三疊系地層；中等分散，回收率50～80%；陽離子交換容量低，3～8mmol/100g土；正常壓力梯度；個別地區(qū)砂層滲透性好。

(2)潛在井下復(fù)雜情況：清水鉆進(jìn)一般超過三天會發(fā)生井塌；含伊蒙無序間層的泥巖，如采用清水或全絮凝聚合物鉆井液，極易發(fā)生井塌；對于砂巖發(fā)育的地層，如用高粘高切鉆井液鉆進(jìn)，當(dāng)環(huán)空返速低時，起鉆在新井段易與2－2類地層一樣發(fā)生遇卡。

(3)井壁不穩(wěn)定發(fā)生原因：清水浸泡時間過長會引起伊蒙間層水化膨脹，造成泥巖坍塌；砂巖井段發(fā)生阻卡原因與2-2類相同。

(4)鉆井液技術(shù)對策：對于存在伊蒙有序間層地層采用抑制性全絮凝聚合物鉆井液(聚合物可依據(jù)地層特點選用陰離子、兩性離子或陽離子聚合物)；對于存在伊蒙無序間層的地層采用低膨潤土含量聚合物鉆井液、兩性離子聚合物鉆井液。

(5)典型區(qū)塊：四川侏羅系地層，長慶油田安塞、樊家川靖邊上部地層等。

3.層理裂隙發(fā)育的泥頁巖

(1)地層組構(gòu)特征

此類地層層理發(fā)育，大多數(shù)塌層均存在異常孔隙壓力，處于從伊蒙無序間層向伊蒙有序間層或伊蒙有序間層向伊利石過渡帶、生油層或處于強(qiáng)地應(yīng)力控制構(gòu)造運動作用激烈的地帶；其地質(zhì)年代從第三系至志留系；已成巖，成巖期從早成巖B期至晚成巖A、B、C期；巖石從軟至硬，巖石可鉆性3～8級。此類地層依據(jù)其理化性能又可將其分為三個亞類：

3-1易膨脹強(qiáng)分散泥巖

此類泥巖以蒙皂石或伊蒙無序間層為主，其相對含量為30～95%；易膨脹，膨脹率20～30%；分散性能與地質(zhì)年代和井深有關(guān)，對于東部第三系地層，通常井深小于2600m的泥巖，屬于強(qiáng)分散，回收率小于10%；陽離子交換容量中至高，一般12～22mmol/100g土。

3-2易膨脹中等至弱分散泥頁巖

此類泥頁巖大多數(shù)以伊蒙有序間層(25～55%)伊利石(35～72%)為主，少數(shù)地區(qū)深井段仍以伊蒙無序間層為主；中至弱分散，回收率一般40～90%；易膨脹，膨脹率20～30%;陽離子交換容量中～低，一般2～12mmol/100g土；處于深層強(qiáng)地應(yīng)力作用下的泥頁巖，往往裂隙發(fā)育，塌塊大。

3-3弱膨脹弱分散泥頁巖

此類泥頁巖以伊利石為主，不含或含少量伊蒙有序間層(間層中含蒙皂石20%左右)；不易分散，回收率90～99%；不易膨脹，膨脹率7～10%；陽離子交換容量低1～8mmol/100g土；部分地區(qū)此類地層層理發(fā)育，深層泥頁巖往往處于強(qiáng)地應(yīng)力作用下，裂隙發(fā)育，塌塊大。

(2)潛在井下復(fù)雜情況：井塌，卡鉆，井漏。

(3)井壁不穩(wěn)定發(fā)生原因：鉆井液密度偏低，不能平衡因泥頁巖異?？紫秹毫εc強(qiáng)地應(yīng)力引起的高坍塌壓力；裸眼井段長，上部存在強(qiáng)水化膨脹縮徑的泥巖層，若鉆井液與工程技術(shù)措施與地層不配伍，鉆井過程中造成縮徑，起鉆阻卡產(chǎn)生抽吸，對下部地層形成負(fù)壓差，引起井塌；鉆井液濾液進(jìn)入泥頁巖，引起地層吸水膨脹，強(qiáng)度下降，并產(chǎn)生高的膨脹壓力，引起井壁附近泥頁巖產(chǎn)生裂縫，造成井塌；組成泥頁巖的不同粘土礦物水化時所產(chǎn)生的膨脹量與膨脹壓力不相同，在地層內(nèi)部形成內(nèi)應(yīng)力，加劇泥頁巖破裂；泥頁巖中的層理與裂隙(鉆井液濾液侵入的通道)是發(fā)生井塌的禍根，井塌的嚴(yán)重程度取決于泥巖層理、裂隙發(fā)育程度；環(huán)空鉆井液返速過高，形成紊流沖刷井壁；不合理鉆井工程措施，如起下鉆過快形成過高的抽吸壓力，環(huán)空返速過高，沖刷井壁等。

(4)鉆井液技術(shù)對策

A依據(jù)地層孔隙壓力、地應(yīng)力、巖石力學(xué)性能，選用合理的鉆井液密度，保持井壁穩(wěn)定是防止井壁坍塌的先決條件；

B采用瀝青類產(chǎn)品、植物油渣、磺化酚醛樹脂、褐煤類等處理劑，封堵層理、裂隙，阻止鉆井液濾液進(jìn)入地層，此類處理劑加量隨泥巖層理、裂隙發(fā)育程度加劇而增加；

