第六章钻孔冲洗及护壁堵漏2

主讲人：杜振川 第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 钻进复杂地层时，如果措施不当，往往造成不同程度的钻孔不同程度的钻孔坍塌、掉块、漏失、涌水或井喷、孔壁膨胀或缩小等孔内复坍塌、掉块、漏失、涌水或井喷、孔壁膨胀或缩小等孔内复杂情况杂情况，钻进效率低，钻孔质量差，钻进成本高，甚至出现不能继续钻进和造成钻孔报废的严重后果。一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 复杂地层：复杂地层：是指钻进时产生不同程度的钻孔坍塌、掉块、漏是指钻进时产生不同程度的钻孔坍塌、掉块、漏失、涌水或井喷、孔壁膨胀或缩小等孔内复杂情况的地层。失、涌水或井喷、孔壁膨胀或缩小等孔内复杂情况的地层。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 复杂地层 不稳定地层 漏失（或涌水）地层 力学不稳定地层 遇水不稳定地层 轻微漏失 中等漏失 严重漏失 第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层、不稳定地层 1）力学不稳定地层力学不稳定地层：是指受地质成因或受构造运动影响造成的破碎地层，或受大气、地表水、地下水和生物活动而遭受机械破坏与化学破坏的地层。这类地层一旦被钻穿后，就会破坏其原来的相对稳定或平衡状态，使孔壁在重力作用下产生坍塌、掉块等孔壁失稳现象。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层、不稳定地层 1）力学不稳定地层属于浅部的力学不稳定地层包括流砂、砂砾松散地层，具体如风化残积层、冲积层和洪积层、流砂层等。这些地层的特征是：胶结差或不胶结、松散、孔隙度大、稳定性差、透水性强、钻进时不仅孔壁易坍塌，而且还伴随着冲洗液漏失或涌水。最不稳定的流砂层，极易坍塌，甚至无法形成钻孔。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层、不稳定地层 1）力学不稳定地层深部的力学不稳定地层主要有破碎地层和裂隙地层，具体如断层破碎带和交叉断裂裂隙形成的硬脆碎地层。这些地层的特征是：被破碎成颗粒或被切割成大小不等的块体，颗粒或块体间无连结、空隙大、透水性强、稳定性差。钻进时孔壁坍塌、钻孔超径，同时常出现冲洗液的漏失。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层、不稳定地层 2）遇水不稳定地层遇水不稳定地层：钻进中遇到这类地层是指孔壁与冲洗液接触，因而产生松散、溶胀、剥落、溶蚀等孔壁失去稳定性的地层，故亦称水敏性地层。钻进中遇到这类地层时，常出现钻孔缩径、超径、孔壁剥落、崩塌等孔壁失稳问题。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层、不稳定地层 2）遇水不稳定地层（1）遇水松散地层。这类地层由于受风化或蚀变的影响，岩层遇水后经浸泡，产生松散性破碎，表现为掉块、塌孔、孔内渣子多等。这类岩层如风化黄铁矿、风化大理岩、风化花岗岩、风化泥质砂岩等。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层、不稳定地层 2）遇水不稳定地层（2）遇水溶胀地层。这类地层遇水后，颗粒或分子间的联结力降低，岩层吸水后体积膨胀，甚至进而以胶体或悬浮状态分散在水中形成悬浮体。这类岩层有粘土、泥岩、软页岩、绿泥石等。钻进这类岩层时，产生因溶胀而缩径，因分散成悬浮体而超径。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层、不稳定地层 2）遇水不稳定地层（3）遇水剥落地层。这类地层由于其结构的不均匀性，如层理、节理、片理的存在，以及其充填物和胶结物的水敏性，遇水后往往产生片状剥落或块状剥落。如硬页岩、片岩、千枚岩、滑石化高岭石化板岩、硬煤层等。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层、不稳定地层 2）遇水不稳定地层（4）遇水溶解地层。这类地层与水接触后便溶解于水中，由于溶解的结果，使孔壁出现超径。属于这类地层的有：岩盐、钾盐、石膏、芒硝及天然碱等。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类一、复杂地层及其分类 2、漏失地层、漏失地层 根据漏失的严重程度可分为：（1)轻微漏失：冲洗液仍能保持循环，但孔内返回的水量小于送入的水量，水源箱中的冲洗液不断减少。