[科普中国]-坍塌卡钻

地层坍塌原因

造成井壁失稳有地质方面的原因、物理化学方面的原因和工艺方面的原因,就某一地区或某一口井来说,可能是其中的某一项原因为主,但对大多数井来说是综合原因造成的。

地质方面的原因(1)原始地应力的存在:我们知道,地壳是在不断运动之中,于是在不同的部位形成不同的构造应力(挤压、拉伸、剪切),当这些构造应力超过岩石本身的强度时,便产生断裂而释放能量。但当这些构造应力的聚集尚未达到足以使岩石破裂的强度时,它是以潜能的方式储存在岩石之中,待机而发,当遇到适当的条件时,就会表现出来。因此,地层中任何一点的岩石都受到来自各个方向的应力作用,为简便起见,把它分解为三轴应力,如图1-9所示, 即垂直应力(上覆岩层压力)σv和两个水平应力σH(最大水平应力)和σh(最小水平应力),通常这两个水平应力是不相等的。当井眼被钻穿以后,钻井液液柱压力代替了被钻掉的岩石所提供的原始应力,井眼周围的应力将被重新分配,被分解为周向应力、径向应力和轴向应力,在斜井中,还会产生一个附加的剪切应力,当某一方向的应力超过岩石的强度极限时,就会引起地层破裂,何况有些地层本来就是破碎性地层或节理发育地层。虽然井筒中有钻井液液柱压力,但不足以平衡地层的侧向压力,所以,地层总是向井眼内剥落或坍塌。

(2)地层的构造状态:处于水平位置的地层其稳定性较好,但由于构造运动,发生局部的或区域的断裂、褶皱、滑动和崩塌,上升或下降,使得本来水平的沉积岩变得错综复杂起来,大多数地层都保持一定的倾角,随着倾角的增大,地层的稳定性变差,60°左右的倾角,地层的稳定性最差。

(3)岩石本身的性质:沉积岩中最常见的是砂岩、砾岩、泥页岩、石灰岩等,还有火成侵入岩如凝灰岩、玄武岩等,由于沉积环境、矿物组分、埋藏时间、胶结程度、压实程度不同而各具特性,以下的这些岩石是容易坍塌的:①未胶结或胶桔不好的砂岩、砾岩、砂砾岩；②破碎的凝灰岩、玄武岩,因岩浆侵入地层后，在冷却的过程中,温度下降,体积收缩,形成大量的裂纹,这些裂纹有些被方解石充填,大部分未被充填,其性质和未胶结的砾石差不多;③节理发达的泥页岩。泥页岩在沉积过程中,横向的连续性很好,但成岩之后,由于构造应力的拉伸、剪切作用,会形成许多纵向裂纹,失去了它的完整性;④断层形成的破碎带。断层附近不论是什么地层,都容易形成破碎;⑤不成岩的地层,如煤层、流沙、粘土、淤泥等;⑥泥页岩的组分。泥页岩中一般含有20～30%粘土矿物,若粘土的主要成分是蒙脱石则易吸水膨胀;若粘土的主要成分是高岭石、伊利石,则膨胀性小,但容易脆裂;而伊利石—蒙脱石混层,离子间强键减少,一部分比另一部分水化能力强,导致非均匀膨胀,进一步减弱了泥页岩的结构强度,实践证明,伊利石—蒙脱石混层是难以对付的地层。⑦有盐膏层、膏盐层、膏泥岩、软泥岩等特殊岩层，当用淡水钻井液或不饱和盐水钻井液钻进时，盐层溶解，井径扩大，一些硬泥岩、粉砂岩等夹层失去支撑而垮塌。或者钻遇石膏、膏泥岩时钻井液液柱压力不能平衡地层坍塌压力，或者钻井液中抗盐抗钙处理剂加量不足，使石膏吸水膨胀、分散，也会造成井下垮塌、掉块。以盐为胎体或胶结物的泥页岩、粉砂岩或硬石膏团块，遇矿化度低的水会溶解，盐溶的结果导致泥页岩、粉砂岩、硬石膏团块失去支撑而坍塌。

(4)泥页岩孔隙压力异常:泥页岩是有孔隙的,在成岩过程中,由于温度、压力的影响,使粘土表面的强结合水脱离成为自由水,如果处于封闭的环境内,多余的水排不出去,就在孔隙内形成高压。一些生油岩生成的油气运移不出去,也会在孔隙和裂缝中形成高压。钻井时,如果钻井液液柱压力小于地层孔隙压力,孔隙压力就要释放。如果孔隙或裂缝足够大且有一定的连通性,这些流体就会涌入井内,如江汉油田、胜利油田发现的泥页岩油气藏就是这样形成的。如果泥页岩孔隙很小,渗透率很低,当压差超过泥页岩强度时,也会把泥页岩推向井内。若泥页岩孔隙里是高压气体,泥页岩就会被崩散,落入井内。

(5)高压油气层的影响:泥页岩一般是砂岩油气层的盖层,或者与砂岩交互沉积而成为砂岩的夹层,如果这些砂岩油气层是高压的,在井眼钻穿之后,在压差的作用下,地层的能量就沿着阻力最小的砂岩与泥页岩的层面而释放出来,使交界面处的泥页岩坍塌入井。1

