2.2　斜孔孔壁穩定性

2.2.1　孔壁穩定性概述

2.2.1.1　孔壁失穩形式與機制

孔壁失穩，從廣義上講包括脆性泥頁巖和低強度砂巖孔壁的坍塌、塑性泥頁巖孔壁的縮徑和黏彈性變形，以及一些巖層在鉆進泥漿壓力作用下的破裂，即孔壁失穩一般表現為坍塌（擴徑）、縮徑、破裂等幾種形式。孔壁坍塌是孔壁失穩最常見的形式，據有關資料統計，約有70％的孔壁失穩是孔壁坍塌或掉塊；孔壁縮徑常發生在易膨脹、易分散的泥頁巖地層；孔壁破裂往往出現在裂縫或膠結差處，甚至無膠結物的易碎性巖層中。由于水合物多賦藏于海底半固結甚至未固結的泥砂層中，水深又較大，因此孔壁坍塌或破裂比起一般油氣地層會更容易發生。

造成孔壁失穩的原因有很多，可歸結為以下三種因素：

（1）力學因素。處于地層深處的巖石，受上覆巖層壓力、水平方向的地應力和地層孔隙壓力的作用，在井眼鉆開前，地下巖層處于應力平衡狀態，井眼鉆開后，井內泥漿柱壓力取代了所鉆巖層提供的對孔壁的支撐，破壞了地層的原有應力平衡，引起井眼周圍應力重新分布。當這種平衡不能重新建立時，地層將產生破壞。如果井內泥漿柱壓力過低，就會使孔壁周圍巖石所受應力強度超過巖石本身的強度而產生剪切破壞，引發孔壁坍塌；若鉆進泥漿密度過高，則相應使孔壁發生張性破壞。

（2）化學因素。從鉆開井眼開始，鉆進泥漿在井下壓力和溫度條件下就會和地層發生相互作用：①離子交換；②由于化學勢而產生水的運移滲透作用；③因毛管力作用產生水分滲析；④因壓差使水沿孔壁微裂縫侵入。結果是泥頁巖吸水膨脹產生水化應力，其作用程度和范圍隨時間而擴大，巖石將產生分散，或不分散但裂縫增多或擴展，減弱了強度，引起孔壁不穩定。

（3）工程因素。包括：鉆進泥漿的密度、流變性及其他化學性質、鉆進泥漿對孔壁的沖刷、井眼波動壓力、井眼裸露的時間、鉆柱對孔壁的刮拉及碰撞等。

鉆進泥漿與地層巖石的化學作用影響了井眼周圍巖石的力學性質，在孔壁周圍巖石中引起水化應力，從而改變了井眼周圍巖石中的應力狀態。所以鉆進泥漿化學作用導致的孔壁失穩可歸結為力學因素。同樣，工程因素也是由于孔壁受力所引發的，因此孔壁失穩實際是一個力學過程，其實質是孔壁巖石所受應力超過了其強度而誘發失穩破壞。

2.2.1.2　鉆孔圍巖應力狀態的影響因素

孔壁穩定與否依據巖石破壞準則對鉆孔圍巖的應力狀態進行判斷。如果孔壁壓力大于強度包絡線，孔壁就會產生破壞。但是影響鉆孔圍巖應力狀態和破壞準則的因素很多，使問題變得非常復雜。影響鉆孔圍巖應力狀態的因素概括起來主要有下面幾個方面：

（1）地質因素。地質因素是指原位地應力狀態、孔隙壓力、低溫、地質構造特征等。

（2）巖石的物理力學性質。巖石的物理力學性質是指巖石的強度、變形特征、孔隙度、含水量、黏土含量、組成和壓實情況等。

（3）鉆進泥漿。鉆進泥漿是指鉆進泥漿的綜合性質、化學組成、連續相的性質、內部相的組織和類型、與連續相有關的添加劑類型、泥漿體系的維護等。鉆進泥漿對于泥頁巖和泥質膠結的砂巖的物理力學性質的影響非常大。

