地層鉆井井塌、井漏、縮徑成因及預防措施

雷華友

(河南省煤田地質局二隊, 河南 471023)

1 前言

不同地區的地層結構、地層物理特性各不相同, 地質構造也存在著很大的差異, 受此客觀地質條件的影響和制約, 使得地層在鉆井施工上主要表現出井塌、井漏、縮徑等不同的特性, 這些特性在有些地區表現得較單一, 而在某些地區表現得比較復雜, 進而對鉆井施工產生一定的影響, 因此, 有必要對井塌、井漏、縮徑的形成原因, 對鉆井施工的影響進行分析研究, 并提出預防措施, 以指導和服務于鉆井生產。

2 井塌、井漏、縮徑的形成原因

井塌、井漏、縮徑是鉆井施工過程中常見的三類主要井內復雜情況, 是不同地層鉆井特性的不同表現形式, 其形成原因也各不相同, 但主要還是由于客觀地質條件復雜而引起的。

2．1 井塌形成的地質原因

在以泥巖和頁巖為主的地層, 由于泥、頁巖極易水化膨脹, 在泥漿的浸泡下, 泥漿中的自由水就會進入到這些泥、頁巖中, 使泥、頁巖的固體顆粒發生水化膨脹和裂解, 失去穩定性而向井內剝落、掉塊或者坍塌, 因此泥、頁巖層井段是井壁最不穩定的井段, 泥、頁巖水化膨脹是造成井塌的主要因素。

同時, 由于構造應力作用的因素而形成斷層,使巖石發生破碎, 也會造成井壁不穩定, 當泥漿液柱壓力不足以平衡地層壓力時, 輕微者表現為掉塊, 嚴重時就會發生井塌, 此種因素引起的井塌在鉆井施工中較為常見。另外, 在表土層較厚的地區, 由于其比較疏松, 具有濕陷性, 當泥漿使用不當, 護壁效果不好時, 極易發生坍塌。

2．2 井漏形成的地質原因

井漏根據其成因, 可以分為滲透性井漏、裂隙性井漏及洞穴性井漏三種類型, 其形成原因分析如下：

在以砂巖層為主的井段, 由于巖石孔隙度大,滲透性好, 泥漿中的自由水很容易進入巖層, 泥漿出現不正常消耗, 表現為井漏, 但漏失速度較慢。此種形式的漏失為滲透性井漏。

在構造應力的作用下, 地層巖石容易產生裂隙及破碎帶, 泥漿會由此滲入巖層, 極易發生井漏;同時, 巖石的節理、劈理、割理可以作為液體滲入的通道, 也容易引起井漏。此種類型的井漏為裂隙性井漏。

在碳酸鹽巖地層, 由于地下水長期溶蝕作用產生溶洞, 當鉆遇溶洞時會引起漏失; 施工表土層過程中, 在某些地區會鉆遇土洞, 也會出現漏失, 此種類型的漏失為洞穴性井漏。

2．3 縮徑形成的地質原因

縮徑按其形成機理可分為真縮徑和假縮徑兩種類型。

在以泥巖、頁巖為主, 巖石膠結程度中等或差, 不太疏松的井段, 由于泥頁巖中含有較多的粘土礦物成份, 其極易吸收水分而發生膨脹, 在泥漿的浸泡下, 泥漿中的自由水就會進入泥頁巖層中,使其固體顆粒發生水化膨脹, 導致井徑變小, 出現縮徑現象, 此種類型的縮徑為真縮徑。

在以孔隙度高、滲透性好的砂巖層為主的井段, 在泥漿液柱壓力的作用下, 泥漿中自由水出現滲透濾失, 而在井壁形成較厚的泥皮或泥餅, 并且比較堅韌, 不易脫落, 引起井徑變小, 導致縮徑,此種類型的縮徑為假縮徑。

3 井塌、井漏、縮徑對鉆井施工的影響及預防措施

3．1 井塌對鉆井施工的影響及預防措施

3．1．1 井塌對鉆井施工的影響

(1) 泥漿性能不斷發生變化, 密度、粘度、切力和含砂量均不同程度增高, 需要不斷地對其調整, 耗費大量的人力和物力。

(2) 堵塞泥漿循環通道, 易發生蹩泵現象。

(3) 鉆頭提起后下不到井底, 劃眼時越劃越淺。(4) 起下鉆遇阻, 易造成埋鉆, 轉盤打倒轉。(5) 增加了處理井內事故的難度, 嚴重時會造成鉆井報廢。

3．1．2 井塌的預防措施

對于井塌主要側重于從泥漿使用方面進行預防, 其次是從鉆井機械操作上進行預防。3．1．2．1 泥漿使用方面

(1) 要抑制泥頁巖水化膨脹, 保持井壁穩定,一般使用低失水、高礦化度泥漿效果較好, 如鹽水或飽和鹽水泥漿, 還有氯化鈣泥漿, 其特點是泥漿中的Na+、Ca2+含量高, 對泥頁巖的水化膨脹有明顯地抑制作用, 尤其是CaCl2在泥漿中的溶解度很大, 能配成高鈣泥漿, 其抑制泥頁巖水化膨脹, 防止泥頁巖坍塌效果非常顯著。其次是鉀基泥漿, 因為鉀基泥漿能夠提供K+, 其大小恰好與微晶高嶺石晶格的氧原子六角環差不多, 易嵌于氧原子聯席角環中, 它一方面可使結構緊密, 另一方面使粘土負電荷減少, 從而減弱了泥頁巖的水化分散性, 能較好地預防井塌。

