Question

第1章 概述

Answer 1

科学超深井与其他钻井的区别在于深部岩石所处于高地应力、高地温、高地层压力的“三高”环境，使深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应均发生根本性变化，是导致超深井事故出现多发性和突发性的根本原因所在。

井壁稳定问题包括钻井过程中的井壁坍塌或缩径、地层破裂或压裂两种基本类型，是所有钻井工程所遇到的普遍性问题。井壁岩石失稳，其实质就是井壁岩石所受的应力超过它在井眼状态下的强度，钻井液的侵蚀作用减弱岩石的强度，同时产生的水化应力改变岩石的应力状态。当井内钻井液柱压力过低时，作用在井壁上的最大主应力与最小主应力差超过该处岩石的剪切强度，井壁岩石发生破坏，对于脆性岩石井壁发生崩落现象，对于塑性岩石井壁发生缩径；当井内钻井液密度过大使岩石所受的周向应力超过岩石的拉伸强度而造成地层破裂。

造成井壁失稳的因素很多，主要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。对于科学超深井钻探来说，热膨胀对井壁稳定性的影响则不能忽略，有文献（刘佑荣等，1999）报道：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，由于取心作业，钻井液反复循环及停止循环，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。

另外，套管柱设计时，套管额定强度主要依据常温材料性能来确定的。在温度较高时，由于材料性能发生改变，屈服强度、抗拉强度、弹性模量和延伸率等参数也会变化，如果仍以常温数据设计，安全系数必然降低。目前，没有详细的套管材料屈服强度与温度之间关系的数据，国外文献取温度每升高1℃，屈服强度降低值为20℃时屈服强度的0.0544%。例如：令20℃时屈服强度为1，385℃时屈服强度为：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）

也就是套管在385℃时的屈服强度仅是其20℃的80.144%。由此可见，在高温条件下，套管材料屈服强度的降低程度，应得到套管设计人员的高度重视。

对科学超深井来说，钻井液循环温度高，取心钻具的环空间隙较小，起下钻对井壁产生的波动压力（黏滞波压力和惯性波压力）大，井壁稳定问题更为突出。井喷、井漏、地层的坍塌，钻具的黏附，固井不返水泥浆等许多井内问题都是由于没有掌握井壁稳定状况，导致措施失当而引起的。此外，井壁稳定性问题还涉及套管程序的设计、井口装置的选择、钻井液措施和固井方法的选择。所以，井壁稳定性问题是科学超深井钻探施工的关键问题之一。

针对沉积地层，中国石油天然气集团公司将“复杂地层条件下深井超深井钻井技术研究”列为“九五”、“十五”重大科技工程项目之一，并根据不同区域深井超深井的钻井技术难点设置了包括“钻前地层压力与井壁稳定预测”在内的5个研究课题。这一项目成果对我国山前构造等复杂地层条件下5000～6000m深井优快钻井及加快深部油气勘探开发步伐具有十分重要的作用。然而，我国已实施的科学钻探最深的钻孔为CCSD-1井，完井深度5158m；油气井最深的是塔深1井，完井深度8408m，超过7000m的深井仅有10余口，与国外均有很大的差距。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。

本专题的研究内容：

1）详细调研深孔条件下井壁稳定性和钻孔安全方面的研究应用现状；

2）研究探讨深孔条件下井壁围岩应力应变与地应力状态、温度场、孔隙流体、钻井液压力等关系，初步建立相应模型；

3）研究探讨深孔条件下钻井液与井壁围岩的物理化学作用机理，初步建立化学-力学效应关系模型；

4）基于微平面滑移理论，构造岩石微观-宏观的本构模型，借助于有限元方法开展井壁的稳定性分析，初步编制数值计算分析软件；

5）提出可行的井壁稳定性试验研究方案。

通过本专题的研究，提出在给定钻井液体系下为保持科学超深井井壁安全所需的合理钻井液密度，建立钻井安全钻井液当量密度窗口，为科学超深井井身结构、钻井工艺和钻井液设计提供依据。

本专题取得的主要成果：

1）完成国内外井壁稳定性和钻孔安全技术研究现状和发展趋势的调研；

2）初步完成了井壁稳定性实验研究；

3）建立了钻井液密度和井底压力随温度变化模型；

4）建立了区域地层坍塌压力、地层破裂压力梯度曲线；

5）建立了现场随钻实时检测地层坍塌压力、地层破裂压力的简易方法——钻井液密度微调法；

6）发表论文4篇；

7）培养研究生2名。