（2）中等漏失：有时孔内有一定的水位，但孔口不返水，说明漏失地段在孔壁；有时突然涌失，孔内没有水位，说明是孔底漏失。（3）严重漏失：冲洗液全部漏失，钻孔没有水位，或呈深水位。这是遇到了裂隙、断层、破碎带或喀斯特溶洞、地下河等地层第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断二、孔内复杂情况的分析与判断 为了有效地处理钻孔中出现的复杂情况，必须对可能发生的孔内复杂情况复杂地层的深度、厚度、孔径变化；漏失层的深度、厚度、漏失量等了解清楚。这样才能正确地采取预防措施，有效地处理孔内复杂情况。对复杂地层的分析判断包括两个方面。即：在钻进过程中的分析判断和用专门的装置或仪器对复杂层位进行测定。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断二、孔内复杂情况的分析与判断 1）根据岩层结构情况判断漏失层位和坍塌孔段）根据岩层结构情况判断漏失层位和坍塌孔段坍塌地层一般完整性和胶结力较差，钻进时孔内渣子多，坍塌地层一般完整性和胶结力较差，钻进时孔内渣子多，往往采不上岩心。在冲洗液冲刷和钻具的碰撞敲击之下，往往采不上岩心。在冲洗液冲刷和钻具的碰撞敲击之下，易产生掉块和坍塌。从岩心的组织结构上观察是否有裂缝、易产生掉块和坍塌。从岩心的组织结构上观察是否有裂缝、节理或溶洞等可判断出孔内漏失的层位。节理或溶洞等可判断出孔内漏失的层位。1、在钻进过程中的分析判断、在钻进过程中的分析判断第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断二、孔内复杂情况的分析与判断 2）根据钻速情况判断复杂层位）根据钻速情况判断复杂层位当钻进中遇到破碎带、大裂缝和溶洞时，不但会产生漏失当钻进中遇到破碎带、大裂缝和溶洞时，不但会产生漏失现象，而且钻进速度都有变快的趋势。从钻速突然加快上现象，而且钻进速度都有变快的趋势。从钻速突然加快上可以判断出是遇到了破碎带或溶洞发育孔段。可以判断出是遇到了破碎带或溶洞发育孔段。1、在钻进过程中的分析判断、在钻进过程中的分析判断第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断二、孔内复杂情况的分析与判断 3）根据泥浆性能变化判断复杂层）根据泥浆性能变化判断复杂层若遇到泥浆性能变坏，如相对密度增大，粘度升高，含砂若遇到泥浆性能变坏，如相对密度增大，粘度升高，含砂量增加等，则可能是发生了孔壁坍塌现象。若遇到泥浆相量增加等，则可能是发生了孔壁坍塌现象。若遇到泥浆相对密度和粘度下降，失水量大增，则可能遇到了涌水地层。对密度和粘度下降，失水量大增，则可能遇到了涌水地层。若发现泥浆中有大量气泡或充气现象，则可能是钻到了含若发现泥浆中有大量气泡或充气现象，则可能是钻到了含气地层。气地层。1、在钻进过程中的分析判断、在钻进过程中的分析判断第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断二、孔内复杂情况的分析与判断 4）根据水泵压力表的变化判断漏失层）根据水泵压力表的变化判断漏失层正常钻进时，水泵压力表变化不大，压力一般只是随孔深正常钻进时，水泵压力表变化不大，压力一般只是随孔深而增加。一旦发生水泵压力突然变化，压力表指针迅速返而增加。一旦发生水泵压力突然变化，压力表指针迅速返回，则可能是遇到了漏失层。相反若压力突然升高，则可回，则可能是遇到了漏失层。相反若压力突然升高，则可能遇到了坍塌层，因坍塌物堵塞循环通道而迫使水泵压力能遇到了坍塌层，因坍塌物堵塞循环通道而迫使水泵压力突然升高，甚至产生蹩泵现象。突然升高，甚至产生蹩泵现象。1、在钻进过程中的分析判断、在钻进过程中的分析判断第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断二、孔内复杂情况的分析与判断 5）根据孔内稳定水位判断漏失层）根据孔内稳定水位判断漏失层孔内稳定水位在起钻后、下钻前用测钟或水位计测量。当孔内稳定水位在起钻后、下钻前用测钟或水位计测量。当发现漏失层时，则视漏失层含水与否。出现如下图所示的发现漏失层时，则视漏失层含水与否。出现如下图所示的不同情况：不同情况：(a)为漏失层为非含水层；为漏失层为非含水层；(b)为含水漏失层的水为含水漏失层的水位高于漏失层；位高于漏失层；(c)为含水漏失层的水位在漏失层之间。为含水漏失层的水位在漏失层之间。