井壁不稳定地层分类与钻井液技术
井壁不稳定是钻井工程中常遇到的井下复杂情况之一，严重影响钻井速度、质量及成本；部分新探区还会因井壁不稳定而无法钻达目的层，延误勘探与开发的速度，影响其经济效益。为了获取在钻井工程中稳定井壁的主动权，从1979年开始对全国各含油气盆地发生井壁不稳定地层的几万块岩样的矿物组分、理化特性进行分析研究，并收集了几万口井钻井过程中所发生的井下复杂情况、钻井工程与钻井液技术措施。运用上述资料，对我国钻井工程中所发生井壁不稳定的原因与地层组构特征、钻井工程与钻井液技术措施之间的关系进行综合分析研究，提出了以井壁不稳定地层矿物组分与组构特征为主要依据的分类方法。经现场反复验证，八次修改完善，得出我国含油气盆地井壁不稳定地层可分为六大类八个亚类的看法，以此作为选择钻井液体系和制定相应的技术对策的依据。此项研究成果是我国井壁稳定技术研究逐步实现科学化、定量化的重要标志。下面简单介绍各类地层的组构特点、潜在的井下复杂情况、井壁不稳定发生原因及钻井液技术对策的要点。
1.胶结差的砂、砾、黄土层
(1)地层组构特征：胶结差、未成岩的流砂层与砾石层；钻遇深度通常从0～1000m。
(2)潜在的井下复杂情况：塌、漏。
(3)井壁不稳定发生原因：胶结差。
(4)钻井液技术对策：一般采用高粘切、高膨润土含量的膨润土浆或正电胶膨润土浆；对于大或特大砾石层，可适当提高钻井液密度和环空返速，以利于钻屑的携带。
(5)典型区块：辽河油田明化镇组地层，东疆北三台与三台构造第四系地层，吐哈盆地第四系地层等。
2.层理裂隙不发育软的砂岩与泥岩互层
此类地层依据其膨胀性与分散性可将其分为三个亚类：
2-1易膨胀强分散的砂岩与泥岩互层
(1)地层组构特征：此类地层粘土矿物以伊蒙无序间层为主；大多属于第三系或白垩系地层，成岩程度低，呈块状，处于早成岩期；分散性强，回收率大多小于20％；阳离子交换容量高，15-30mmol/100g土；泥岩易膨胀，膨胀率高达20-30%；砂岩渗透率高；绝大部分地层属于正常压力梯度，极个别地区此类地层出现异常压力梯度；岩石可 ※此项研究工作是与各油田泥浆技术人员共同进行的，由徐同台进行综合研究。
钻性级别低，小于1级～3级。
(2)潜在井下复杂情况：造浆性强，地层自造浆密度高，切力大，含砂量高；钻井过
程中易缩径，起钻遇卡拔活塞，灌不进钻井液，处理不当易发生卡钻、井塌、下钻遇阻、
划眼、蹩泵、井漏；阻卡井段固定，以700m～1500m井段最为严重。
(3)井壁不稳定发生原因：泥岩中伊蒙无序间层吸水膨胀、分散、缩径；高渗透砂岩形成厚泥饼；钻速高，环空钻屑浓度过高。
(4)钻井液技术对策：采用强包被的聚丙烯酸盐聚合物、两性离子聚合物、阳离子聚合物、正电胶阳离子聚合物、正电胶等类型钻井液；对于直径等于或小于244mm的井眼，应采用低密度、低粘、低切钻井液，提高返速，使环空钻井液处于紊流；对于直径等于或大于311mm的井眼，在保证钻屑携带前题下，应尽可能降低粘切，提高钻井液的抑制性与返速，降低滤失量，改善泥饼质量；控制环空钻屑浓度；搞好固控。
(5)典型区块：东部各油田明化镇组地层等。
2-2不易膨胀强分散的砂岩与泥岩互层
