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徐從林?劉婭飛

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司，河北廊坊 065000）

摘?要：井壁坍塌問(wèn)題是石油鉆井工程中經(jīng)常遇到的復(fù)雜情況，保持井壁穩(wěn)定具有十分重要的意義。井壁失穩(wěn)破裂后若不能正確處置，就可能引起井眼壓力降低發(fā)生溢流，或者導(dǎo)致井塌，甚至有井噴的危險(xiǎn)，嚴(yán)重影響鉆井速度和效益，阻礙油田勘探開(kāi)發(fā)。吐哈油田溫米區(qū)塊儲(chǔ)氣庫(kù)井井壁失穩(wěn)坍塌較嚴(yán)重，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，造成巨大浪費(fèi)。由于定向井、水平井特殊的井身結(jié)構(gòu)，井壁穩(wěn)定問(wèn)題在這些井中顯得更加突出。基于此，本文根據(jù)吐哈油田地層特征，詳細(xì)分析井壁失穩(wěn)坍塌的各種原因，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐制定預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：井壁坍塌；應(yīng)力；地層巖性；鉆井液性能；工程操作

中圖分類(lèi)號(hào)：TE254 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2025）01-0007-03

0引言

在鉆井作業(yè)中，鉆遇泥頁(yè)巖、砂巖、礫巖、煤層、巖漿巖、灰?guī)r等都可能發(fā)生井壁坍塌，但90%以上的坍塌發(fā)生在泥頁(yè)巖地層，縮徑一般在鹽膏層、淺層泥巖和滲透性較高的砂巖發(fā)生。吐哈油田地殼運(yùn)動(dòng)劇烈，斷層多，地層復(fù)雜，縱觀油田已完成井情況，施工中井壁失穩(wěn)坍塌比較普遍，曾發(fā)生多起鉆井事故，嚴(yán)重威脅著井下安全，制約著鉆井速度的進(jìn)一步提高。要徹底解決此類(lèi)問(wèn)題，必須根據(jù)吐哈油田地層特征，詳細(xì)分析井壁失穩(wěn)坍塌的各種原因，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐制定預(yù)防措施。

1井壁坍塌原因分析

井壁穩(wěn)定性較差是由于鉆井液和鉆具在地層中作用，壓力超過(guò)井壁巖層承受強(qiáng)度，以及鉆井液與井壁地層巖石礦物發(fā)生物理化學(xué)作用，加大坍塌壓力、降低破裂壓力等引起井壁失穩(wěn)。吐哈地區(qū)頻繁的造山運(yùn)動(dòng)使得地層比較復(fù)雜，在構(gòu)造應(yīng)力的作用下地層坍塌壓力比較大，這是井壁失穩(wěn)的主要原因再加上鉆井液性能差、操作措施不當(dāng)，進(jìn)一步加劇了井壁坍塌[1]。

1.1應(yīng)力的影響

地層被鉆開(kāi)之前，地下的巖石受到上覆壓力、水平方向應(yīng)力和孔隙壓力的作用，處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。當(dāng)井眼被鉆開(kāi)后，井內(nèi)鉆井液作用于井壁的壓力取代了所鉆巖層原先對(duì)井壁巖石的支撐，破壞了地層和原有應(yīng)力平衡，引起井壁周?chē)鷳?yīng)力的重新分布如井壁周?chē)鷰r石所受應(yīng)力超過(guò)巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞，對(duì)于脆性地層就會(huì)發(fā)生坍塌，井徑擴(kuò)大而對(duì)于塑性地層，則發(fā)生塑性變形，造成縮徑。井壁發(fā)生剪切破壞的臨界井眼壓力被稱(chēng)為坍塌壓力，此時(shí)的鉆井液密度稱(chēng)為坍塌壓力當(dāng)量鉆井液密度。

1.1.1影響地層的坍塌壓力因素

（1）地應(yīng)力影響。由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因使地殼物質(zhì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，這種應(yīng)力稱(chēng)為地應(yīng)力。地應(yīng)力是造成井壁巖石破壞的根本力源。井壁總是沿著最小地應(yīng)力方向坍塌，其坍塌壓力不僅與地應(yīng)力大小有關(guān)，隨地應(yīng)力的增大而增大，而且還與地應(yīng)力的非均勻性有關(guān)，隨著地應(yīng)力非均勻系數(shù)的增加而增加。

