坍塌卡鑽是指由於鑽井液性能不好,濾失量太大把地層浸泡變松;或者在地層傾角太大的井段浸泡後的泥頁岩膨脹,剝落入井造成卡鑽。
基本介紹
- 中文名：坍塌卡鑽
- 外文名：Collapse sticking
- 學科：鑽井工程
- 原因：井壁失穩
- 表征：鑽井液性能不穩定
- 預防：防塌鑽井液
地層坍塌原因,地質方面,物理化學方面,工藝方面,坍塌卡鑽表征,處理方法,預防,
地層坍塌原因
造成井壁失穩有地質方面的原因、物理化學方面的原因和工藝方面的原因,就某一地區或某一口井來說,可能是其中的某一項原因為主,但對大多數井來說是綜合原因造成的。
地質方面
(1)原始地應力的存在:我們知道,地殼是在不斷運動之中,於是在不同的部位形成不同的構造應力(擠壓、拉伸、剪下),當這些構造應力超過岩石本身的強度時,便產生斷裂而釋放能量。但當這些構造應力的聚集尚未達到足以使岩石破裂的強度時,它是以潛能的方式儲存在岩石之中,待機而發,當遇到適當的條件時,就會表現出來。因此,地層中任何一點的岩石都受到來自各個方向的應力作用,為簡便起見,把它分解為三軸應力,如圖1-9所示, 即垂直應力(上覆岩層壓力)σv和兩個水平應力σH(最大水平應力)和σh(最小水平應力),通常這兩個水平應力是不相等的。當井眼被鑽穿以後,鑽井液液柱壓力代替了被鑽掉的岩石所提供的原始應力,井眼周圍的應力將被重新分配,被分解為周向應力、徑向應力和軸向應力,在斜井中,還會產生一個附加的剪下應力,當某一方向的應力超過岩石的強度極限時,就會引起地層破裂,何況有些地層本來就是破碎性地層或節理髮育地層。雖然井筒中有鑽井液液柱壓力,但不足以平衡地層的側向壓力,所以,地層總是向井眼內剝落或坍塌。
(2)地層的構造狀態:處於水平位置的地層其穩定性較好,但由於構造運動,發生局部的或區域的斷裂、褶皺、滑動和崩塌,上升或下降,使得本來水平的沉積岩變得錯綜複雜起來,大多數地層都保持一定的傾角,隨著傾角的增大,地層的穩定性變差,60°左右的傾角,地層的穩定性最差。
(3)岩石本身的性質:沉積岩中最常見的是砂岩、礫岩、泥頁岩、石灰岩等,還有火成侵入岩如凝灰岩、玄武岩等,由於沉積環境、礦物組分、埋藏時間、膠結程度、壓實程度不同而各具特性,以下的這些岩石是容易坍塌的:①未膠結或膠桔不好的砂岩、礫岩、砂礫岩；②破碎的凝灰岩、玄武岩,因岩漿侵入地層後，在冷卻的過程中,溫度下降,體積收縮,形成大量的裂紋,這些裂紋有些被方解石充填,大部分未被充填,其性質和未膠結的礫石差不多;③節理髮達的泥頁岩。泥頁岩在沉積過程中,橫向的連續性很好,但成岩之後,由於構造應力的拉伸、剪下作用,會形成許多縱向裂紋,失去了它的完整性;④斷層形成的破碎帶。斷層附近不論是什麼地層,都容易形成破碎;⑤不成岩的地層,如煤層、流沙、粘土、淤泥等;⑥泥頁岩的組分。泥頁岩中一般含有20～30%粘土礦物,若粘土的主要成分是蒙脫石則易吸水膨脹;若粘土的主要成分是高嶺石、伊利石,則膨脹性小,但容易脆裂;而伊利石—蒙脫石混層,離子間強鍵減少,一部分比另一部分水化能力強,導致非均勻膨脹,進一步減弱了泥頁岩的結構強度,實踐證明,伊利石—蒙脫石混層是難以對付的地層。⑦有鹽膏層、膏鹽層、膏泥岩、軟泥岩等特殊岩層，當用淡水鑽井液或不飽和鹽水鑽井液鑽進時，鹽層溶解，井徑擴大，一些硬泥岩、粉砂岩等夾層失去支撐而垮塌。或者鑽遇石膏、膏泥岩時鑽井液液柱壓力不能平衡地層坍塌壓力，或者鑽井液中抗鹽抗鈣處理劑加量不足，使石膏吸水膨脹、分散，也會造成井下垮塌、掉塊。以鹽為胎體或膠結物的泥頁岩、粉砂岩或硬石膏團塊，遇礦化度低的水會溶解，鹽溶的結果導致泥頁岩、粉砂岩、硬石膏團塊失去支撐而坍塌。
(4)泥頁岩孔隙壓力異常:泥頁岩是有孔隙的,在成岩過程中,由於溫度、壓力的影響,使粘土表面的強結合水脫離成為自由水,如果處於封閉的環境內,多餘的水排不出去,就在孔隙內形成高壓。一些生油岩生成的油氣運移不出去,也會在孔隙和裂縫中形成高壓。鑽井時,如果鑽井液液柱壓力小於地層孔隙壓力,孔隙壓力就要釋放。如果孔隙或裂縫足夠大且有一定的連通性,這些流體就會湧入井內,如江漢油田、勝利油田發現的泥頁岩油氣藏就是這樣形成的。如果泥頁岩孔隙很小,滲透率很低,當壓差超過泥頁岩強度時,也會把泥頁岩推向井內。若泥頁岩孔隙里是高壓氣體,泥頁岩就會被崩散,落入井內。
(5)高壓油氣層的影響:泥頁岩一般是砂岩油氣層的蓋層,或者與砂岩互動沉積而成為砂岩的夾層,如果這些砂岩油氣層是高壓的,在井眼鑽穿之後,在壓差的作用下,地層的能量就沿著阻力最小的砂岩與泥頁岩的層面而釋放出來,使交界面處的泥頁岩坍塌入井。
