地层坍塌的原因

地层坍塌的原因••••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。

1.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。

2.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810m2/g,干净的石英砂岩为0.01m2/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+3、Fe+3与Si+4交换,Mg+2、Fe+2与Al+3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。

••••滤液中的OH-会促使粘土表面层中的H+解离,也可靠H+直接吸附于粘土表面,使粘土表面负电荷增多,水化能力增强,膨胀压力增大,所以,高pH值不利于防塌。

而碳酸根和硫酸根的水化作用就相对的较弱。

在OH-浓度相同时,•一价的K+、NH4+水化能力比Na+低,故具有较好的抑制水化膨胀作用,因此控制钻井液的pH值,尽量降低钻井液中的OH-和Na+的含量对防止泥页岩的水化分散具有一定的作用。

表面水化压力Ps为上覆岩层压力Po与孔隙压力Pp之差,即Ps=Po-Pp……………………………………………………………………………(1-28)若上覆岩层平均密度取 2.31g/cm3,地层水的密度取 1.05g/cm3,井深三千米时泥页岩的水化压力 Ps=0.01×3000×(2.31-1.05)=37.8MPa••••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。

••••由于渗透作用的进行,•使粘土表面的阳离子形成双电层,双电层的斥力可使晶层进一步推开,粘土体积将发生很大的变化,如蒙脱石体积可增加25倍。

渗透作用引起的膨胀程度与交换性阳离子种类有密切关系,不同的交换性阳离子造成的层间距离不同。

••••当泥页岩出现屈服时,其渗透率将明显增加,致使水力流动速率和钻井液压力渗透速率提高,因此,由流体渗透诱发的泥页岩破坏是一个自行加速的过程,•要靠外界的压力来平衡这个渗透压进而消除渗透作用是很困难的,只有用化学的方法,使钻井液与泥页岩中水的矿化度相同或化学位相同,才能制止渗透作用的进行。

一个体系的化学位可用下式表示U-U。

=R.T.lnAw ……………………………………………………………… (1-29)式中 U-某体系的化学位U。

-纯水的化学位R-气体常数T-绝对温度Aw-该体系的活度••••如用U1代表钻井液的化学位,U2代表泥页岩的化学位,Aw1代表钻井液的活度,Aw2代表泥页岩中水的活度,则可得泥页岩与钻井液间的化学位差U2-U1=R.T.ln(Aw2/Aw1)••••由上式可以看出,当两者活度相同时,ln(Aw2/Aw1)=0,则U2=U1,即其化学位也相等,渗透作用不复存在。

••••然而,•一口井钻遇多层泥页岩,从上而下各层泥页岩的沉积时代不同、沉积环境不同,其含水量和水的矿化度也不可能相同,•以一种矿化度钻井液去对付不同矿化度的泥页岩,而求其活度平衡是不可能做到的,而且每层泥页岩的真实矿化度也很难求得。

所以有些学者提出,应使钻井液的矿化度高于泥页岩的矿化度,宁可使泥页岩中的水向钻井液转移,不可使钻井液中的水向泥页岩转移,这样做,还有好处,即可以降低泥页岩的孔隙压力,增加泥页岩的结构强度,对防止泥页岩坍塌来说并无不利之处。

••••假若表面水化压力和渗透水化压力的作用方向相同,•则可发生数十兆帕的水化压力,•单纯的提高钻井液密度是无法与之抗衡的。

需要指出的是低渗透泥页岩的扩散是一种比达西流更突出更快的过程,•水的浸入会使井眼周围延伸区的孔隙压力增大,孔隙压力扩散前沿超过离子扩散前沿,•钻井液滤液浸入前沿滞后于离子扩散前沿,•见图1-•10所示。

也就是说,•要是水每天浸入几毫米,离子扩散每天要超过几厘米,而压力扩散每天要超过几分米。

地下泥页岩水化后可产生很大的膨胀压力,•而膨胀压力又增加了井眼周围的圈闭应力,•若使圈闭应力超过了泥页岩的屈服强度,•井眼稳定性便下降。

膨胀又使泥页岩体积增大,向压力小的方向扩展,因而使井眼缩径,或被循环液冲刷而垮塌入井。