(2) 適當提高泥漿密度, 以較高的液柱壓力來平衡巖石側壓力, 防止其剝落、掉塊或坍塌。但是若地層破碎嚴重, 在提高密度的同時, 還應提高泥漿的動切力和動塑比來進行鉆進和循環。

(4) 對泥漿性能的調整, 要嚴禁泥漿性能大幅度地變化。

3．1．2．2 機械操作方面

(1) 開泵不要太快、起下鉆不要用力過猛過快, 以減小鉆頭、鉆具對井壁的劇烈撞擊作用, 降低液柱產生的壓力激動作用, 同時可以防止產生抽吸作用。

(2) 泵量、泵壓要適當, 保持泥漿在環形空間呈低速層流狀態循環, 減少對井壁的沖蝕作用。

(3) 提高鉆井速度, 縮短鉆井周期, 減少泥漿對井壁的浸泡時間。

(4) 起鉆過程中要連續灌井。

3．2 井漏對鉆井施工的影響及預防措施

3．2．1 井漏對鉆井施工的影響

(1) 泥漿出現輕微或嚴重地消耗。對于嚴重的消耗需停鉆進行堵漏, 耗費大量的人力、財力和物力, 同時延長了鉆井周期。

據調查發現，學生已學會了各個知識點，但他們對各知識點的內在聯系知之甚少，缺乏系統地分析和解決實際問題的能力。因此，在教學過程中，從企業現場收集的現實案例入手，要求學生以改善項目組的形式，選擇一個現實問題，并綜合運用基礎工業工程的知識與方法來解決問題。

(2) 對于滲透性井漏, 可以引起泥漿性能發生改變, 如密度、粘度升高等。

(3) 由于嚴重漏失, 泥漿返不出井口, 在地面得不到凈化, 巖屑出現重復破碎, 致使其含砂量巨增, 影響鉆進效率, 甚至會導致沉砂卡鉆事故的發生。

3．2．2 井漏的預防措施

(1) 備足泥漿量, 以便在鉆進漏失層或堵漏時使用。

(2) 起下鉆不要用力過猛過快,開泵要平穩,以便減小壓力激動,避免造成人為的裂縫(隙)漏失。

(3) 循環鉆井液時要盡量避開可能出現漏失的層位, 保持低速層流循環, 以免沖蝕井壁, 引起井漏。

(4) 鉆進漏失層時, 要使用低密度泥漿, 以減小液柱壓力; 泥漿的粘度和切力要適宜。

3．3 縮徑對鉆井施工的影響及預防措施

3．3．1 縮徑對鉆井施工的影響

(1) 循環鉆井液時泵壓升高, 甚至出現蹩泵現象。由于縮徑, 鉆具與井壁之間的環形空間變小,泥漿循環通道受阻, 出現泵壓升高或蹩泵。

(2) 鉆具上提遇阻, 下放容易。出現縮徑后,井眼直徑小于鉆頭直徑, 導致鉆頭上提困難。

(3) 對于假縮徑井段, 有時可能會引起粘鉆事故的發生。

3．3．2 縮徑的預防措施

從泥漿的使用上來徹底解決縮徑問題, 首先要分析其形成原因, 確定是真縮徑, 還是假縮徑, 然后有針對性地調整泥漿, 以便更好預防縮徑。

對于真縮徑, 一般使用較高密度、低失水、高礦化度的泥漿效果較好。較高密度的泥漿是有較高的液柱壓力, 足以平衡井壁巖石的側壓力, 阻止泥頁巖層的水化膨脹, 防止井徑變小; 低失水、高礦化度泥漿由于其中的自由水不容易失去而進入巖層, 使泥頁巖層的粘土顆粒成份不易水化膨脹, 同時由于該泥漿的濾液是有較高的礦化度而形成的滲透壓大于泥頁巖中水的含鹽而形成的滲透壓, 保證了水分不進入巖層, 抑制了泥頁巖的水化膨脹, 使井徑不易變小。如使用鹽水和飽和鹽水泥漿, 氯化鈣泥漿等。另外, 使用鉀基泥漿也能抑制泥頁巖的水化膨脹, 達到防止縮徑的效果。

對于假縮徑, 除了使用低失水、高礦化度的泥漿, 抑制其由于滲透濾失而在井壁形成較厚的泥皮或泥餅, 防止井徑縮小外, 目前使用效果較好, 組成簡單的是全絮凝無固相聚合物鉆井液體系, 共成份主要為PHP 或PAM 和少量鉀鹽 (KCl) 的膠液,這種鉆井液體系的優點是能夠使泥漿中細小的固體顆粒很快地絮凝沉淀, 配合加強固相控制工作, 能使泥漿始終保持低密度 (1．00～1．05g/cm3) 和低粘度 (15～18s) , 較好地預防強滲透砂巖段的縮徑現象。

4 結論

(1) 井塌、井漏、縮徑是地層鉆井特性的三種主要表現形式。

(2) 地質條件復雜是引起井塌、井漏、縮徑的主要原因, 對其形成起決定性作用。

(3) 泥頁巖層段及斷層破碎帶是井內最復雜的層段, 可以引起井塌或縮徑。

(4) 強滲透砂巖層由于滲透濾失作用而引起的縮徑, 應引起足夠地重視。

(5) 井塌、井漏、縮徑在同一口井中可能同時出現, 對它們的預防不能單獨強調某一方面, 而應采取綜合預防措施。

(5) 對以上三類井內復雜情況的預防, 最行之有效的方法是在泥漿使用上采取措施, 針對不同的情況和不同的井段, 通過調整泥漿性能, 達到防治的目的。

[1] 鞠德平．鉆井泥漿 [M] ．石油工業出版社, 1994．