浅谈石油勘探钻井过程中井壁坍塌问题

摘　要：井壁坍塌问题是石油钻井工程中经常遇到的复杂情况。保持井壁稳定具有十分重要的意义。井眼破裂后稍不注意，井眼压力降低发生溢流，或又导致井塌，甚至有井喷的危险，严重影响了钻井工作速度和效益，阻碍了该油田勘探开发工作的进展。我国各油田也都存在一些易勘探的层位或区段，每年造成巨大耗费。石油工业发展到今天，由于定向井、水平井特殊的井身结构，理论和实践上井壁稳定问题在这些工程中显得格外突出和重要。

关键词：石油钻井　井壁坍塌　复杂因素

一、坍塌地层钻井难点

1.延误钻井作业时间，造成物资损失

在钻井中发生井眼坍塌其结果必然需要提高钻井液的粘度和切力等，这必然导致处理剂费用的增加。而且会增加钻井液流动阻力，多耗功率，降低钻井效率。

2.降低钻速，影响钻井施工

由于发生井眼坍塌，环空钻井液中岩屑浓度会大大增加，当其浓度达到一定的数量时（一般不得超过5%），一方面会大大增加钻井液当量环空密度和对地层的压力，从而降低钻速；另一方面还易发生井下其它复杂情况，如起钻不通畅，摩阻增大，接单根困难，甚至堵塞环空间隙，造成卡钻事故等。

3.干扰地质录井工作

由泥浆带出的砂样进行分析，鉴别岩性，分清层位，辨别油气是地质录井的重要手段，但是如果发生井眼坍塌，可能会取不到相应的岩样，对录井工作造成不利影响。

4.引起其它井下复杂情况

塔里木的复杂地层一般安全泥浆密度窗口比较窄，因此发生井眼坍塌后就会增加泥浆的动压力，从而可能导致井漏的发生，而井漏后又反过来减少了泥浆动压力，如此恶性循环，甚至有导致井眼报废的可能。

二、地层复杂性与井眼坍塌的关系分析

1.膏盐层具有易水化和蠕变的特点

盐岩层在高温高压下易产生塑性流动，即蠕变。因此在盐岩地层常导致井眼缩径、坍塌、甚至发生遇阻、卡钻事故，更有甚者，蠕变的盐岩层将套管挤坏。盐岩的蠕变随温度的升高而加快，并且还与垂向主应力及水平主应力有直接关系。盐岩层埋藏越深，上覆压力越大，盐岩的蠕变就越快。在钻开井眼的短时间内，无论是均匀地层还是非均匀地层，岩石的蠕变都不明显。随着时间的延长，对于水平应力不等的非均匀地层，蠕变出现明显不同。在最大水平主应力方向上井径收缩得快，在最小水平主应力方向上井径收缩得慢，又由于受到较大的切向应力，可能出现井壁岩石坍塌，造成明显的椭圆井眼。在无水石膏和易吸水的泥岩含量较高的膏盐岩地层，其本身的岩石强度可能不是太低，但是由于地层岩石的吸水性，岩体发生膨胀，这就导致了岩石力学性质发生了重大改变，特别对于井壁附近岩石，表现为弹性模量急剧减小，泊松比增大，岩石强度减小，因此易容易发生井眼井稳。

2.砾岩、煤层和页岩具有强度低和脆性大的特点有

2.1砂岩、砾岩、砂砾岩未胶结或胶结不好

2.2地层未成岩

2.3页岩层理发育，这些岩性具有强度低和岩石脆性较大的特点，直接引起坍塌压力增大，使地层的稳定性变差

3.构造高陡性与井眼坍塌的关系分析

随着地层倾角的增大，井壁岩石抵抗剪切破坏的能力会减弱，从而导致井眼坍塌，地层倾角越大,井眼扩大率越大，井眼越易坍塌。

三、力学因素和物理化学因素

井眼是否发生坍塌可以用坍塌压力来衡量，根据Hoek-Brown准则，坍塌压力和以下几个因素有关：

1.地应力影响，一般认为它的三个主应力分量是最大水平应力分量 、铅垂应力分量 、最小水平应力分量 ；受最大、最小主应力的控制， 与 的差值越大，井壁越易坍塌。

2.岩石的强度，它的大小决定了岩石能抵抗破坏的能力，因此，岩石强度越高，坍塌压力越小，井眼越稳定。

3.地层中层理裂缝发育程度，地层中存在着层里裂缝，部分微细裂缝在井下高有效应力作用下会发生闭合。但当与水接触时，水仍然会沿着这些微裂缝而进入，引起地层水化膨胀。地层中层里裂缝越发育，水越容易沿着裂缝进入地层深处，使井壁周围地层中的粘土矿物发生水化，因而井壁也越容易坍塌。

4.空隙压力的影响，地层坍塌压力均随着孔隙压力的增加而增大，但破裂压力的增长速度小于坍塌压力。因此，随着孔隙压力的增加，安全钻进的钻井液密度范围变小。

5.地层渗透性的影响，如是渗透地层，钻井液就会向地层渗透而产生渗透压力，导致井壁周围的孔隙压力发生变化，从而引起地层的坍塌压力增大。

6.地层破碎性与井眼坍塌的关系分析，井眼失稳的根本原因在于井眼形成过程中，近井壁围岩再次被破碎，垂向应力场发生改变，重力作用引起井壁应力释放，近井壁围岩中的应力还未形成新的平衡。当井内钻井液液柱压力高于地层压力，在径向方向，钻井液会侵入破碎性地层使破碎体之间更离散，从而导致在轴向上更易发生坍塌。地层破碎程度越大，则井眼周围岩体破碎体之间的不连续空间越大，因此破碎体有足够的空间发生微小位移，从而井眼越容易坍塌，地层破碎程度越大，井眼越易坍塌。

7.钻井液组成和性能的影响，钻井液组成和性能对坍塌压力的影响很大。

四、结论与建议

1.在计算坍塌周期时，应该考虑钻井地质环境，地层倾角大、岩体破碎、裂缝发育、渗透性强、同一裸眼段内多套压力系统共存、地层容易坍塌等因素的影响。

2.通过从地质角度和力学角度分析井眼坍塌失稳原因，发现地层压力异常、构造高陡、破碎程度大和岩性复杂多变是引起井眼坍塌失稳最主要的因素。

3.在从力学角度分析井眼坍塌的原因时，还考虑了地层各向异性的影响，发现井眼坍塌规律有以下一点：地层越破碎，井眼越易坍塌；地层各向异性越强，则岩石发生剪切破坏需要克服的强度越小，井眼越易坍塌；孔隙压力和地层倾角越大，则井壁岩石的切向应力和径向应力的差值越大，井眼越易坍塌。

4.研究发现坍塌周期和地层到井轴的距离以及钻井液密度有关，地层到井轴的距离越小，则坍塌周期越短，井眼越易坍塌；泥浆密度越大，则坍塌周期越长，井眼越稳定。

参考文献

[1]唐继平，王书琪，陈勉．《盐膏层钻井技术》[M]．石油工业出版社，2004年5月.

[2]邓金根，张洪生．《钻井工程中井壁失稳的力学机理》[M]．石油工业出版社，1998.

[3]刘向君，罗平亚．《岩石力学与石油工程》[M]．石油工业出版社，1989.