深地钻井井壁稳定性影响因素与应对策略分析

朱寒杨，王李昌，彭文祥，隆威，赵志涛

(1. 中南大学，长沙 410083；2. 北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

随着经济社会发展，地表及浅层矿产资源逐渐枯竭，自然灾害、环境污染等问题不断涌现，人类不断加快向深地探索前进的步伐，并尝试在深地中找到解决资源和空间问题的答案[1-2]。深地探索目前仍以科学钻探手段为主，其目标地层主要为长期处于高温、高地应力、高岩溶水压的结晶岩地层[3]。

由于深地环境复杂，而且钻进工况动态变化，维持深地井壁稳定性一直是亟待提高和解决的问题。对深地环境井壁稳定性进行分析，有利于提高科学钻探的钻井效率、安全性以及地热能等资源勘探开采的效率，也为未来深地空间的利用奠定基础。

1 深地井壁稳定性影响因素

深地井壁稳定性是多场耦合的复杂问题，包含应力场、温度场、渗流场、化学场耦合等作用，还有地层岩体、钻具、钻井液等多介质条件，是多场和多因素耦合的结果[4]。

理论上，产生井壁失稳状态的本质原因在于钻井成孔过程中井壁周围的应力场产生变化，导致井壁应力集中，同时钻井内钻井液柱压力没有和井壁周围地应力产生新的平衡[5]。深地井壁失稳原因可以分为表面钻柱、钻井液等直接作用和高温、高地应力等因素影响内部裂隙发育的间接作用[3]，其影响因素又可以分为深地条件下岩石和环境因素、钻井液的物理化学作用和钻进过程对井壁的直接影响。

1.1 岩石

岩石的裂隙、节理和物理化学性质是一般工况下影响井壁稳定性的主要因素。岩石的裂隙和节理不仅降低了围岩的稳定性，还增大了与钻井液接触面，岩石的黏聚力和内摩擦角在渗流和化学作用下逐渐减小，岩石裂缝逐渐扩展至贯通，进一步降低了围岩和井壁的稳定性。同时，岩石中的矿物成分，如具有吸水膨胀效应的黏土矿物，也是地层失稳的重要原因。随着钻井深度增大，地层温度迅速上升，岩石的黏聚力、内摩擦角以及强度等随地层温度增大而减小[4]。深地钻井井底温度一般可达200 ℃以上，岩石的物理化学性质变化是影响深地井壁稳定性的重要原因。

1.2 钻井液

井壁稳定性受到钻井液在钻井内的循环和裂隙中的渗流等作用影响。钻井液的循环产生了液柱压力，变化的液柱压力会破坏井内应力平衡。控制液柱压力的关键参数是钻井液密度，当钻井液密度过低，则液柱压力小，无法抵消围岩应力，井壁易发生坍塌等事故；反之，当液柱压力大于地层破裂压力时，井壁无法承受液柱压力产生裂隙，发生钻井液漏失等问题[6]。漏失的钻井液在裂隙中的渗流和化学作用，同样可以引起岩石物理力学性质发生变化，进而影响井壁稳定性。

1.3 钻进过程

在深地成井过程中，钻进工况随着钻井工艺参数的选择产生不同的变化，对井壁稳定性会产生直接影响。主要有井眼轨迹设计、钻进方法、钻井参数的影响。

钻井井眼轨迹设计包含了井斜角、方位角、深度三个参数，钻进过程中井眼轨迹在不断变化。一般情况下，井斜角越大，钻井越不稳定。

钻井方位角对井壁稳定性有一定影响。当上覆地层孔隙压力大于水平方向最大地应力，且大于水平方向最小地应力时，钻井的方位角为沿水平最小地应力方向，比沿水平最大地应力方向的井壁稳定性更高[6]。

深地钻井一般采用牙轮钻头冲击回转钻进，其剪切、冲击作用在钻进过程中对井壁稳定性造成影响。

剧烈的钻柱振动在钻井井壁撞击处形成裂隙损伤，对钻井井眼变形和井壁稳定性有明显影响，严重时甚至引起井壁掉块、堵塞等事故[7]。另外，钻进过程起钻和下钻的瞬间，钻头与钻井液形成冲击和抽吸压力，钻井内钻柱和液柱压力平衡被打破，井壁稳定性进一步受到影响，如图1所示。

图1 钻进过程中钻具对井壁的影响

钻井过程中，钻井效率需要和井壁稳定性动态平衡，影响钻井效率的参数主要为机械钻速。一般情况下，机械钻速越大，钻井液中岩屑越多，且钻井液通过循环净化效率也会降低，从而使钻井液密度增大，造成液柱压力改变，最终容易产生钻井液漏失等复杂情况，影响了井壁的稳定性。

2 提高深地井壁稳定性的方法

首先要做好前期地质准备工作，调查清楚地层结构和主要岩石物理力学性质。其次要设计合理的井身结构，如三级井身结构，稳定倾斜角。对于直井，3000 m内井斜不大于7°，4000 m内井斜不大于9°，4000 m以上终孔井斜不大于10°[8]。对于上层松软地层，使用套管可以预防对深地井壁环境的污染，减少井内事故的发生。

根据深地井壁稳定性的影响因素，提升深地井壁稳定性的直接方法可以分为两种，分别是钻井液的改良和钻井工艺的优化。

2.1 钻井液的改良

由于深地钻探的深度变化大，要随时根据地层情况，关注钻井液密度和流变性，稳定钻井液密度或钻井液柱压力，保持井内应力动态平衡。

同时，采用高黏、高切、低滤失量的钻井液，如油基钻井液、油包水乳化钻井液、含有各种堵塞剂的钻井液等，不仅有利于减少井内井壁稳定性事故的发生，也有利于携带岩屑以及增加钻进效率[5]。对于深地的高温环境，还需要考虑到耐高温的钻井液，如聚磺钻井液体系等。从高黏、高切、低滤失量和耐高温这几个角度对钻井液进行优选评价，也是提高深地钻探井壁稳定性的关键方法。

2.2 钻井工艺的优化

在钻进过程中，首先是要均匀地控制机械钻速。稳定的钻进速度不仅可以稳定钻进过程钻具的运动，减少井壁碰撞，还可以充分返砂，减少钻井液中的固相含量。

在深部钻探工程，由于目标地层主要为较硬的结晶岩，钻进中会出现钻压不足的问题，钻压不足不仅会影响机械钻速[9]，也间接导致了钻进过程中钻进事故的发生。在硬岩中应采取高压低速以及大泵量的钻进参数，从而控制机械钻速和钻井液中固相含量。

3 结论

人类对资源和空间的索求加速了深地钻探技术和理论研究的发展，伴随着研究的深入，科学钻井的深度将在安全可靠的前提下不断增大。

本文归纳了深地井壁稳定性的影响因素，总结了深地井壁稳定性提升的具体措施，为开展深地科学钻探及采热工程，提高井壁稳定性提供了参考。具体结论如下：

(1)深地井壁稳定性的主要影响因素有岩石物理力学性质、钻井液密度、钻井井眼轨迹、钻具运动和机械钻速。

(2)深地井壁钻井工艺改进措施主要有设计合理的井身结构、根据地质条件调整钻井液参数和配方，以及根据钻井阶段调整钻井参数。