（4）其他工程因素。其他工程因素主要包括開孔時間、裸眼長度、孔身結構參數（孔深、頂角、方位角）、壓力激動和抽吸等。這些因素和參數之間相互作用、相互影響，使孔壁穩定問題變得非常復雜。

就目前的技術手段而言，要準確確定各個影響因素還有困難，主要由于下列原因：①直接觀察孔壁的方法很少，很難確切了解孔內究竟發生了什么；②鉆進巖石力學性質變化大；③原位應力狀態很難準確確定；④鉆進泥漿與地層之間的物理化學作用復雜。

因此，孔壁穩定性問題一直是鉆探工程領域的熱點難題。

2.2.1.3　孔壁穩定性研究的一般方法

從1940年開始，國外專家學者從巖石力學破壞機理入手，依據孔壁穩定和失穩理論來解決孔壁坍塌、縮徑和破裂，并在理論分析和模擬試驗方面進行了大量研究。特別是1987年，V.M.Marry、J.M.Sanzay和B.S.Anndnow等使用應力理論、巖石破壞準則、彈性理論和數學方法對各向同性、異性地層孔壁的穩定性及巖石的破壞形式進行綜合分析，使孔壁力學穩定問題的研究和應用進入了一個新時期。國內學者從20世紀80年代初期著手進行鉆井孔壁穩定方面的巖石力學理論研究，到20世紀90年代在如下方面取得了進展：①地層礦物組分與地層物理化學性質研究，它是孔壁失穩機理研究的基礎；②孔壁穩定化學機理研究，包括泥頁巖水化膨脹和分散特性、各種防塌處理劑穩定孔壁機理的研究；③孔壁穩定力學機理研究，分析了地層的強度特征、井眼圍巖應力分布，提出了由坍塌壓力、破裂壓力和孔隙壓力形成的安全泥漿密度窗口的概念；④孔壁穩定技術對策研究，確定合理的泥漿密度、最優的防塌泥漿體系和鉆井工藝措施。近年來，隨著科技的進步，孔壁穩定理論和研究方法又有了較大發展，具體表現是：在試驗研究方法上，由傳統的定性評價向大型模擬試驗方向發展；在理論上，孔壁穩定分析模型不斷完善，孔壁失穩的判斷準則也得到了不斷改進，孔壁失穩的預測更加準確；在計算機模擬研究上，計算機孔壁穩定模擬研究得到較大發展，模擬軟件相繼誕生。但由于研究孔壁穩定性問題面臨著隱蔽的地層參數、地下應力場隨時間動態變化等挑戰，使研究結果具有很大的不確定性，也使孔壁不穩定性問題難以徹底解決。

目前，研究孔壁穩定的方法主要有兩種：一是鉆進泥漿化學研究；二是巖石力學研究。泥漿化學研究主要是孔壁圍巖水化膨脹的機理，尋找抑制圍巖水化膨脹的化學添加劑和泥漿體系，最大限度地減少泥漿對地層的負面影響。巖石力學研究主要包括原位地應力的確定、巖石力學性質的測定、圍巖應力和穩定性分析，最終確定孔壁穩定的合理泥漿密度。孔壁穩定的力學與化學耦合分析是上述兩種研究方法的有機結合，目的是將泥漿對孔壁的化學作用與孔壁應力作為整體來研究。

與孔壁穩定性有關的力學因素主要包括孔隙壓力擴散、毛細管作用、巖石強度特征及地應力分布。與孔壁穩定性有關的物理化學因素主要包括表面水化、滲透水化和離子擴散等。圍巖與泥漿接觸時產生的表面水化、滲透水化和離子擴散過程最終將導致地層的孔隙壓力、巖石原位強度及應力分布狀態改變，故物理化學過程最終將表現在力學因素的變化中。因此，無論從純力學還是力學——物理化學耦合的角度，孔壁穩定性研究最終都歸結為力學問題，且遵循圖2-1的力學分析過程。