(1)地层组构特征：粘土矿物以伊利石、绿泥石为主；成岩程度低，呈块状；大多属于第三系、白垩系地层；分散性强，回收率小于10%；阳离子交换容量高(18-26mmol/100g土)；泥岩不易膨胀，膨胀率低(7～12%)；地层压力梯度正常；可钻性级别低(1～3级)；部分地区地层水矿化度高。
(2)潜在井下复杂情况：易造浆，自造浆膨润土含量低，膨润土与钻屑比值可高达1：5～10；砂岩或粉砂岩井段易缩径；起钻经常遇卡，阻卡发生在新钻开井段，一般距井底15～150m处，没有固定卡点，遇卡时能灌进钻井液；一旦发生卡钻，能恢复循环，泡解卡剂加震击器均能解卡。
(3)井壁不稳定原因：此类地层以砂岩、粉砂岩为主，易分散，渗透性好，极易形成虚厚泥饼，摩擦系数高，故易发生粘卡事故；个别层段机械钻速过高，造成环空钻屑浓度过高；环空返速低，井眼净化不好。
(4)钻井液技术对策：采用强包被聚丙烯酸盐聚合物、聚磺、正电胶等类钻井液，抑制钻屑分散，控制低密度；钻井过程中补充优质预水化膨润土浆、降滤失剂、磺化沥青及润滑剂，在高渗透砂岩地层快速形成低渗透的内泥饼，并使外泥饼薄而润滑性能好；在可能条件下，尽可能提高环空返速，形成紊流；控制环空钻屑浓度不要过高；加强固控，使用离心机，降低含砂量。
(5)典型区块：塔里木轮南等构造第三系与白垩系地层，塔西南群库恰克构造第三系地层等。
2-3中等分散砂岩与泥岩互层
(1)地层组构特征：粘土矿物以伊利石、高岭石、绿泥石为主，并含伊蒙有序间层，个别地区含有少量伊蒙无序间层；已成岩，属于晚成岩A期；大多数为侏罗系、三叠系地层；中等分散，回收率50～80%；阳离子交换容量低，3～8mmol/100g土；正常压力梯度；个别地区砂层渗透性好。
(2)潜在井下复杂情况：清水钻进一般超过三天会发生井塌；含伊蒙无序间层的泥岩，如采用清水或全絮凝聚合物钻井液，极易发生井塌；对于砂岩发育的地层，如用高粘高切钻井液钻进，当环空返速低时，起钻在新井段易与2－2类地层一样发生遇卡。
(3)井壁不稳定发生原因：清水浸泡时间过长会引起伊蒙间层水化膨胀，造成泥岩坍塌；砂岩井段发生阻卡原因与2-2类相同。
(4)钻井液技术对策：对于存在伊蒙有序间层地层采用抑制性全絮凝聚合物钻井液(聚合物可依据地层特点选用阴离子、两性离子或阳离子聚合物)；对于存在伊蒙无序间层的地层采用低膨润土含量聚合物钻井液、两性离子聚合物钻井液。
(5)典型区块：四川侏罗系地层，长庆油田安塞、樊家川靖边上部地层等。
3.层理裂隙发育的泥页岩
(1)地层组构特征
此类地层层理发育，大多数塌层均存在异常孔隙压力，处于从伊蒙无序间层向伊蒙有序间层或伊蒙有序间层向伊利石过渡带、生油层或处于强地应力控制构造运动作用激烈的地带；其地质年代从第三系至志留系；已成岩，成岩期从早成岩B期至晚成岩A、B、C期；岩石从软至硬，岩石可钻性3～8级。此类地层依据其理化性能又可将其分为三个亚类：
3-1易膨胀强分散泥岩
此类泥岩以蒙皂石或伊蒙无序间层为主，其相对含量为30～95%；易膨胀，膨胀率20～30%；分散性能与地质年代和井深有关，对于东部第三系地层，通常井深小于2600m的泥岩，属于强分散，回收率小于10%；阳离子交换容量中至高，一般12～22mmol/100g土。
3-2易膨胀中等至弱分散泥页岩