物理化學方面
石油天然氣鑽井是在沉積岩中進行,而沉積岩的百分之七十以上是泥頁岩,泥頁岩都是親水物質,一般都含有蒙脫石、伊利石、高嶺石、綠泥石等粘土礦物,此外,還含有石英、長石、方解石、石灰石等,不同的泥頁岩其水化程度及吸水後的表現有很大的不同。據此把泥頁岩分為易塌泥頁岩、膨脹泥頁岩、膠態泥頁岩、塑性泥頁岩、剝落泥頁岩、脆碎泥頁岩等,經大量研究發現,泥頁岩中的粘土含量、粘土成分、含水量及水分中的含鹽量對泥頁岩的吸水及吸水後的表現有密切關係,泥頁岩粘土含量越高、含鹽量越高、含水量越少則越易吸水水化。蒙脫石含量高的泥頁岩易吸水膨脹,綠泥石含量高的泥頁岩易吸水裂解、剝落。值得注意的是井眼鑽開之後不僅引起原始地應力的重新分配,而且由於鑽井液濾液的浸入,粘土內部又發生新的變化,產生新的應力,如孔隙壓力、膨脹壓力等,削弱了粘土的結構。有人做過實驗,某種頁岩的原始剪下強度為12.375MPa,用自來水浸泡0.5小時,剪下強度下降為0.012Mpa,用鑽井液浸泡3小時,剪下強度下降為0.066Mpa,泥頁岩吸水後,強度將直線下降,這是造成坍塌的主要原因。泥頁岩與水的作用機理主要是:
(1) 水化膨脹:
①表面水化:粘土表面帶有負電荷,可吸收水分子。首先水以單分子層吸附在粘土表面上,降低了粘土體系的表面能,並把單層分開使其間距增大,當四層水進入蒙脫石的晶層間時,其體積可增加一倍,這樣就減少了顆粒間的引力,使粘土的抗剪強度下降,含水量越多,粒子間的引力越小。同時水分子上所粘結的氫原子與粘土矽層表面的氧原子化合為水分子,更增強了粘土的表面水化作用。粘土的水化能力和粘土顆粒的表面積成正比,不同礦物的表面積差別很大,如純蒙脫石為810m/g,乾淨的石英砂岩為0.01m/g,表面積越大,水化程度越高。這樣,就使泥頁岩膨脹係數增大,而抗壓強度降低。
②離子水化:粘土中的陽離子可與鑽井液中的陽離子進行交換,這種可交換的陽離子表面形成水化膜而引起離子水化。離子交換能力與可交換陽離子(Al、Fe與Si交換,Mg、Fe與Al交換)的含量與其所處位置以及可發生交換的補償離子的類型有關。伊利石中含有的補償陽離子為蒙脫石的3～6倍,且靠得比較近,與晶格中心的負電荷有較大的吸引力,使之難以發生交換。而交換能力大的鈉蒙脫石才能同時發生表面水化和離子水化。
③滲透水化:主要是由於泥頁岩中的電解質的濃度高於鑽井液中的電解質濃度,水分子由電解質濃度較低的鑽井液滲入電解質濃度較高的泥頁岩中。同理,如果鑽井液中的電解質濃度高於泥頁岩中的電解質濃度,則泥頁岩中的水向鑽井液滲透,從而使泥頁岩脫水。通常鑽井使用的是淡水鑽井液或低礦化度鑽井液,水分總是由鑽井液向地層滲透,當兩者離子濃度相差很大時,滲透水化可以形成很高的滲透壓,並且滲透水化是在泥頁岩內部進行,它對井壁穩定有很大的破壞作用。
(2) 毛細管作用:
泥頁岩中有許多層面和紋理,在構造力的作用下又形成了許多微細裂紋,這些連線薄弱的地方容易吸水,是良好的毛細管通道。毛細管壓力與孔隙半徑成反比、與表面張力成正比。蒙脫石、高嶺石、水雲母的毛細管力分別是0.29MPa、0.33MPa和0.42MPa。從毛細管作用來看,原來並不怎么水化膨脹的泥頁岩,也可因毛細管水的大量浸入發生物理崩解,尤其顆粒很細的多孔體更容易因此而崩塌。有的泥頁岩很少含微晶高嶺石,與水作用後膨脹程度較小,膨脹壓力也不是很大,然而井塌還是比較嚴重,這是因為毛細管水進入泥頁岩像潤滑劑那樣削弱岩石顆粒之間和泥頁岩層面之間的聯結力,在側壓力作用下,岩石向井內運移,這種坍塌往往塌塊較大,如柴達木盆地大風山二號井在四千米以下的最大塌塊重331g,邊長為115×105×30mm,勝利油田郝科一井在四千米以下的最大塌塊重970g,邊長為130×110×25mm,這是被鑽井液帶出井口經過長途運移多次碰撞破碎後的塌塊,而初始塌塊要比這大得多。
(3)流體靜壓力
如果鑽井液的液柱壓力高於泥頁岩的孔隙壓力,鑽井液濾液會在正壓差的作用下進入地層,增大地層的孔隙壓力,而且引起地層層面水化,強度降低,裂縫裂解加劇。濾液進入越深,裂縫的裂解越嚴重,泥頁岩的剝落、坍塌越厲害。但流體靜壓力又是井壁圍壓的一種平衡力,也是一種反膨脹力。所以流體靜壓力對井壁穩定來說,既有正面效應,也有負面效應,我們應當儘量發揮它的正面效應,克服它的負面效應。比較理想的辦法是降低鑽井液的濾失量,提高濾液的粘度,濾液的粘度越大,越有利於封堵微細裂縫,阻止或減緩毛細管作用和滲透作用的進行。