2.2.2　巖石破壞準則

巖石的破壞主要與外荷載的作用方式、溫度及濕度有關。一般在低溫、低圍壓及高應變率的條件下，巖石表現為脆性破壞，而在高溫、高圍壓、低應變率作用下，巖石則表現為塑性或者塑性流動。巖石在外力作用下常常處于復雜的應力狀態，試驗證明，巖石的強度及其在荷載作用下的性狀與巖石的應力狀態有著很大的關系，對于較完整的巖石來說，其破壞形式可以分為：脆性破壞（單向應力狀態）、延性破壞（三向應力狀態）。表2-1給出了不同應力狀態下巖石破裂前應變值、破壞形態示意圖和典型的應力—應變曲線示意圖。

巖石的應力、應變增長到一定程度，巖石將發生破壞。用來表征巖石破壞條件的函數稱為巖石的破壞準則。從表2-1中可以看出，巖石破裂種類繁多，巖石破壞過程中的應力、變形、裂紋產生和擴展極為復雜，很難用一種模型進行描述。很多學者針對不同巖石破壞特征提出多種不同巖石的強度破壞準則，對于孔壁穩定性分析來說，較常用的是摩爾—庫侖剪切破壞準則和拉伸破壞準則。拉伸破壞準則也稱朗肯理論，該理論認為材料破壞取決于絕對值最大的正應力，因此，作用于巖石的三個正應力中，只要有一個主應力達到巖石的單軸抗壓強度或巖石的單軸抗拉強度，巖石便被破壞。

下面主要介紹摩爾—庫侖剪切破壞準則。

摩爾—庫侖剪切破壞準則假設，巖石內某一點的破壞主要取決于它的大主應力和小主應力，即σ1和σ3，而與中間主應力無關。也就是說，當巖石中某一平面上的剪應力超過該面上的極限剪應力值時，巖石破壞。而這一極限剪應力值，又是作用在該面上法向壓應力的函數，即τ=f（σ）。