物理化学方面的原因石油天然气钻井是在沉积岩中进行,而沉积岩的百分之七十以上是泥页岩,泥页岩都是亲水物质,一般都含有蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石等粘土矿物,此外,还含有石英、长石、方解石、石灰石等,不同的泥页岩其水化程度及吸水后的表现有很大的不同。据此把泥页岩分为易塌泥页岩、膨胀泥页岩、胶态泥页岩、塑性泥页岩、剥落泥页岩、脆碎泥页岩等,经大量研究发现,泥页岩中的粘土含量、粘土成分、含水量及水分中的含盐量对泥页岩的吸水及吸水后的表现有密切关系,泥页岩粘土含量越高、含盐量越高、含水量越少则越易吸水水化。蒙脱石含量高的泥页岩易吸水膨胀,绿泥石含量高的泥页岩易吸水裂解、剥落。值得注意的是井眼钻开之后不仅引起原始地应力的重新分配,而且由于钻井液滤液的浸入,粘土内部又发生新的变化,产生新的应力,如孔隙压力、膨胀压力等,削弱了粘土的结构。有人做过实验,某种页岩的原始剪切强度为12.375MPa,用自来水浸泡0.5小时,剪切强度下降为0.012Mpa,用钻井液浸泡3小时,剪切强度下降为0.066Mpa,泥页岩吸水后,强度将直线下降,这是造成坍塌的主要原因。泥页岩与水的作用机理主要是:

(1) 水化膨胀:

①表面水化:粘土表面带有负电荷,可吸收水分子。首先水以单分子层吸附在粘土表面上,降低了粘土体系的表面能,并把单层分开使其间距增大,当四层水进入蒙脱石的晶层间时,其体积可增加一倍,这样就减少了颗粒间的引力,使粘土的抗剪强度下降,含水量越多,粒子间的引力越小。同时水分子上所粘结的氢原子与粘土硅层表面的氧原子化合为水分子,更增强了粘土的表面水化作用。粘土的水化能力和粘土颗粒的表面积成正比,不同矿物的表面积差别很大,如纯蒙脱石为810m/g,干净的石英砂岩为0.01m/g,表面积越大,水化程度越高。这样,就使泥页岩膨胀系数增大,而抗压强度降低。

②离子水化:粘土中的阳离子可与钻井液中的阳离子进行交换,这种可交换的阳离子表面形成水化膜而引起离子水化。离子交换能力与可交换阳离子(Al、Fe与Si交换,Mg、Fe与Al交换)的含量与其所处位置以及可发生交换的补偿离子的类型有关。伊利石中含有的补偿阳离子为蒙脱石的3～6倍,且靠得比较近,与晶格中心的负电荷有较大的吸引力,使之难以发生交换。而交换能力大的钠蒙脱石才能同时发生表面水化和离子水化。

③渗透水化:主要是由于泥页岩中的电解质的浓度高于钻井液中的电解质浓度,水分子由电解质浓度较低的钻井液渗入电解质浓度较高的泥页岩中。同理,如果钻井液中的电解质浓度高于泥页岩中的电解质浓度,则泥页岩中的水向钻井液渗透,从而使泥页岩脱水。通常钻井使用的是淡水钻井液或低矿化度钻井液,水分总是由钻井液向地层渗透,当两者离子浓度相差很大时,渗透水化可以形成很高的渗透压,并且渗透水化是在泥页岩内部进行,它对井壁稳定有很大的破坏作用。

(2) 毛细管作用:

泥页岩中有许多层面和纹理,在构造力的作用下又形成了许多微细裂纹,这些连接薄弱的地方容易吸水,是良好的毛细管通道。毛细管压力与孔隙半径成反比、与表面张力成正比。蒙脱石、高岭石、水云母的毛细管力分别是0.29MPa、0.33MPa和0.42MPa。从毛细管作用来看,原来并不怎么水化膨胀的泥页岩,也可因毛细管水的大量浸入发生物理崩解,尤其颗粒很细的多孔体更容易因此而崩塌。有的泥页岩很少含微晶高岭石,与水作用后膨胀程度较小,膨胀压力也不是很大,然而井塌还是比较严重,这是因为毛细管水进入泥页岩像润滑剂那样削弱岩石颗粒之间和泥页岩层面之间的联结力,在侧压力作用下,岩石向井内运移,这种坍塌往往塌块较大,如柴达木盆地大风山二号井在四千米以下的最大塌块重331g,边长为115×105×30mm,胜利油田郝科一井在四千米以下的最大塌块重970g,边长为130×110×25mm,这是被钻井液带出井口经过长途运移多次碰撞破碎后的塌块,而初始塌块要比这大得多。

(3)流体静压力

如果钻井液的液柱压力高于泥页岩的孔隙压力,钻井液滤液会在正压差的作用下进入地层,增大地层的孔隙压力,而且引起地层层面水化,强度降低,裂缝裂解加剧。滤液进入越深,裂缝的裂解越严重,泥页岩的剥落、坍塌越厉害。但流体静压力又是井壁围压的一种平衡力,也是一种反膨胀力。所以流体静压力对井壁稳定来说,既有正面效应,也有负面效应,我们应当尽量发挥它的正面效应,克服它的负面效应。比较理想的办法是降低钻井液的滤失量,提高滤液的粘度,滤液的粘度越大,越有利于封堵微细裂缝,阻止或减缓毛细管作用和渗透作用的进行。

综上所述,我们知道,只要使用水基钻井液,只要有水的存在,就有泥页岩的水化膨胀坍塌问题。泥页岩的水化膨胀压力是时间的函数, 泥页岩吸水后要经过一段时间,膨胀压力才会显著上升。当膨胀压力达到一定程度后就形成一次坍塌,坍塌之后,又有新的泥页岩表面暴露出来,和钻井液中的水接触,又重复前一过程,又形成第二次、第三次坍塌,如此反复不已。所以加快钻井速度,争取在泥页岩大规模坍塌之前把井完成是最经济最有效的办法。