此类泥页岩大多数以伊蒙有序间层(25～55%)伊利石(35～72%)为主，少数地区深井段仍以伊蒙无序间层为主；中至弱分散，回收率一般40～90%；易膨胀，膨胀率20～30%;阳离子交换容量中～低，一般2 ～12mmol/100g土；处于深层强地应力作用下的泥页岩，往往裂隙发育，塌块大。
3-3弱膨胀弱分散泥页岩
此类泥页岩以伊利石为主，不含或含少量伊蒙有序间层(间层中含蒙皂石20%左右)；不易分散，回收率90～99%；不易膨胀，膨胀率7～10%；阳离子交换容量低1～8mmol/100g土；部分地区此类地层层理发育，深层泥页岩往往处于强地应力作用下，裂隙发育，塌块大。
(2)潜在井下复杂情况：井塌，卡钻，井漏。
(3)井壁不稳定发生原因：钻井液密度偏低，不能平衡因泥页岩异常孔隙压力与强地应力引起的高坍塌压力；裸眼井段长，上部存在强水化膨胀缩径的泥岩层，若钻井液与工程技术措施与地层不配伍，钻井过程中造成缩径，起钻阻卡产生抽吸，对下部地层形成负压差，引起井塌；钻井液滤液进入泥页岩，引起地层吸水膨胀，强度下降，并产生高的膨胀压力，引起井壁附近泥页岩产生裂缝，造成井塌；组成泥页岩的不同粘土矿物水化时所产生的膨胀量与膨胀压力不相同，在地层内部形成内应力，加剧泥页岩破裂；泥页岩中的层理与裂隙(钻井液滤液侵入的通道)是发生井塌的祸根，井塌的严重程度取决于泥岩层理、裂隙发育程度；环空钻井液返速过高，形成紊流冲刷井壁；不合理钻井工程措施，如起下钻过快形成过高的抽吸压力，环空返速过高，冲刷井壁等。
(4)钻井液技术对策
A依据地层孔隙压力、地应力、岩石力学性能，选用合理的钻井液密度，保持井壁稳定是防止井壁坍塌的先决条件；
B采用沥青类产品、植物油渣、磺化酚醛树脂、褐煤类等处理剂，封堵层理、裂隙，阻止钻井液滤液进入地层，此类处理剂加量随泥岩层理、裂隙发育程度加剧而增加；
C降低高温高压滤失量与泥饼渗透性，控制钻井液pH值低于9；
D依据坍塌层矿物组分与理化性能选用钻井液类型。对于3-1亚类，选用既能有效抑制泥岩水化分散，又能抑制膨胀，并能有效封堵的钻井液，如氯化钾聚合物钻井液、氯化钾腐钾钻井液及其它钾基钻井液，聚磺钻井液，钾铵基聚磺钻井液，两性离子聚磺钻井液，阳离子聚磺钻井液，正电胶钻井液，有机硅钻井液等；对于3-2亚类，选用强抑制、强封堵的钻井液，如聚磺钻井液，两性离子聚磺钻井液，阳离子聚磺钻井液，正电胶阳离子聚合物钻井液、钾铵基聚磺钻井液，正电胶钻井液，钾石灰钻井液，有机硅钻井液等，如地层水矿化度高，可用氯化钾适当提高钻井液的矿化度；对于3-3亚类，选用强封堵钻井液，如三磺钻井液，硅酸钾聚磺钻井液，钾铵基聚磺钻井液、两性离子聚磺钻井液、若地层水矿化度高，可用氯化钾适当提高钻井液矿化度，若地层裂隙极发育，塌块大，应适当提高钻井液的粘切，及时带出塌块。
E选用合适的泵量与环空返速，既确保钻屑的携带，又使钻井液在环空处于层流状态，减少钻井液对井壁的冲刷。
(5)典型区块：3-1类：大港油田与华北河西务构造沙河街组，东疆三台与北三台构造等；3-2类：胜利、辽河、华北等油田沙三组，江苏油田阜宁组与戴南组，吉林油田嫩二、一组，二连腾格尔组，塔里木侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系等；3-3类：大庆青山口组、泉头组，长庆西缘石千峰、石盒子组，酒西盆地三叠系、二叠系等。
