姜春麗

摘 要：本文從三個(gè)方面分別闡述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于井壁穩(wěn)定的研究與進(jìn)展。從二十世紀(jì)中葉開(kāi)始關(guān)于井壁穩(wěn)定機(jī)理的研究經(jīng)歷了試驗(yàn)摸索到定量描述的階段。與此同時(shí)井壁模擬實(shí)驗(yàn)裝置也在各種研究的需求下誕生并一路發(fā)展。先進(jìn)的鉆井液技術(shù)，新型處理劑鉆井液體系的應(yīng)用也大大提高了井壁穩(wěn)定性能，減少了井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：井壁穩(wěn)定；泥頁(yè)巖；鉆井液

石油鉆井過(guò)程中所遇到的井壁失穩(wěn)大致可分為破碎體失穩(wěn)、塑性體失穩(wěn)和泥頁(yè)巖失穩(wěn)，其中泥頁(yè)巖失穩(wěn)就占90%以上[1-2]。在油氣勘探開(kāi)發(fā)前，地層泥頁(yè)巖處于力學(xué)、物理、化學(xué)、流體力學(xué)的各種平衡狀態(tài)，在油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，原有物理化學(xué)條件發(fā)生改變，各種平衡狀態(tài)被破壞，系統(tǒng)逐漸向另一種平衡狀態(tài)過(guò)渡，加之泥頁(yè)巖本身的脆弱及其極強(qiáng)的物理化學(xué)敏感性，因而經(jīng)常給油氣勘探開(kāi)發(fā)帶來(lái)各種問(wèn)題。

一、井壁穩(wěn)定性機(jī)理研究進(jìn)展

井壁穩(wěn)定性問(wèn)題的研究，早在二十世紀(jì)中葉就己經(jīng)開(kāi)始[3]。從研究思路來(lái)說(shuō)，可以歸結(jié)到以下三大類(lèi)：井壁穩(wěn)定的力學(xué)研究；泥頁(yè)巖穩(wěn)定的化學(xué)因素研究；泥頁(yè)巖穩(wěn)定的力學(xué)與化學(xué)耦合研究。

從國(guó)內(nèi)外在這方面研究的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，可以將泥頁(yè)巖水化力學(xué)與化學(xué)耦合研究分為兩個(gè)階段：七十年代初到九十年代初的實(shí)驗(yàn)摸索階段；九十年代以后的對(duì)化學(xué)影響定量描述的階段。1970年，M.E.chenevert[4]開(kāi)始研究頁(yè)巖吸水以后力學(xué)性質(zhì)的變化；通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察了頁(yè)巖密度、屈服強(qiáng)度、吸水膨脹與吸水量之間的關(guān)系，并測(cè)量了頁(yè)巖吸附水量與時(shí)間和距離的關(guān)系。1989年，C.H.Yew和M.EChenevert在定量化研究中邁出了第一步[5]。他們首先假設(shè)泥頁(yè)巖為滲透各向同性的基礎(chǔ)上，再結(jié)合質(zhì)量守恒方程，得到柱坐標(biāo)內(nèi)的吸水量方程。再將泥頁(yè)巖的力學(xué)性質(zhì)與其總含水量（總吸附水量）相關(guān)聯(lián)，然后又將水化膨脹應(yīng)變與總含水量W相關(guān)聯(lián)，便可求得力學(xué)與化學(xué)耦合后的應(yīng)力、應(yīng)變及位移。1992年，Hale和Mody用等效孔隙壓力法來(lái)研究泥頁(yè)巖水化的耦合[6]，1993年又將半透膜等效孔隙壓力理論應(yīng)用到頁(yè)巖與水基泥漿。C.P.Tan等人在1996一2000年間在對(duì)頁(yè)巖穩(wěn)定性的研究中認(rèn)為，總水勢(shì)（孔隙壓力與滲透壓之和）差是導(dǎo)致水流動(dòng)的根本原因，并根據(jù)水和巖石組分的連續(xù)性方程推導(dǎo)出膨脹性介質(zhì)中的水流方程[7]。

國(guó)內(nèi)部分研究者采用了c.H.Yew方法進(jìn)行了類(lèi)似研究，最有代表意義的是石油大學(xué)黃榮蹲其不同處有以下幾點(diǎn)：第一，認(rèn)為泊松比與含水量有關(guān)。第二，認(rèn)為彈性模量E與W成指數(shù)關(guān)系，而非線性關(guān)系。第三，給出了中國(guó)大慶頁(yè)巖的內(nèi)聚強(qiáng)度C和摩擦角必同W的線性關(guān)系。第四，采用有限元法求解方程。