（2）地層強(qiáng)度影響。地層坍塌是由于井壁巖石所受到的應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度而引起的，因而坍塌壓力與地層強(qiáng)度密切相關(guān)。地層的坍塌壓力隨地層強(qiáng)度的系數(shù)和內(nèi)摩擦角的增大而下降[2]。

（3）地層滲透性影響。如是滲透性地層，鉆井液就會(huì)向地層滲透而產(chǎn)生滲透壓力，導(dǎo)致井壁周?chē)目紫秹毫Πl(fā)生變化，從而引起地層的坍塌壓力增大。

（4）地層破碎程度影響。地層層理裂隙越發(fā)育越破碎，鉆井液容易進(jìn)入，進(jìn)入深度亦越大，造成坍塌壓力增高，井壁亦更易坍塌。

（5）鉆井液的組成與性能的影響。鉆井過(guò)程中，當(dāng)鉆井液與井壁地層接觸，會(huì)產(chǎn)生非常復(fù)雜的物理、化學(xué)作用，最終導(dǎo)致地層坍塌壓力增高。

吐哈儲(chǔ)氣庫(kù)的井也由于多種因素影響造成地層易坍塌。而在實(shí)鉆中，坍塌相對(duì)比較嚴(yán)重的井眼鉆井液密度提高后復(fù)雜程度減輕在完井電測(cè)井徑數(shù)據(jù)中，密度提高前井徑擴(kuò)大率比較大，提高后明顯減少按照完井電測(cè)提供的井徑數(shù)據(jù)所計(jì)算的水泥漿量固井施工，聲幅電測(cè)水泥面卻比預(yù)計(jì)高返許多，這主要是由于電測(cè)所得井徑是橢圓井眼的長(zhǎng)軸直徑數(shù)據(jù)，而固井施工設(shè)計(jì)是按圓形井筒計(jì)算的從電測(cè)的雙井徑上看，大部分區(qū)塊下部地層的兩值差距較大。這些都進(jìn)一步說(shuō)明了在地層構(gòu)造應(yīng)力作用下坍塌壓力過(guò)大，是吐哈地區(qū)井壁失穩(wěn)的主要原因。

1.2巖性的影響

斷層破碎帶、煤層等膠結(jié)疏松的地層巖石以及受造山運(yùn)動(dòng)的影響產(chǎn)生許多裂痕的硬脆性泥頁(yè)巖，從鉆井液滲入地層驅(qū)動(dòng)力看，鉆開(kāi)地層后鉆井液在井筒中與地層孔隙流體間存在化學(xué)勢(shì)差、壓差，在這些壓力與地層毛細(xì)管力綜合驅(qū)動(dòng)下，鉆井液濾液會(huì)滲入地層造成粘土礦物水化膨脹，引起井壁失穩(wěn)[3]。另外，不穩(wěn)定地層的坍塌也使在其上的地層巖石失去支撐，穩(wěn)定性變差。

吐哈地區(qū)造山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，斷層比較多七克臺(tái)以下地層煤層發(fā)育好，煤層、泥頁(yè)巖互層多。這些也是吐哈地區(qū)井壁失穩(wěn)的主要原因。

1.3鉆井液的影響

吐哈地區(qū)侏羅系齊古組以下地層，巖性以多層大套硬脆性泥頁(yè)巖為主。泥頁(yè)巖吸水后，層間膨脹壓力增大，降低了泥頁(yè)巖的強(qiáng)度和剛性，使其微孔隙壓力升高。由于地層中泥頁(yè)巖的成分不均，吸水后內(nèi)部膨脹應(yīng)力不一，從而導(dǎo)致硬脆性泥頁(yè)巖崩裂坍塌，鉆井液失水越大，井壁剝落坍塌越嚴(yán)重。另外，泥頁(yè)巖的吸水失穩(wěn)與泥漿濾液和地層配伍性有著直接關(guān)系，抑制性越差，井下復(fù)雜越嚴(yán)重。因此，在吐哈地區(qū)鉆井施工較差的鉆井液性能只能加劇井壁失穩(wěn)坍塌。

1.4操作的影響

（1）施工中可能出現(xiàn)的鉆井液密度降低、井筒泥漿液面下降、抽汲壓力等因素使井內(nèi)壓力減小，不能平衡地層坍塌壓力，在地應(yīng)力的作用下巖石破壞，井壁失穩(wěn)[4]。