4.含盐膏地层
此类地层按岩性可分为两个亚类：
4-1纯厚盐膏层
(1)地层组构特征：此类地层是纯厚盐层，单层厚度较大，一般从几米至几十米，总厚度从几十米至1900米；盐间夹层为不易发生坍塌的白云岩、灰岩及层理裂隙不发育不易坍塌的硬泥岩等；粘土矿物分为两类：一类以伊利石为主(93%～99%)、含少量绿泥石(1%～7%)，另一类以伊利石(42%～59%)与伊蒙有序间层(21%～47%)为主；泥页岩阳离子交换容量低(3～10mmol/100g土)，中等分散，回收率大于20%(回收率与泥页岩中是含盐有关，含盐泥页岩的回收率低,不含盐回收率高)；易膨胀，膨胀率(26％～30％)，膨胀率与泥页岩中含盐量和含水量有关。
(2)潜在井下复杂情况：钻井液粘度、切力、滤失量增大，中深井段盐层井径扩大 ，夹层井径接近钻头直径；钻至深层时，易发生缩径，起下钻易发生阻卡与卡钻；固井质量差，易挤毁套管。
(3)井壁不稳定发生原因：因盐溶引起钻井液性能变坏，中深井段井径扩大；因盐重结晶引起起下钻阻卡；深井段因盐塑性流动造成缩径，引起起下钻阻卡或卡钻，卡钻一般情况可泡淡水胶液溶解盐而解卡，下钻迂阻时，千万不要硬压，严防卡死。
(4)钻井液技术对策：对于中深井段盐层总厚度不到100m的井,可采用适当钻井液密度的欠饱和盐水钻井液，使盐溶解而引起井径扩大率与盐岩因塑性变形而引起缩径率相接近，严防缩径。对于厚盐层采用饱和盐水钻井液钻进；浅井段补充盐水胶液，防止盐溶引起井径扩大；在中深井段适当补充淡水胶液，使盐溶解引起的井径扩大值与盐塑性变形引起的缩径值相接近。深井段，必须依据井深、井温、与盐岩类别来确定钻井液密度，控制盐岩因塑性变形而引起缩径，并使用盐抑制剂抑制盐重结晶。
(5)典型区块：江汉油田潜江组，四川川中等。
4-2盐、膏、泥复合地层
(1)地层组构特征：此类地层盐、膏、泥相间，互层多且薄，岩性变化大，并含盐膏软泥岩、碎泥与盐结合物及以盐为胶结物的角砾岩等；泥岩层理、裂隙发育，软泥岩含水高；泥岩中粘土矿物可分为二类：一类以伊利石为主(75～90%)、并含绿泥石(10～25%)，另一类以伊利石为主(43～100%)、并含伊蒙有序间层、高岭石、绿泥石；阳离子交换容量低(1～10mmol/100g土)，中等至弱分散，含盐膏泥岩的回收率(14～90%)，其回收率随含盐量增加而下降；膨胀率(4%～26%)，膨胀率与泥页岩中含盐量与含水量有关，含盐量高的泥岩初始膨胀率高，随着测量过程中泥页岩中盐的溶解，可能出现负的膨胀率；泥页岩大多孔隙压力异常，部分地区的盐、膏、泥页岩处于强地应力作用下。
(2)潜在井下复杂情况：钻井液粘度、切力、滤失量增大；极易发生缩径或井塌卡钻；电测遇阻卡；固井质量差，易挤毁套管。
(3)井壁不稳定发生原因：因盐溶解引起井塌，严重时造成卡钻；因盐或含盐膏软泥岩塑性变形引起缩径卡钻；因无水石膏吸水膨胀引起缩径卡钻；因层理与裂隙发育泥页岩水化而造成坍塌；强地应力地区，如所使用的钻井液密度过低，引起盐岩与软泥岩缩径，造成卡钻。