二、井壁穩(wěn)定模擬裝置研究進(jìn)展

模擬裝置是進(jìn)行室內(nèi)開(kāi)發(fā)層損害有關(guān)研究的必須設(shè)備。近十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外均比較重視這方面的研制工作。

1987年，Marx等人率先設(shè)計(jì)了一套動(dòng)濾失污染裝置，研究了這些不同因素對(duì)堵塞比（DR）的影響規(guī)律。1992年，JiaoDimensionlesS等人設(shè)計(jì)了一個(gè)組合型裝置，其主要由五部分組成：鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、濾失巖芯夾持器、壓力測(cè)量接頭、電阻率測(cè)量接頭、正反向流動(dòng)系統(tǒng)。1994年，D.Longeron等人研制了一套能夠模擬孔底情況的裝置，來(lái)研究鉆井液在油層表面形成濾餅況和鉆井液濾液的侵入。1996年，K.leerlooijeer等人研制了一套多巖芯動(dòng)濾失裝置。它可同時(shí)研究同一鉆井液在四個(gè)巖芯端靜動(dòng)濾失及對(duì)巖芯滲透率的影響，并同時(shí)測(cè)出濾失過(guò)程中形成的濾餅的厚度。1997年，Paul Franois等人設(shè)計(jì)了一套全尺寸鉆井模擬器，用于儲(chǔ)層損害的研究。

我國(guó)在泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的力學(xué)方面也進(jìn)行了大量深入細(xì)致的研究工作，形成了一套完善的室內(nèi)聲發(fā)射凱塞爾試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)水力壓裂試驗(yàn)相結(jié)合的地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)。形成了一套巖石強(qiáng)度參數(shù)的測(cè)定技術(shù)。利用多孔彈性介質(zhì)力學(xué)理論，對(duì)井壁圍巖的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析計(jì)算，并結(jié)合巖石破壞準(zhǔn)則，推導(dǎo)了地層坍塌壓力和破裂壓力的計(jì)算模型。建立了“井壁穩(wěn)定力學(xué)分析系統(tǒng)”程序。

三、鉆井液技術(shù)與鉆井液體系的發(fā)展

隨著對(duì)井壁穩(wěn)定機(jī)理方面認(rèn)識(shí)的不斷深入，針對(duì)泥頁(yè)巖地層的鉆井液技術(shù)也有了相應(yīng)的發(fā)展。從提高井壁穩(wěn)定性，改善處理劑的抑制性能到使用高性能的鉆井液體系等幾方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步與發(fā)展[3]。在鉆井過(guò)程中嚴(yán)格控制鉆井液的密度，使地層保持壓力平衡。采用無(wú)機(jī)鹽有機(jī)鹽提高鉆井液的抑制性能，運(yùn)用大分子的聚合物提高鉆井液對(duì)粘土的包被抑制作用，降低鉆井液的濾失量，減少泥頁(yè)巖的水化膨脹，并運(yùn)用封堵材料對(duì)井壁的微裂縫進(jìn)行及時(shí)的封堵，盡量減少水的運(yùn)移，以確保井壁的穩(wěn)定。在處理劑方面陽(yáng)離子聚合物和兩性離子聚合物烷基葡萄糖苷以及胺基抑制劑等處理劑的應(yīng)用，大大提高了鉆井液的抑制性能。除此之外各種高性能強(qiáng)抑制的水基鉆井液體系的研發(fā)也大大降低了井下復(fù)雜情況的發(fā)生。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外先后出現(xiàn)了聚合醇鉆井液體系[4]、強(qiáng)抑制胺基鉆井液體系[5]、甲基葡萄糖苷鉆井液體系[6]以及合成基鉆井液體系等一系列強(qiáng)抑制體系，大大降低了泥頁(yè)巖地層的復(fù)雜情況。

四、結(jié)束語(yǔ)

雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)在針對(duì)井壁穩(wěn)定方面的研究取得了一定的進(jìn)展，但由于對(duì)泥頁(yè)巖井壁水化失穩(wěn)的機(jī)理和本質(zhì)認(rèn)識(shí)還不夠深入和完善，泥頁(yè)巖井壁水化失穩(wěn)問(wèn)題至今未能從根本上得到解決，仍是目前制約我國(guó)鉆井工程發(fā)展的重要因素之一。在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步在低密度鉆井液固相控制，新型強(qiáng)抑制鉆井液處理劑的研發(fā)的同時(shí)加強(qiáng)機(jī)理研究，進(jìn)一步減少井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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