綜上所述,我們知道,只要使用水基鑽井液,只要有水的存在,就有泥頁岩的水化膨脹坍塌問題。泥頁岩的水化膨脹壓力是時間的函式, 泥頁岩吸水後要經過一段時間,膨脹壓力才會顯著上升。當膨脹壓力達到一定程度後就形成一次坍塌,坍塌之後,又有新的泥頁岩表面暴露出來,和鑽井液中的水接觸,又重複前一過程,又形成第二次、第三次坍塌,如此反覆不已。所以加快鑽井速度,爭取在泥頁岩大規模坍塌之前把井完成是最經濟最有效的辦法。
工藝方面
地層的性質及地應力的存在是客觀事實,不可改變。所以人們只能從工藝方面採取措施防止地層坍塌,如果對坍塌層的性質認識不清,工藝方面採取的措施不當,也會導致坍塌的發生。
(1)鑽井液液柱壓力不能平衡地層壓力:基於壓力平衡的理論,首先必須採取適當的鑽井液密度,形成適當的液柱壓力,這是對付薄弱地層、破碎地層及應力相對集中地層的有效措施。但增加鑽井液密度也有兩重性，一方面鑽井液密度高了有利於增加對井壁的支撐力，另一方面它又會導致鑽井液濾液進入地層,增大地層的孔隙壓力,增大粘土的水化面積和水化作用,從而降低使其穩定的正壓力,在這種情況下,斷層或裂縫將釋放剪下力而發生橫向位移,使井眼形狀發生變化,也可使已碎裂的地層滑移入井。另外,鑽井液密度的確定,也受其它因素的影響,①鑽井液液柱壓力不能超過產層的孔隙壓力,設計鑽井液密度的主要目的是保護油氣層,這樣做的結果,往往在遇到一些嚴重坍塌層時而無法通過,人們只苛求鑽井液工程師從除密度以外的其它鑽井液性能上找出路,殊不知,從化學方面抑制地層坍塌是有限度的,由力學因素造成的坍塌,只有用力學去抗衡,如勝利油田利津地區沙三段灰色泥岩,鑽井液密度小於1.36g/cm,樁西地區石炭二疊系含煤泥頁岩,鑽井液密度小於1.45g/cm,就發生惡性坍塌;②鑽井液液柱壓力不能超過地層破裂壓力,提高鑽井液密度,有利於穩定井壁,但遇到孔隙壓力或破裂壓力低的地層,就容易發生拉伸破壞,導致井眼漏失;③受機械鑽速的制約,鑽井液密度越低，機械鑽速越快,這是公認的事實,所以現在有些地方提倡負壓鑽進,如果地層比較穩定,這樣做,無疑會帶來很大利益;如果地層不穩定,這樣做,將會招來井塌的惡果。
(2)鑽井液體系和流變性能和地層特性不相適應:鑽井液的排量大、返速高、呈紊流狀態容易沖蝕井壁岩石,引起坍塌,特別是在某一井段長期循環,很容易形成大井徑。但是,如果鑽井液徘量小、返速低、呈層流狀態,某些鬆軟地層又極易縮徑。而且在已經發生坍塌的情況下,又需要增大排量和返速,否則不足以將塌快帶出。高粘高切低失水鑽井液有助於防塌,也有利於攜帶岩屑,但不利於提高鑽速。所以應對現場發生的情況,進行具體分析,找出矛盾的主要方面,才能採取相應的對策。
(3)井斜與方位的影響:在同一地層條件下,直井比斜井穩定,而斜井的穩定性又和方位角有關係,位於最小水平主應力方向的井眼穩定,位於最大水平主應力與最小水平主應力中分線的井眼較穩定,而位於最大水平主應力方向的井眼最不穩定。
(4)鑽具組合的影響:為了保持井眼垂直或穩斜鑽進,下部鑽具往往採用剛性組合,但如鑽鋌直徑太大、扶正器過多,下部鑽具與井眼之間的間隙太小,起下鑽時很容易產生壓力激動,導致井壁不穩。
(5)鑽井液液面下降:如①起鑽時不灌鑽井液或少灌鑽井液,或者雖然名義上灌了鑽井液,卻未將鑽井液灌入井中;②下鑽具或下套管時下部裝有回壓閥,但未及時向管內灌鑽井液,以致回壓閥擠毀,環空鑽井液迅速倒流;③在注低密度解卡劑時,管內外形成很大壓差,若地面管線或閥門發生故障,也會使環空液體迅速倒流;④井漏;所有這些情況,都會使環空液柱壓力下降,使某些地層失去支撐力而發生坍塌。
(6)壓力激動:如開泵過猛,下鑽速度過快,易形成壓力激動,使瞬間的井內壓力大於地層破裂壓力,而壓裂地層。起鑽速度過快,易產生抽吸壓力,抽吸力和鑽井液粘度、切力、下部鑽具結構和起鑽速度有直接關係,一般情況下相當於減少鑽井液密度0.10-0.13g/cm。但是在鑽頭泥包或扶正器泥包的情況下,抽吸力是相當大的,使井內壓力低於地層坍塌應力,促使地層過早地發生坍塌。在起下鑽過程中通過井眼破壞區域時,由於鑽具的擾動,也可以造成井塌。
(7)井噴引起井塌:井噴後,一方面由於油氣的混入,鑽井液液柱壓力降低,一方面由於高速油氣流的沖刷,破壞了井壁濾餅,也破壞了井眼周圍結構薄弱的岩層,所以井噴時總是夾帶著大量的砂石噴出地面。當沖落的砂石達到一定數量,油氣流無力將其舉升到地面時,就堵塞了環空,有些井自動停噴,就是這個道理。
（8）氣體鑽井對井壁的支撐力最低，從井壁力學方面促使井壁不穩定，尤其是有水層、水敏性地層同時存在時易發生井眼不穩。
