油气井井壁失稳机理研究现状
井壁失稳是钻井过程中的核心问题，可引发严重后果。钻井液密度和地层特性是井壁稳定的关键影响因素，需合理调整钻井液密度以预防拉伸破坏和剪切失稳，并考虑地层岩性、结构、压力等。特殊地层如蠕变、弱胶结和异常高压地层需采取特定措施。工程因素如井眼轨迹、钻柱震动、钻井周期也影响井壁稳定。因此，钻井过程中需综合考虑多种因素，采取有效措施预防和缓解井壁失稳，保障钻井安全和效率。
井筒是连接储层油气资源与地面的唯一通道，井眼失稳可能引起卡钻、挤毁套管，甚至导致井筒报废，影响钻井速度及测井、固井质量，在认清井壁失稳的前提下，才能采取有效的，有针对性的措施，缓解井壁失稳程度，消除井壁失稳带来的严重后果。钻井液密度是井壁失稳的主要机理之一，地层钻开后，地层原有的平衡被打破，远场地应力在井壁周围产生应力集中，主要依靠钻井液液柱压力对井壁的支撑作用，维持井壁的稳定。如图1-6所示，当钻井液密度低于地层压力时，井周围岩可能发生多种形式的失稳，当钻井液液柱压力和地层岩石的抗拉强度不足以抵抗地层压力时，井周围岩会发生拉伸破坏，大面积的剥落至井筒内；当井周围岩在三大主应力的相互作用下，超过岩石的最大承载能力时，会发生剪切失稳，同样会引起井壁岩石的剥落，造成井眼扩径、不规则，岩屑增多，若岩块尺寸过大，可能会引起卡钻，延误钻井时机，钻井时间的延长会造成岩石强度的降低，加剧井壁失稳，形成恶性循环；钻井液液柱压力低于地层压力时，地层流体会进入井筒内，出现井涌，甚至造成井喷事故，一般情况下，应至少保证钻井液液柱压力高于地层压力，或在地面采取欠平衡钻井技术或控压钻井技术，对井底压力进行控制。提升钻井液密度至地层压力以上，可防止岩石在高地层压力下的拉伸破坏，但由于应力集中效应，井周岩石受到的主应力差值过大时，依然会造成岩石的剪切破坏，防止井壁剪切破坏的临界钻井液液柱压力即为井壁坍塌压力。当钻井液密度过高时，井内液柱压力成为最大主应力，当该应力超过岩石的抗拉强度时，地层会被压开，造成钻井液的漏失；若地层被压开，还可以通过加强封堵，降低钻井液密度，消除井漏，但井壁发生坍塌可能填埋钻具，带来不可挽回的后果，因此，应对井壁坍塌压力着重进行研究。在坍塌压力和破裂压力之间的钻井液密度值为安全密度窗口，实际使用钻井液密度不在该窗口范围内，就会出现井壁失稳现象。钻遇地层自身特性，如岩性、结构、构造、地层压力等都会造成井壁的失稳。井眼穿过裂缝性地层或断层附近时的井壁失稳机理如图1-7所示，在该类地层，钻柱的震动会导致井周围岩沿裂缝剥落，在钻进过程中，常出现卡钻问题，应尽量减小钻柱的震动；此外，当井眼与地层裂缝呈一定夹角时，钻井液更易渗透进入裂缝，岩石强度随钻井周期的延长逐渐弱化，也会导致井壁的坍塌，应对井眼与地层裂缝的相对夹角进行优化。在地壳板块挤压区域，岩石会发生变形而产生构造应力，该地层井壁失稳机理示意图如图1-8所示。在高构造应力地层，应维持高钻井液密度，提升液柱压力对井壁的支撑作用，但能保证该地层稳定的静水压力常超过已钻其他地层的破裂压力，因此并尽早下套管封隔构造应力。蠕变地层井壁失稳机理示意图如图1-9所示，在钻开塑性较强的泥岩、膏岩地层后，地层在上覆岩层压力作用下，发生蠕变，造成井眼尺寸减小，且随着钻井周期延长，井眼尺寸逐步缩小，会造成起下钻具、测井设备遇阻、卡等井下复杂问题。选择合理的钻井液类型和合适的钻井液密度，可减轻该类地层的蠕变。弱胶结地层如砂岩、角砾岩等井壁失稳机理示意图如图1-10所示，该类地层在没有致密泥饼形成的情况下，钻井液会直接渗透进入地层，钻井液液柱压力无法起到对井壁的支撑作用，常常会出现严重垮塌现象，提升钻井液形成薄、韧、致密的高质量泥饼，阻隔钻井液向地层渗透并增强钻井液对井壁的支撑程度，可增强弱胶结地层井壁稳定性。天然异常高压地层是指原始地层压力高于正常静水压力，地层快速沉积导致的欠压实、地层提升或上覆岩层的剥蚀都会导致异常高压的形成，该地层井壁失稳机理示意图如图1-11所示，降低地层的裸 露时间及使用较高的钻井液密度平衡地层压力有助于天然异常高压地层的井壁稳定性。诱发异常高压地层井壁失稳机理示意图如图1-12所示，随着地层裸 露时间的延长，钻井液通过泥饼逐渐渗透进入地层或地层粘土矿物的水化，导致井周附近孔隙压力的升高，降低了井筒内液柱压力对井壁的支撑作用，若钻井液密度降低或长期保持不变，井周孔隙压力的升高会导致井壁失稳。除钻井液密度、地层自身特征以外，工程因素如设计的井眼轨迹、钻柱的震动、钻井周期的长短、钻井液液柱压力激动、钻井液与地层岩石接触后的化学反应、钻井液温度等都会造成井壁的失稳，在认清失稳的机理后，为解决方案的实施提供基础。