1、在钻进过程中的分析判断、在钻进过程中的分析判断第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断二、孔内复杂情况的分析与判断 确定漏失层是否含水确定漏失层是否含水(a)漏失层为非含水层；漏失层为非含水层；(b)含水漏失层的水位高于含水漏失层的水位高于漏失层；漏失层；(c)含水漏失层的水位在漏含水漏失层的水位在漏失层之间。失层之间。1、在钻进过程中的分析判断、在钻进过程中的分析判断5）根据孔内稳定水位判断漏失层）根据孔内稳定水位判断漏失层第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析造成孔壁失稳的因素，概括起来，主要有以下几方面：造成孔壁失稳的因素，概括起来，主要有以下几方面：(1)造成孔壁失稳的岩层性质及赋存条件，即复杂地层的成造成孔壁失稳的岩层性质及赋存条件，即复杂地层的成因类型及性质；因类型及性质；(2)钻进过程中造成孔壁岩层应力状态的变化；钻进过程中造成孔壁岩层应力状态的变化；(3)钻进过程中孔壁岩层受冲洗液的破坏作用；钻进过程中孔壁岩层受冲洗液的破坏作用；(4)钻进过程中采用的工艺技术及升降钻具产生压力激动等钻进过程中采用的工艺技术及升降钻具产生压力激动等对孔壁的破坏作用。对孔壁的破坏作用。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：1）孔壁周围岩石受的压力）孔壁周围岩石受的压力钻孔后，孔壁周围的岩石承受以下的压力。钻孔后，孔壁周围的岩石承受以下的压力。静液柱压力静液柱压力它是由液柱重量引起的压力，其大小与液柱的单位重量及它是由液柱重量引起的压力，其大小与液柱的单位重量及垂直高度（即孔深）有关。垂直高度（即孔深）有关。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：1）孔壁周围岩石受的压力）孔壁周围岩石受的压力静液柱压力静液柱压力Pw=9.8110-3 H 静液柱压力 液体的密度 H 垂直高度 wpww第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：1）孔壁周围岩石受的压力）孔壁周围岩石受的压力静液柱压力静液柱压力液体密度愈大，垂直高度愈大即孔深愈大，则液柱压力愈液体密度愈大，垂直高度愈大即孔深愈大，则液柱压力愈大。大。常把每单位高度（或深度）增加的压力值，叫做压力常把每单位高度（或深度）增加的压力值，叫做压力梯度，用梯度，用GW表示表示，即：，即：wwwHpG31081.9 静液柱压力 液体的密度H 垂直高度 wpw第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：1）孔壁周围岩石受的压力）孔壁周围岩石受的压力上覆岩层压力它是指某深处在该岩层以上的岩层和孔隙中流体（油、气、水）的总重量造成的压力。其大小随岩石和流体重量的增加而增加，随孔深的增加而增加。通常假设上覆岩层压力是随深度均匀增加的。对于沉积岩一般采用上覆岩层压力梯度的理论值为G0=0.0231 MPa/m第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：1）孔壁周围岩石受的压力）孔壁周围岩石受的压力 地层压力它是指作用在岩石孔隙内流体上的压力，故也叫地层孔隙压力。在各种沉积中，正常地层压力（pp）等于从地表到地下该地层处的静液柱压力。即：pp=9.81X10-3H 岩石空隙中流体的密度；H地层厚度正常地层压力梯度为0.0107MPa/m。高于静液柱压力的地层压力称为异常高压。低于静液柱压力的地层压力称为异常低压。异常高压地层钻井时往往发生井喷，而异常低压地层则往往发生压漏地层。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：2）孔壁周围岩石内的应力）孔壁周围岩石内的应力在岩体中钻孔后，钻孔周围原岩应力的平衡状态受到破坏。根据弹性力学原理，对于各向同性的岩体中的直孔，钻孔周围岩层的应力状态超过岩石的抗张强度或抗压强度时，便造成孔璧破坏。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：3）影响孔壁失稳的钻井技术因素）影响孔壁失稳的钻井技术因素冲洗液对岩层的水化作用通常是指那些在钻进中易发生坍塌、剥落、膨胀等复杂情况的泥页岩。冲洗液对岩层的水化作用第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：3）影响孔壁失稳的钻井技术因素）影响孔壁失稳的钻井技术因素A 表面水化：研究指出，页岩粘土矿物表面水化时，可以吸附多至4个水分子层的水，层间距离可增大，这就会引起明显的膨胀和软化。