在鑽井過程中,輕微的井塌是經常出現的,從返出井口的岩屑中可看出,20～40%的岩屑不是新鑽岩屑而是坍塌碎屑。從電測井徑的數據也可以看出,井徑擴大的現象是普遍存在的,而擴大的井段主要是泥頁岩井段。不過,這種輕微的坍塌不會給鑽井施工造成困難。但是若遇到裂縫發育而吸水性又強的泥頁岩,在短期內就會形成大規模的坍塌,裸露一層,剝蝕一層,連續不斷,以致使鑽井作業無法進行,甚至埋死鑽具,造成坍塌卡鑽,這就是非常嚴重的問題了。
坍塌卡鑽表征
1.在鑽進過程中發生坍塌:如果是輕微的坍塌,則使鑽井液性能不穩定,密度、粘度、切力、含砂量要升高,返出鑽屑增多,可以發現許多稜角分明的片狀岩屑。如果坍塌層是正鑽地層,則鑽進困難,泵壓上升,扭矩增大,鑽頭提起後,泵壓下降至正常值,但鑽頭放不到井底。如果坍塌層在正鑽層以上,則泵壓升高,鑽頭提離井底後,泵壓不降,且上提遇阻下放也遇阻,甚至井口返出流量減少或不返。
2.起鑽時發生井塌:正常情況下,起鑽時不會發生井塌。但在發生井漏後,或在起鑽過程中未灌鑽井液或少灌鑽井液,則隨時有發生井塌的危險。井塌發生後,上起遇阻,下放也遇阻,而且阻力越來越大,但阻力不穩定,忽大忽小。鑽具也可以轉動,但扭矩增加。開泵時泵壓上升,懸重下降,井口流量減少甚至不返,停泵時有回壓,起鑽時鑽桿內反噴鑽井液。
3.下鑽前發生井塌:井塌發生後,由於鑽井液的懸浮作用,塌落的碎屑沒有集中,下鑽時可能不遇阻,但井口不返鑽井液,或者鑽桿內要反噴鑽井液。如果塌落的碎屑集中,則下鑽遇阻,當鑽頭未進入塌層以前,開泵泵壓正常,當鑽頭進入塌層以後,則泵壓升高,懸重下降,井口返出流量減少或不返,但當鑽頭一提離塌層,則一切恢復正常。向下劃眼時,雖然阻力不大,扭矩也不大,但泵壓忽大忽小,有時會突然升高,懸重也隨之下降,井口返出的流量也呈現忽大忽小的狀態,有時甚至斷流。從返出的岩屑中可以發現新塌落的帶稜角的岩塊和經長期研磨而失去稜角的岩屑。
4.劃眼情況不同:如果是縮徑造成的遇阻(岩層蠕動除外),經一次劃眼即恢復正常,如果是坍塌造成的遇阻,劃眼時經常憋泵、別鑽,鑽頭提起後放不到原來的位置,越劃越淺,比正常鑽進要困難得多。搞得不好,還會劃出一個新井眼,丟失了老井眼,使井下情況更加複雜化了。
處理方法
1.下鑽過程,如發現井口不返鑽井液,或者鑽桿內反噴鑽井液,這是井塌的象徵,應立即停止下鑽。開泵循環通井或劃眼,待井下情況正常後,再恢復下鑽工作。
通井、劃眼,如果在較硬地層中進行,一般不會發生意外,如在軟地層中進行,就很容易劃出新井眼而失去老井眼,如渤南油田××井,設計井深3340m,由於多次井塌,多次劃出新井眼,在一口井上進尺一萬多米,還沒有鑽完這口井。由於這方面的教訓太多了,所以有人給井塌後的劃眼工作定了一條硬措施叫“一通、二沖、三劃眼,”但是往往是通也通不動、沖也沖不下,不劃眼又怎辦呢?只好活動活動轉盤,一活動轉盤問題就出來了。出了新井眼又不承認是新井眼,鑽又不敢鑽,劃也劃不動,大量時間就消耗在似劃非劃、似鑽非鑽的狀態之中。
在軟地層中不能用鑽頭去劃眼,無論是何種鑽具組合,只要用鑽頭,準能劃出新井眼。如果是地層較硬,非用鑽頭不行的話,那也不必擔心劃出新井眼,因為硬地層是劃不出新井眼的。
為了避免鑽出新井眼而又能快速劃眼下放消除障礙,我們設計了一種劃眼工具,如圖1-13所示,它是由接頭、刀片、導引桿、和馬蹄形端部組成。劃眼時,導引桿始終處於老眼中,它沒有切削作用,不會鑽出新井眼。馬蹄形端部可以防止突然憋泵。刀片可以破碎已垮塌的地層,把大塊鑽成小塊,通過循環的鑽井液帶出地面。使用這種工具,不受“一通、二沖、三劃眼，”的限制,可以按正常操作程式進行,不可能劃出新井眼,而且大大加快了劃眼進度。這種工具在現場可以由井隊自己製作,即用廢公錐焊大鉗牙即可使用,其直徑可以小於鑽頭直徑,因為坍塌井段的井徑都大於鑽頭直徑,不必使用足尺寸的劃眼工具。
2.起鑽過程,如發現井口液面不降,或鑽桿內反噴鑽井液,這是井塌的象徵,應立即停止起鑽。開泵循環鑽井液,待泵壓正常,井下暢通無阻,管柱內外壓力平衡後,再恢復起鑽工作。
3.無論任何時候,如發現有井塌現象,開泵時均須用小排量頂通,然後,逐漸漸增加排量,中間不可停泵。如果小排量頂不通,泵壓上升，井口不返鑽井液，證明地層漏失，不可繼續擠入鑽井液。一般的經驗數據是漏失量不可超過5m。如果恢復循環無望,而鑽具尚能活動,應當機立斷,立即起鑽。液面如不在井口,應灌滿鑽井液。雖然此時起鑽有不少阻力,鑽桿內依然反噴鑽井液,也絲毫不能等待,只要在設備和鑽具的安全負荷以內,就應盡最大的可能上起。已經到了破斧沉舟,背水一戰的時候了,沒有第二條路可走。中途決不可試著去開泵,只要連續上起,在大多數情況下是可以把鑽具起完的。萬一起不完,能多起一柱是一柱,也減少了套銑倒扣的工作量。
