浅析地质钻探工程中井塌事故的原因

张 星

（河北省煤田地质局第二地质队，河北 邢台 054000）

近些年来，地质钻探日益增多，深度也随着增大，一些施工单位为了降低成本，追求钻效，经常忽视孔内安全，等发生孔内事故后，无法处理时，只能选择侧钻开窗或者开新孔，为此投入更大的成本。“解决患难者强，防患于未然者神”，因此，及时做出预防措施显得尤为重要。本文主要泥、页岩地层为主。

1 井塌的概念

钻开地层后，大块井壁岩石进入钻井液中，导致局部井段井径扩大的现象，称之为井塌。在实际施工过程中，不影响正常钻进（例如：起下钻不阻卡，或轻微阻卡，井筒畅通，扭矩正常）的情况下，虽然存在少量井壁岩石剥落，不认为是井塌，只有严重阻碍钻具在井筒内的运动，阻碍正常钻进时，称为井塌。

2 井塌现象

钻进过程中发生井塌时，首选反应在振动筛返屑突然增多，且岩屑尺寸增大，磨圆度降低，在硬脆性地层中更加明显。当井塌持续发生会造成转盘扭矩增大，憋车、跳车等现象，同时泥浆泵泵压升高。当停止钻进时在没有锁定转盘的情况下钻具可能会倒转，上提钻具有阻力，严重垮塌区会造成卡钻、埋钻等事故。当下钻过程中发生井塌时，钻具下放有阻力，且钻头不能回到孔底，开泵循环后返出大量岩屑。在优化井眼轨迹的过程中，出现泵压不稳、蹩泵等现象，严重时会憋漏地层。井塌后坍塌段井径扩大，出现“大肚子”井眼，电测时遇阻但钻具能正常下入。

3 井塌原因

3.1 井壁不稳定的地质因素

①地质构造类型和原地应力；②地层的岩性和产状；③弱面的存在和及其倾角；④含粘土矿物的类型；⑤层面的胶结情况；⑥裂隙节理的发育；⑦孔隙度渗透率及空隙中流体压力等。

3.2 井壁不稳定的工程因素

①司钻操作不符合规范要求会导致井塌。井斜过大或方位角变化过快、起钻用转盘卸扣、下钻过快、钻头钻具碰击井壁、钻进时转速过高旋转钻柱压撞井壁等因素促使井塌发生。②钻孔内由于钻进液液面变化导致液柱压力下降，造成井塌。例如：提放钻速度快，使钻井液变化速度快导致液柱压力变化；起钻未灌好钻井液、起钻泥包抽吸“拔活塞”未及时发现和有效处理、在钻进或循环时突发性有进无出的严重井漏、发生井喷等，井筒内液柱压力下降，地层失去支撑而发生井塌。③钻井参数选择不合理导致、处理事故措施不恰当导致的垮塌。在易塌井段长时间定点循环钻井液、易塌地层泵排量过大使环空返速过高，冲刷导致井壁垮塌。

4 井塌预防

4.1 合理有效的密度

井壁不稳定的实质是井壁的力学不稳定。而影响力学的主要因素是钻进液形成的液柱压力来维持地层压力。当井壁周围的岩石所受的切向应力和径向应力的差达到一定数值后，将形成剪切破坏，造成井眼坍塌，此时的钻井液液柱压力，称为井壁坍塌压力[1]。当P泥＜P塌，井壁岩石必然逐渐掉入井中，当P泥≥P塌则井壁保持稳定，对应的钻井液密度称为防塌钻井液密度。因此，保持井壁稳定的技术关键是：准确掌握P塌，由此科学的确定所用钻井液密度，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

往往在发生严重垮塌时，虽然会调整性能使P泥＞P塌，但垮塌不会立刻停止，只有当井眼几何形状达到某种程度，井眼内的应力会形成新的应力平衡，垮塌现象才会消失。

而再经过一段时间的浸泡后，P塌继续上升，使P泥＜P塌时，新一轮的垮塌又将出现。

因此，避免垮塌的最好办法就是在垮塌周期之内完井。

4.3 水敏性泥页岩预防

泥页岩具有较强的亲水性，泥页岩粘土含量越高、含盐量越高，越容易吸收水份；伊利石、绿泥石含量越高的泥页岩，越易吸水裂解、剥落，是泥页岩井壁坍塌的物性原因。通过优选防塌钻井液类型，采用物理化学方法抑制地层的水化作用：①提高钻井液的抑制性；②用物理化学方法封堵地层的层理和裂隙，阻止钻井液滤液进入地层；③改善滤液性质，使其尽量与地层相配伍；④提高滤液粘度，降低HTHP和泥饼渗透率，尽量减少钻井液滤液进入地层的量。

4.4 硬脆性泥页岩预防

硬脆性泥岩具有较为丰富的层理微裂缝和孔隙。在硬脆性泥页岩地层中钻进时，钻井液及滤液会在钻井液液柱压力与地层压力的压差作用下向裂缝中渗入，使裂缝张开，同时大大降低缝面间摩擦力，使P塌上升。

当井塌发生时，必然要通过提高钻井液密度来提高P泥，而密度越高，压差越大，使钻井液和滤液进入裂缝越多，P塌上升的越大。从而造成越提密度越塌的严重的现象。

硬脆性泥页岩只有当裂缝完全闭合时P泥才能起到平衡P塌，稳定井壁的作用，提高密度才有效。

因此，要想平衡P塌就需要先进行有效封堵。通过使用纳米级钢性离子对硬脆性泥岩的微裂缝进行桥堵、再利用可变形封堵离子进行填充，实现对微裂缝的有效封堵，降低垮塌压力的增加值，再维持合理的钻井液密度，实现钻井液液柱压力对垮塌压力的平衡。

5 井塌处理时注意的问题

①起钻过程中发生井塌，尽量不要试图去开泵将垮塌物带出井眼，随着垮塌物的上行，会增加卡钻的可能性。要先将钻具及时起到安全井段再处理。如果垮塌严重，不能起钻，只能小排量进行倒划眼，待能起钻时则要抱着抢一柱是一柱的心态强行起钻，防止处理过程中上部井壁垮塌而卡钻。②下钻时发生垮塌遇阻划眼。必须保证钻具上行安全的前提下才能去划眼，否则要先起到安全井段调整钻井液，保证上部井眼安全后再下去划眼。严禁硬冲、硬压，使钻头进入垮塌物内，蹩漏地层或造成垮塌卡钻。③开泵划眼前，要用尽量的小排量开通，再逐步提高排量，一般情况下不要提高到钻进时的排量。如果因排量小，掉块返不出来，可以提高钻井液的悬浮携带能力。必须等钻头以上的垮塌全部清洗出井眼时再划眼。

6 结论

由于井壁失稳造成的井塌事故较为常见，尤其是在泥、页岩中，解决此类事故最主要是提前做出预防，建议从以下两个方面入手。力学方面：合理有效的钻井液密度；缩短钻井周期；合理的井身结构；优化井眼轨迹。钻井液方面：有效的封堵；提高抑制性；降低失水；合理流型。