淺析地質(zhì)鉆探工程中井塌事故的原因

張 星

（河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北 邢臺 054000）

近些年來，地質(zhì)鉆探日益增多，深度也隨著增大，一些施工單位為了降低成本，追求鉆效，經(jīng)常忽視孔內(nèi)安全，等發(fā)生孔內(nèi)事故后，無法處理時，只能選擇側(cè)鉆開窗或者開新孔，為此投入更大的成本。“解決患難者強，防患于未然者神”，因此，及時做出預(yù)防措施顯得尤為重要。本文主要泥、頁巖地層為主。

1 井塌的概念

鉆開地層后，大塊井壁巖石進入鉆井液中，導(dǎo)致局部井段井徑擴大的現(xiàn)象，稱之為井塌。在實際施工過程中，不影響正常鉆進（例如：起下鉆不阻卡，或輕微阻卡，井筒暢通，扭矩正常）的情況下，雖然存在少量井壁巖石剝落，不認(rèn)為是井塌，只有嚴(yán)重阻礙鉆具在井筒內(nèi)的運動，阻礙正常鉆進時，稱為井塌。

2 井塌現(xiàn)象

鉆進過程中發(fā)生井塌時，首選反應(yīng)在振動篩返屑突然增多，且?guī)r屑尺寸增大，磨圓度降低，在硬脆性地層中更加明顯。當(dāng)井塌持續(xù)發(fā)生會造成轉(zhuǎn)盤扭矩增大，憋車、跳車等現(xiàn)象，同時泥漿泵泵壓升高。當(dāng)停止鉆進時在沒有鎖定轉(zhuǎn)盤的情況下鉆具可能會倒轉(zhuǎn)，上提鉆具有阻力，嚴(yán)重垮塌區(qū)會造成卡鉆、埋鉆等事故。當(dāng)下鉆過程中發(fā)生井塌時，鉆具下放有阻力，且鉆頭不能回到孔底，開泵循環(huán)后返出大量巖屑。在優(yōu)化井眼軌跡的過程中，出現(xiàn)泵壓不穩(wěn)、蹩泵等現(xiàn)象，嚴(yán)重時會憋漏地層。井塌后坍塌段井徑擴大，出現(xiàn)“大肚子”井眼，電測時遇阻但鉆具能正常下入。

3 井塌原因

3.1 井壁不穩(wěn)定的地質(zhì)因素

①地質(zhì)構(gòu)造類型和原地應(yīng)力；②地層的巖性和產(chǎn)狀；③弱面的存在和及其傾角；④含粘土礦物的類型；⑤層面的膠結(jié)情況；⑥裂隙節(jié)理的發(fā)育；⑦孔隙度滲透率及空隙中流體壓力等。

3.2 井壁不穩(wěn)定的工程因素

①司鉆操作不符合規(guī)范要求會導(dǎo)致井塌。井斜過大或方位角變化過快、起鉆用轉(zhuǎn)盤卸扣、下鉆過快、鉆頭鉆具碰擊井壁、鉆進時轉(zhuǎn)速過高旋轉(zhuǎn)鉆柱壓撞井壁等因素促使井塌發(fā)生。②鉆孔內(nèi)由于鉆進液液面變化導(dǎo)致液柱壓力下降，造成井塌。例如：提放鉆速度快，使鉆井液變化速度快導(dǎo)致液柱壓力變化；起鉆未灌好鉆井液、起鉆泥包抽吸“拔活塞”未及時發(fā)現(xiàn)和有效處理、在鉆進或循環(huán)時突發(fā)性有進無出的嚴(yán)重井漏、發(fā)生井噴等，井筒內(nèi)液柱壓力下降，地層失去支撐而發(fā)生井塌。③鉆井參數(shù)選擇不合理導(dǎo)致、處理事故措施不恰當(dāng)導(dǎo)致的垮塌。在易塌井段長時間定點循環(huán)鉆井液、易塌地層泵排量過大使環(huán)空返速過高，沖刷導(dǎo)致井壁垮塌。

4 井塌預(yù)防

4.1 合理有效的密度

井壁不穩(wěn)定的實質(zhì)是井壁的力學(xué)不穩(wěn)定。而影響力學(xué)的主要因素是鉆進液形成的液柱壓力來維持地層壓力。當(dāng)井壁周圍的巖石所受的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的差達(dá)到一定數(shù)值后，將形成剪切破壞，造成井眼坍塌，此時的鉆井液液柱壓力，稱為井壁坍塌壓力[1]。當(dāng)P泥＜P塌，井壁巖石必然逐漸掉入井中，當(dāng)P泥≥P塌則井壁保持穩(wěn)定，對應(yīng)的鉆井液密度稱為防塌鉆井液密度。因此，保持井壁穩(wěn)定的技術(shù)關(guān)鍵是：準(zhǔn)確掌握P塌，由此科學(xué)的確定所用鉆井液密度，并使其P泥作用于井壁以有效平衡P塌。

