井塌原因

 國內(nèi)外許多學者通過分析研究和大量實際考察，認為在巖層性質上，可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的巖層最主要有頁巖、巖鹽及不膠結的巖石（如所謂“流砂層”或斷裂帶中的一些不膠結松散的巖層），但最常遇到的是頁巖，故認為井塌的問題實際上是頁巖不穩(wěn)定的問題。井壁不穩(wěn)定主要表現(xiàn)為泥頁巖的膨脹、剝落、坍塌，泥頁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）泥頁巖所含粘土礦物

泥頁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（膨潤土）吸水膨脹率高達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為蒙脫石〉混層礦物〉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，則會大大的超過巖石的膠結強度極限而引起井塌。

2）可溶性鹽

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

3）地層水平應力作用

在造山運動中引起的地層隆起而造成的構造，隨著地質年代的變遷，巖石礦物轉化時常會產(chǎn)生水平應力，且常常由于此種應力未能得到釋放集聚于巖石中，一旦鉆穿此地層時，應力很快的釋放出來，造成頁巖崩落井中。

4）地層的構造狀態(tài)

由于構造運動，地層發(fā)生局部或區(qū)域的斷裂、褶皺、滑動和崩塌，上升或下降，導致地層傾角發(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巖的層面釋放出來，使交界面處的泥頁巖坍塌。

6）泥頁巖孔隙壓力異常

泥頁巖有孔隙，由于溫度、壓力的影響，使粘土表面的強結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移不出去，也會在裂隙和孔隙內(nèi)形成高壓。鉆開時，由于負壓低會引起坍塌。

7）地層側壓力及溫度

地層側壓力等于地層的覆蓋壓力和泊松比的乘積，當?shù)貙觽葔毫Υ笥诰趲r石的屈服極限時，巖石向井眼內(nèi)部產(chǎn)生位移而發(fā)生井塌。另外，如果底層溫度達到某一數(shù)值時，巖石中所含的粘土礦物發(fā)生轉化，一般情況在3000~5000m時，蒙脫石開始轉化成伊蒙混層，在進一步轉化成伊利石。

2.  井塌的外在原因

1）鉆井液濾液的大量浸入

當鉆開易塌巖層時，巖層中所含的粘土礦物就會從鉆井液中吸收水分或由于壓差的作用時濾液大量侵入，由于粘土礦物的親水性，結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：

結構水又成化合水，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，晶格破壞時才能釋放出來。

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構。

層間水，它的脫失不導致結構單元層的破壞。

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，離開表面愈遠，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)象的必然結果。滲透水化的數(shù)量大大的超過表面水化數(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

l 鉆開易塌地層后，除鉆井液濾液的侵入數(shù)量產(chǎn)生影響外，濾液性質至關重要。其性質主要是對頁巖的抑制水化特性。在濾液中影響抑制的有：pH值、無機鹽的種類與含量、各種有機處理劑的品種和濃度。

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

l 無機鹽種類和含量。在鉆井液中常常含有的無機鹽有：鈉鹽、鈣鹽、鉀鹽、銨鹽等，當這些鹽種類的濃度達到一定數(shù)值時，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，但各種不同的鹽類呈現(xiàn)抑制性的起始濃度相差較大。若當它們的濃度相同時，其抑制強弱順序為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，其濾液濃度達到相當高時，大多會呈現(xiàn)對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素磺酸鹽，當其在濾液中的濃度很高時，亦會呈現(xiàn)抑制性，只是這個濃度已大大超過鉆井液中的正常適用范圍。而某些處理劑在濃度較低時就具有較強的抑制作用，例如高分子量的聚丙烯酰胺類及一些陽離子型高聚物，這點正是我們在優(yōu)選防塌鉆井液配方時所涉及到的問題。

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)紊流對井壁產(chǎn)生較大的沖刷作用，對易塌層十分不利，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，螺旋扶正器過多，鉆具與井壁的間隙太小，起下鉆時易產(chǎn)生壓力激動，導致井壁失穩(wěn)。

l 鉆具碰擊井壁，鉆具刺穿等也會引起井塌：若在易塌井段起鉆時，使用轉盤卸扣或者鉆進時轉盤轉速過快都會產(chǎn)生對井壁劇烈碰擊，從而加劇井塌；其次在采用噴射鉆井時，鉆頭停留在易塌地層循環(huán)鉆井液時，亦可產(chǎn)生較大的沖刷力而沖塌不穩(wěn)定地層。

l 井身質量：井身質量不好，全角變化率較大，那么在鉆井中易出現(xiàn)兩種不利后果，其一是地層應力易于集中，周向應力集合點可能就是頁巖剝落的突破點；其二是在鉆進中，旋轉的鉆具碰擊的幾率和強度會增大，結果必然會加劇井塌。

l 壓力激動過大：有幾種情況可以引起井內(nèi)壓力波動，起下鉆速度過快，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泵，鉆井液靜止時間較長，網(wǎng)狀結構較強，流動阻力很大。如果初次開泵過猛、排量過大造成壓力激動，鉆頭泥包產(chǎn)生抽吸作用，靜切力過大和開泵過猛等，這些都不利于井壁穩(wěn)定。

l 鉆井液液柱壓力降低：鉆井過程中，由于起鉆不及時灌鉆井液或突發(fā)性井漏等可導致鉆井液液柱壓力大幅度下降，使上部井段液柱壓力減少，在地層側壓力的作用下，松散的巖層向井筒中下方向發(fā)生運移，其結果常會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 在鉆遇非泥頁巖地層時也會產(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的砂巖與粉砂巖、瀝青、含鹽或鹽膏軟泥巖，鹽膏巖等。非泥頁巖地層井塌主要取決于該地層所受構造應力大小，巖石破碎程度、膠結狀況、充填裂隙的礦物組分。巖漿巖等非泥頁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。