(4)钻井液技术对策：根据井深、井温、地应力、所钻盐与含盐软泥岩类别选择合理的钻井液密度，控制缩径；采用抑制性强的饱和盐水钻井液、油包水钻井液，防止盐溶引起井塌，并保持钻井液性能稳定(对含有大量石膏的地层，可在钻井液中加入硫酸钠或硫酸铵，采用等离子效应控制石膏的溶解)；饱和盐水钻井液中应加入沥青类与磺化酚醛树脂类产品，封堵泥岩层理、裂隙，降低HTHP滤失量，防止井塌；选用合理环空返速与钻井液流变参数，既保证钻屑的携带，又要保证环空处于层流，减少对井壁冲蚀；保持钻井液良好的流变性与润滑性，防止粘卡。
(5)典型区块：中原油田文东构造，青海狮子沟构造，塔里木南喀、东秋里塔克构造等。
5.裂隙发育的特种岩性地层
(1)地层组构特征：此类地层裂隙发育，破碎；大多为特种岩性地层，如煤层、玄武岩、辉绿岩、火成岩等；玄武岩中所含的粘土矿物往往是伊蒙无序间层或蒙皂石，其相对含量高达90～100%，煤层中所夹的泥岩中所含粘土矿物大多是高岭石(30～80%)，辉绿岩中泥岩夹层中粘土矿物以伊利石为主,并含伊蒙有序间层；部分地区此类地层处于强地应力作用下，坍塌压力高。
(2)潜在井下复杂情况：井塌、卡钻或井漏。
(3)井壁不稳定发生原因：因地层裂隙发育、破碎，极易坍塌，塌块较大，特别的厚煤层，煤脆性大，一钻开就会发生坍塌；煤层坍塌会引起夹层泥页岩失去支撑而发生坍塌；地层中的伊蒙无序间层或蒙皂石水化膨胀引起坍塌；钻井液密度偏低，不能平衡地层坍塌压力，造成此类地层力学不稳定。
(4)钻井液技术对策：依据地层坍塌压力确定钻井液密度，保持井壁力学稳定；根据夹层粘土矿物按第三类选择钻井液类型，最好选用强抑制性的钾铵基、两性离子、阳离子聚磺钻井液或正电胶钻井液；钻井液中加足封堵剂与降滤失剂，封堵裂隙，巩固井壁；可能情况下，提高返速与钻井液粘切，既保证带出大块塌块，又使环空钻井液保持层流，减少对井壁的冲蚀；钻厚煤层必须控制钻速，每钻0.2米划一次眼。
(5)典型区块：河南周口盆地，塔里木塔中18井区，华北采育构造，冀东油田等。
6.强地应力作用下的深层硬脆性地层
(1)地层组构特征：此类地层处于强地应力作用下的深部地层；各种岩性都有，如泥岩、砂岩、粉砂岩、泥质砂岩、泥质粉砂岩、灰岩等；粘土矿物以伊利石、伊蒙有序间层为主；不易分散，回收率大于80%；不易膨胀；岩石可钻性大于六级，硬度高。
(2)潜在井下复杂情况：井塌、卡钻。
(3)井壁不稳定发生原因：钻井液密度低，不足以平衡地应力，造成力学不稳定；钻井液密度过高，超过地层破裂压力，造成地层破碎坍塌；伊蒙有序间层粘土矿物水化膨胀等。
(4)钻井液技术对策：依据地层力学性能、孔隙压力、地应力来确定地层坍塌压力与破裂压力，选用合适的钻井液密度，既不低于地层坍塌压力系数，又不超过地层破裂压力系数；提高钻井液封堵能力，降低钻井液HTHP滤失量与渗透滤失量，改善泥饼质量与封堵效能；适当提高钻井液的抑制性；选用合适流变性(深井段要保持钻井液在高温、高压下的流变性能)，既保证钻屑携带，又在环空呈层流状态，减少对井壁的冲蚀。
(5)典型区块：南疆柯克亚下第三系地层，巴楚地区志留系、泥盆系地层。
致谢 此项工作是在各油田“地层矿物组分、理化特性及钻井液技术对策的研究”工作基础上进行的，门廉魁同志参加了组织各油田进行地层矿物组分分析工作。此项工作是根据中国石油天然气总公司咨询中心李天相主任、钻井工程局、科技局领导的指示进行的，并自始至终得到他们各全国各油田与院校泥浆人员的支持与帮助，在此表示感谢。