（2）鉆井施工操作中引起的井內(nèi)瞬時(shí)激動(dòng)壓力有時(shí)會(huì)很大，井筒壓力可能超過(guò)地層破裂壓力而壓裂地層巖石，在井壁表面上產(chǎn)生許多縱向的微裂縫，從而降低井壁表面巖石的強(qiáng)度，促其失穩(wěn)坍塌[5]。

（3）鉆井中鉆具的轉(zhuǎn)動(dòng)、碰撞、甩打，會(huì)破壞井壁，加劇地層坍塌。

（4）施工時(shí)井眼內(nèi)可能出現(xiàn)的水力沖刺或環(huán)空泥漿紊流沖蝕，均會(huì)使井壁失穩(wěn)坍塌。

在井壁穩(wěn)定性相對(duì)較差的吐哈地區(qū)鉆井，操作不當(dāng)，措施不嚴(yán)密，會(huì)使井下坍塌更加嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致井下惡性事故發(fā)生。

2預(yù)防措施

2.1控制或減輕井壁坍塌

吐哈地區(qū)經(jīng)歷了頻繁的地殼運(yùn)動(dòng)，但各區(qū)塊強(qiáng)烈程度不一，構(gòu)造應(yīng)力不同，地層坍塌壓力因區(qū)塊而異。有的區(qū)塊可以通過(guò)提高鉆井液密度，增大井壁支撐能力，以平衡地層坍塌壓力但有的區(qū)塊坍塌壓力過(guò)大，采用提高鉆井液密度的方法也只能減輕井壁失穩(wěn)，況且鉆井液密度的浮動(dòng)要受到甲方的限制。因此在采用合適鉆井液密度的同時(shí)，必須避免人為因素造成井下坍塌。

（1）合適的鉆井液密度。理論上講，鉆進(jìn)中以液柱壓力為主的、包括環(huán)空壓耗以及可允許的抽汲壓力、激動(dòng)壓力在內(nèi)的井筒壓力，應(yīng)介于地層坍塌壓力和破裂壓力之間。但在吐哈地區(qū)實(shí)際施工中一般要低于坍塌壓力，因此在條件允許的情況下應(yīng)盡可能提高鉆井液密度，減輕井壁失穩(wěn)坍塌[6]。

（2）采用優(yōu)質(zhì)鉆井液和良好的鉆井液性能。鉆遇松軟地層時(shí)，適當(dāng)提高泥漿密度、粘切和礦化度，保持低失水[7]。

（3）保持泥漿液柱壓力平衡。

（4）平穩(wěn)開(kāi)泵，排量從小到大，逐漸恢復(fù)正常，避免開(kāi)泵過(guò)猛壓裂或憋漏地層。

（5）增強(qiáng)易漏地層的承壓能力，認(rèn)真坐崗，防止因井漏引起井內(nèi)液面下降，造成井壁坍塌。

（6）減少抽吸和激動(dòng)壓力

2.2處理方法與注意事項(xiàng)

吐哈地區(qū)絕大部分區(qū)塊地層坍塌壓力較大，要絕對(duì)控制井壁失穩(wěn)是不現(xiàn)實(shí)的，井下或多或少都會(huì)出現(xiàn)一些井壁坍塌現(xiàn)象，因而只能根據(jù)井下實(shí)際情況采取合理的技術(shù)措施，確保安全鉆井施工。

（1）無(wú)論何種工況，只要發(fā)現(xiàn)有井塌現(xiàn)象，開(kāi)泵時(shí)只許用小排量頂通（調(diào)轉(zhuǎn)速或拆1～2個(gè)凡爾），然后逐漸增加排量，中間不允許停泵。

（2）若小排量頂不通，泵壓上升至接近地層漏失壓力值1MPa時(shí)，井口仍不返泥漿，則不可繼續(xù)擠入泥漿，只能摘泵，待壓力降低后再反復(fù)試頂、蹩壓，全過(guò)程最高泵壓不得超過(guò)地層漏失壓力。

