井塌原因

 國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)分析研究和大量實(shí)際考察，認(rèn)為在巖層性質(zhì)上，可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的巖層最主要有頁(yè)巖、巖鹽及不膠結(jié)的巖石（如所謂“流砂層”或斷裂帶中的一些不膠結(jié)松散的巖層），但最常遇到的是頁(yè)巖，故認(rèn)為井塌的問(wèn)題實(shí)際上是頁(yè)巖不穩(wěn)定的問(wèn)題。井壁不穩(wěn)定主要表現(xiàn)為泥頁(yè)巖的膨脹、剝落、坍塌，泥頁(yè)巖中的粘土礦物水化是造成井壁不穩(wěn)定的因素。

1.  井塌的內(nèi)在原因

1）泥頁(yè)巖所含粘土礦物

泥頁(yè)巖中一般含有蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石等粘土礦物。此外還有石英、長(zhǎng)石、方解石、石灰石等。粘土礦物含量越多，發(fā)生地層坍塌的可能性愈大。蒙托石（膨潤(rùn)土）吸水膨脹率高達(dá)90%~100%，而伊利石吸水膨脹率僅有2.5%，混層礦物吸水膨脹率按蒙脫石所占的比例多少而定，比例大者吸水膨脹較大。粘土礦物膨脹能力的順序?yàn)槊擅撌祷鞂拥V物〉伊利石〉高嶺石〉綠泥石。由于粘土礦物吸水膨脹產(chǎn)生的壓力，若不加以抑制，則會(huì)大大的超過(guò)巖石的膠結(jié)強(qiáng)度極限而引起井塌。

2）可溶性鹽

頁(yè)巖中若含有兩種可溶性鹽類，可能會(huì)由于鹽在鉆井液中的溶解使頁(yè)巖失掉支撐而塌落井中。

3）地層水平應(yīng)力作用

在造山運(yùn)動(dòng)中引起的地層隆起而造成的構(gòu)造，隨著地質(zhì)年代的變遷，巖石礦物轉(zhuǎn)化時(shí)常會(huì)產(chǎn)生水平應(yīng)力，且常常由于此種應(yīng)力未能得到釋放集聚于巖石中，一旦鉆穿此地層時(shí)，應(yīng)力很快的釋放出來(lái)，造成頁(yè)巖崩落井中。

4）地層的構(gòu)造狀態(tài)

由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層發(fā)生局部或區(qū)域的斷裂、褶皺、滑動(dòng)和崩塌，上升或下降，導(dǎo)致地層傾角發(fā)生變化，若傾角增大，其穩(wěn)定性變差。

5）高壓油氣層

砂巖油氣層是高壓的，井眼鉆穿之后，在壓差的作用下，地層的能量沿著阻力最小的砂巖與泥頁(yè)巖的層面釋放出來(lái)，使交界面處的泥頁(yè)巖坍塌。

6）泥頁(yè)巖孔隙壓力異常

泥頁(yè)巖有孔隙，由于溫度、壓力的影響，使粘土表面的強(qiáng)結(jié)合水脫離形成自由水，在封閉的環(huán)境內(nèi)，多余的水排不出去，在孔隙內(nèi)形成高壓。一些生油巖生成的油氣運(yùn)移不出去，也會(huì)在裂隙和孔隙內(nèi)形成高壓。鉆開(kāi)時(shí)，由于負(fù)壓低會(huì)引起坍塌。

7）地層側(cè)壓力及溫度

地層側(cè)壓力等于地層的覆蓋壓力和泊松比的乘積，當(dāng)?shù)貙觽?cè)壓力大于井壁巖石的屈服極限時(shí)，巖石向井眼內(nèi)部產(chǎn)生位移而發(fā)生井塌。另外，如果底層溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，巖石中所含的粘土礦物發(fā)生轉(zhuǎn)化，一般情況在3000~5000m時(shí)，蒙脫石開(kāi)始轉(zhuǎn)化成伊蒙混層，在進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成伊利石。

2.  井塌的外在原因

1）鉆井液濾液的大量浸入

當(dāng)鉆開(kāi)易塌巖層時(shí)，巖層中所含的粘土礦物就會(huì)從鉆井液中吸收水分或由于壓差的作用時(shí)濾液大量侵入，由于粘土礦物的親水性，結(jié)果使巖層中所含的粘土礦物水化膨脹而坍塌。

