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(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

近些年來(lái)，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(wú)法處理時(shí)，只能選擇側(cè)鉆開(kāi)窗或者開(kāi)新孔，為此投入更大的成本。“解決患難者強(qiáng)，防患于未然者神”，因此，及時(shí)做出預(yù)防措施顯得尤為重要。本文主要泥、頁(yè)巖地層為主。

1 井塌的概念

鉆開(kāi)地層后，大塊井壁巖石進(jìn)入鉆井液中，導(dǎo)致局部井段井徑擴(kuò)大的現(xiàn)象，稱之為井塌。在實(shí)際施工過(guò)程中，不影響正常鉆進(jìn)（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(yùn)動(dòng)，阻礙正常鉆進(jìn)時(shí)，稱為井塌。

2 井塌現(xiàn)象

鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生井塌時(shí)，首選反應(yīng)在振動(dòng)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(huì)造成轉(zhuǎn)盤扭矩增大，憋車、跳車等現(xiàn)象，同時(shí)泥漿泵泵壓升高。當(dāng)停止鉆進(jìn)時(shí)在沒(méi)有鎖定轉(zhuǎn)盤的情況下鉆具可能會(huì)倒轉(zhuǎn)，上提鉆具有阻力，嚴(yán)重垮塌區(qū)會(huì)造成卡鉆、埋鉆等事故。當(dāng)下鉆過(guò)程中發(fā)生井塌時(shí)，鉆具下放有阻力，且鉆頭不能回到孔底，開(kāi)泵循環(huán)后返出大量巖屑。在優(yōu)化井眼軌跡的過(guò)程中，出現(xiàn)泵壓不穩(wěn)、蹩泵等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)憋漏地層。井塌后坍塌段井徑擴(kuò)大，出現(xiàn)“大肚子”井眼，電測(cè)時(shí)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(huì)導(dǎo)致井塌。井斜過(guò)大或方位角變化過(guò)快、起鉆用轉(zhuǎn)盤卸扣、下鉆過(guò)快、鉆頭鉆具碰擊井壁、鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)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(jìn)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(shí)發(fā)現(xiàn)和有效處理、在鉆進(jìn)或循環(huán)時(shí)突發(fā)性有進(jìn)無(wú)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(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)循環(huán)鉆井液、易塌地層泵排量過(guò)大使環(huán)空返速過(guò)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(shí)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(jìn)液形成的液柱壓力來(lái)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(shí)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(duì)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(shí)，雖然會(huì)調(diào)整性能使P泥＞P塌，但垮塌不會(huì)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(huì)形成新的應(yīng)力平衡，垮塌現(xiàn)象才會(huì)消失。

而再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的浸泡后，P塌繼續(xù)上升，使P泥＜P塌時(shí)，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(yè)巖預(yù)防

泥頁(yè)巖具有較強(qiáng)的親水性，泥頁(yè)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(yè)巖，越易吸水裂解、剝落，是泥頁(yè)巖井壁坍塌的物性原因。通過(guò)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(jìn)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(jìn)入地層的量。

4.4 硬脆性泥頁(yè)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(yè)巖地層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液及濾液會(huì)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(kāi)，同時(shí)大大降低縫面間摩擦力，使P塌上升。

當(dāng)井塌發(fā)生時(shí)，必然要通過(guò)提高鉆井液密度來(lái)提高P泥，而密度越高，壓差越大，使鉆井液和濾液進(jìn)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(yè)巖只有當(dāng)裂縫完全閉合時(shí)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(jìn)行有效封堵。通過(guò)使用納米級(jí)鋼性離子對(duì)硬脆性泥巖的微裂縫進(jìn)行橋堵、再利用可變形封堵離子進(jìn)行填充，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)鉆井液液柱壓力對(duì)垮塌壓力的平衡。

5 井塌處理時(shí)注意的問(wèn)題

①起鉆過(guò)程中發(fā)生井塌，盡量不要試圖去開(kāi)泵將垮塌物帶出井眼，隨著垮塌物的上行，會(huì)增加卡鉆的可能性。要先將鉆具及時(shí)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(jìn)行倒劃眼，待能起鉆時(shí)則要抱著搶一柱是一柱的心態(tài)強(qiáng)行起鉆，防止處理過(guò)程中上部井壁垮塌而卡鉆。②下鉆時(shí)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(jìn)入垮塌物內(nèi)，蹩漏地層或造成垮塌卡鉆。③開(kāi)泵劃眼前，要用盡量的小排量開(kāi)通，再逐步提高排量，一般情況下不要提高到鉆進(jìn)時(shí)的排量。如果因排量小，掉塊返不出來(lái)，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(shí)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(jiàn)，尤其是在泥、頁(yè)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(gè)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。