超深井石油钻井过程中的井壁稳定问题及解决方案

摘要：复杂地质构造下，地层受钻头扰动，应力场重分布，易引发井壁坍塌；高地应力与高孔隙压力环境中，井液密度控制不当、岩石热膨胀不均等，会导致井壁失稳；钻井液体系的密度、抑制性、滤失控制能力及流变性能，也与井壁稳定性紧密相关。针对这些问题，可采取系列解决措施，如通过多源数据融合对地层力学参数进行精细化预测，优化井眼轨迹；构建高性能钻井液体系，优化循环系统；利用智能传感器实时监测井壁应力，构建动态控制系统；集成应用井壁加固与多轮段护壁技术。

关键词：超深井钻井；井壁稳定；工程对策

一、影响超深井井壁稳定性的主要因素分析

（一）复杂地质构造对井壁稳定性的扰动机制

超深层油气资源多赋存于复杂构造区域，其地层结构错综复杂，断层发育频繁，泥质夹层及软弱带分布广泛。在钻进过程中，钻头扰动会引发地层间错动，原本稳定的应力场发生重新分布，导致局部地层出现剪切滑移甚至破碎垮塌。若遇含水泥岩或富水泥灰岩层，岩石遇液即膨胀软化，其抗剪强度显著下降，从而造成井壁大面积失稳。此外，断裂带附近地应力分布不均，使得某些井段在短时间内承受超出岩石强度极限的局部应力，从而加剧坍塌或裂缝扩展，诱发复杂井下事故。

（二）高地应力与高孔隙压力环境下的失稳响应

随着钻井深度增加，地应力梯度显著上升，致使井筒周围岩体处于临界破坏状态。钻井过程中若井液密度控制不当，容易引发井壁应力超限破坏，尤其在高孔隙压力地层中，若井液压力低于地层孔压，将导致地层液体入侵井筒，形成压差滤液，软化岩壁，最终演变为滑移破坏或塌方事故。部分砂岩地层孔隙结构发育，遇压快速出砂，造成井壁结构支撑缺失。此外，高温条件下岩石热膨胀不均，也会诱发热应力集中，形成井壁细微裂缝，进而失去整体稳定。

（三）钻井液体系对井壁稳定性的耦合作用

钻井液不仅起到携岩、冷却钻头等作用，更是井壁稳定的第一屏障。钻井液密度过低将导致井壁无法承受地层回压而发生坍塌，密度过高则容易诱发漏失，进一步引发井壁塌陷。若钻井液缺乏抑制性，其与泥质页岩等亲水性岩层发生化学反应，易引起岩石吸水膨胀、结构破坏。此外，钻井液的滤失控制能力决定了岩壁滤饼的质量，若滤饼不致密，将加剧地层液体渗入岩体，引发水化软化。钻井液的流变性能对井壁承载有间接影响，其剪切力不足时无法形成压力隔离带，井壁更易受损。

二、超深井钻井中井壁稳定控制的技术策略与工程措施

（一）地层力学参数精细化预测与井眼轨迹优化设计

井壁稳定问题的本质在于地层力学特性与井筒扰动之间的应力失衡，为实现对井壁失稳风险的精准预判，必须依托多源数据融合对目标井段进行全程力学建模。通过三维地震反演与地质录井资料，分析断裂密集程度、断层产状与围岩力学属性，构建三维应力场模型，识别出潜在的不稳定地带。在此基础上，结合岩心破裂实验获得的泊松比、弹性模量等参数，通过有限元法模拟井筒周边的应力分布规律。针对高应力集中区域，调整井眼轨迹的倾角、方位与扭转节距，实现避压设计，减少结构面扰动，使井壁受力趋于对称分布状态，有效抑制剪切滑移与塌方带形成，从而提升整体井壁稳定性。

（二）高性能钻井液体系构建与循环系统优化

钻井液性能直接影响岩石与井壁的相互作用行为，是实现稳定钻进的重要支撑工具。在超深井作业中，高温高压环境要求钻井液具有卓越的热稳定性与化学惰性，因此需引入交联高分子抑制剂与纳米微粒封堵剂构建复合型体系，增强泥浆在高温下的携岩能力和防水化性能。特别是在泥页岩地层，水化膨胀问题极易诱发井壁剥落，精细控制泥浆的抑制性能可大幅降低这种风险。为确保泥浆在井筒内形成均匀的静压保护层，应优化泵排参数与返浆流量，避免因局部冲刷或返流速度不匹配造成滤饼破裂。在深井钻探过程中，引入在线实时监测系统对密度、滤失、流变指标进行动态修正，保障钻井液性能始终处于目标窗口区间，有效提升井壁抗压强度与变形控制能力。

（三）井壁应力实时监测与动态控制系统构建

构建高可靠性的井壁稳定控制系统需以数据驱动为核心，结合数字钻井平台与智能传感器，实现全过程的状态感知与调控响应。系统通过随钻成像（LWD）与近钻头地震反演手段，获取井下微裂缝动态、井径变形趋势和地应力再分布等关键参数，形成实时应力监测曲线。基于这些数据，系统内置的神经网络模型将识别异常应力演变模式，提前判别潜在失稳点，并由控制中心自动调整泥浆密度、钻压或转速，实现快速响应。为提高反应效率，井下部署边缘计算芯片用于数据局部处理，减少上传延迟。在地面侧，构建统一的数据集成平台，融合测井、录井、震井三大系统，实现多维数据协同分析，从根本上增强应力控制的精准性与实时性，是推动深井钻井智能化转型的关键基础。

（四）井壁加固与多轮段护壁技术的集成应用

在高风险井段常发生井壁破损与局部失稳现象，必须通过工程加固与护壁设计形成有效控制体系。化学注浆作为应急加固手段，在井壁微裂缝和孔隙中注入纳米水泥、双组分树脂等材料，快速反应形成高强度密实体，提升井壁承压能力。对于高渗透性弱地层，采用机械扩径护壁工具实现对井筒的整体支撑，通过物理结构阻断地层滑移通道。在结构设计层面，实施多轮段分级护壁策略，将井筒划分为力学性质不同的段落，采用不同强度和厚度的套管逐步固井，形成由浅至深的承载梯级结构，降低单段应力集中风险，增强井壁整体结构稳定性。该类技术在断裂发育、应力多源叠加的井段中表现出良好的适应能力，是保障超深井钻探顺利推进的有效工程措施。

结束语：在超深井钻井里，井壁稳定性举足轻重。地质建模精准识别潜在不稳定地带，助力优化井眼轨迹，让井壁受力更均匀；高性能钻井液体系有效抵御高温高压，保障井壁抗压与变形控制能力；实时监控系统依靠数据驱动，精准调控井壁应力；井壁加固与多轮段护壁技术，在高风险井段发挥关键作用。多维度策略协同实施，实现井壁稳定的全过程把控，显著提升超深井钻井的安全性与可靠性，有力保障钻探工程顺利开展，为深层油气资源开采创造良好条件，是超深井钻井工程不可或缺的支撑。

参考文献

[1]李云洲，朱永志.钻探工程中的井壁稳定与防漏技术研究[J].建筑技术科学，2023，43（11）：130-137.​

[2]张涛.钻井工程中井壁稳定性的影响因素及控制策略研究[J].中国石油和化工标准与质量，2021，41（03）：56-62.