（1）粘土礦物中的水按其存在的狀態(tài)分為四種類型：

結(jié)構(gòu)水又成化合水，具有固定的配位位置和確定的含量比，只有在高溫500~9000C或更高下，晶格破壞時(shí)才能釋放出來(lái)。

吸附水又稱束縛水，它在粘土礦物中的含量是不定的，隨外界溫度和濕度條件而變，它的排出不影響礦物結(jié)構(gòu)。

層間水，它的脫失不導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元層的破壞。

沸石水，它在晶格中占據(jù)確定的配位為止，其含量在一定范圍內(nèi)變化，但不引起晶格的破壞。

（2）粘土礦物水化膨脹機(jī)理:

A.表面水化膨脹或晶格膨脹：它是由粘土晶體表面外部和中間層吸附單分子水所造成的，在其表面的第一層水是水分子與粘土礦物表面的六角形網(wǎng)格的氧原子形成氫鍵而保持在平面上，而有些水分子連接在六角環(huán)的橫向上，并一層接一層連在一起，離開(kāi)表面愈遠(yuǎn)，連接力愈弱，而可交換的粒子以自身的水化把水分子帶給粘土，且可與水分子爭(zhēng)奪與粘土晶體表面的連接位置。由于粘土礦物具有親水性，它們易水化、膨脹或破裂，強(qiáng)度降低造成井壁不穩(wěn)定。

B.滲透水化膨脹：它是由于粘土層表面上所吸附的離子與溶液中的離子濃度差造成的。這種濃度差是表面吸附現(xiàn)象的必然結(jié)果。滲透水化的數(shù)量大大的超過(guò)表面水化數(shù)量，粘土在不同離子溶液中的滲透水化量取決于吸附離子的濃度。

１）侵入液的性質(zhì)

l 鉆開(kāi)易塌地層后，除鉆井液濾液的侵入數(shù)量產(chǎn)生影響外，濾液性質(zhì)至關(guān)重要。其性質(zhì)主要是對(duì)頁(yè)巖的抑制水化特性。在濾液中影響抑制的有：pH值、無(wú)機(jī)鹽的種類與含量、各種有機(jī)處理劑的品種和濃度。

l 濾液的pH值。濾液中所含OH—的濃度對(duì)非膨脹性頁(yè)巖亦具有分散作用，可導(dǎo)致頁(yè)巖表面積增加，加劇井塌。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)濾液的pH值超過(guò)9.5時(shí)，用以浸泡伊利石開(kāi)始分散，表面積增大，鉆井液的粘度上升，pH值愈高，增速愈快，頁(yè)巖的回收率愈低，pH值超過(guò)11以后，回收率由65%降至10%左右。

l 無(wú)機(jī)鹽種類和含量。在鉆井液中常常含有的無(wú)機(jī)鹽有：鈉鹽、鈣鹽、鉀鹽、銨鹽等，當(dāng)這些鹽種類的濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，都具有一定的抑制粘土水化膨脹的作用，且濃度愈高，抑制性亦愈強(qiáng)，但各種不同的鹽類呈現(xiàn)抑制性的起始濃度相差較大。若當(dāng)它們的濃度相同時(shí)，其抑制強(qiáng)弱順序?yàn)?/span>K+、NH4+>Ca2+>Na+。因此鉀鹽、銨鹽常被用作組成防塌鉆井液體系的一個(gè)組分。

l 各種處理劑：不管什么類型的鉆井液處理劑，其濾液濃度達(dá)到相當(dāng)高時(shí)，大多會(huì)呈現(xiàn)對(duì)粘土的水化起抑制作用，而只是不同的處理劑的抑制濃度限不同而已。例如：分散性很弱的鐵路木質(zhì)素磺酸鹽，當(dāng)其在濾液中的濃度很高時(shí)，亦會(huì)呈現(xiàn)抑制性，只是這個(gè)濃度已大大超過(guò)鉆井液中的正常適用范圍。而某些處理劑在濃度較低時(shí)就具有較強(qiáng)的抑制作用，例如高分子量的聚丙烯酰胺類及一些陽(yáng)離子型高聚物，這點(diǎn)正是我們?cè)趦?yōu)選防塌鉆井液配方時(shí)所涉及到的問(wèn)題。

