井壁稳定性和钻井安全问题

3.9.1 井壁稳定性问题的重要性及影响因素

井壁稳定性问题对于深井和超深井施工来说至关重要。由于井壁稳定性问题，德国KTB主孔施工时耗费了大量时间来处理事故和进行侧钻施工。9101m的KTB主孔施工总时间为1468天，处理事故和侧钻用了468天，占总时间的约三分之一。施工中出现的主要井壁稳定性问题是钻孔崩落、井壁坍塌和缩径。

造成井壁失稳的因素很多，包括地质因素和工程因素两个方面。地质因素主要有：地质构造类型和原地应力（大小、方向及非均匀性）、地层的岩性和产状、含黏土矿物的类型、弱面的存在及其倾角、层面的胶结情况、地层强度、裂隙节理的发育情况、孔隙度、渗透性及孔隙中的流体压力等。工程因素主要包括：钻井液的性能（失水、黏度、流变性、密度）、钻井液的成分与地层岩石化学作用的强弱（水化、膨胀作用）、井周钻井液侵入带的深度和范围、井径大小、井眼裸露时间、钻井液的环空返速、对井壁的冲蚀作用、循环动压力和起下钻的波动压力、井眼轨迹的形状、钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。

对于超深井钻探来说，热膨胀对井壁稳定性的影响则不能忽略。对中硬岩石，温度每增加1℃则产生0.4MPa的温差应力；对坚硬岩石，温度每增加1℃则产生1.0MPa的温差应力。对于13000m深的科学超深井，井壁温度变化预计超过50℃，在井壁上有可能产生的温差应力将超过50MPa。

3.9.2 科学超深井井壁稳定和钻孔安全研究路线图

1）井身结构和套管程序必须以钻井安全为基础，以地层孔隙压力梯度曲线、地层坍塌压力梯度曲线和地层破裂压力梯度曲线为设计依据。应开展深井地层孔隙压力、现今地层应力、地层坍塌压力和破裂压力以及井壁稳定性方面的研究，为钻井设计和钻井液设计提供依据。

2）针对可能在科学超深井钻遇的有代表性的岩石，着手进行高温（400℃）、高压（130MPa）不同温度、不同围岩压力条件下物理力学性质研究；并针对高温高压条件下，不同温度、不同压力钻井液流变性能和密度变化开展研究，建立高温高压钻井液密度变化剖面。这些研究成果将是科学超深井钻井工程设计的最基础的资料，建议尽快立项研究。

3）科学超深井所钻地层已超出沉积岩的深度范畴，大多属于结晶岩。对于结晶岩地层原地应力状态和地层力学参数的研究滞后于沉积岩，因此，结晶岩地层井壁稳定性钻前预测以及当前钻头处地层的井壁稳定性实时评价研究，是我国实施科学超深井钻探急需解决的理论和工程难题之一。

4）尽快开展钻前井壁稳定性预测模型研究。根据给定地层的地震等物探资料以及附近地区钻孔测井数据，开展钻前井壁稳定性预测模型研究，初步建立科学超深井井位的地层压力剖面、地层坍塌压力剖面、地层破裂压力剖面和安全钻井的钻井液密度窗口，为科学超深井井身结构、钻井液性能和钻井工艺设计提供依据。

5）针对高陡构造破碎地层和窄密度窗口下的井壁稳定和钻孔安全开展专项研究，为科学超深井钻井施工做好技术储备。

6）在实钻过程中，开展对实际的地层压力、地层坍塌压力、地层破裂压力和地层漏失压力“四个压力剖面”进行修正。根据修正结果，及时调整钻井液密度，或采用多级密度钻井液技术，或采用精细控压钻井技术，以确保井壁稳定和钻孔安全。