地层钻井井塌、井漏、缩径成因及预防措施

雷华友

(河南省煤田地质局二队, 河南 471023)

1 前言

不同地区的地层结构、地层物理特性各不相同, 地质构造也存在着很大的差异, 受此客观地质条件的影响和制约, 使得地层在钻井施工上主要表现出井塌、井漏、缩径等不同的特性, 这些特性在有些地区表现得较单一, 而在某些地区表现得比较复杂, 进而对钻井施工产生一定的影响, 因此, 有必要对井塌、井漏、缩径的形成原因, 对钻井施工的影响进行分析研究, 并提出预防措施, 以指导和服务于钻井生产。

2 井塌、井漏、缩径的形成原因

井塌、井漏、缩径是钻井施工过程中常见的三类主要井内复杂情况, 是不同地层钻井特性的不同表现形式, 其形成原因也各不相同, 但主要还是由于客观地质条件复杂而引起的。

2．1 井塌形成的地质原因

在以泥岩和页岩为主的地层, 由于泥、页岩极易水化膨胀, 在泥浆的浸泡下, 泥浆中的自由水就会进入到这些泥、页岩中, 使泥、页岩的固体颗粒发生水化膨胀和裂解, 失去稳定性而向井内剥落、掉块或者坍塌, 因此泥、页岩层井段是井壁最不稳定的井段, 泥、页岩水化膨胀是造成井塌的主要因素。

同时, 由于构造应力作用的因素而形成断层,使岩石发生破碎, 也会造成井壁不稳定, 当泥浆液柱压力不足以平衡地层压力时, 轻微者表现为掉块, 严重时就会发生井塌, 此种因素引起的井塌在钻井施工中较为常见。另外, 在表土层较厚的地区, 由于其比较疏松, 具有湿陷性, 当泥浆使用不当, 护壁效果不好时, 极易发生坍塌。

2．2 井漏形成的地质原因

井漏根据其成因, 可以分为渗透性井漏、裂隙性井漏及洞穴性井漏三种类型, 其形成原因分析如下：

在以砂岩层为主的井段, 由于岩石孔隙度大,渗透性好, 泥浆中的自由水很容易进入岩层, 泥浆出现不正常消耗, 表现为井漏, 但漏失速度较慢。此种形式的漏失为渗透性井漏。

在构造应力的作用下, 地层岩石容易产生裂隙及破碎带, 泥浆会由此渗入岩层, 极易发生井漏;同时, 岩石的节理、劈理、割理可以作为液体渗入的通道, 也容易引起井漏。此种类型的井漏为裂隙性井漏。

在碳酸盐岩地层, 由于地下水长期溶蚀作用产生溶洞, 当钻遇溶洞时会引起漏失; 施工表土层过程中, 在某些地区会钻遇土洞, 也会出现漏失, 此种类型的漏失为洞穴性井漏。

2．3 缩径形成的地质原因

缩径按其形成机理可分为真缩径和假缩径两种类型。

在以泥岩、页岩为主, 岩石胶结程度中等或差, 不太疏松的井段, 由于泥页岩中含有较多的粘土矿物成份, 其极易吸收水分而发生膨胀, 在泥浆的浸泡下, 泥浆中的自由水就会进入泥页岩层中,使其固体颗粒发生水化膨胀, 导致井径变小, 出现缩径现象, 此种类型的缩径为真缩径。

在以孔隙度高、渗透性好的砂岩层为主的井段, 在泥浆液柱压力的作用下, 泥浆中自由水出现渗透滤失, 而在井壁形成较厚的泥皮或泥饼, 并且比较坚韧, 不易脱落, 引起井径变小, 导致缩径,此种类型的缩径为假缩径。

3 井塌、井漏、缩径对钻井施工的影响及预防措施

3．1 井塌对钻井施工的影响及预防措施

3．1．1 井塌对钻井施工的影响

(1) 泥浆性能不断发生变化, 密度、粘度、切力和含砂量均不同程度增高, 需要不断地对其调整, 耗费大量的人力和物力。

(2) 堵塞泥浆循环通道, 易发生蹩泵现象。

(3) 钻头提起后下不到井底, 划眼时越划越浅。(4) 起下钻遇阻, 易造成埋钻, 转盘打倒转。(5) 增加了处理井内事故的难度, 严重时会造成钻井报废。

3．1．2 井塌的预防措施

对于井塌主要侧重于从泥浆使用方面进行预防, 其次是从钻井机械操作上进行预防。3．1．2．1 泥浆使用方面

(1) 要抑制泥页岩水化膨胀, 保持井壁稳定,一般使用低失水、高矿化度泥浆效果较好, 如盐水或饱和盐水泥浆, 还有氯化钙泥浆, 其特点是泥浆中的Na+、Ca2+含量高, 对泥页岩的水化膨胀有明显地抑制作用, 尤其是CaCl2在泥浆中的溶解度很大, 能配成高钙泥浆, 其抑制泥页岩水化膨胀, 防止泥页岩坍塌效果非常显著。其次是钾基泥浆, 因为钾基泥浆能够提供K+, 其大小恰好与微晶高岭石晶格的氧原子六角环差不多, 易嵌于氧原子联席角环中, 它一方面可使结构紧密, 另一方面使粘土负电荷减少, 从而减弱了泥页岩的水化分散性, 能较好地预防井塌。

