摘 要：硬脆性泥頁(yè)巖易發(fā)生井壁失穩(wěn)，研究了脆性泥頁(yè)巖強(qiáng)度及坍塌壓力隨井眼鉆開時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)果表明硬脆性泥頁(yè)巖地層的坍塌壓力隨浸泡時(shí)間的增加而升高。合理的鉆井液密度，提高鉆井液的封堵性、抑制性和攜巖能力是解決硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：硬脆性泥頁(yè)巖；井壁穩(wěn)定；坍塌壓力；鉆井液

井壁失穩(wěn)問(wèn)題是石油鉆井過(guò)程中普遍存在并一直困擾石油工業(yè)界的一個(gè)重大問(wèn)題，全世界每年因井壁失穩(wěn)造成的損失約占鉆井總成本的10%，世界各大公司都把井壁穩(wěn)定技術(shù)作為重點(diǎn)課題進(jìn)行研究[1]。鉆井實(shí)踐表明，最容易發(fā)生井壁失穩(wěn)的地層有兩類：硬脆性泥巖地層和水敏性泥巖地層[2]。本文研究了硬脆性泥頁(yè)巖坍塌壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律，并提出此類地層的井壁穩(wěn)定對(duì)策。

1 硬脆性泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定模型

井壁穩(wěn)定性分析中的定量計(jì)算目標(biāo)是獲得鉆井中允許使用鉆井液密度的上下限，密度下限由孔隙壓力或坍塌壓力確定，密度上限由漏失壓力確定。

在地應(yīng)力和井眼內(nèi)液柱壓力的作用下，井眼周圍應(yīng)力分布可根據(jù)平面應(yīng)變線彈性方法求解。破壞準(zhǔn)則采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則[6]，考慮鉆井液向地層滲流造成的強(qiáng)度降低、壓力傳遞以及附加應(yīng)力，硬脆性泥頁(yè)巖地層的坍塌壓力可由式（1）得出。

式中，Pc為坍塌壓力，σH、σh分別為水平最大、最小主應(yīng)力，Pp為孔隙壓力，C為地層粘聚力，η為非線性修正系數(shù)，f為地層孔隙度，α為有效應(yīng)力系數(shù)，ξ為與地層泊松比有關(guān)的系數(shù)，K為與地層內(nèi)摩擦角有關(guān)的系數(shù)。

井眼鉆開后，地層強(qiáng)度受鉆井液設(shè)地層強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的變化符合下式：

式中，UCS（t）為時(shí)間相關(guān)的地層強(qiáng)度；UCSo、UCS′分別為初始強(qiáng)度和浸泡后趨于穩(wěn)定的地層強(qiáng)度，t為時(shí)間，α為系數(shù)。

對(duì)硬脆性泥頁(yè)巖坍塌壓力變化規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算出的坍塌壓力隨井眼鉆開時(shí)間的變化情況見圖1。坍塌壓力隨井眼鉆開時(shí)間的增加不斷升高，井眼剛鉆開時(shí)上升幅度最快，隨后逐漸降低。剛鉆開時(shí)坍塌壓力約1.37g/cm3，鉆開2天后坍塌壓力升高至約1.43g/cm3，鉆開約5天之后，坍塌壓力升高至約1.45g/cm3，基本達(dá)到穩(wěn)定。跟據(jù)坍塌壓力隨井眼鉆開時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果，在3000m井段，采用密度為1.45g/cm3的鉆井液基本能較長(zhǎng)時(shí)間保持井壁穩(wěn)定。

2 硬脆性泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)對(duì)策分析

針對(duì)硬脆性泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)特性，本文提出三種對(duì)策穩(wěn)定硬脆性泥頁(yè)巖井壁。

⑴合理的鉆井液密度。井眼鉆開后需要一定的鉆井液密度來(lái)防止地層坍塌，但密度過(guò)高又會(huì)加劇鉆井液向地層的滲流，改變地層的力學(xué)性質(zhì)，引起井壁失穩(wěn)。

⑵提高鉆井液的抑制性與封堵性。提高鉆井液抑制性有利于防止泥頁(yè)巖水化膨脹，加強(qiáng)對(duì)裂縫封堵的主要目的是降低鉆井液滲流對(duì)地層的影響。若封堵性不好，提高鉆井液密度會(huì)加快鉆井液沿裂縫的滲流，對(duì)穩(wěn)定井壁不利。

⑶提高鉆井液的攜巖能力。理論分析及鉆井實(shí)踐都表明，硬脆性泥頁(yè)巖地層易產(chǎn)生較大的掉塊，因此要求鉆井液具有良好的攜巖性能。

3 結(jié)論

⑴硬脆性泥頁(yè)強(qiáng)度隨鉆井液浸泡時(shí)間的增加而降低。

⑵井眼鉆開后，坍塌壓力隨井眼鉆開時(shí)間的增加而增加，增加速率逐漸降低。

⑶合理的鉆井液密度，提高鉆井液的封堵性、抑制性和攜巖能力是解決硬脆性泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵。

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