冲洗液对岩层的水化作用第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：3）影响孔壁失稳的钻井技术因素）影响孔壁失稳的钻井技术因素A 表面水化：冲洗液对岩层的水化作用页岩在沉积成岩时，在受上覆岩层的压力而压实过程中，原来吸附的水被挤出。挤出最后一层水分子，约需200MPa以上的压力。挤干的页岩表面再与水接触时，便以很大的吸附能量来吸附水，此能量称为水化能。页岩释放能量而吸水，造成水化膨胀。因此，页岩表面水化力的大小与上覆岩层的压力有关。地质年代愈久，页岩埋藏愈深，上覆岩层压力愈大，页岩中被挤出的水分愈多，则再次与水接触时，吸附外来水分的能量就愈大，即表面水化力就愈大。第二第二 节节 钻孔护壁堵漏钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：3）影响孔壁失稳的钻井技术因素）影响孔壁失稳的钻井技术因素B 渗透水化：渗透水化是由渗透压力的存在而产生的。渗透压力是在半渗透膜存在条件下，由于体系中的不同部分存在着离子浓度差而产生的。冲洗液对岩层的水化作用B 渗透水化：页岩与冲洗液接触时，页岩表面好像一个半渗透膜，当岩层水和冲洗液之间存在含盐浓度差时，就会产生渗透水化。渗透的方向是低离子浓度溶液的水分子向高离子浓度溶液中迁移。当用淡水泥浆作冲洗液时，页岩中水的离子浓度高，泥浆中的水转移到页岩中去，从而造成页岩的水化膨胀。反之，用高矿化泥浆作冲洗液时，页岩中的水被吸出，造成页岩的去水化。页岩因去水化又会导至页岩开裂而造成孔壁失稳。因此，必须保持页岩中液体的离子浓度与冲洗掖的离子浓度平衡，才会有利于孔壁的稳定。冲洗液对岩层的水化作用三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：3）影响孔壁失稳的钻井技术因素）影响孔壁失稳的钻井技术因素冲洗液对岩层的直接冲刷，使孔壁岩层破坏并导至孔壁失稳的程度，取决于冲洗液循环时在环空中的流速和流态。环空中上返速度大，易形成紊流，对孔壁的冲刷作用便大，不利于孔壁稳定。而流速较小的层流，对孔壁的冲刷作用小，有利于孔壁稳定。冲洗液对孔壁岩层的直接冲刷作用三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：3）影响孔壁失稳的钻井技术因素）影响孔壁失稳的钻井技术因素压力激动是指在有液体的孔内进行升降钻具时，因钻具运动引起的孔内某一点的液体压力的骤增或骤减，这一现象称为压力激动，产生的动压称为激动压力。压力激动对孔壁的破坏作用三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：孔壁失稳机理：3）影响孔壁失稳的钻井技术因素）影响孔壁失稳的钻井技术因素压力激动对孔壁的破坏作用是，由于下钻时冲洗液在高速下落的钻具的挤压下产生高的冲击动能，使孔壁周围岩层承受很高的挤压力，孔壁由此而被压裂。起钻时，粗径钻具如同一活塞，在钻具高速上行时，使钻头下部的空腔产生负压，对孔壁岩层产生抽吸压力，孔壁周围的岩层因失去原来的孔内压力平衡而造成垮塌。孔愈深，下钻或起钻的速度愈大，产生的挤压压力或抽吸压力愈大，对孔壁周围岩石的破坏也愈大。压力激动对孔壁的破坏作用三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理依据对孔壁失稳的机理分析，稳定孔璧，必须采取相应的技依据对孔壁失稳的机理分析，稳定孔璧，必须采取相应的技术措施：术措施：(1)根据孔壁岩层的性质，建立孔内各种压力间的压力平衡，根据孔壁岩层的性质，建立孔内各种压力间的压力平衡，以实现压力平衡钻进；以实现压力平衡钻进；(2)根据不同岩层产生失稳的特征，选用合理的防塌泥浆，调根据不同岩层产生失稳的特征，选用合理的防塌泥浆，调整其组成及性能，并采用相应的防塌措施。整其组成及性能，并采用相应的防塌措施。(3)对于力学不稳定地层，除采用与之相适应的冲洗介质和合对于力学不稳定地层，除采用与之相适应的冲洗介质和合理的钻进技术外，应采用凝固性材料固结孔壁岩层，以提高理的钻进技术外，应采用凝固性材料固结孔壁岩层，以提高孔壁岩层的稳固强度，达到稳定孔壁的目的。孔壁岩层的稳固强度，达到稳定孔壁的目的。三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理维持钻孔一地层间的压力平衡，这是稳定孔壁的有效方法。维持钻孔一地层间的压力平衡，这是稳定孔壁的有效方法。欲建立钻孔一地层间的压力平衡，首先必须了解在钻井时，欲建立钻孔一地层间的压力平衡，首先必须了解在钻井时，孔壁岩层受哪些力的作用，然后建立它们之间的平衡方程。