4.如果已經發生井塌,循環鑽井液時岩屑又帶不出來,可採取如下辦法:
(1) 使用高屈服值和高屈服值/塑性粘度比值的鑽井液洗井,使環空保持平板層流狀態。
(2)使用高濃度攜砂液洗井,攜砂劑的主要成分是經過處理加工的溫石棉再加一些添加劑製成,能提
5.坍塌卡鑽的處理
坍塌卡鑽以後,可能有兩種情況,一種是可以小排量循環,一種是根本建立不起循環。如果能小排量循環的話,萬萬不能失去這一線希望,但是必須控制進口流量與出口流量的基本平衡。在循環穩定之後,逐漸提高鑽井液的粘度和切力,以提高它的攜砂能力,然後逐漸提高排量,爭取把坍塌的岩塊帶到地面。這一步走好之後,即使發生了粘吸卡鑽,也好處理了。但是有時會有這種情況，小排量可以循環，一增加排量就發生漏失，返出量不增加，停泵後，鑽井液外吐不止，這時就應下決心倒扣了，不能再等待了。
如果是石灰岩、白雲岩坍塌形成的卡鑽,同時坍塌井段不太長的話,可以考慮泵入抑制性鹽酸來解卡。
如果失去循環,只有一條路可走,就是套銑倒扣。我們應該為少倒扣和容易倒扣創造條件。往往有這種情況,在發生嚴重井塌之後,不能循環但能轉動,上下也有一定的活動距離,但活動距離越來越小,轉動扭矩越來越大,說明砂子越擠越死,最終非卡死不可。此時就不應以轉動求解脫,要嚴格控制扭矩,為容易倒扣留一條後路。此時應該分析塌卡的是鑽具上部還是下部，如果塌卡的是鑽具下部，最好把鑽具提卡,立即倒扣,如果倒得好,可以把鑽鋌以上的全部鑽具倒出。要知道,坍塌發生後的初期階段掩埋的鑽具不多,且砂子比較疏鬆,但隨著時間的延長,砂子越集越多,越集越實,卡點會迅速上移,而且上部鑽具粘卡的危險性越來越大,因此,只要確定是鑽具下部塌卡，就應及早倒扣。倒扣的時間越早,可能倒出的鑽具越多,給下一步留下的困難就越少。
但是坍塌卡鑽的部位往往是上部鬆軟地層,下部鑽具並未埋死,可是鑽具失去活動以後,就有粘卡的可能,形成上部塌卡下部粘卡的複式卡鑽,如圖所示,此時就不要盲目倒扣，因為你倒出的鑽具不可能很多，如果鑽頭水眼被堵,可能形成一套到底的局面，而且在下部粘卡井段,你要套銑的不是塌塊,而是地層, 井越深，地層越硬，套銑越困難，最後不得不被迫放棄。此時就應該為下一部容易處理創造條件，首先下炸彈把鑽頭炸掉或把鑽鋌炸裂，為以後恢復循環創造條件，當上部井眼套通之後，只要能恢復循環，就可以按粘吸卡鑽處理了，如果不事先進行爆炸，在套銑倒扣過程中，鑽頭水眼肯定會被堵死，以後要想循環，那是不可能的。也有人提出不爆炸而進行射孔是否可以？實踐證明，鑽鋌上是射不開孔的，即是能射開，射孔的孔眼也很容易被堵死，沒有一點實用價值。也有人設計了通開水眼的工具和辦法，但那只能是局部通開，一般100m左右，而且工序繁瑣，非常不經濟，不如爆炸來得一勞永逸。
下一步就只能是套銑倒扣了,在鬆軟地層宜採用長筒套銑,或者採用帶公錐或打撈矛的左旋螺紋長筒套銑,使套銑與倒扣一次完成,以加快進度。較硬地層,宜減少套銑筒長度,儘量減少套銑過程中的失誤。套銑至扶正器時,宜下震擊器震擊解卡,因為大量事實證明,扶正器以下很少有砂子堆集,沒有必要去做磨銑扶正器的工作。如果要套銑扶正器,也不能全面套銑,應套銑扶正條根部,因為扶正器上的硬質合金,鑲裝在扶正條的表面,其根部並無硬質合金,是比較容易套銑的.這就是“避實擊虛”、“避硬吃軟”的方法。剝離的扶正條仍在井內，待鑽鋌倒出後，再磨銑打撈。
預防
採取適當的工藝措施
1．設計合理的井身結構:
(1)表層套管應封掉上部的鬆軟地層,因為這些地層最容易坍塌,對鑽井液液柱壓力的反應最靈敏。經常發現電測儀器在表層套管鞋附近下不去,就是因為表層套管下得太少,地層不穩定造成的。
(2)明顯的漏層如古潛山風化殼、石灰岩裂縫溶洞,其上部套用套管封隔。因為鑽遇這些地層,往往是鑽井液有進無出,必然會引起上部地層的大段坍塌。所以地質錄井工作必須做細,一般鑽入風化殼不許超過三米。
(3)在同一裸眼井段內不能讓噴、漏層並存。因為在這種情況下,防噴則漏,防漏則噴,無論噴、漏,都會引起地層坍塌。
2.要儘量減少套管鞋以下的口袋長度,一般要求以1-2m為宜。因為較長的口袋是下部岩屑的儲藏所,同時也容易引起水泥塊掉落。
3.調整泥性能使其適應鑽進地層:
(1) 對於未膠結的礫石層、砂層,應使鑽井液有適當的密度和較高的粘度和切力。
(2) 對於應力不穩定的裂縫發育的泥頁岩、煤層、泥煤混層,應使鑽井液有較高的密度和適當的粘度和切力,並儘量減少濾失量。這樣,一方面減少或防止地層的坍塌,一方面也可以把坍塌的岩塊攜帶到地面,防止岩屑沉澱堆集成砂橋。要知道,在鑽遇應力不穩定地層之前不把鑽井液密度提上去,以防止井壁失穩,一旦坍塌發生之後,再去抑制失穩的地層所需的鑽井液密度要高得多。
(3) 要控制鑽井液的pH值在8.5～9.5之間,可以減弱高鹼性對泥頁岩的強水化作用。
(4)必要時,可以採取混油的辦法,如混入原油、柴油或白油。因為泥頁岩都是親水的,而非親油的,混入油類後會降低粘土的吸附力,因而可以抑制膨脹。據實驗,純甘油濃度為10%、20%、30%的溶液可以分別把泥頁岩的膨脹率降低36%、52%、57%,這是因為甘油溶液的高粘度和非離子型,不能和粘土產生離子交換作用。
(5) 適當的提高鑽井液的礦化度,使之與泥頁岩中水的礦化度相當或稍高,減少滲透壓,降低井壁處泥頁岩的含水量和孔隙壓力,使泥頁岩強度增加。
(6) 促進有利於泥頁岩穩定的離子交換作用,Na是引起粘土水化的主要根源,如果在鑽井液中引進K、Ba、Ca、Fe、Al、Si等離子,與泥頁岩中的Na進行交換,就可以有效地降低泥頁岩的膨脹壓,並能與泥頁岩組分發生化學反應,來增強泥頁岩的膠結力。
4.保持鑽井液液柱壓力:
(1) 起鑽時要連續的或定時的向井內灌入鑽井液,保持井口液面不降或下降不超過5m。
(2) 停工時,因為有滲透性漏失,測井時,電纜也占有一定的體積,因此都必須定時的向井內補充鑽井液。
(3)鑽柱或套管柱下部裝有回壓閥時,要定期地向管柱內灌入鑽井液,每次必須灌滿,防止回壓閥擠毀,而使鑽井液倒流,把井壁抽垮。
(4)如管內外壓力不平衡,停泵後立管有回壓,不能放回水,也不能卸方鑽桿接單根。因為,這樣會使環空液體倒流,環空液柱壓力下降。
5.減少壓力激動
(1)控制起鑽速度,特別是在鑽頭或扶正器泥包的情況下,上起鑽柱時,井口液面不降或外溢,這是很危險的情況,應停止起鑽,循環鑽井液,採取措施,消除泥包。如果消除不了,應邊循環邊起鑽,起過小井徑井段後,再正常起鑽。
(2)下鑽後及接單根後開泵不宜過猛,應先小排量開通,待泵壓正常後再逐漸增加排量,中間不可停泵。如果小排量頂不通,泵壓上升,井口不返鑽井液,證明是地層漏失,不可繼續擠入,一般的經驗數據是漏失量不可超過5m。
6.要有意識地保護薄弱地層:對於結構薄弱或有裂縫的地層,鑽進時要限制循環壓力,以免壓漏地層。起下鑽通過該層時要嚴格控制速度,減少對地層的外力干擾。
7.不可長期停止循環:如因故停鑽,鑽井液在井內靜止的時間不可過長。如渤海灣地區的明化鎮、館陶組地層,鑽井液在裸眼內靜止超過三天,十有八九會發生井塌。其它地區因沉積環境、地層岩性不同,可以在實際工作中摸索這方面的經驗。
8.負壓鑽進時，液柱壓力不能小於裸眼井段某些地層的坍塌壓力，否則，應將這些地層用套管封隔掉。
使用具有防塌性能的鑽井液
1.油基鑽井液
油基鑽井液是以油為分散介質以氧化瀝青為分散相而配成的特種鑽井液。一般以柴油為分散介質,要求柴油閃點在90℃以上,燃點在100℃以上,苯胺點在68.1℃左右。分散相用氧化瀝青,要求軟化點達120～160℃。常用的乳化劑是硬脂酸鈉皂,此皂分子一端是極性官能團,另一端是非極性碳氫鏈,瀝青質是極性固體,柴油是非極性液體,硬脂酸鈉皂加入後,皂分子的極性團與瀝青質相吸,非極性碳氫鏈與柴油相接,形成親油性膠團,並在周圍形成油膜,具有穩定作用,同時膠團間靠分子引力彼此吸引連線,因此具有觸變性。常用的乳化劑還有環烷酸皂、妥爾油皂等。熱穩定劑常用石灰石粉,它在油基鑽井液中形成部分鈣皂,可提高固相的分散度,增加油基鑽井液的熱穩定性,還可以吸收油基鑽井液中的水分,減少其含水量,還可以調節pH值,對穩定有利。
由於油基鑽井液不含水(或含少量的水),不會使泥頁岩水化膨脹,也不受鹽、鈣等的污染,所以鑽出的井眼比較規則。但是由於油基鑽井液配製複雜、維護處理麻煩、成本高、對環境會造成污染、洗井能力不如水基鑽井液、也不利於安全作業,所以不能大量推廣使用。
2.油包水乳化鑽井液
油包水乳化鑽井液是以水珠(水相占40～60%)為分散相或內相,以各種油類為連續相或外相,並添加乳化劑、親水膠體以及其它處理劑所形成的穩定的乳化液(常以符號W/O表示)
