地層鉆井井塌、井漏、縮徑成因及預(yù)防措施

雷華友

(河南省煤田地質(zhì)局二隊(duì), 河南 471023)

1 前言

不同地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)、地層物理特性各不相同, 地質(zhì)構(gòu)造也存在著很大的差異, 受此客觀地質(zhì)條件的影響和制約, 使得地層在鉆井施工上主要表現(xiàn)出井塌、井漏、縮徑等不同的特性, 這些特性在有些地區(qū)表現(xiàn)得較單一, 而在某些地區(qū)表現(xiàn)得比較復(fù)雜, 進(jìn)而對鉆井施工產(chǎn)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(jìn)行分析研究, 并提出預(yù)防措施, 以指導(dǎo)和服務(wù)于鉆井生產(chǎn)。

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(nèi)復(fù)雜情況, 是不同地層鉆井特性的不同表現(xiàn)形式, 其形成原因也各不相同, 但主要還是由于客觀地質(zhì)條件復(fù)雜而引起的。

2．1 井塌形成的地質(zhì)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(jìn)入到這些泥、頁巖中, 使泥、頁巖的固體顆粒發(fā)生水化膨脹和裂解, 失去穩(wěn)定性而向井內(nèi)剝落、掉塊或者坍塌, 因此泥、頁巖層井段是井壁最不穩(wěn)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(gòu)造應(yīng)力作用的因素而形成斷層,使巖石發(fā)生破碎, 也會造成井壁不穩(wěn)定, 當(dāng)泥漿液柱壓力不足以平衡地層壓力時, 輕微者表現(xiàn)為掉塊, 嚴(yán)重時就會發(fā)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(qū), 由于其比較疏松, 具有濕陷性, 當(dāng)泥漿使用不當(dāng), 護(hù)壁效果不好時, 極易發(fā)生坍塌。

2．2 井漏形成的地質(zhì)原因

井漏根據(jù)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(jìn)入巖層, 泥漿出現(xiàn)不正常消耗, 表現(xiàn)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(gòu)造應(yīng)力的作用下, 地層巖石容易產(chǎn)生裂隙及破碎帶, 泥漿會由此滲入巖層, 極易發(fā)生井漏;同時, 巖石的節(jié)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(chǎn)生溶洞, 當(dāng)鉆遇溶洞時會引起漏失; 施工表土層過程中, 在某些地區(qū)會鉆遇土洞, 也會出現(xiàn)漏失, 此種類型的漏失為洞穴性井漏。

2．3 縮徑形成的地質(zhì)原因

縮徑按其形成機(jī)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(jié)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(fā)生膨脹, 在泥漿的浸泡下, 泥漿中的自由水就會進(jìn)入泥頁巖層中,使其固體顆粒發(fā)生水化膨脹, 導(dǎo)致井徑變小, 出現(xiàn)縮徑現(xiàn)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(xiàn)滲透濾失, 而在井壁形成較厚的泥皮或泥餅, 并且比較堅(jiān)韌, 不易脫落, 引起井徑變小, 導(dǎo)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(yù)防措施

3．1 井塌對鉆井施工的影響及預(yù)防措施

3．1．1 井塌對鉆井施工的影響

(1) 泥漿性能不斷發(fā)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(diào)整, 耗費(fèi)大量的人力和物力。

(2) 堵塞泥漿循環(huán)通道, 易發(fā)生蹩泵現(xiàn)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(zhuǎn)盤打倒轉(zhuǎn)。(5) 增加了處理井內(nèi)事故的難度, 嚴(yán)重時會造成鉆井報廢。

3．1．2 井塌的預(yù)防措施

對于井塌主要側(cè)重于從泥漿使用方面進(jìn)行預(yù)防, 其次是從鉆井機(jī)械操作上進(jìn)行預(yù)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(wěn)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(diǎn)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?yàn)殁浕酀{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(huán)差不多, 易嵌于氧原子聯(lián)席角環(huán)中, 它一方面可使結(jié)構(gòu)緊密, 另一方面使粘土負(fù)電荷減少, 從而減弱了泥頁巖的水化分散性, 能較好地預(yù)防井塌。

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

(4) 對泥漿性能的調(diào)整, 要嚴(yán)禁泥漿性能大幅度地變化。

3．1．2．2 機(jī)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(chǎn)生的壓力激動作用, 同時可以防止產(chǎn)生抽吸作用。

(2) 泵量、泵壓要適當(dāng), 保持泥漿在環(huán)形空間呈低速層流狀態(tài)循環(huán), 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(xù)灌井。

3．2 井漏對鉆井施工的影響及預(yù)防措施

3．2．1 井漏對鉆井施工的影響

(1) 泥漿出現(xiàn)輕微或嚴(yán)重地消耗。對于嚴(yán)重的消耗需停鉆進(jìn)行堵漏, 耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力, 同時延長了鉆井周期。

據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生已學(xué)會了各個知識點(diǎn)，但他們對各知識點(diǎn)的內(nèi)在聯(lián)系知之甚少，缺乏系統(tǒng)地分析和解決實(shí)際問題的能力。因此，在教學(xué)過程中，從企業(yè)現(xiàn)場收集的現(xiàn)實(shí)案例入手，要求學(xué)生以改善項(xiàng)目組的形式，選擇一個現(xiàn)實(shí)問題，并綜合運(yùn)用基礎(chǔ)工業(yè)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(fā)生改變, 如密度、粘度升高等。

(3) 由于嚴(yán)重漏失, 泥漿返不出井口, 在地面得不到凈化, 巖屑出現(xiàn)重復(fù)破碎, 致使其含砂量巨增, 影響鉆進(jìn)效率, 甚至?xí)?dǎo)致沉砂卡鉆事故的發(fā)生。

3．2．2 井漏的預(yù)防措施

(1) 備足泥漿量, 以便在鉆進(jìn)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(wěn),以便減小壓力激動,避免造成人為的裂縫(隙)漏失。

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

(4) 鉆進(jìn)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(yù)防措施

3．3．1 縮徑對鉆井施工的影響

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

(2) 鉆具上提遇阻, 下放容易。出現(xiàn)縮徑后,井眼直徑小于鉆頭直徑, 導(dǎo)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(fā)生。

3．3．2 縮徑的預(yù)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(diào)整泥漿, 以便更好預(yù)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(cè)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(yōu)點(diǎn)是能夠使泥漿中細(xì)小的固體顆粒很快地絮凝沉淀, 配合加強(qiáng)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(yù)防強(qiáng)滲透砂巖段的縮徑現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1) 井塌、井漏、縮徑是地層鉆井特性的三種主要表現(xiàn)形式。

(2) 地質(zhì)條件復(fù)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(nèi)最復(fù)雜的層段, 可以引起井塌或縮徑。

(4) 強(qiáng)滲透砂巖層由于滲透濾失作用而引起的縮徑, 應(yīng)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(xiàn), 對它們的預(yù)防不能單獨(dú)強(qiáng)調(diào)某一方面, 而應(yīng)采取綜合預(yù)防措施。

(5) 對以上三類井內(nèi)復(fù)雜情況的預(yù)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(diào)整泥漿性能, 達(dá)到防治的目的。

[1] 鞠德平．鉆井泥漿 [M] ．石油工業(yè)出版社, 1994．