工艺方面的原因地层的性质及地应力的存在是客观事实,不可改变。所以人们只能从工艺方面采取措施防止地层坍塌,如果对坍塌层的性质认识不清,工艺方面采取的措施不当,也会导致坍塌的发生。

(1)钻井液液柱压力不能平衡地层压力:基于压力平衡的理论,首先必须采取适当的钻井液密度,形成适当的液柱压力,这是对付薄弱地层、破碎地层及应力相对集中地层的有效措施。但增加钻井液密度也有两重性，一方面钻井液密度高了有利于增加对井壁的支撑力，另一方面它又会导致钻井液滤液进入地层,增大地层的孔隙压力,增大粘土的水化面积和水化作用,从而降低使其稳定的正压力,在这种情况下,断层或裂缝将释放剪切力而发生横向位移,使井眼形状发生变化,也可使已碎裂的地层滑移入井。另外,钻井液密度的确定,也受其它因素的影响,①钻井液液柱压力不能超过产层的孔隙压力,设计钻井液密度的主要目的是保护油气层,这样做的结果,往往在遇到一些严重坍塌层时而无法通过,人们只苛求钻井液工程师从除密度以外的其它钻井液性能上找出路,殊不知,从化学方面抑制地层坍塌是有限度的,由力学因素造成的坍塌,只有用力学去抗衡,如胜利油田利津地区沙三段灰色泥岩,钻井液密度小于1.36g/cm,桩西地区石炭二叠系含煤泥页岩,钻井液密度小于1.45g/cm,就发生恶性坍塌;②钻井液液柱压力不能超过地层破裂压力,提高钻井液密度,有利于稳定井壁,但遇到孔隙压力或破裂压力低的地层,就容易发生拉伸破坏,导致井眼漏失;③受机械钻速的制约,钻井液密度越低，机械钻速越快,这是公认的事实,所以现在有些地方提倡负压钻进,如果地层比较稳定,这样做,无疑会带来很大利益;如果地层不稳定,这样做,将会招来井塌的恶果。

(2)钻井液体系和流变性能和地层特性不相适应:钻井液的排量大、返速高、呈紊流状态容易冲蚀井壁岩石,引起坍塌,特别是在某一井段长期循环,很容易形成大井径。但是,如果钻井液徘量小、返速低、呈层流状态,某些松软地层又极易缩径。而且在已经发生坍塌的情况下,又需要增大排量和返速,否则不足以将塌快带出。高粘高切低失水钻井液有助于防塌,也有利于携带岩屑,但不利于提高钻速。所以应对现场发生的情况,进行具体分析,找出矛盾的主要方面,才能采取相应的对策。

(3)井斜与方位的影响:在同一地层条件下,直井比斜井稳定,而斜井的稳定性又和方位角有关系,位于最小水平主应力方向的井眼稳定,位于最大水平主应力与最小水平主应力中分线的井眼较稳定,而位于最大水平主应力方向的井眼最不稳定。

(4)钻具组合的影响:为了保持井眼垂直或稳斜钻进,下部钻具往往采用刚性组合,但如钻铤直径太大、扶正器过多,下部钻具与井眼之间的间隙太小,起下钻时很容易产生压力激动,导致井壁不稳。

(5)钻井液液面下降:如①起钻时不灌钻井液或少灌钻井液,或者虽然名义上灌了钻井液,却未将钻井液灌入井中;②下钻具或下套管时下部装有回压阀,但未及时向管内灌钻井液,以致回压阀挤毁,环空钻井液迅速倒流;③在注低密度解卡剂时,管内外形成很大压差,若地面管线或阀门发生故障,也会使环空液体迅速倒流;④井漏;所有这些情况,都会使环空液柱压力下降,使某些地层失去支撑力而发生坍塌。

(6)压力激动:如开泵过猛,下钻速度过快,易形成压力激动,使瞬间的井内压力大于地层破裂压力,而压裂地层。起钻速度过快,易产生抽吸压力,抽吸力和钻井液粘度、切力、下部钻具结构和起钻速度有直接关系,一般情况下相当于减少钻井液密度0.10-0.13g/cm。但是在钻头泥包或扶正器泥包的情况下,抽吸力是相当大的,使井内压力低于地层坍塌应力,促使地层过早地发生坍塌。在起下钻过程中通过井眼破坏区域时,由于钻具的扰动,也可以造成井塌。

(7)井喷引起井塌:井喷后,一方面由于油气的混入,钻井液液柱压力降低,一方面由于高速油气流的冲刷,破坏了井壁滤饼,也破坏了井眼周围结构薄弱的岩层,所以井喷时总是夹带着大量的砂石喷出地面。当冲落的砂石达到一定数量,油气流无力将其举升到地面时,就堵塞了环空,有些井自动停喷,就是这个道理。

（8）气体钻井对井壁的支撑力最低，从井壁力学方面促使井壁不稳定，尤其是有水层、水敏性地层同时存在时易发生井眼不稳。

在钻井过程中,轻微的井塌是经常出现的,从返出井口的岩屑中可看出,20～40%的岩屑不是新钻岩屑而是坍塌碎屑。从电测井径的数据也可以看出,井径扩大的现象是普遍存在的,而扩大的井段主要是泥页岩井段。不过,这种轻微的坍塌不会给钻井施工造成困难。但是若遇到裂缝发育而吸水性又强的泥页岩,在短期内就会形成大规模的坍塌,裸露一层,剥蚀一层,连续不断,以致使钻井作业无法进行,甚至埋死钻具,造成坍塌卡钻,这就是非常严重的问题了。1