這樣，就可以根據不同的σ1、σ3繪制摩爾應力圖。每個摩爾圓都表示達到破壞極限時應力狀態。

一系列摩爾圓的包絡線即為強度曲線（見圖2-2）：

由此可知，材料的破壞與否，與材料內的剪應力有關，同時也與正應力有關。包絡線為拋物線適用于軟弱巖石；包絡線為雙曲線或擺線適用于堅硬巖石。

為簡化計算，巖石力學中大多采用直線形式（摩爾—庫侖準則）：

式中：c為凝聚力，MPa；φ為內摩擦角，（°）。

當巖石中任一平面上τ≥τf時，即發生破壞，即

下面介紹用主應力來表示摩爾—庫侖準則。

任一平面上的應力狀態可按式（2-4）、式（2-5）計算：

式中：θ為最大主應力面（σ1）與滑動面的夾角，（°）。

根據摩爾應力圓，可建立任一滑動面的抗剪強度指標與主應力之間關系，如圖2-3所示。

（1）c和φ值與σ1、σ3和θ角關系。

在σ1～σ3的應力圓上，找出2θ的應力點D（DB為半徑，），則與直徑DB垂直且與圓相切的直線即為τ=c+σtanφ。

根據幾何關系可得：。代入τ=c+σtanφ中，得到

將σ1、σ3表示的σ和τ代入τ=c+σtanφ中，導出

或

對θ求導，，推出：。

破壞面與最大主應力面的夾角，而與最大主應力方向的夾角。

（2）用主應力σ1、σ3表達的強度準則。

將σ和τ的表達式代入τ=c+σtanφ中：

利用幾何關系簡化得：

當σ3=0時（單軸壓縮）：。令，則σ1=σ3Nφ+Rc。

當σ1=0時（單軸抗拉）：。該值為τ=f（σ）直線在σ軸上的截距。

巖石破壞的判斷條件：

當考慮巖石中孔隙壓力Pp時，上述σ1、σ3分別用σ1-αP p、σ3-αP p表示，α為Biot多孔彈性常數。

2.2.3　斜孔柱坐標系中孔壁主應力的確定

斜孔鉆進的目的之一是經濟地揭示各種目標地層。在大斜度鉆孔中經常鉆遇大傾角地層。在這些大傾角地層中往往存在低強度的薄弱面，鉆穿地層后引起巖石應力的重新分布，當地層應力大于外界泥漿壓力時，巖石本體發生破裂，從而引起孔壁垮塌，即使用高密度泥漿孔壁也難以穩定。此時應充分考慮鉆孔結構，通過套管進行護壁，維持正常鉆進。

令σv為上覆地應力，σH和σh為水平方向的兩個主地應力。選取坐標系（1，2，3）分別與主地應力σH，σh，σv方向一致（見圖2-4）。與大地坐標系相比較，坐標系（1，2，3）相當于繞天軸將正北軸旋轉到最大水平地應力方位。為方便起見，建立直角坐標系（x，y，z）和柱坐標系（r，θ，z），其中oz軸對應于孔軸，ox和oy位于與孔軸垂直的平面之中。

為了建立（x，y，z）坐標與（1，2，3）坐標系之間的轉換關系，將（1，2，3）坐標系按以下方式旋轉：

（1）將坐標（1，2，3）以3為軸，按右手定則旋轉β角，變為（x1，y1，z1）坐標。

（2）將坐標（x1，y1，z1）以y1為軸，按右手定則旋轉α角，變為（x，y，z）坐標。其中β為孔斜方位與水平最大地應力方位的夾角，α為鉆孔頂角。

主地應力坐標系（1，2，3）旋轉到坐標系（x，y，z）后，再轉化為柱坐標系，其孔壁應力表達式為

其中

式中：Pp為孔隙壓力；Pm為孔內泥漿柱壓力；δ為系數，孔壁不滲透時δ=0，孔壁滲透時δ=1；φ為孔隙度；ζ為有效應力系數；ν為泊松比。

假設孔壁泥餅完好，則不考慮泥漿濾液的滲流效應（取δ=0），此時與斜孔對應的柱坐標系中孔壁上的最小、最大有效主應力可表示為

式中：σθ、σz、σθz分別表示與斜孔對應的柱坐標系下的切向應力、軸向應力、剪應力。σ1的作用面與z軸的交角為

假設地層中有一組平行的強度較低的弱面，在其他方向上地層的強度是相同的。弱面先于巖石本體發生破壞應滿足的關系式為

其中

式中：σ1和σ3為最大、最小主應力；Sω為弱面凝聚力；μω為弱面的內摩擦系數；φω為弱面的內摩擦角；λ為弱面的法向與σ1的夾角。

由式（2-14）知，當λ=π/2或φω時，σ1-σ3→∞；而在φω＜λ＜π/2時，弱面才有可能破壞。所以，弱面產生滑動的條件是：

巖石本體破壞滿足下面的關系式：

式中：S0為巖石本體凝聚力；μ0為巖石本體內摩擦系數。

將σ1、σ3和夾角λ代入弱面模型式（2-15）和式（2-16）中，得到斜孔弱面破壞時的力學模型。

孔壁最大主應力與地層弱面法向的夾角的確定：

在大地坐標系（北，東，天空）中，斜孔頂角為α，方位角為β1，水平方向最大地應力方位角為β3，其中β1和β2均以大地坐標系中北東之間的度數來表示。弱面地層的走向為由北向東，其方位角為β3，地層傾角為θ1，則弱面法線的方向矢量為：