油相:一般占體積的40～60%,選用密度較高、粘度較低、閃點在90℃以上、燃點在100℃以上、苯胺點在70℃以上的柴油或煤油,其它如松節油、棉子油、鯨油、白油等也可用作油相使用。為了降低成本,應儘量增加水相體積,減少油相體積,隨著乳化劑及乳化技術的發展,油相可減少至10～20%。
水相:水相是分散相,其體積可占40～60%,可為淡水、鹽水或海水,一般皆用氯化鈣或混合鹽溶解在水相中,保持一定的礦化度,可以起到穩定乳化物、降低水相表面張力、防止泥頁岩水化膨脹、防止化學污染和提高乳狀液密度的綜合效果
乳化劑:在油中高度分散的水珠靠乳化劑來穩定,乳化劑可降低油水界面張力,增加外相粘度,在水珠周圍形成堅固的保護膜,起到穩定乳化物的作用。將油溶性乳化劑和水溶性乳化劑配合使用可以獲得很強的乳化效果。所以,乳化劑分為兩種:
第一種是主乳化劑,若配製油包水(W/O)乳狀液則用油包水型乳化劑,若配製水包油(O/W)乳狀液則用水包油型乳化劑,其關鍵作用是形成膜的骨架。
第二種是輔助乳化劑,或叫穩定劑,使第一乳化劑更為穩定,使外相增加粘度。
常用的乳化劑有脂肪酸皂類(鈉皂、鈣皂)、紙漿浮油皂(也叫妥爾油皂)、松香皂、醯胺類、石油磺酸鹽等。一般的說,一價金屬皂常形成O/W型乳狀液,二價金屬皂則能形成W/O型乳狀液。
油中可分散膠體:其作用是提高乳狀液的粘度、切力和懸浮性能,並降低乳化物的濾失量,使油包水乳狀液的性能和水基鑽井液一樣可準確地進行調整。親油膠體有氧化瀝青、有機膨潤土、親油褐煤、皂類等。
油包水鑽井液在井壁與鑽井液之間形成一層半透膜,當鑽井液中的礦化度大於地層水的礦化度時,地層中的水向鑽井液滲透,它不僅避免了鑽井液中的水對泥頁岩的浸潤,還可以利用反滲透壓力和泥頁岩的吸附壓力相抗衡,使水很少進入井壁。
3.矽酸鹽鑽井液
矽酸鹽鑽井液是穩定泥頁岩的優良水基鑽井液。現場用的矽酸鹽鑽井液基本上是在低固相聚合物鑽井液中溶入可溶性矽酸鹽組成。其基液可以用淡水,也可以用海水或鹽水,然而用海水時需要用純鹼或燒鹼除去使矽酸鹽發生沉澱作用的鈣鹽和鎂鹽。
水溶性矽酸鹽浸入泥頁岩後,與泥頁岩孔隙流體中的多價離子(Ca、Mg)迅速發生化學作用而形成不溶性沉澱物,與中性或酸性孔隙流體可以形成膠狀物,這種沉澱物和膠狀物可以封堵泥頁岩的裂縫和裂紋,阻止鑽井液濾液的侵入和壓力滲透,因而能穩定裂縫性地層。另外,矽酸鹽具有阻止粘土分散的能力,它可以減少鑽井液的稀釋率,可以保持井眼的穩定性。
矽酸鹽屏障物的另一個特徵是它能形成高效滲透膜,當鑽井液中的礦化度大於泥頁岩中水的礦化度時,可使泥頁岩脫水,改善泥頁岩的穩定性。在這種情況下,鑽井液的礦化度將會降低,這可通過加入鹽類來補充。
矽酸鹽鑽井液與傳統的水基鑽井液沒有根本差別,各種水基鑽井液配方通過引入合適的水溶性矽酸鹽並對配方進行微小改變就能改變成矽酸鹽鑽井液。
各種污染對矽酸鹽鑽井液的流變性影響很小,也可以用合適的預處理措施來控制。當有大量的多價離子存在時,要特別注意控制失水,因酸性污染或自由的多價離子的污染將導致可溶性矽酸鹽的沉澱,而失去井壁穩定作用。因此要監測和維護矽酸鹽的濃度不使其下降到穩定泥頁岩的臨界濃度(1000ppmSiO2)之下,SiO2和礦化度是控制泥頁岩穩定的主要因素。
矽酸鹽鑽井液與現在使用的大多數陰離子或非離子聚合物是相容的,但與酸性稀釋劑(如SAPP、木質素磺酸鹽)及陽離子聚合物不相容。
可溶性矽酸鹽是用低成本材料(矽酸鈉、矽酸鉀、砂子)製備的,它在鑽井液中的濃度限制在5～15%(重量/體積比)以內。
4.鉀基鑽井液
在蒙脫石、伊利石等三層型粘土礦物中,每一個晶胞都是由一個鋁氧八面體片被兩個矽氧四面體夾在中間形成,裸露在晶胞表面的是矽氧四面體的氧原子層,這層氧原子每六個氧原子形成一個正六角環,環的空穴尺寸為2.8×10cm,而K+的直徑是2.66×10cm,正好可以裝入六角環中,如圖1-12所示,又因為K比其它可交換陽離子有更強的吸附能力,故K極易把粘土表面的其它陽離子(Na、Ca)置換出來而吸附在粘土表面,這樣,就使粘土變成了鉀粘土。鉀粘土具有較低的負電位,降低了吸附其它陽離子和水化的能力。但也有另一種看法,認為K不一定嵌入氧六角環中,而是K具有較小的水化離子半徑和較低的水化能,而使粘土層片進一步拉攏,增強了層間的聯結力,使粘土不易膨脹分解,同時它使粘土層面形成封閉結構,防止粘土表面水化。X-射線衍射所得層間距的數據支持了後一種觀點。
現在常用的鉀基鑽井液有以下幾種:
(1)氯化鉀-聚合物鑽井液:氯化鉀加量為2～10%,為確保防塌效果,應不低於6%。常用的聚合物有高分子量(3×10)水解聚丙烯醯胺(水解度20～40%)、XC-多糖聚合物、改性澱粉等,這種鑽井液抗溫能力150℃左右,鑽井液的流變性和濾失量不好控制。