C降低高溫高壓濾失量與泥餅滲透性，控制鉆井液pH值低于9；

D依據(jù)坍塌層礦物組分與理化性能選用鉆井液類型。對于3-1亞類，選用既能有效抑制泥巖水化分散，又能抑制膨脹，并能有效封堵的鉆井液，如氯化鉀聚合物鉆井液、氯化鉀腐鉀鉆井液及其它鉀基鉆井液，聚磺鉆井液，鉀銨基聚磺鉆井液，兩性離子聚磺鉆井液，陽離子聚磺鉆井液，正電膠鉆井液，有機(jī)硅鉆井液等；對于3-2亞類，選用強(qiáng)抑制、強(qiáng)封堵的鉆井液，如聚磺鉆井液，兩性離子聚磺鉆井液，陽離子聚磺鉆井液，正電膠陽離子聚合物鉆井液、鉀銨基聚磺鉆井液，正電膠鉆井液，鉀石灰鉆井液，有機(jī)硅鉆井液等，如地層水礦化度高，可用氯化鉀適當(dāng)提高鉆井液的礦化度；對于3-3亞類，選用強(qiáng)封堵鉆井液，如三磺鉆井液，硅酸鉀聚磺鉆井液，鉀銨基聚磺鉆井液、兩性離子聚磺鉆井液、若地層水礦化度高，可用氯化鉀適當(dāng)提高鉆井液礦化度，若地層裂隙極發(fā)育，塌塊大，應(yīng)適當(dāng)提高鉆井液的粘切，及時帶出塌塊。

E選用合適的泵量與環(huán)空返速，既確保鉆屑的攜帶，又使鉆井液在環(huán)空處于層流狀態(tài)，減少鉆井液對井壁的沖刷。

(5)典型區(qū)塊：3-1類：大港油田與華北河西務(wù)構(gòu)造沙河街組，東疆三臺與北三臺構(gòu)造等；3-2類：勝利、遼河、華北等油田沙三組，江蘇油田阜寧組與戴南組，吉林油田嫩二、一組，二連騰格爾組，塔里木侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系等；3-3類：大慶青山口組、泉頭組，長慶西緣石千峰、石盒子組，酒西盆地三疊系、二疊系等。

4.含鹽膏地層

此類地層按巖性可分為兩個亞類：

4-1純厚鹽膏層

(1)地層組構(gòu)特征：此類地層是純厚鹽層，單層厚度較大，一般從幾米至幾十米，總厚度從幾十米至1900米；鹽間夾層為不易發(fā)生坍塌的白云巖、灰?guī)r及層理裂隙不發(fā)育不易坍塌的硬泥巖等；粘土礦物分為兩類：一類以伊利石為主(93%～99%)、含少量綠泥石(1%～7%)，另一類以伊利石(42%～59%)與伊蒙有序間層(21%～47%)為主；泥頁巖陽離子交換容量低(3～10mmol/100g土)，中等分散，回收率大于20%(回收率與泥頁巖中是含鹽有關(guān)，含鹽泥頁巖的回收率低,不含鹽回收率高)；易膨脹，膨脹率(26％～30％)，膨脹率與泥頁巖中含鹽量和含水量有關(guān)。

(2)潛在井下復(fù)雜情況：鉆井液粘度、切力、濾失量增大，中深井段鹽層井徑擴(kuò)大，夾層井徑接近鉆頭直徑；鉆至深層時，易發(fā)生縮徑，起下鉆易發(fā)生阻卡與卡鉆；固井質(zhì)量差，易擠毀套管。

(3)井壁不穩(wěn)定發(fā)生原因：因鹽溶引起鉆井液性能變壞，中深井段井徑擴(kuò)大；因鹽重結(jié)晶引起起下鉆阻卡；深井段因鹽塑性流動造成縮徑，引起起下鉆阻卡或卡鉆，卡鉆一般情況可泡淡水膠液溶解鹽而解卡，下鉆迂阻時，千萬不要硬壓，嚴(yán)防卡死。

(4)鉆井液技術(shù)對策：對于中深井段鹽層總厚度不到100m的井,可采用適當(dāng)鉆井液密度的欠飽和鹽水鉆井液，使鹽溶解而引起井徑擴(kuò)大率與鹽巖因塑性變形而引起縮徑率相接近，嚴(yán)防縮徑。對于厚鹽層采用飽和鹽水鉆井液鉆進(jìn)；淺井段補(bǔ)充鹽水膠液，防止鹽溶引起井徑擴(kuò)大；在中深井段適當(dāng)補(bǔ)充淡水膠液，使鹽溶解引起的井徑擴(kuò)大值與鹽塑性變形引起的縮徑值相接近。深井段，必須依據(jù)井深、井溫、與鹽巖類別來確定鉆井液密度，控制鹽巖因塑性變形而引起縮徑，并使用鹽抑制劑抑制鹽重結(jié)晶。