孔壁岩层受哪些力的作用，然后建立它们之间的平衡方程。钻井时，依此平衡方程，针对不同地层采取各种技术措施和钻井时，依此平衡方程，针对不同地层采取各种技术措施和工艺方法，以维持此平衡方程。工艺方法，以维持此平衡方程。1）压力平衡护壁的原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理钻井中孔壁岩层所受的力，除了上述的静液柱压力钻井中孔壁岩层所受的力，除了上述的静液柱压力(p W)、上、上覆岩层压力（覆岩层压力（p0）和孔隙压力）和孔隙压力(pp)3种力之外，尚作用着下列种力之外，尚作用着下列各种作用力：各种作用力：(1)冲洗液循环的环空压力。冲洗液循环的环空压力。这是冲洗液在循环时，途径钻柱这是冲洗液在循环时，途径钻柱和孔壁之间的环空时所需克服的环空阻力。克服此阻力而产和孔壁之间的环空时所需克服的环空阻力。克服此阻力而产生的压力降同样作用在孔壁岩层上，生的压力降同样作用在孔壁岩层上，此环空压力以此环空压力以pc表示之。表示之。1）压力平衡护壁的原理孔壁岩层的受力情况三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理(2)激动压力。激动压力。钻具在孔内升降时，由于钻具的高速运动引起钻具在孔内升降时，由于钻具的高速运动引起孔内压力的突然升降所造成的瞬时压力值称为激动压力，孔内压力的突然升降所造成的瞬时压力值称为激动压力，以以ps表示之。表示之。(3)泥页岩的表面水化力。泥页岩的表面水化力。泥页岩形成时，其中的水份在高压泥页岩形成时，其中的水份在高压下被挤走，当泥页岩被钻孔揭开时，它与冲洗液相接触，泥下被挤走，当泥页岩被钻孔揭开时，它与冲洗液相接触，泥页岩要水化吸水，吸水的力等于挤出水分时的压力，此压力页岩要水化吸水，吸水的力等于挤出水分时的压力，此压力即是泥页岩的表面水化力，以即是泥页岩的表面水化力，以pH表示。表示。1）压力平衡护壁的原理孔壁岩层的受力情况三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理(4)渗透水化力。渗透水化力。钻孔一地层系统中，孔壁上形成泥饼（或其钻孔一地层系统中，孔壁上形成泥饼（或其他吸附膜）时，此吸附膜如同半透膜，在地层水与冲洗液间他吸附膜）时，此吸附膜如同半透膜，在地层水与冲洗液间存在有含盐量的差别时，便会因渗透压力而产生渗透。此渗存在有含盐量的差别时，便会因渗透压力而产生渗透。此渗透压力即为渗透水化力，以透压力即为渗透水化力，以pop表示。表示。上述各种力，在钻井中有的不是同时作用的。为建立平衡方上述各种力，在钻井中有的不是同时作用的。为建立平衡方程，应区分钻孔静止时、钻进时、升降钻具时及力学不稳定程，应区分钻孔静止时、钻进时、升降钻具时及力学不稳定地层和遇水不稳定地层的不同情况。地层和遇水不稳定地层的不同情况。1）压力平衡护壁的原理孔壁岩层的受力情况三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理 非水敏性地层：非水敏性地层：主要是物理力的平衡主要是物理力的平衡 P Wp p（或（或p W=p p+p t）式中：式中：p t为安全而增加的附加压力，为安全而增加的附加压力，p t=0.53 Mpa；1）压力平衡护壁的原理 稳定孔壁的平衡条件A 静态情况 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理 水敏性地层水敏性地层 pw+pH pp+p 0 p m 或或 p w+p H+p 0 p s pp 式中：式中：p 0 p m冲洗液矿化度高于地层时的渗透水化力，指冲洗液矿化度高于地层时的渗透水化力，指向钻孔；向钻孔；p0 p s泥页岩水的矿化度高于冲洗液时的渗透水化力，泥页岩水的矿化度高于冲洗液时的渗透水化力，指向地层；指向地层；pH 页岩表面水化力。页岩表面水化力。1）压力平衡护壁的原理 稳定孔壁的平衡条件A 静态情况 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理非水敏性地层非水敏性地层 pW+pc pp 水敏性地层 pW+pc+pH pp+p0pm 1）压力平衡护壁的原理 稳定孔壁的平衡条件B 动态情况 钻进时：三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理非水敏性地层非水敏性地层 pW+ps pp 水敏性地层 pW+ps+pH pp+p0pm1）压力平衡护壁的原理 稳定孔壁的平衡条件B 动态情况 升降钻具时：三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理为建立和维持上述的这些平衡关系，应改变或调节主观能控为建立和维持上述的这些平衡关系，应改变或调节主观能控制的一些力，如静液柱压力、环空循环压力、激动压力、冲制的一些力，如静液柱压力、环空循环压力、激动压力、冲洗液的渗透水化力等。