(2)鉀褐煤鑽井液:以鉀褐煤為主要處理劑,它能吸附在泥頁岩表面,起密封隔水作用,削弱泥頁岩的表面水化,同時能降低濾失量,減少進入泥頁岩裂縫的水分。這種鑽井液抗溫能力在200℃以上,比聚合物鑽井液有更高的防塌效果和更廣的適用範圍。
(3)四鉀鑽井液:即由腐植酸鉀、氫氧化鉀、丹寧酸鉀和聚丙烯酸鉀四種處理劑組成的鑽井液,這種處理劑只存在單一的鉀,減少了能促使粘土水化分散的鈉。另外聚合物有機鏈對粘土和岩屑起包被作用,減少其分散,達到防塌的目的。
(4)硝基腐植酸鉀鑽井液:在鑽井液中加入一種防塌劑Kz1,它具有下列成分:硝基腐植酸鉀55%、特種煤焦樹脂15%、三烴甲基粉20%、磺化石臘10%，它既有K的防塌作用,又有堵孔物質,並能抗高溫,適於深井使用。
但是我們也注意到氯化鉀的不足之處在於不能阻止鑽井液濾液進入泥頁岩,因為氯化鉀溶液的粘度很低,接近水的粘度,不能堵塞孔隙喉道,也不改變泥頁岩的滲透性,所以鉀基鑽井液很不適合於鑽弱水敏性的泥頁岩地層。這些泥頁岩在成岩過程中,蒙脫石轉化成伊利石,即使沒有鉀的存在,它的膨脹壓也是很低的,但它們長期暴露在氯化鉀鑽井液濾液中,會因鑽井液壓力的滲透而失去穩定。所以鉀基鑽井液不是對任何泥頁岩地層都會有效,而是有選擇性的。
5.低失水高礦化度鑽井液
根據泥頁岩水化膨脹的特性,我們認為具有低失水高礦化度的鑽井液可以減少泥頁岩的水化膨脹壓力,高粘度的濾液可以增大水在泥頁岩中的流動阻力,以減少進入泥頁岩中的水量。要有適當的粘度,因為粘度過高會使泵壓升高排量減小,粘度過低會使鑽井液液流沖刷井壁。pH值應保持在8～9.5之間,因為高pH值會促使泥頁岩水化。要有適當的密度,用以抗衡地層的側壓力。要有適當的礦化度,使其與地層水的礦化度相平衡。增加礦化度常用的鹽類有氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸銨等,和其它處理劑配合可以組成不同類型的高礦化度低失水鑽井液,如鐵鉻鹽-CMC鹽水鑽井液、褐煤－石膏鑽井液、褐煤－氯化鈣鑽井液等。
6. 含有各種堵塞劑的鑽井液
在鑽井液中加入各種堵塞材料,減小或防止滲透作用和毛細管作用,以降低鑽井液濾液向井壁岩石的滲透速度。堵塞劑的加量一般為5～15%,在鑽井過程中還要隨時補充。
(1) 以氧化瀝青為主要成分的疏水堵塞劑:氧化瀝青10～75%,表面活性劑(如烷基苯磺酸鈉)1～4%,其餘為柴油,也可以用原油。再加入適量的生石灰和水,以提高分散介質的溫度,加快氧化瀝青的溶解。
(2) 以波維亞梅為主要成分的疏水堵塞劑:波維亞梅40～80%,氧化瀝青10～25%,表面活性劑0.5～4%,其餘為柴油。波維亞梅是環氧丙烯生產的廢棄物,它是不飽和烴C2～C4的氧化物及其與丁二醇、二氯乙醚的氯衍生物的混合物。
(3) 澱粉堵塞劑:由稻米製成的澱粉,含稻殼8～15%,不僅具有穩定作用,而且有很強的堵塞能力,能有效的降低泥頁岩的吸水速度。加入氧化瀝青時,堵塞效果會更好。
7. 陽離子和部分水解聚丙烯醯胺鑽井液:
陽離子已經發展為KCl的替代物,可用能在粘土表面上發生多層吸附的帶正電功能性基團的聚合物來代替K,這樣的多功能基團聚合物比單一的K更難被交換下來。低分子量的陽離子聚合物能滲透到泥頁岩內部抑制粘土的水化膨脹,高分子量的陽離子聚合物可以貼附在泥頁岩的表面阻止泥頁岩分散。但是它們都無法阻止鑽井液的壓力滲透,就是能進入泥頁岩內部的低分子量陽離子聚合物的擴散速度也比孔隙壓力的擴散速度低得多。
8．混合多元醇鹽水鑽井液
聚丙三醇和聚乙二醇低分子量聚合物(<10000a.w.u)可增加濾液粘度,吸附在粘土表面形成有序的單層或雙層複合物時,會把水從粘土中排出,降低粘土的膨脹壓。高分子量聚合物(>10000a.w.u)會從泥頁岩表面解吸,失去包被和堵塞作用,不適於作井壁穩定劑。
糖類是一種對環境無污染的小分子量增稠劑,當其濃度適當時,可增加鑽井液濾液粘度,降低泥頁岩中水的流動速度。它還可以降低鑽井液的活度,使之與泥頁岩中水的活度相平衡,以減少滲透壓力。但是糖類易發生生物降解,在現場使用起來比較困難,而甲基糖甙類對生物細菌不敏感,可防止這類問題的發生。
以上這些處理劑,可以單獨使用,也可以混合使用,混合使用更能有效的穩定泥頁岩。因為混合使用時,可產生協同效應,提高了泥頁岩與鑽井液之間的膜效率,降低了滲透壓,甚至還可以使泥頁岩脫水,因而能穩定泥頁岩。
