3.2.1 地层组构特性和理化性能的分析方法
研究井壁失稳的原因及技术对策必须搞清井壁不稳定地层的组构特性和理化性能，常用的分析方法有以下几种。
（1）肉眼观察
通过肉眼观察可以掌握地层的层理、裂隙和镜面擦痕发育情况，地层倾角大小，地层软硬程度及遇水后膨胀、分散和强度定性变化情况。
（2）X光衍射分析法、红外光谱吸收法和差热分析等方法
采用X光衍射分析法、红外光谱吸收法和差热分析等方法测定地层中各种非黏土矿物，晶态黏土矿物、非晶态黏土矿物的相对和绝对含量。
（3）扫描电镜分析
用扫描电镜可以定性地确定地层中黏土矿物特征、裂隙发育情况及裂缝宽度。
（4）薄片分析
薄片分析可测定碎屑、基岩及胶结物的组分及分布型，测定黏土矿物的分布及成因。
（5）密度法
用甘氏比重瓶或李氏比重瓶进行测定，然后用半对数坐标作密度或密度与深度的相关图。
（6）阳离子交换容量
压实作用导致地层变得致密，也导致黏土矿物的改变。一般来说，随着压实程度的增加，蒙脱石将向伊利石转变。因此，可以预计，蒙脱石含量将随深度的增加而减少。在正常压实带内，也会出现一条递减的倾向线。当进入压实过渡带后，由于温度较高，伊利石化的速度加快，蒙脱石几乎全部变成伊利石。
蒙脱石含量的递减骤减特征，也可以用来指示高压带。测量页岩岩屑的蒙脱石含量，作深度相关图，发现曲线骤然下降，就是警示高压带的出现。
目前，一般采用亚甲基蓝试验（MBT）测定页岩岩屑的阳离子交换容量（CEC）评价蒙脱石含量，作CEC对深度的相关图。
（7）可溶性盐的含量
在正常压实的沉积层内，泥页岩内地层水的含氯量随深度而增加，这一增加趋势在压力过渡带中断。此外，正常压实带内的砂岩水的含盐度的变化趋势也与页岩水一致，但其浓度比页岩水高。但在压力过渡带内，砂岩水与页岩水的含盐度趋于一致。根据这一特征，可以鉴别高压带，其方法是不断测定泥浆滤液的氯离子含量，并作井深相关图。
（8）吸附等温线试验
描述孔隙的性质和类型，测定不同平衡条件下泥页岩的含水量，用以估计地层的膨胀程度、活度。
（9）比表面积法
比表面积是表征泥页岩水化特性或膨胀性能的物理量。测定比表面积有助于了解泥页岩水化膨胀特性和分析井壁稳定问题。比表面积测定方法较多，如亚甲基蓝法、CST法、乙二醇质量法等。
（10）ζ电位法
通常可用电泳法测定颗粒的ζ电位。在电泳池中，一定电场强度下，测得颗粒的运移速度，依据下式计算ζ电位：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）
式中：η为介质黏度；μ为胶粒的电泳速度；D为介质的介电常数；E为外加电场的电位梯度。
泥页岩浆ζ电位的大小可以用来判断泥页岩的膨胀和分散特性。美国学者Lauzon曾提出以下看法：ζ电位为-60mV时属于极端分散；ζ电位为-40mV时属于较强分散：ζ电位为-20mV时属于可能分散：ζ电位为-10mV时属于不分散。
（11）泥浆温度梯度法
热的传播包括传导、对流和辐射3种方式，三者的传播机理是不同的：热传导依靠的是物质分子的定位热运动，传热过程仅存在能量交换，不存在宏观的质量交换；热对流则不同，颗粒的位置是变动的，在不断流动的过程中，既进行能量交换，也进行质量交换；热辐射则仅依靠能量的发射。一般情况下，将油气层、水层、地热水层作为对流传热型，而把所有其他地层，包括盖层及压力过渡带的泥页岩都作为热传导型地层。
在与地层压力有密切关系的泥页岩中，影响其热传导系数的是其孔隙度及孔隙中的流体。在压力过渡带内，由于孔隙及流体的存在，热传导系数较低，地层温度梯度（地温梯度）将明显升高。地温梯度的这一高异常，也会影响泥浆温度出现高异常——这是高压层的第一温度显示。