坍塌卡钻表征1.在钻进过程中发生坍塌:如果是轻微的坍塌,则使钻井液性能不稳定,密度、粘度、切力、含砂量要升高,返出钻屑增多,可以发现许多棱角分明的片状岩屑。如果坍塌层是正钻地层,则钻进困难,泵压上升,扭矩增大,钻头提起后,泵压下降至正常值,但钻头放不到井底。如果坍塌层在正钻层以上,则泵压升高,钻头提离井底后,泵压不降,且上提遇阻下放也遇阻,甚至井口返出流量减少或不返。

2.起钻时发生井塌:正常情况下,起钻时不会发生井塌。但在发生井漏后,或在起钻过程中未灌钻井液或少灌钻井液,则随时有发生井塌的危险。井塌发生后,上起遇阻,下放也遇阻,而且阻力越来越大,但阻力不稳定,忽大忽小。钻具也可以转动,但扭矩增加。开泵时泵压上升,悬重下降,井口流量减少甚至不返,停泵时有回压,起钻时钻杆内反喷钻井液。

3.下钻前发生井塌:井塌发生后,由于钻井液的悬浮作用,塌落的碎屑没有集中,下钻时可能不遇阻,但井口不返钻井液,或者钻杆内要反喷钻井液。如果塌落的碎屑集中,则下钻遇阻,当钻头未进入塌层以前,开泵泵压正常,当钻头进入塌层以后,则泵压升高,悬重下降,井口返出流量减少或不返,但当钻头一提离塌层,则一切恢复正常。向下划眼时,虽然阻力不大,扭矩也不大,但泵压忽大忽小,有时会突然升高,悬重也随之下降,井口返出的流量也呈现忽大忽小的状态,有时甚至断流。从返出的岩屑中可以发现新塌落的带棱角的岩块和经长期研磨而失去棱角的岩屑。

4.划眼情况不同:如果是缩径造成的遇阻(岩层蠕动除外),经一次划眼即恢复正常,如果是坍塌造成的遇阻,划眼时经常憋泵、别钻,钻头提起后放不到原来的位置,越划越浅,比正常钻进要困难得多。搞得不好,还会划出一个新井眼,丢失了老井眼,使井下情况更加复杂化了。

处理方法1.下钻过程,如发现井口不返钻井液,或者钻杆内反喷钻井液,这是井塌的象征,应立即停止下钻。开泵循环通井或划眼,待井下情况正常后,再恢复下钻工作。

通井、划眼,如果在较硬地层中进行,一般不会发生意外,如在软地层中进行,就很容易划出新井眼而失去老井眼,如渤南油田××井,设计井深3340m,由于多次井塌,多次划出新井眼,在一口井上进尺一万多米,还没有钻完这口井。由于这方面的教训太多了,所以有人给井塌后的划眼工作定了一条硬措施叫“一通、二冲、三划眼,”但是往往是通也通不动、冲也冲不下,不划眼又怎办呢?只好活动活动转盘,一活动转盘问题就出来了。出了新井眼又不承认是新井眼,钻又不敢钻,划也划不动,大量时间就消耗在似划非划、似钻非钻的状态之中。

在软地层中不能用钻头去划眼,无论是何种钻具组合,只要用钻头,准能划出新井眼。如果是地层较硬,非用钻头不行的话,那也不必担心划出新井眼,因为硬地层是划不出新井眼的。

为了避免钻出新井眼而又能快速划眼下放消除障碍,我们设计了一种划眼工具,如图1-13所示,它是由接头、刀片、导引杆、和马蹄形端部组成。划眼时,导引杆始终处于老眼中,它没有切削作用,不会钻出新井眼。马蹄形端部可以防止突然憋泵。刀片可以破碎已垮塌的地层,把大块钻成小块,通过循环的钻井液带出地面。使用这种工具,不受“一通、二冲、三划眼，”的限制,可以按正常操作程序进行,不可能划出新井眼,而且大大加快了划眼进度。这种工具在现场可以由井队自己制作,即用废公锥焊大钳牙即可使用,其直径可以小于钻头直径,因为坍塌井段的井径都大于钻头直径,不必使用足尺寸的划眼工具。

2.起钻过程,如发现井口液面不降,或钻杆内反喷钻井液,这是井塌的象征,应立即停止起钻。开泵循环钻井液,待泵压正常,井下畅通无阻,管柱内外压力平衡后,再恢复起钻工作。

3.无论任何时候,如发现有井塌现象,开泵时均须用小排量顶通,然后,逐渐渐增加排量,中间不可停泵。如果小排量顶不通,泵压上升，井口不返钻井液，证明地层漏失，不可继续挤入钻井液。一般的经验数据是漏失量不可超过5m。如果恢复循环无望,而钻具尚能活动,应当机立断,立即起钻。液面如不在井口,应灌满钻井液。虽然此时起钻有不少阻力,钻杆内依然反喷钻井液,也丝毫不能等待,只要在设备和钻具的安全负荷以内,就应尽最大的可能上起。已经到了破斧沉舟,背水一战的时候了,没有第二条路可走。中途决不可试着去开泵,只要连续上起,在大多数情况下是可以把钻具起完的。万一起不完,能多起一柱是一柱,也减少了套铣倒扣的工作量。