为此可以：洗液的渗透水化力等。为此可以：调节冲洗液的密度和含盐量；调节冲洗液的密度和含盐量；选择抑制性的泥浆体系，调节其组成和配方（如钙泥浆选择抑制性的泥浆体系，调节其组成和配方（如钙泥浆体系、钾泥浆体系、有机阳离子泥浆体系等）；体系、钾泥浆体系、有机阳离子泥浆体系等）；调节冲洗液的性能：粘度、切力、滤失量。调节冲洗液的性能：粘度、切力、滤失量。1）压力平衡护壁的原理 稳定孔壁的平衡条件三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理(1)离子作用原理。离子作用原理。离子作用的原理是利用无机盐类或无机碱类的离子，离子作用的原理是利用无机盐类或无机碱类的离子，与粘土质的泥页岩表面进行离子交换，改变粘土的活性，从而控制粘土与粘土质的泥页岩表面进行离子交换，改变粘土的活性，从而控制粘土的水化膨胀性能。的水化膨胀性能。常用的无机盐和无机碱有：常用的无机盐和无机碱有：NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、NH4Cl、KOH、Ca(OH)2等。尤其是等。尤其是KCl稳定孔壁的效能最好，稳定孔壁的效能最好，这是由于：这是由于：钾离子水化能小，易紧密地吸附在负电荷中心附近，或易钾离子水化能小，易紧密地吸附在负电荷中心附近，或易中和粘土表面的负电荷；中和粘土表面的负电荷；钾离子易嵌入粘土晶片的六角环中起封闭结钾离子易嵌入粘土晶片的六角环中起封闭结构的作用，从而阻止泥页岩的水化；构的作用，从而阻止泥页岩的水化；钾离子一旦被粘土吸附后不易被钾离子一旦被粘土吸附后不易被其他离子交换下来。其他离子交换下来。2）防塌泥浆的机理与类型 防塌机理三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理(2)包被作用。包被作用。聚合物泥浆中的水溶性聚合物吸附在孔壁岩层或粘土矿聚合物泥浆中的水溶性聚合物吸附在孔壁岩层或粘土矿物表面上，形成一层高分子吸附膜，阻止粘土与水的接触，从而抑制泥物表面上，形成一层高分子吸附膜，阻止粘土与水的接触，从而抑制泥页岩的水化膨胀页岩的水化膨胀。这种包被作用的实质是聚合物的长链在泥页岩表面产。这种包被作用的实质是聚合物的长链在泥页岩表面产生多点吸附，一方面长链分子的多点吸附，横向封闭了页岩的微裂缝，生多点吸附，一方面长链分子的多点吸附，横向封闭了页岩的微裂缝，保持和增强了岩层的胶结强度；另一方面长链的多点吸附，在岩层表面保持和增强了岩层的胶结强度；另一方面长链的多点吸附，在岩层表面形成渗透性小的吸附膜，阻止了水分子的进入，从而抑制了泥页岩的水形成渗透性小的吸附膜，阻止了水分子的进入，从而抑制了泥页岩的水化膨胀。化膨胀。2）防塌泥浆的机理与类型 防塌机理三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理(3)封堵作用。加入泥浆中的特种添加剂，如沥青、油渣等材料，可用来封堵属于力学不稳定的岩层的微裂缝或松散破碎带，防止钻井液中的水分沿岩层裂缝渗入地层和遇水剥落崩解的岩层，从而起到防止稳定孔壁坍塌的目的。2）防塌泥浆的机理与类型 防塌机理三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理(4)活度平衡原理。活度平衡的实质是使泥浆的活度与地层水的活度相平衡，利用渗透原理来有效控制粘土、泥页岩的水化膨胀，保持孔壁的稳定。所谓活度平衡，就是调节泥浆中水相的含盐量，直到泥浆中水的化学位与页岩中水的化学位相等为止。2）防塌泥浆的机理与类型 防塌机理三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理(5)正电势垒稳定原理。混合金属层状氢氧化物（MMH）与粘土矿物形成复合体后，在负电粘土颗粒的周围，形成一层正电荷的势垒，能有效地阻止粘土的离子交换，从而起到稳定活度的作用，有效地抑制粘土矿物的渗透水化而膨胀。2）防塌泥浆的机理与类型 防塌机理三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 2、稳定孔壁的基本原理、稳定孔壁的基本原理(1)钙盐体系防塌泥浆。如石灰泥浆、石膏泥浆、氯化钙泥浆。(2)钾盐体系防塌泥浆。包括氯化钾、氢氧化钾和聚合物及其他抑制剂配制的泥浆。(3)沥青类泥浆。