孔壁最大主應力σ1的方向矢量在與斜孔對應的直角坐標系中可表示為

與斜孔對應的直角坐標系中孔壁最大主應力σ1的方向矢量在大地坐標系中可表示為

其中

孔壁最大主應力σ1與弱面法向的夾角λ為：

式中：i、j值為1，2，3，…。

考慮鉆孔方位、頂角、弱面地層傾角和地層走向對斜孔穩定的影響，得出如下一些規律：

（1）當地層傾角為30°且地層走向與最大水平地應力方位一致時，沿著近水平方向最小地應力方位鉆進較為安全；當地層走向與水平方向最大地應力方位一致時，只要鉆直孔時是安全的，鉆斜孔時也安全。尤以該孔斜方位的小斜度孔和大斜度孔（水平孔）最為安全；較大斜度孔和近水平方向最大地應力方位的斜孔鉆進最不安全。

（2）斜孔的弱面地層（不同地層走向和地層傾角）、鉆孔方位和孔斜角不同，其穩定性是不相同的。

研究結果表明，沿最大水平地應力方位，以30°、60°和90°頂角鉆進時，最安全的弱面地層位于地層傾角為70°左右、地層走向與最大水平地應力夾角為50°左右處；最安全處的坍塌壓力隨鉆孔頂角的增大而增大，最終與最不穩定處的坍塌壓力相近。從某種程度上說，與最大水平地應力方向呈90°左右夾角處的較大斜度孔較為安全。若條件允許，應推薦小斜度鉆孔。在地層走向與最大水平地應力夾角為30°～50°時，水平孔較為有利。

沿最小水平地應力方位，以30°、60°和90°頂鉆進時，最安全的弱面地層位于地層走向接近最小水平地應力方位處，地層傾角隨頂角的變化而變化。對于小斜度孔，地層傾角在70°左右；對于較大斜度孔，地層傾角在15°左右；對于大斜度孔和水平孔，地層傾角在50°左右。最安全處的坍塌壓力隨鉆孔頂角變化不大，最不安全處的坍塌壓力隨頂角的增大而降低，最終接近最安全處的坍塌壓力值。對于斜孔的弱面地層，沒有一成不變的規律可言，鉆孔設計要根據計算結果并結合實際情況而定。

2.2.4　泥漿密度安全窗口的確定

鉆進過程中，泥漿取代了原孔眼處的巖石，打破了原始地層的平衡，孔壁應力狀態發生了改變，可能會造成鉆孔的破裂漏失、失穩等復雜狀況。因此結合以上巖石分析，從力學角度講，泥漿的密度成為維持孔壁穩定性的關鍵要素。泥漿密度是孔壁最大、最小主應力σ1和σ3及夾角λ的函數。由式（2-17）可求出維持巖石本體穩定所需要的泥漿密度安全下限值。針對地層，可確定不同地層走向和不同傾角的弱面地層中維持斜孔孔壁穩定所需要的泥漿密度安全下限值。維持孔壁穩定所需的泥漿密度安全下限值越小，孔壁穩定性越好，低密度鉆進的安全性就越高。但泥漿密度過小時，孔內液柱壓力太低，可能引起孔壁的失穩。對于脆性地層，會產生坍塌掉塊，孔徑擴大；對于塑性地層，則向孔眼內產生塑性變形，造成縮徑。

如果泥漿密度過大，將使得孔壁周圍巖石所受壓力超過巖石本身強度而產生剪切破壞。因此，鉆進過程中泥漿密度大小的設計，不僅要求能維持孔壁穩定，防止孔壁的張性破裂（漏失）和剪切垮塌（塌孔），還要能夠維持孔內壓力平衡。此時，鉆孔的3個壓力的確定是關鍵，即地層孔隙壓力、地層破裂壓力、地層坍塌壓力。所謂安全泥漿密度窗口（Δp）是指鉆進過程中不造成漏、噴、卡、塌等孔內事故，能維持孔壁穩定的泥漿密度范圍。根據3個壓力剖面的關系可得到Δp。