(2) 适当提高泥浆密度, 以较高的液柱压力来平衡岩石侧压力, 防止其剥落、掉块或坍塌。但是若地层破碎严重, 在提高密度的同时, 还应提高泥浆的动切力和动塑比来进行钻进和循环。

(4) 对泥浆性能的调整, 要严禁泥浆性能大幅度地变化。

3．1．2．2 机械操作方面

(1) 开泵不要太快、起下钻不要用力过猛过快, 以减小钻头、钻具对井壁的剧烈撞击作用, 降低液柱产生的压力激动作用, 同时可以防止产生抽吸作用。

(2) 泵量、泵压要适当, 保持泥浆在环形空间呈低速层流状态循环, 减少对井壁的冲蚀作用。

(3) 提高钻井速度, 缩短钻井周期, 减少泥浆对井壁的浸泡时间。

(4) 起钻过程中要连续灌井。

3．2 井漏对钻井施工的影响及预防措施

3．2．1 井漏对钻井施工的影响

(1) 泥浆出现轻微或严重地消耗。对于严重的消耗需停钻进行堵漏, 耗费大量的人力、财力和物力, 同时延长了钻井周期。

据调查发现，学生已学会了各个知识点，但他们对各知识点的内在联系知之甚少，缺乏系统地分析和解决实际问题的能力。因此，在教学过程中，从企业现场收集的现实案例入手，要求学生以改善项目组的形式，选择一个现实问题，并综合运用基础工业工程的知识与方法来解决问题。

(2) 对于渗透性井漏, 可以引起泥浆性能发生改变, 如密度、粘度升高等。

(3) 由于严重漏失, 泥浆返不出井口, 在地面得不到净化, 岩屑出现重复破碎, 致使其含砂量巨增, 影响钻进效率, 甚至会导致沉砂卡钻事故的发生。

3．2．2 井漏的预防措施

(1) 备足泥浆量, 以便在钻进漏失层或堵漏时使用。

(2) 起下钻不要用力过猛过快,开泵要平稳,以便减小压力激动,避免造成人为的裂缝(隙)漏失。

(3) 循环钻井液时要尽量避开可能出现漏失的层位, 保持低速层流循环, 以免冲蚀井壁, 引起井漏。

(4) 钻进漏失层时, 要使用低密度泥浆, 以减小液柱压力; 泥浆的粘度和切力要适宜。

3．3 缩径对钻井施工的影响及预防措施

3．3．1 缩径对钻井施工的影响

(1) 循环钻井液时泵压升高, 甚至出现蹩泵现象。由于缩径, 钻具与井壁之间的环形空间变小,泥浆循环通道受阻, 出现泵压升高或蹩泵。

(2) 钻具上提遇阻, 下放容易。出现缩径后,井眼直径小于钻头直径, 导致钻头上提困难。

(3) 对于假缩径井段, 有时可能会引起粘钻事故的发生。

3．3．2 缩径的预防措施

从泥浆的使用上来彻底解决缩径问题, 首先要分析其形成原因, 确定是真缩径, 还是假缩径, 然后有针对性地调整泥浆, 以便更好预防缩径。

对于真缩径, 一般使用较高密度、低失水、高矿化度的泥浆效果较好。较高密度的泥浆是有较高的液柱压力, 足以平衡井壁岩石的侧压力, 阻止泥页岩层的水化膨胀, 防止井径变小; 低失水、高矿化度泥浆由于其中的自由水不容易失去而进入岩层, 使泥页岩层的粘土颗粒成份不易水化膨胀, 同时由于该泥浆的滤液是有较高的矿化度而形成的渗透压大于泥页岩中水的含盐而形成的渗透压, 保证了水分不进入岩层, 抑制了泥页岩的水化膨胀, 使井径不易变小。如使用盐水和饱和盐水泥浆, 氯化钙泥浆等。另外, 使用钾基泥浆也能抑制泥页岩的水化膨胀, 达到防止缩径的效果。

对于假缩径, 除了使用低失水、高矿化度的泥浆, 抑制其由于渗透滤失而在井壁形成较厚的泥皮或泥饼, 防止井径缩小外, 目前使用效果较好, 组成简单的是全絮凝无固相聚合物钻井液体系, 共成份主要为PHP 或PAM 和少量钾盐 (KCl) 的胶液,这种钻井液体系的优点是能够使泥浆中细小的固体颗粒很快地絮凝沉淀, 配合加强固相控制工作, 能使泥浆始终保持低密度 (1．00～1．05g/cm3) 和低粘度 (15～18s) , 较好地预防强渗透砂岩段的缩径现象。

4 结论

(1) 井塌、井漏、缩径是地层钻井特性的三种主要表现形式。

(2) 地质条件复杂是引起井塌、井漏、缩径的主要原因, 对其形成起决定性作用。

(3) 泥页岩层段及断层破碎带是井内最复杂的层段, 可以引起井塌或缩径。

(4) 强渗透砂岩层由于渗透滤失作用而引起的缩径, 应引起足够地重视。

(5) 井塌、井漏、缩径在同一口井中可能同时出现, 对它们的预防不能单独强调某一方面, 而应采取综合预防措施。

(5) 对以上三类井内复杂情况的预防, 最行之有效的方法是在泥浆使用上采取措施, 针对不同的情况和不同的井段, 通过调整泥浆性能, 达到防治的目的。

[1] 鞠德平．钻井泥浆 [M] ．石油工业出版社, 1994．