(4)有机阳离子聚合物泥浆。(5)油基泥浆。2）防塌泥浆的机理与类型 防塌泥浆类型三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失 钻孔漏失是复杂地层钻进中最常见的难题之一。由于钻孔漏失，有时造成冲洗液的大量消耗，有时甚至会因钻孔漏失引起孔内垮塌，卡埋钻具，造成钻进困难等。钻孔漏失处理不当可引起孔内其他事故，甚至造成钻孔报废。这不仅影响钻进速度和钻井质量，而且会带来时间和经济上的巨大损失。三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失 钻孔漏失：是指钻孔内冲洗液从孔内向周围岩石产生明显的泄漏。冲洗液漏失的根本原因是孔内液柱相对于岩层产生压力差，以及岩石中存在有漏失通道，即钻孔地层系统存在压力不平衡和岩层中有漏失通道这两方面。1）钻孔漏失的原因三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失 钻井中钻孔与地层间的压力差为：静止时 p=p W pp-p t 钻井时 p=p W+pc pp-p t 升降作业时 p=p W+p s pp-p t1）钻孔漏失的原因式中：pW静液柱压力；pc液体在环空中流动时克服流动阻力的压力；ps激动压力；pp地层压力（孔隙压力）；pt冲洗液在漏失通道中流动时克服阻力所需的压力三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失 由上面的关系式看出产生漏失（或涌水）的原因有：(1)地质和水文地质条件。岩层中存在的孔隙、裂缝、洞穴的大小、张开程度、贯通性、上覆岩层的含水情况等，这是造成漏失（或涌水）的天然客观条件，即漏失通道的存在及其状况是产生漏失的重要原因。在上面的关系式则表现为pp及pl的大小1）钻孔漏失的原因三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失 由上面的关系式看出产生漏失（或涌水）的原因有：(2)工艺技术原因。钻孔结构选择的正确性，冲洗方法、冲洗介质的种类及其参数选择的合理与否，冲洗液沿环空的流动速度及钻具转速的选择，升降作业的操作等。在上述关系式中表现为对pc，pW，ps大小的影响。这些是主观能控制和调节的，是防止漏失的可控因素。1）钻孔漏失的原因三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失(1)研究漏失带岩石的岩性特性及其孔隙度、裂隙性和洞穴性；(2)确定漏失带的深度和厚度；(3)查明漏失层数；(4)评价裂隙开口大小；(5)测量地层压力值；(6)确定层间液体运动速度和方向；(7)确定所研究孔段的实际孔径；(8)评价漏失带的漏失强度；(9)确定层间水的矿化度和围岩温度。2）漏失地层的观测研究的主要任务三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失 日常观测的项目有：(1)孔内静水位的变化；(2)用各种水位计观测冲洗液循环池中液体体积的变化；(3)用流量计检测进、出孔的冲洗液量；(4)泵排水管线上的压力变化；(5)岩心采取率和岩心上裂隙的分布情况；(6)钻孔进尺情况，机械钻速的变化等。专门孔内测试方法可分为：物探测井、水动力法测井和其他孔内测试方法。3）孔内观测研究方法 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失(1)尽量维持钻孔地层系统的压力平衡，即应尽力做到以上公式中的p为零为此应：A 降低孔内液柱压力；B 降低环空循环压力损失；C 降低激动压力；D 增加液体在漏失通道中流动时的阻力。4）预防和治理钻孔漏失的基本方法预防和治理钻孔漏失的基本方法 钻孔漏失的预防三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失(2)减小漏失断面或完全堵塞漏失通道A 调节冲洗液体的相对密度。冲洗液在孔内的液柱压力主要取决于冲洗液的相对密度。降低冲洗液的相对密度是降低孔内液柱压力的主要方法。为了降低冲洗液的相对密度应：采用优质土造浆；强化泥浆的净化工作。岩粉混入泥浆，使泥浆的密度增大，从而使孔内静液柱压力增大，因此，必须尽力把携带出地表的岩粉从泥浆中分离出去。4）预防和治理钻孔漏失的基本方法预防和治理钻孔漏失的基本方法 钻孔漏失的预防三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失(2)减小漏失断面或完全堵塞漏失通道B 调节冲洗液的流变特性。