泥浆温度梯度因素法是泥浆温度梯度法的另一种表达形式。所谓泥浆温度梯度因素是泥浆温度梯度与正常温度倾向线所决定的温度梯度（正常温度梯度）之比，以泥浆温度梯度因素对深度作图，当温度梯度因素突然增大时，则指示高压。
3.2.2 井壁稳定性的室内评价方法
3.2.2.1 分散性试验
分散性试验方法常用的有两种：页岩滚动试验和CST（毛细管吸入时间）试验。
（1）页岩滚动试验
页岩滚动试验方法可用来评价泥页岩的分散特性，研究钻井液抑制地层分散能力的强弱。此试验采用干燥的泥页岩样品（如果没有岩心可用岩屑），将其粉碎，使岩样过10目筛，往加温罐中加入350mL水（试验的液体）和50g岩样，然后将加温罐放入滚子加热炉中滚动16h（控制在所需温度）。倒出试验液体与岩样，过30目筛，干燥并称量筛上岩样，计算质量回收率（以百分数表示）。再取上述过30目筛干燥的岩样，放入装有350mL水的加温罐中，继续滚动2h，倒出水与岩样，再过30目筛，干燥并称筛上的岩样，计算回收的岩样占原岩样的质量百分数。
（2）CST试验
CST试验是一种通过滤失时间来测定页岩分散特性的方法，即在恒速混合器（高速搅拌器）中测定体积分数为15%的稠页岩悬浮液（过100目筛）在剪切不同时间后的滤失时间，用以表示页岩分散特性。通常将页岩悬浮液滤液在CST仪器（图3.1）的特性滤纸上运移0.5cm距离所需的时间称为CST值。根据试验结果可绘制CST值与剪切时间的关系曲线，两者为线性关系，可用下式表示页岩分散特性：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）
式中：Y为CST值，s；m为页岩的水化分散速度，cm／s；X为剪切时间，s；b为瞬时形成的胶体颗粒数目。
b值大小取决于页岩的胶结程度，它是页岩含水量、黏土含量及压实程度的函数。最大的Y值表示页岩的总胶体量，（Y-b）值是总胶体含量和瞬时可分散的黏土含量之差，用来表示页岩潜在的水化分散能力。
图3.1 CST测定仪
使用CST法所测得的1／（Y-b）值可用来预测井壁坍塌的可能性。此值越高，井壁坍塌的可能性越大。
3.2.2.2 水化试验
按照膨润土造浆率的测定方法测定泥页岩的造浆率，然后按下式计算出泥页岩的水化指数h：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（下册）
式中：Ys、Yb分别表示页岩和膨润土的造浆率（水化24h），Yb一般取16m3/t。
3.2.2.3 膨胀性试验
地层膨胀是地层中所含的黏土矿物水化的结果。通常采用测定岩样线性膨胀百分数（称为膨胀率）或岩样吸水量来表示地层的膨胀性能。由于温度对岩样膨胀率有较大影响，因此不仅应测定岩样在常温下的膨胀率，还应测定在高温高压下的膨胀率。
（1）常温下膨胀率的测定
常温下的膨胀率通常选用以下进行测定：
1）采用NP-01页岩膨胀仪进行测试，该仪器示意图见图3.2。称取一定量风干的岩样（过100目筛），测定岩样遇水（或其他液体）不同时间线膨胀量的变化，然后按下式计算出线性膨胀率。
图3.2 NP-01页岩膨胀仪
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式中：Vt为时间为t时岩样的线性膨胀率，%；Lt为时间为t时的线膨胀量，mm；H为岩样原始高度，mm。
2）采用应变仪膨胀传感器（即直读式数字膨胀指示仪，见图3.3）进行测试。取垂直岩心基面切割下来的岩样，放在聚乙烯小袋中，按一定方向放在夹子上，使传感器上的初始应变为1.5μ，袋中装满试验液体。当岩样膨胀时，应变仪记录下位移，从指示器直接读出应变，用下式计算出线性膨胀量：