（3）如果反復(fù)試頂后仍不能恢復(fù)循環(huán)，而鉆具尚能活動(dòng)，應(yīng)立即起鉆。即使起鉆時(shí)有不少阻力（注意上體拉力，不能提死鉆具），鉆桿內(nèi)依然反噴泥漿，也絲毫不能遲疑，應(yīng)盡最大可能上起鉆具，中途不允許嘗試開(kāi)泵，液面如不在井口，應(yīng)灌滿泥漿。

（4）下鉆過(guò)程中發(fā)生井塌，應(yīng)立即停止下鉆，開(kāi)泵循環(huán)通井或劃眼，待泵壓正常，砂子循環(huán)干凈，井下暢通無(wú)阻后，再繼續(xù)下鉆。

（5）起鉆過(guò)程中發(fā)生井塌，應(yīng)立即停止起鉆，開(kāi)泵循環(huán)泥漿，待泵壓正常，砂子循環(huán)干凈，井下暢通無(wú)阻，鉆柱內(nèi)外壓力平衡后，再繼續(xù)起鉆。

（6）通井劃眼時(shí)，堅(jiān)持一通二沖三劃眼通過(guò)，防止劃出新眼。

（7）若循環(huán)時(shí)坍塌物帶不出來(lái)，可采取如下辦法起鉆前，在坍塌井段打入封閉液，以減緩坍塌，并阻止砂橋形成循環(huán)時(shí)可加入一段高粘高切泥漿清掃井底和井筒使用高屈服值高動(dòng)塑比的泥漿。

（8）調(diào)整好鉆井液性能，使其具有良好的攜帶能力和懸浮能力。

3施工井情況

吐哈地區(qū)因地層構(gòu)造應(yīng)力的影響坍塌壓力較大，井壁失穩(wěn)比較普遍，加上較差的鉆井液性能、措施不當(dāng)、操作不慎，引發(fā)嚴(yán)重的井下復(fù)雜。通過(guò)分析及總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)吐哈井壁失穩(wěn)有了新的認(rèn)識(shí)和了解，后續(xù)施工中采取了一些合理的技術(shù)措施，情況大大改觀，在杜絕事故的同時(shí)，井下復(fù)雜逐漸減少。溫庫(kù)平84井后續(xù)施工中，經(jīng)甲方同意鉆井液密度提高后，井壁失穩(wěn)程度明顯減輕，復(fù)雜減少。

4結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)于因坍塌壓力過(guò)大造成的井壁失穩(wěn)，提高鉆井液密度可有效地控制地層坍塌。

（2）防塌泥漿必須具備強(qiáng)抑制、嚴(yán)封堵、低失水、合理鉆井液密度等性能。

（3）保持井筒壓力相對(duì)穩(wěn)定，盡量減少任何形式的激動(dòng)和抽汲壓力，盡可能減少對(duì)井壁的機(jī)械和水力破壞，避免人為因素造成井壁失穩(wěn)，是鉆井施工重要的防垮措施。

（4）在構(gòu)造應(yīng)力比較大的地區(qū)，對(duì)井壁失穩(wěn)而言，控制是相對(duì)的，坍塌是絕對(duì)的，如何減輕復(fù)雜、保證井下安全是鉆井工作者必須面對(duì)的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介徐從林（1987—），男，山東臨沂人，研究方向鉆井工程。

Analysis of the Causes of the Instability and Collapse of the Wellwall of Tuha Gas Storage and the Study of Preventive Measures

XU Conglin,LIU Yafei

(NO.2 Drilling Engineering Company, BHDC, Langfang  Hebei  065000 )

Abstract:The problem of borehole collapse is a complex situation often encountered in oil drilling engineering, and it is of great significance to maintain the stability of the borehole. If the borehole instability and rupture cannot be properly disposed of, it may cause the wellbore pressure to decrease and overflow, or lead to the collapse of the well, and even the danger of blowout, which will seriously affect the drilling speed and efficiency, and hinder the exploration and development of the oilfield. The instability and collapse of the gas storage well in the Wenmi block of Tuha Oilfield are serious, which seriously delays the production progress and causes huge consumption. Due to the special borehole structure of directional wells and horizontal wells, the problem of borehole stability is more prominent in these wells. Based on this, according to the formation characteristics of Tuha Oilfield, this paper analyzes in detail the various causes of borehole instability and collapse, and formulates preventive measures in combination with production practice.

Key words:wellbore collapse;tectonic stress;stratigraphic lithology;drilling fluid performance;engineering operations