當p破＞p泥＞p地，（p地＞p坍）時：

當p破＞p泥＞p坍，（p坍＞p地）時：

Δp越大，則鉆進越易；Δp越小，則鉆進越難。若Δp＜p循環壓耗，則無法正常鉆進。

在獲取孔壁不發生剪切變形的鉆井液液柱壓力極限和保證井壁不發生張性破裂的泥漿液柱壓力極限后，便可得出保持孔壁穩定的泥漿安全密度窗口。這是從孔壁靜力學穩定的角度考慮的安全密度窗口。在實際鉆進施工中還必須考慮起下鉆、泥漿的循環和設計安全系數等因素的影響。因而必須在前面的安全密度窗口的基礎上再加上這些因素引起的附加密度值。

2.2.5　典型地層孔壁穩定性分析

1.破碎地層孔壁穩定性問題

從鉆探施工過程中遇到的破碎地層情況看，破碎地層的顯著特點是：破碎、不完整，膠結性差，裂縫發育，鉆遇斷層等。這些特點決定了破碎地層孔壁穩定性差，經常出現孔壁坍塌、掉塊、卡鉆等復雜孔內事故。

破碎地層孔壁不穩定有以下原因：

（1）孔壁不穩定是由鉆孔形成后，孔壁巖層產生的坍塌壓力所引起的。鉆孔形成后，地應力在孔壁上二次分布引起孔壁巖石向孔內移動，而破碎地層由于巖石不完整、裂縫多，機械強度低，很容易在地層坍塌壓力作用下產生掉塊、孔壁坍塌等復雜情況。因此孔壁形成后，孔壁巖層所產生的坍塌壓力是破碎地層孔壁不穩定的內在因素。

（2）沖洗液或沖洗液濾液進入破碎地層裂縫以后，可能會使地層裂縫進一步加寬，巖石碎塊之間的摩擦力降低，使孔壁的機械強度進一步降低；鉆進泥漿對孔壁的沖刷，使孔壁的不穩定因素進一步加劇。沖洗液的影響是破碎地層孔壁不穩定的外在因素之一。

（3）施工過程中操作不當，如鉆具對孔壁的碰撞、起下鉆速度過快等也是造成破碎地層孔壁不穩定不可忽視的因素。

在破碎地層鉆探施工中，提高破碎帶地層破碎巖塊之間的膠結力、快速封堵地層裂縫形成完整孔壁及適當的沖洗液密度是破碎地層孔壁穩定的關鍵。防塌型隨鉆堵漏劑、改性瀝青的加入能有效封堵地層裂縫，提高孔壁承壓能力。

2.塑性地層鉆孔縮徑問題

鉆孔縮徑就是孔壁巖層膨脹造成的孔徑縮小。由于鉆孔縮徑，輕則造成巖粉增多，重復鉆進，增加隱患，進尺緩慢，成本加大，重則造成埋鉆、斷鉆桿事故，甚至報廢鉆孔。鉆孔縮徑主要發生在沉積地層中的黏土巖地層（水敏性地層）、地質構造帶（斷層泥）、強風化地層（遇水膨脹，風化后砂狀破碎）。

鉆孔縮徑預防措施如下：

（1）在滲透性強的地層中鉆進時，沖洗液的API濾失量應控制在5mL以下。

（2）在鹽巖層、石膏層、軟泥層等蠕變地層中鉆進時，應適當提高沖洗液密度，平衡地層壓力。

（3）在泥頁巖等水敏性地層中鉆進時，應使用抑制性強的沖洗液。

（4）外徑磨損嚴重的鉆頭和擴孔器不得下入孔內。

（5）提鉆過程中，應及時回灌沖洗液。

3.流變地層的孔壁穩定性問題

水利水電工程勘察鉆遇的流變性地層主要有飽和粉細砂層、飽和砂土層、飽和砂卵石層等。鉆遇此類地層一般要采用水泥漿或其他化學漿液、套管護壁，也可采用跟管鉆進工藝技術。