(5)典型區(qū)塊：江漢油田潛江組，四川川中等。

4-2鹽、膏、泥復(fù)合地層

(1)地層組構(gòu)特征：此類地層鹽、膏、泥相間，互層多且薄，巖性變化大，并含鹽膏軟泥巖、碎泥與鹽結(jié)合物及以鹽為膠結(jié)物的角礫巖等；泥巖層理、裂隙發(fā)育，軟泥巖含水高；泥巖中粘土礦物可分為二類：一類以伊利石為主(75～90%)、并含綠泥石(10～25%)，另一類以伊利石為主(43～100%)、并含伊蒙有序間層、高嶺石、綠泥石；陽離子交換容量低(1～10mmol/100g土)，中等至弱分散，含鹽膏泥巖的回收率(14～90%)，其回收率隨含鹽量增加而下降；膨脹率(4%～26%)，膨脹率與泥頁巖中含鹽量與含水量有關(guān)，含鹽量高的泥巖初始膨脹率高，隨著測量過程中泥頁巖中鹽的溶解，可能出現(xiàn)負(fù)的膨脹率；泥頁巖大多孔隙壓力異常，部分地區(qū)的鹽、膏、泥頁巖處于強(qiáng)地應(yīng)力作用下。

(2)潛在井下復(fù)雜情況：鉆井液粘度、切力、濾失量增大；極易發(fā)生縮徑或井塌卡鉆；電測遇阻卡；固井質(zhì)量差，易擠毀套管。

(3)井壁不穩(wěn)定發(fā)生原因：因鹽溶解引起井塌，嚴(yán)重時造成卡鉆；因鹽或含鹽膏軟泥巖塑性變形引起縮徑卡鉆；因無水石膏吸水膨脹引起縮徑卡鉆；因?qū)永砼c裂隙發(fā)育泥頁巖水化而造成坍塌；強(qiáng)地應(yīng)力地區(qū)，如所使用的鉆井液密度過低，引起鹽巖與軟泥巖縮徑，造成卡鉆。

(4)鉆井液技術(shù)對策：根據(jù)井深、井溫、地應(yīng)力、所鉆鹽與含鹽軟泥巖類別選擇合理的鉆井液密度，控制縮徑；采用抑制性強(qiáng)的飽和鹽水鉆井液、油包水鉆井液，防止鹽溶引起井塌，并保持鉆井液性能穩(wěn)定(對含有大量石膏的地層，可在鉆井液中加入硫酸鈉或硫酸銨，采用等離子效應(yīng)控制石膏的溶解)；飽和鹽水鉆井液中應(yīng)加入瀝青類與磺化酚醛樹脂類產(chǎn)品，封堵泥巖層理、裂隙，降低HTHP濾失量，防止井塌；選用合理環(huán)空返速與鉆井液流變參數(shù)，既保證鉆屑的攜帶，又要保證環(huán)空處于層流，減少對井壁沖蝕；保持鉆井液良好的流變性與潤滑性，防止粘卡。

(5)典型區(qū)塊：中原油田文東構(gòu)造，青海獅子溝構(gòu)造，塔里木南喀、東秋里塔克構(gòu)造等。

5.裂隙發(fā)育的特種巖性地層

(1)地層組構(gòu)特征：此類地層裂隙發(fā)育，破碎；大多為特種巖性地層，如煤層、玄武巖、輝綠巖、火成巖等；玄武巖中所含的粘土礦物往往是伊蒙無序間層或蒙皂石，其相對含量高達(dá)90～100%，煤層中所夾的泥巖中所含粘土礦物大多是高嶺石(30～80%)，輝綠巖中泥巖夾層中粘土礦物以伊利石為主,并含伊蒙有序間層；部分地區(qū)此類地層處于強(qiáng)地應(yīng)力作用下，坍塌壓力高。

(2)潛在井下復(fù)雜情況：井塌、卡鉆或井漏。

(3)井壁不穩(wěn)定發(fā)生原因：因地層裂隙發(fā)育、破碎，極易坍塌，塌塊較大，特別的厚煤層，煤脆性大，一鉆開就會發(fā)生坍塌；煤層坍塌會引起夾層泥頁巖失去支撐而發(fā)生坍塌；地層中的伊蒙無序間層或蒙皂石水化膨脹引起坍塌；鉆井液密度偏低，不能平衡地層坍塌壓力，造成此類地層力學(xué)不穩(wěn)定。

(4)鉆井液技術(shù)對策：依據(jù)地層坍塌壓力確定鉆井液密度，保持井壁力學(xué)穩(wěn)定；根據(jù)夾層粘土礦物按第三類選擇鉆井液類型，最好選用強(qiáng)抑制性的鉀銨基、兩性離子、陽離子聚磺鉆井液或正電膠鉆井液；鉆井液中加足封堵劑與降濾失劑，封堵裂隙，鞏固井壁；可能情況下，提高返速與鉆井液粘切，既保證帶出大塊塌塊，又使環(huán)空鉆井液保持層流，減少對井壁的沖蝕；鉆厚煤層必須控制鉆速，每鉆0.2米劃一次眼。

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