井塌原因

 国内外许多学者通过分析研究和大量实际考察，认为在岩层性质上，可能出现不稳定的岩层最主要有页岩、岩盐及不胶结的岩石（如所谓“流砂层”或断裂带中的一些不胶结松散的岩层），但最常遇到的是页岩，故认为井塌的问题实际上是页岩不稳定的问题。井壁不稳定主要表现为泥页岩的膨胀、剥落、坍塌，泥页岩中的粘土矿物水化是造成井壁不稳定的因素。

1.  井塌的内在原因

1）泥页岩所含粘土矿物

泥页岩中一般含有蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石等粘土矿物。此外还有石英、长石、方解石、石灰石等。粘土矿物含量越多，发生地层坍塌的可能性愈大。蒙托石（膨润土）吸水膨胀率高达90%~100%，而伊利石吸水膨胀率仅有2.5%，混层矿物吸水膨胀率按蒙脱石所占的比例多少而定，比例大者吸水膨胀较大。粘土矿物膨胀能力的顺序为蒙脱石〉混层矿物〉伊利石〉高岭石〉绿泥石。由于粘土矿物吸水膨胀产生的压力，若不加以抑制，则会大大的超过岩石的胶结强度极限而引起井塌。

2）可溶性盐

页岩中若含有两种可溶性盐类，可能会由于盐在钻井液中的溶解使页岩失掉支撑而塌落井中。

3）地层水平应力作用

在造山运动中引起的地层隆起而造成的构造，随着地质年代的变迁，岩石矿物转化时常会产生水平应力，且常常由于此种应力未能得到释放集聚于岩石中，一旦钻穿此地层时，应力很快的释放出来，造成页岩崩落井中。

4）地层的构造状态

由于构造运动，地层发生局部或区域的断裂、褶皱、滑动和崩塌，上升或下降，导致地层倾角发生变化，若倾角增大，其稳定性变差。

5）高压油气层

砂岩油气层是高压的，井眼钻穿之后，在压差的作用下，地层的能量沿着阻力最小的砂岩与泥页岩的层面释放出来，使交界面处的泥页岩坍塌。

6）泥页岩孔隙压力异常

泥页岩有孔隙，由于温度、压力的影响，使粘土表面的强结合水脱离形成自由水，在封闭的环境内，多余的水排不出去，在孔隙内形成高压。一些生油岩生成的油气运移不出去，也会在裂隙和孔隙内形成高压。钻开时，由于负压低会引起坍塌。

7）地层侧压力及温度

地层侧压力等于地层的覆盖压力和泊松比的乘积，当地层侧压力大于井壁岩石的屈服极限时，岩石向井眼内部产生位移而发生井塌。另外，如果底层温度达到某一数值时，岩石中所含的粘土矿物发生转化，一般情况在3000~5000m时，蒙脱石开始转化成伊蒙混层，在进一步转化成伊利石。

2.  井塌的外在原因

1）钻井液滤液的大量浸入

当钻开易塌岩层时，岩层中所含的粘土矿物就会从钻井液中吸收水分或由于压差的作用时滤液大量侵入，由于粘土矿物的亲水性，结果使岩层中所含的粘土矿物水化膨胀而坍塌。

（1）粘土矿物中的水按其存在的状态分为四种类型：

结构水又成化合水，具有固定的配位位置和确定的含量比，只有在高温500~9000C或更高下，晶格破坏时才能释放出来。

吸附水又称束缚水，它在粘土矿物中的含量是不定的，随外界温度和湿度条件而变，它的排出不影响矿物结构。

层间水，它的脱失不导致结构单元层的破坏。

沸石水，它在晶格中占据确定的配位为止，其含量在一定范围内变化，但不引起晶格的破坏。

（2）粘土矿物水化膨胀机理:

A.表面水化膨胀或晶格膨胀：它是由粘土晶体表面外部和中间层吸附单分子水所造成的，在其表面的第一层水是水分子与粘土矿物表面的六角形网格的氧原子形成氢键而保持在平面上，而有些水分子连接在六角环的横向上，并一层接一层连在一起，离开表面愈远，连接力愈弱，而可交换的粒子以自身的水化把水分子带给粘土，且可与水分子争夺与粘土晶体表面的连接位置。由于粘土矿物具有亲水性，它们易水化、膨胀或破裂，强度降低造成井壁不稳定。

B.渗透水化膨胀：它是由于粘土层表面上所吸附的离子与溶液中的离子浓度差造成的。这种浓度差是表面吸附现象的必然结果。渗透水化的数量大大的超过表面水化数量，粘土在不同离子溶液中的渗透水化量取决于吸附离子的浓度。