4.如果已经发生井塌,循环钻井液时岩屑又带不出来,可采取如下办法:

(1) 使用高屈服值和高屈服值/塑性粘度比值的钻井液洗井,使环空保持平板层流状态。

(2)使用高浓度携砂液洗井,携砂剂的主要成分是经过处理加工的温石棉再加一些添加剂制成,能提

5.坍塌卡钻的处理

坍塌卡钻以后,可能有两种情况,一种是可以小排量循环,一种是根本建立不起循环。如果能小排量循环的话,万万不能失去这一线希望,但是必须控制进口流量与出口流量的基本平衡。在循环稳定之后,逐渐提高钻井液的粘度和切力,以提高它的携砂能力,然后逐渐提高排量,争取把坍塌的岩块带到地面。这一步走好之后,即使发生了粘吸卡钻,也好处理了。但是有时会有这种情况，小排量可以循环，一增加排量就发生漏失，返出量不增加，停泵后，钻井液外吐不止，这时就应下决心倒扣了，不能再等待了。

如果是石灰岩、白云岩坍塌形成的卡钻,同时坍塌井段不太长的话,可以考虑泵入抑制性盐酸来解卡。

如果失去循环,只有一条路可走,就是套铣倒扣。我们应该为少倒扣和容易倒扣创造条件。往往有这种情况,在发生严重井塌之后,不能循环但能转动,上下也有一定的活动距离,但活动距离越来越小,转动扭矩越来越大,说明砂子越挤越死,最终非卡死不可。此时就不应以转动求解脱,要严格控制扭矩,为容易倒扣留一条后路。此时应该分析塌卡的是钻具上部还是下部，如果塌卡的是钻具下部，最好把钻具提卡,立即倒扣,如果倒得好,可以把钻铤以上的全部钻具倒出。要知道,坍塌发生后的初期阶段掩埋的钻具不多,且砂子比较疏松,但随着时间的延长,砂子越集越多,越集越实,卡点会迅速上移,而且上部钻具粘卡的危险性越来越大,因此,只要确定是钻具下部塌卡，就应及早倒扣。倒扣的时间越早,可能倒出的钻具越多,给下一步留下的困难就越少。

但是坍塌卡钻的部位往往是上部松软地层,下部钻具并未埋死,可是钻具失去活动以后,就有粘卡的可能,形成上部塌卡下部粘卡的复式卡钻,如图所示,此时就不要盲目倒扣，因为你倒出的钻具不可能很多，如果钻头水眼被堵,可能形成一套到底的局面，而且在下部粘卡井段,你要套铣的不是塌块,而是地层, 井越深，地层越硬，套铣越困难，最后不得不被迫放弃。此时就应该为下一部容易处理创造条件，首先下炸弹把钻头炸掉或把钻铤炸裂，为以后恢复循环创造条件，当上部井眼套通之后，只要能恢复循环，就可以按粘吸卡钻处理了，如果不事先进行爆炸，在套铣倒扣过程中，钻头水眼肯定会被堵死，以后要想循环，那是不可能的。也有人提出不爆炸而进行射孔是否可以？实践证明，钻铤上是射不开孔的，即是能射开，射孔的孔眼也很容易被堵死，没有一点实用价值。也有人设计了通开水眼的工具和办法，但那只能是局部通开，一般100m左右，而且工序繁琐，非常不经济，不如爆炸来得一劳永逸。

下一步就只能是套铣倒扣了,在松软地层宜采用长筒套铣,或者采用带公锥或打捞矛的左旋螺纹长筒套铣,使套铣与倒扣一次完成,以加快进度。较硬地层,宜减少套铣筒长度,尽量减少套铣过程中的失误。套铣至扶正器时,宜下震击器震击解卡,因为大量事实证明,扶正器以下很少有砂子堆集,没有必要去做磨铣扶正器的工作。如果要套铣扶正器,也不能全面套铣,应套铣扶正条根部,因为扶正器上的硬质合金,镶装在扶正条的表面,其根部并无硬质合金,是比较容易套铣的.这就是“避实击虚”、“避硬吃软”的方法。剥离的扶正条仍在井内，待钻铤倒出后，再磨铣打捞。1

预防采取适当的工艺措施1．设计合理的井身结构:

(1)表层套管应封掉上部的松软地层,因为这些地层最容易坍塌,对钻井液液柱压力的反应最灵敏。经常发现电测仪器在表层套管鞋附近下不去,就是因为表层套管下得太少,地层不稳定造成的。

(2)明显的漏层如古潜山风化壳、石灰岩裂缝溶洞,其上部应用套管封隔。因为钻遇这些地层,往往是钻井液有进无出,必然会引起上部地层的大段坍塌。所以地质录井工作必须做细,一般钻入风化壳不许超过三米。

(3)在同一裸眼井段内不能让喷、漏层并存。因为在这种情况下,防喷则漏,防漏则喷,无论喷、漏,都会引起地层坍塌。

2.要尽量减少套管鞋以下的口袋长度,一般要求以1-2m为宜。因为较长的口袋是下部岩屑的储藏所,同时也容易引起水泥块掉落。

3.调整泥性能使其适应钻进地层:

(1) 对于未胶结的砾石层、砂层,应使钻井液有适当的密度和较高的粘度和切力。

(2) 对于应力不稳定的裂缝发育的泥页岩、煤层、泥煤混层,应使钻井液有较高的密度和适当的粘度和切力,并尽量减少滤失量。这样,一方面减少或防止地层的坍塌,一方面也可以把坍塌的岩块携带到地面,防止岩屑沉淀堆集成砂桥。要知道,在钻遇应力不稳定地层之前不把钻井液密度提上去,以防止井壁失稳,一旦坍塌发生之后,再去抑制失稳的地层所需的钻井液密度要高得多。

(3) 要控制钻井液的pH值在8.5～9.5之间,可以减弱高碱性对泥页岩的强水化作用。

(4)必要时,可以采取混油的办法,如混入原油、柴油或白油。因为泥页岩都是亲水的,而非亲油的,混入油类后会降低粘土的吸附力,因而可以抑制膨胀。据实验,纯甘油浓度为10%、20%、30%的溶液可以分别把泥页岩的膨胀率降低36%、52%、57%,这是因为甘油溶液的高粘度和非离子型,不能和粘土产生离子交换作用。

(5) 适当的提高钻井液的矿化度,使之与泥页岩中水的矿化度相当或稍高,减少渗透压,降低井壁处泥页岩的含水量和孔隙压力,使泥页岩强度增加。

(6) 促进有利于泥页岩稳定的离子交换作用,Na是引起粘土水化的主要根源,如果在钻井液中引进K、Ba、Ca、Fe、Al、Si等离子,与泥页岩中的Na进行交换,就可以有效地降低泥页岩的膨胀压,并能与泥页岩组分发生化学反应,来增强泥页岩的胶结力。

4.保持钻井液液柱压力:

(1) 起钻时要连续的或定时的向井内灌入钻井液,保持井口液面不降或下降不超过5m。

(2) 停工时,因为有渗透性漏失,测井时,电缆也占有一定的体积,因此都必须定时的向井内补充钻井液。

(3)钻柱或套管柱下部装有回压阀时,要定期地向管柱内灌入钻井液,每次必须灌满,防止回压阀挤毁,而使钻井液倒流,把井壁抽垮。

(4)如管内外压力不平衡,停泵后立管有回压,不能放回水,也不能卸方钻杆接单根。因为,这样会使环空液体倒流,环空液柱压力下降。

5.减少压力激动

(1)控制起钻速度,特别是在钻头或扶正器泥包的情况下,上起钻柱时,井口液面不降或外溢,这是很危险的情况,应停止起钻,循环钻井液,采取措施,消除泥包。如果消除不了,应边循环边起钻,起过小井径井段后,再正常起钻。

(2)下钻后及接单根后开泵不宜过猛,应先小排量开通,待泵压正常后再逐渐增加排量,中间不可停泵。如果小排量顶不通,泵压上升,井口不返钻井液,证明是地层漏失,不可继续挤入,一般的经验数据是漏失量不可超过5m。

6.要有意识地保护薄弱地层:对于结构薄弱或有裂缝的地层,钻进时要限制循环压力,以免压漏地层。起下钻通过该层时要严格控制速度,减少对地层的外力干扰。

7.不可长期停止循环:如因故停钻,钻井液在井内静止的时间不可过长。如渤海湾地区的明化镇、馆陶组地层,钻井液在裸眼内静止超过三天,十有八九会发生井塌。其它地区因沉积环境、地层岩性不同,可以在实际工作中摸索这方面的经验。

8.负压钻进时，液柱压力不能小于裸眼井段某些地层的坍塌压力，否则，应将这些地层用套管封隔掉。

使用具有防塌性能的钻井液1.油基钻井液

油基钻井液是以油为分散介质以氧化沥青为分散相而配成的特种钻井液。一般以柴油为分散介质,要求柴油闪点在90℃以上,燃点在100℃以上,苯胺点在68.1℃左右。分散相用氧化沥青,要求软化点达120～160℃。常用的乳化剂是硬脂酸钠皂,此皂分子一端是极性官能团,另一端是非极性碳氢链,沥青质是极性固体,柴油是非极性液体,硬脂酸钠皂加入后,皂分子的极性团与沥青质相吸,非极性碳氢链与柴油相接,形成亲油性胶团,并在周围形成油膜,具有稳定作用,同时胶团间靠分子引力彼此吸引连接,因此具有触变性。常用的乳化剂还有环烷酸皂、妥尔油皂等。热稳定剂常用石灰石粉,它在油基钻井液中形成部分钙皂,可提高固相的分散度,增加油基钻井液的热稳定性,还可以吸收油基钻井液中的水分,减少其含水量,还可以调节pH值,对稳定有利。

由于油基钻井液不含水(或含少量的水),不会使泥页岩水化膨胀,也不受盐、钙等的污染,所以钻出的井眼比较规则。但是由于油基钻井液配制复杂、维护处理麻烦、成本高、对环境会造成污染、洗井能力不如水基钻井液、也不利于安全作业,所以不能大量推广使用。

2.油包水乳化钻井液

油包水乳化钻井液是以水珠(水相占40～60%)为分散相或内相,以各种油类为连续相或外相,并添加乳化剂、亲水胶体以及其它处理剂所形成的稳定的乳化液(常以符号W/O表示)

油相:一般占体积的40～60%,选用密度较高、粘度较低、闪点在90℃以上、燃点在100℃以上、苯胺点在70℃以上的柴油或煤油,其它如松节油、棉子油、鲸油、白油等也可用作油相使用。为了降低成本,应尽量增加水相体积,减少油相体积,随着乳化剂及乳化技术的发展,油相可减少至10～20%。