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式中：Vt为时间为t时岩样的线性膨胀率，%；Ki为常数；L为岩样长度，mm；δ为指示器读数。
图3.3 直读式数字膨胀指示仪
3）采用Ensulin膨胀仪进行测试（图3.4）。试验时将试验用岩粉装在杯中并与过滤圆盘接触，吸附试液，其吸附量可由刻度吸管读取。在t时间内，单位质量岩样所吸附的水量即为膨胀率。可在双对数坐标纸上画出吸附量与吸附时间之间的关系曲线。因二者呈线性关系，因而可用下式表示：
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式中：Mt为在t时间内单位质量岩样所吸附的流体量，g／g；Mi为瞬时吸水量，g／g；N为水化速度或膨胀速度，g／min；t为吸附时间，min。
M的大小取决于岩样中黏土和水的含量以及压实作用，它随地层岩密度及压实作用的增大而减小。
图3.4 Ensulin膨胀仪
（2）高温高压下膨胀率的测定
使用YPM-01型页岩膨胀模拟试验装置或HTHP-1型高温高压页岩膨胀仪，可测定温度从室温至180℃、压力0～10MPa下的页岩膨胀率。但高温高压下所测定出的膨胀率与常温常压下的测定结果有较大的差别。
3.2.2.4 介电常数试验
泥页岩的介电常数主要取决于其中水敏性黏土矿物的种类和含量，其大小与岩石强度和有效应力有关。因此，测定地层的介电常数可以了解地层的性质，预测井壁稳定性和岩石强度。该参数通常使用介电常数测定仪进行测定。其原理是测量充填了岩样的容器的电容与充满空气时容器的电容的比值，从而获得该岩样的介电常数。
3.2.2.5 页岩稳定指数法
页岩稳定指数表示地层在钻井液等液体作用下，其强度、膨胀和分散侵蚀三个方面综合作用对井眼稳定性的影响。此方法是美国Baroid钻井液公司建立的。试验时先将泥页岩磨细，过100目筛，与人造海水配成浆液（比例为7∶3），再放置在干燥器内预水化16h。用压力机在7MPa下压滤2h，取出岩心放入不锈钢杯中，再用9.1MPa压力加压2min，刮平岩心表面，用针入度仪测定针入度，然后将岩心连同钢杯一起置于65.6℃下热滚16h，取出再测定针入度，并测量杯中岩样膨胀或侵蚀高度，按下式计算页岩稳定指数（SSI）：
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式中：Hy为热滚前的针入度，mm；Hi为热滚后针入度，mm；D为膨胀或侵蚀总量，mm。
3.2.2.6 三轴应力页岩稳定性试验仪
使用三轴应力页岩稳定性试验仪，可进行在径向应力、纵向应力及试验液柱压力作用下的页岩稳定性试验，用以研究钻井液对以下3种不稳定性的影响：①膨胀所致孔径的变化；②脆性岩石孔径的扩大；③地应力引起的井壁不稳定。使用此仪器可从以下几方面来判别钻井液的影响：①在一定压力与流速作用下测定岩样被破坏的时间；②岩样被侵蚀的百分数；③岩样含水量及岩样孔径的变化。此类仪器有两种不同的类型，一种用于常温下测定，另一种用于高温下测定。
3.2.2.7 DSC井下模拟装置
此仪器可模拟上覆压力、围压及井下温度，在直径为165mm的页岩样品上钻进和循环钻井液，用以评价在模拟的井底条件下，各种钻井液抑制地层坍塌的效果。
3.2.2.8 经改造的高温高压滤失量测定仪
采用经过改造的高温高压滤失量测定仪，可以评价钻井液封堵井壁的效果。采用一块直径为25.4mm、厚度为12.7mm的贝雷（Berea）砂岩作为渗滤介质，固定在岩心夹持器中，然后将其装入高温高压滤失量测定仪容器内，再将钻井液倒入上述仪器中，调节温度与压力至所需值，然后开始试验并记录滤失量。试验结束后，取出岩心，冷却后将岩心切片，在高倍显微镜下检测钻井液的封堵深度及效果。