１）侵入液的性质

l 钻开易塌地层后，除钻井液滤液的侵入数量产生影响外，滤液性质至关重要。其性质主要是对页岩的抑制水化特性。在滤液中影响抑制的有：pH值、无机盐的种类与含量、各种有机处理剂的品种和浓度。

l 滤液的pH值。滤液中所含OH—的浓度对非膨胀性页岩亦具有分散作用，可导致页岩表面积增加，加剧井塌。室内实验表明：当滤液的pH值超过9.5时，用以浸泡伊利石开始分散，表面积增大，钻井液的粘度上升，pH值愈高，增速愈快，页岩的回收率愈低，pH值超过11以后，回收率由65%降至10%左右。

l 无机盐种类和含量。在钻井液中常常含有的无机盐有：钠盐、钙盐、钾盐、铵盐等，当这些盐种类的浓度达到一定数值时，都具有一定的抑制粘土水化膨胀的作用，且浓度愈高，抑制性亦愈强，但各种不同的盐类呈现抑制性的起始浓度相差较大。若当它们的浓度相同时，其抑制强弱顺序为K+、NH4+>Ca2+>Na+。因此钾盐、铵盐常被用作组成防塌钻井液体系的一个组分。

l 各种处理剂：不管什么类型的钻井液处理剂，其滤液浓度达到相当高时，大多会呈现对粘土的水化起抑制作用，而只是不同的处理剂的抑制浓度限不同而已。例如：分散性很弱的铁路木质素磺酸盐，当其在滤液中的浓度很高时，亦会呈现抑制性，只是这个浓度已大大超过钻井液中的正常适用范围。而某些处理剂在浓度较低时就具有较强的抑制作用，例如高分子量的聚丙烯酰胺类及一些阳离子型高聚物，这点正是我们在优选防塌钻井液配方时所涉及到的问题。

２）钻井液的造壁性与流变性

l 造壁性：造壁性好的钻井液可在井壁上形成密致而坚韧的泥饼，减少滤液的侵入量，具有一定的巩固井壁的作用，因而防塌钻井液要求HTHP滤失量不大于15mL。

l 流变性：钻井液在环形空间中呈现紊流对井壁产生较大的冲刷作用，对易塌层十分不利，而在泵排量一定的情况下，钻井液的粘切愈低易形成紊流，为此，在保证正常所需泵排量的前提下，调节钻井液粘切，降低对井壁的冲刷作用。

３）钻具工程的影响

l 钻具组合不合理：如钻铤直径太大，螺旋扶正器过多，钻具与井壁的间隙太小，起下钻时易产生压力激动，导致井壁失稳。

l 钻具碰击井壁，钻具刺穿等也会引起井塌：若在易塌井段起钻时，使用转盘卸扣或者钻进时转盘转速过快都会产生对井壁剧烈碰击，从而加剧井塌；其次在采用喷射钻井时，钻头停留在易塌地层循环钻井液时，亦可产生较大的冲刷力而冲塌不稳定地层。

l 井身质量：井身质量不好，全角变化率较大，那么在钻井中易出现两种不利后果，其一是地层应力易于集中，周向应力集合点可能就是页岩剥落的突破点；其二是在钻进中，旋转的钻具碰击的几率和强度会增大，结果必然会加剧井塌。

l 压力激动过大：有几种情况可以引起井内压力波动，起下钻速度过快，起下钻“拔活塞”造成井内压力失衡，起下钻猛刹猛放，尤其是下钻完初次开泵，钻井液静止时间较长，网状结构较强，流动阻力很大。如果初次开泵过猛、排量过大造成压力激动，钻头泥包产生抽吸作用，静切力过大和开泵过猛等，这些都不利于井壁稳定。

l 钻井液液柱压力降低：钻井过程中，由于起钻不及时灌钻井液或突发性井漏等可导致钻井液液柱压力大幅度下降，使上部井段液柱压力减少，在地层侧压力的作用下，松散的岩层向井筒中下方向发生运移，其结果常会由此引起井壁失掉平衡而发生井塌。

l 井斜和方位：钻井施工过程中（尤其是水平井、大斜度井），井斜和方位控制不合理，位于最大水平主应力方向的井眼容易失稳。

l 井喷：井喷后，钻井液受到污染，使液柱压力降低；由于高速油气流的冲刷，破坏了井壁泥饼，也破坏了周围薄弱的岩层，造成井壁不稳定。

l 在钻遇非泥页岩地层时也会产生井壁不稳，主要分两类。一类是井塌，大多发生在岩浆岩、灰岩、煤层，深部硬脆性砂岩与粉砂岩等，而另一类是缩径，大多发生在高渗透性分散性强的砂岩与粉砂岩、沥青、含盐或盐膏软泥岩，盐膏岩等。非泥页岩地层井塌主要取决于该地层所受构造应力大小，岩石破碎程度、胶结状况、充填裂隙的矿物组分。岩浆岩等非泥页岩地层井塌的原因是所采用的钻井液密度低于或高于地层坍塌压力，地层破碎，而钻井液封堵性能差；地层中存在蒙脱石或伊蒙无序间层矿物，而钻井液抑制性能差；钻井液流变性满足携屑的要求；钻井工程措施等原因所引起。