２）鉆井液的造壁性與流變性

l 造壁性：造壁性好的鉆井液可在井壁上形成密致而堅(jiān)韌的泥餅，減少濾液的侵入量，具有一定的鞏固井壁的作用，因而防塌鉆井液要求HTHP濾失量不大于15mL。

l 流變性：鉆井液在環(huán)形空間中呈現(xiàn)紊流對(duì)井壁產(chǎn)生較大的沖刷作用，對(duì)易塌層十分不利，而在泵排量一定的情況下，鉆井液的粘切愈低易形成紊流，為此，在保證正常所需泵排量的前提下，調(diào)節(jié)鉆井液粘切，降低對(duì)井壁的沖刷作用。

３）鉆具工程的影響

l 鉆具組合不合理：如鉆鋌直徑太大，螺旋扶正器過(guò)多，鉆具與井壁的間隙太小，起下鉆時(shí)易產(chǎn)生壓力激動(dòng)，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

l 鉆具碰擊井壁，鉆具刺穿等也會(huì)引起井塌：若在易塌井段起鉆時(shí)，使用轉(zhuǎn)盤(pán)卸扣或者鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)快都會(huì)產(chǎn)生對(duì)井壁劇烈碰擊，從而加劇井塌；其次在采用噴射鉆井時(shí)，鉆頭停留在易塌地層循環(huán)鉆井液時(shí)，亦可產(chǎn)生較大的沖刷力而沖塌不穩(wěn)定地層。

l 井身質(zhì)量：井身質(zhì)量不好，全角變化率較大，那么在鉆井中易出現(xiàn)兩種不利后果，其一是地層應(yīng)力易于集中，周向應(yīng)力集合點(diǎn)可能就是頁(yè)巖剝落的突破點(diǎn)；其二是在鉆進(jìn)中，旋轉(zhuǎn)的鉆具碰擊的幾率和強(qiáng)度會(huì)增大，結(jié)果必然會(huì)加劇井塌。

l 壓力激動(dòng)過(guò)大：有幾種情況可以引起井內(nèi)壓力波動(dòng)，起下鉆速度過(guò)快，起下鉆“拔活塞”造成井內(nèi)壓力失衡，起下鉆猛剎猛放，尤其是下鉆完初次開(kāi)泵，鉆井液靜止時(shí)間較長(zhǎng)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，流動(dòng)阻力很大。如果初次開(kāi)泵過(guò)猛、排量過(guò)大造成壓力激動(dòng)，鉆頭泥包產(chǎn)生抽吸作用，靜切力過(guò)大和開(kāi)泵過(guò)猛等，這些都不利于井壁穩(wěn)定。

l 鉆井液液柱壓力降低：鉆井過(guò)程中，由于起鉆不及時(shí)灌鉆井液或突發(fā)性井漏等可導(dǎo)致鉆井液液柱壓力大幅度下降，使上部井段液柱壓力減少，在地層側(cè)壓力的作用下，松散的巖層向井筒中下方向發(fā)生運(yùn)移，其結(jié)果常會(huì)由此引起井壁失掉平衡而發(fā)生井塌。

l 井斜和方位：鉆井施工過(guò)程中（尤其是水平井、大斜度井），井斜和方位控制不合理，位于最大水平主應(yīng)力方向的井眼容易失穩(wěn)。

l 井噴：井噴后，鉆井液受到污染，使液柱壓力降低；由于高速油氣流的沖刷，破壞了井壁泥餅，也破壞了周圍薄弱的巖層，造成井壁不穩(wěn)定。

l 在鉆遇非泥頁(yè)巖地層時(shí)也會(huì)產(chǎn)生井壁不穩(wěn)，主要分兩類。一類是井塌，大多發(fā)生在巖漿巖、灰?guī)r、煤層，深部硬脆性砂巖與粉砂巖等，而另一類是縮徑，大多發(fā)生在高滲透性分散性強(qiáng)的砂巖與粉砂巖、瀝青、含鹽或鹽膏軟泥巖，鹽膏巖等。非泥頁(yè)巖地層井塌主要取決于該地層所受構(gòu)造應(yīng)力大小，巖石破碎程度、膠結(jié)狀況、充填裂隙的礦物組分。巖漿巖等非泥頁(yè)巖地層井塌的原因是所采用的鉆井液密度低于或高于地層坍塌壓力，地層破碎，而鉆井液封堵性能差；地層中存在蒙脫石或伊蒙無(wú)序間層礦物，而鉆井液抑制性能差；鉆井液流變性滿足攜屑的要求；鉆井工程措施等原因所引起。