在实际钻进中，往往静止时钻孔不漏失，一旦钻进，冲洗液循环，便产生漏失，这便是pc动压力造成的孔内漏失。要降低pc值，重要的是冲洗液的流变特性。泥浆的粘度和切力过高，必然会使pc增高，甚至会因(pw+pc)而压裂地层造成漏失。因此应尽力降低泥浆的粘度和切力。4）预防和治理钻孔漏失的基本方法预防和治理钻孔漏失的基本方法 钻孔漏失的预防三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失(2)减小漏失断面或完全堵塞漏失通道C 冲洗液中添加惰性充填材料 D 完善钻进技术及工艺措施 4）预防和治理钻孔漏失的基本方法预防和治理钻孔漏失的基本方法 钻孔漏失的预防三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失(1)治理方法A 增阻法。增大漏失通道的流动阻力或减小以致完全堵塞漏失通道的断面，属于这一类的有各种堵漏泥浆；加有惰性充填材料的各种泥浆等。B 注浆固结法。采用各种堵漏浆液，注入到漏失带，以封堵漏失通道，如各种水泥浆液、化学浆液、沥青乳液等。C 隔离法。用金属或其他材料的套管下到孔内漏失孔段隔离漏失带。D 其他方法。包括改液体冲洗钻进为空气洗井钻进，气液混合液钻进，无泵钻进等。4）预防和治理钻孔漏失的基本方法预防和治理钻孔漏失的基本方法 钻孔漏失的治理 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失(2)堵漏材料堵漏浆液：原理是增大漏失通道中液体流动的阻力或减小漏失通道的断面（甚至完全堵塞漏失通道）。稠泥浆；冻胶泥浆及其他结构泥浆；聚丙烯酰胺泥浆；石灰乳泥浆；加有惰性充填材料的泥浆。4）预防和治理钻孔漏失的基本方法预防和治理钻孔漏失的基本方法 钻孔漏失的治理 三、钻孔护壁堵漏的基本原理三、钻孔护壁堵漏的基本原理 3、钻孔漏失、钻孔漏失(2)堵漏材料惰性充填材料：主要是充填颗粒堆积物在漏失通道中填塞、堆积、膨胀，并由于压力的作用而压实，从而堵塞漏失通道，解决钻孔冲洗液的漏失。锯末、云母、棉子壳、核挑壳、塑料粒、碎橡皮、纺织纤维的废料等，均可作为堵漏用惰性材料。4）预防和治理钻孔漏失的基本方法预防和治理钻孔漏失的基本方法 钻孔漏失的治理 四、处理孔内复杂情况的一般方法四、处理孔内复杂情况的一般方法(1）控制孔内液柱的压力，保持钻孔一地层间的压力平衡。）控制孔内液柱的压力，保持钻孔一地层间的压力平衡。主要是通过调节冲洗液的相对密度以平衡地层压力，如用主要是通过调节冲洗液的相对密度以平衡地层压力，如用泡沫或泡沫泥浆，降低孔内液柱压力以防止和解决漏失问泡沫或泡沫泥浆，降低孔内液柱压力以防止和解决漏失问题；用加重泥浆以防止井涌或井喷。题；用加重泥浆以防止井涌或井喷。四、处理孔内复杂情况的一般方法四、处理孔内复杂情况的一般方法(2)采用各种类型的防塌泥浆以维护不稳定孔壁，特别是稳定采用各种类型的防塌泥浆以维护不稳定孔壁，特别是稳定水敏性地层的孔壁。防塌泥浆一般要矿化度高，失水量低，相水敏性地层的孔壁。防塌泥浆一般要矿化度高，失水量低，相对密度和粘度适当。如聚丙烯酰胺对密度和粘度适当。如聚丙烯酰胺氯化钾泥浆、腐植酸钾泥氯化钾泥浆、腐植酸钾泥浆、钾浆、钾石灰泥浆、乳化沥青泥浆、有机阳离子聚合物泥浆等，石灰泥浆、乳化沥青泥浆、有机阳离子聚合物泥浆等，可有效地抑制水敏性地层的坍塌、崩塌或掉块。可有效地抑制水敏性地层的坍塌、崩塌或掉块。四、处理孔内复杂情况的一般方法四、处理孔内复杂情况的一般方法(3)采用水泥，各种化学浆液、粘土等粘结性材料来胶结孔壁采用水泥，各种化学浆液、粘土等粘结性材料来胶结孔壁破碎的岩石和堵塞岩石裂缝或洞穴，以达到护壁或堵漏的目的。破碎的岩石和堵塞岩石裂缝或洞穴，以达到护壁或堵漏的目的。对于较大的漏失通道，如大的裂缝或孔洞等，可往浆液中适当对于较大的漏失通道，如大的裂缝或孔洞等，可往浆液中适当加入惰性充填材料，如砂子、核桃壳、棉子壳等材料进行堵塞，加入惰性充填材料，如砂子、核桃壳、棉子壳等材料进行堵塞，减少漏失通道的断面，以提高其堵漏效果。减少漏失通道的断面，以提高其堵漏效果。四、处理孔内复杂情况的一般方法四、处理孔内复杂情况的一般方法(4)采用套管隔离。对于严重坍塌的孔段，可强行通过，然后采用套管隔离。对于严重坍塌的孔段，可强行通过，然后下入套管隔离；也可采用跟套管钻进。严重漏失的孔段，如大下入套管隔离；也可采用跟套管钻进。严重漏失的孔段，如大溶洞，顶漏强行通过后，用套管隔离，用小一级口径继续钻进。溶洞，顶漏强行通过后，用套管隔离，用小一级口径继续钻进。(5)其他方法。对于一些特殊的情况，可采用冻结法、电化学其他方法。对于一些特殊的情况，可采用冻结法、电化学方法加固孔壁。方法加固孔壁。