水相:水相是分散相,其体积可占40～60%,可为淡水、盐水或海水,一般皆用氯化钙或混合盐溶解在水相中,保持一定的矿化度,可以起到稳定乳化物、降低水相表面张力、防止泥页岩水化膨胀、防止化学污染和提高乳状液密度的综合效果

乳化剂:在油中高度分散的水珠靠乳化剂来稳定,乳化剂可降低油水界面张力,增加外相粘度,在水珠周围形成坚固的保护膜,起到稳定乳化物的作用。将油溶性乳化剂和水溶性乳化剂配合使用可以获得很强的乳化效果。所以,乳化剂分为两种:

第一种是主乳化剂,若配制油包水(W/O)乳状液则用油包水型乳化剂,若配制水包油(O/W)乳状液则用水包油型乳化剂,其关键作用是形成膜的骨架。

第二种是辅助乳化剂,或叫稳定剂,使第一乳化剂更为稳定,使外相增加粘度。

常用的乳化剂有脂肪酸皂类(钠皂、钙皂)、纸浆浮油皂(也叫妥尔油皂)、松香皂、酰胺类、石油磺酸盐等。一般的说,一价金属皂常形成O/W型乳状液,二价金属皂则能形成W/O型乳状液。

油中可分散胶体:其作用是提高乳状液的粘度、切力和悬浮性能,并降低乳化物的滤失量,使油包水乳状液的性能和水基钻井液一样可准确地进行调整。亲油胶体有氧化沥青、有机膨润土、亲油褐煤、皂类等。

油包水钻井液在井壁与钻井液之间形成一层半透膜,当钻井液中的矿化度大于地层水的矿化度时,地层中的水向钻井液渗透,它不仅避免了钻井液中的水对泥页岩的浸润,还可以利用反渗透压力和泥页岩的吸附压力相抗衡,使水很少进入井壁。

3.硅酸盐钻井液

硅酸盐钻井液是稳定泥页岩的优良水基钻井液。现场用的硅酸盐钻井液基本上是在低固相聚合物钻井液中溶入可溶性硅酸盐组成。其基液可以用淡水,也可以用海水或盐水,然而用海水时需要用纯碱或烧碱除去使硅酸盐发生沉淀作用的钙盐和镁盐。

水溶性硅酸盐浸入泥页岩后,与泥页岩孔隙流体中的多价离子(Ca、Mg)迅速发生化学作用而形成不溶性沉淀物,与中性或酸性孔隙流体可以形成胶状物,这种沉淀物和胶状物可以封堵泥页岩的裂缝和裂纹,阻止钻井液滤液的侵入和压力渗透,因而能稳定裂缝性地层。另外,硅酸盐具有阻止粘土分散的能力,它可以减少钻井液的稀释率,可以保持井眼的稳定性。

硅酸盐屏障物的另一个特征是它能形成高效渗透膜,当钻井液中的矿化度大于泥页岩中水的矿化度时,可使泥页岩脱水,改善泥页岩的稳定性。在这种情况下,钻井液的矿化度将会降低,这可通过加入盐类来补充。

硅酸盐钻井液与传统的水基钻井液没有根本差别,各种水基钻井液配方通过引入合适的水溶性硅酸盐并对配方进行微小改变就能改变成硅酸盐钻井液。

各种污染对硅酸盐钻井液的流变性影响很小,也可以用合适的预处理措施来控制。当有大量的多价离子存在时,要特别注意控制失水,因酸性污染或自由的多价离子的污染将导致可溶性硅酸盐的沉淀,而失去井壁稳定作用。因此要监测和维护硅酸盐的浓度不使其下降到稳定泥页岩的临界浓度(1000ppmSiO2)之下,SiO2和矿化度是控制泥页岩稳定的主要因素。

硅酸盐钻井液与现在使用的大多数阴离子或非离子聚合物是相容的,但与酸性稀释剂(如SAPP、木质素磺酸盐)及阳离子聚合物不相容。

可溶性硅酸盐是用低成本材料(硅酸钠、硅酸钾、砂子)制备的,它在钻井液中的浓度限制在5～15%(重量/体积比)以内。

4.钾基钻井液

在蒙脱石、伊利石等三层型粘土矿物中,每一个晶胞都是由一个铝氧八面体片被两个硅氧四面体夹在中间形成,裸露在晶胞表面的是硅氧四面体的氧原子层,这层氧原子每六个氧原子形成一个正六角环,环的空穴尺寸为2.8×10cm,而K+的直径是2.66×10cm,正好可以装入六角环中,如图1-12所示,又因为K比其它可交换阳离子有更强的吸附能力,故K极易把粘土表面的其它阳离子(Na、Ca)置换出来而吸附在粘土表面,这样,就使粘土变成了钾粘土。钾粘土具有较低的负电位,降低了吸附其它阳离子和水化的能力。但也有另一种看法,认为K不一定嵌入氧六角环中,而是K具有较小的水化离子半径和较低的水化能,而使粘土层片进一步拉拢,增强了层间的联结力,使粘土不易膨胀分解,同时它使粘土层面形成封闭结构,防止粘土表面水化。X-射线衍射所得层间距的数据支持了后一种观点。

现在常用的钾基钻井液有以下几种:

(1)氯化钾-聚合物钻井液:氯化钾加量为2～10%,为确保防塌效果,应不低于6%。常用的聚合物有高分子量(3×10)水解聚丙烯酰胺(水解度20～40%)、XC-多糖聚合物、改性淀粉等,这种钻井液抗温能力150℃左右,钻井液的流变性和滤失量不好控制。

(2)钾褐煤钻井液:以钾褐煤为主要处理剂,它能吸附在泥页岩表面,起密封隔水作用,削弱泥页岩的表面水化,同时能降低滤失量,减少进入泥页岩裂缝的水分。这种钻井液抗温能力在200℃以上,比聚合物钻井液有更高的防塌效果和更广的适用范围。

(3)四钾钻井液:即由腐植酸钾、氢氧化钾、丹宁酸钾和聚丙烯酸钾四种处理剂组成的钻井液,这种处理剂只存在单一的钾,减少了能促使粘土水化分散的钠。另外聚合物有机链对粘土和岩屑起包被作用,减少其分散,达到防塌的目的。

(4)硝基腐植酸钾钻井液:在钻井液中加入一种防塌剂Kz1,它具有下列成分:硝基腐植酸钾55%、特种煤焦树脂15%、三烃甲基粉20%、磺化石腊10%，它既有K的防塌作用,又有堵孔物质,并能抗高温,适于深井使用。

但是我们也注意到氯化钾的不足之处在于不能阻止钻井液滤液进入泥页岩,因为氯化钾溶液的粘度很低,接近水的粘度,不能堵塞孔隙喉道,也不改变泥页岩的渗透性,所以钾基钻井液很不适合于钻弱水敏性的泥页岩地层。这些泥页岩在成岩过程中,蒙脱石转化成伊利石,即使没有钾的存在,它的膨胀压也是很低的,但它们长期暴露在氯化钾钻井液滤液中,会因钻井液压力的渗透而失去稳定。所以钾基钻井液不是对任何泥页岩地层都会有效,而是有选择性的。

5.低失水高矿化度钻井液

根据泥页岩水化膨胀的特性,我们认为具有低失水高矿化度的钻井液可以减少泥页岩的水化膨胀压力,高粘度的滤液可以增大水在泥页岩中的流动阻力,以减少进入泥页岩中的水量。要有适当的粘度,因为粘度过高会使泵压升高排量减小,粘度过低会使钻井液液流冲刷井壁。pH值应保持在8～9.5之间,因为高pH值会促使泥页岩水化。要有适当的密度,用以抗衡地层的侧压力。要有适当的矿化度,使其与地层水的矿化度相平衡。增加矿化度常用的盐类有氯化钠、氯化钾、氯化钙、碳酸钙、硫酸钙、硫酸铵等,和其它处理剂配合可以组成不同类型的高矿化度低失水钻井液,如铁铬盐-CMC盐水钻井液、褐煤－石膏钻井液、褐煤－氯化钙钻井液等。

6. 含有各种堵塞剂的钻井液

在钻井液中加入各种堵塞材料,减小或防止渗透作用和毛细管作用,以降低钻井液滤液向井壁岩石的渗透速度。堵塞剂的加量一般为5～15%,在钻井过程中还要随时补充。

(1) 以氧化沥青为主要成分的疏水堵塞剂:氧化沥青10～75%,表面活性剂(如烷基苯磺酸钠)1～4%,其余为柴油,也可以用原油。再加入适量的生石灰和水,以提高分散介质的温度,加快氧化沥青的溶解。

(2) 以波维亚梅为主要成分的疏水堵塞剂:波维亚梅40～80%,氧化沥青10～25%,表面活性剂0.5～4%,其余为柴油。波维亚梅是环氧丙烯生产的废弃物,它是不饱和烃C2～C4的氧化物及其与丁二醇、二氯乙醚的氯衍生物的混合物。

(3) 淀粉堵塞剂:由稻米制成的淀粉,含稻壳8～15%,不仅具有稳定作用,而且有很强的堵塞能力,能有效的降低泥页岩的吸水速度。加入氧化沥青时,堵塞效果会更好。

7. 阳离子和部分水解聚丙烯酰胺钻井液:

阳离子已经发展为KCl的替代物,可用能在粘土表面上发生多层吸附的带正电功能性基团的聚合物来代替K,这样的多功能基团聚合物比单一的K更难被交换下来。低分子量的阳离子聚合物能渗透到泥页岩内部抑制粘土的水化膨胀,高分子量的阳离子聚合物可以贴附在泥页岩的表面阻止泥页岩分散。但是它们都无法阻止钻井液的压力渗透,就是能进入泥页岩内部的低分子量阳离子聚合物的扩散速度也比孔隙压力的扩散速度低得多。

8．混合多元醇盐水钻井液

聚丙三醇和聚乙二醇低分子量聚合物(10000a.w.u)会从泥页岩表面解吸,失去包被和堵塞作用,不适于作井壁稳定剂。

 糖类是一种对环境无污染的小分子量增稠剂,当其浓度适当时,可增加钻井液滤液粘度,降低泥页岩中水的流动速度。它还可以降低钻井液的活度,使之与泥页岩中水的活度相平衡,以减少渗透压力。但是糖类易发生生物降解,在现场使用起来比较困难,而甲基糖甙类对生物细菌不敏感,可防止这类问题的发生。

以上这些处理剂,可以单独使用,也可以混合使用,混合使用更能有效的稳定泥页岩。因为混合使用时,可产生协同效应,提高了泥页岩与钻井液之间的膜效率,降低了渗透压,甚至还可以使泥页岩脱水,因而能稳定泥页岩。1