4.2 井塌的周期性

往往在發(fā)生嚴(yán)重垮塌時，雖然會調(diào)整性能使P泥＞P塌，但垮塌不會立刻停止，只有當(dāng)井眼幾何形狀達(dá)到某種程度，井眼內(nèi)的應(yīng)力會形成新的應(yīng)力平衡，垮塌現(xiàn)象才會消失。

而再經(jīng)過一段時間的浸泡后，P塌繼續(xù)上升，使P泥＜P塌時，新一輪的垮塌又將出現(xiàn)。

因此，避免垮塌的最好辦法就是在垮塌周期之內(nèi)完井。

4.3 水敏性泥頁巖預(yù)防

泥頁巖具有較強的親水性，泥頁巖粘土含量越高、含鹽量越高，越容易吸收水份；伊利石、綠泥石含量越高的泥頁巖，越易吸水裂解、剝落，是泥頁巖井壁坍塌的物性原因。通過優(yōu)選防塌鉆井液類型，采用物理化學(xué)方法抑制地層的水化作用：①提高鉆井液的抑制性；②用物理化學(xué)方法封堵地層的層理和裂隙，阻止鉆井液濾液進入地層；③改善濾液性質(zhì)，使其盡量與地層相配伍；④提高濾液粘度，降低HTHP和泥餅滲透率，盡量減少鉆井液濾液進入地層的量。

4.4 硬脆性泥頁巖預(yù)防

硬脆性泥巖具有較為豐富的層理微裂縫和孔隙。在硬脆性泥頁巖地層中鉆進時，鉆井液及濾液會在鉆井液液柱壓力與地層壓力的壓差作用下向裂縫中滲入，使裂縫張開，同時大大降低縫面間摩擦力，使P塌上升。

當(dāng)井塌發(fā)生時，必然要通過提高鉆井液密度來提高P泥，而密度越高，壓差越大，使鉆井液和濾液進入裂縫越多，P塌上升的越大。從而造成越提密度越塌的嚴(yán)重的現(xiàn)象。

硬脆性泥頁巖只有當(dāng)裂縫完全閉合時P泥才能起到平衡P塌，穩(wěn)定井壁的作用，提高密度才有效。

因此，要想平衡P塌就需要先進行有效封堵。通過使用納米級鋼性離子對硬脆性泥巖的微裂縫進行橋堵、再利用可變形封堵離子進行填充，實現(xiàn)對微裂縫的有效封堵，降低垮塌壓力的增加值，再維持合理的鉆井液密度，實現(xiàn)鉆井液液柱壓力對垮塌壓力的平衡。

5 井塌處理時注意的問題

①起鉆過程中發(fā)生井塌，盡量不要試圖去開泵將垮塌物帶出井眼，隨著垮塌物的上行，會增加卡鉆的可能性。要先將鉆具及時起到安全井段再處理。如果垮塌嚴(yán)重，不能起鉆，只能小排量進行倒劃眼，待能起鉆時則要抱著搶一柱是一柱的心態(tài)強行起鉆，防止處理過程中上部井壁垮塌而卡鉆。②下鉆時發(fā)生垮塌遇阻劃眼。必須保證鉆具上行安全的前提下才能去劃眼，否則要先起到安全井段調(diào)整鉆井液，保證上部井眼安全后再下去劃眼。嚴(yán)禁硬沖、硬壓，使鉆頭進入垮塌物內(nèi)，蹩漏地層或造成垮塌卡鉆。③開泵劃眼前，要用盡量的小排量開通，再逐步提高排量，一般情況下不要提高到鉆進時的排量。如果因排量小，掉塊返不出來，可以提高鉆井液的懸浮攜帶能力。必須等鉆頭以上的垮塌全部清洗出井眼時再劃眼。

6 結(jié)論

由于井壁失穩(wěn)造成的井塌事故較為常見，尤其是在泥、頁巖中，解決此類事故最主要是提前做出預(yù)防，建議從以下兩個方面入手。力學(xué)方面：合理有效的鉆井液密度；縮短鉆井周期；合理的井身結(jié)構(gòu)；優(yōu)化井眼軌跡。鉆井液方面：有效的封堵；提高抑制性；降低失水；合理流型。