井壁坍塌及防治措施

井壁坍塌及防治措施

井壁坍塌是石油钻井工程中常见的技术难题，不仅会严重影响钻井进度，还可能导致设备损坏和安全事故。本文系统地介绍了井壁坍塌的原因、影响以及防治措施，对于从事石油钻井工程及相关领域的技术人员具有重要的参考价值。

井壁坍塌及防治措施

井壁坍塌是指在钻井过程中，由于各种原因导致井壁岩石失去稳定性，进而发生垮塌的现象。井壁坍塌会导致诸多工程问题，还造成经济的巨大损失。井壁坍塌会造成储层伤害、堵塞，甚至埋卡管柱等现象，以及生产过程中随着储层能量不断损失造成储层出砂等复杂情况，严重时影响生产工期甚至引发安全事故。统计结果显示平均用于井壁坍塌的损失约占总预算的15%，因此进行井壁稳定性研究是具有工程实践意义的。井壁坍塌会严重影响钻井进度，导致作业中断并需耗时打捞修复；同时，坍塌岩石可能损坏钻井设备，如钻杆、钻头，并可能引发井架倒塌、人员伤亡等安全事故，此外，坍塌物质还可能流入地层或水体，造成环境污染。井塌是地层钻井特性的主要表现形式之一。井壁坍塌主要有地质因素（地层压力异常、岩石强度低、构造应力）、钻井液因素（性能不佳、与地层不兼容）及工程操作因素（钻井速度过快、起下钻操作不当）引发。地质条件复杂是引起井塌的主要原因，对其形成起决定性作用。

井壁失稳与钻井液漏失

1 井塌形成的地质原因

泥页岩层及断层破碎带构成井内最复杂且易塌区域。泥岩与页岩地层中，岩石易水化膨胀，受泥浆浸泡后，自由水渗透导致颗粒膨胀裂解，稳定性丧失，进而引发井壁剥落或坍塌。因此，该层段井壁稳定性最差，水化膨胀为主要致塌因素。此外，断层因构造应力作用导致岩石破碎，亦会降低井壁稳定性。当泥浆液柱压力无法平衡地层压力时，轻则出现掉块，重则导致井塌，此类井塌在钻井作业中颇为常见。表土层深厚区域，因其疏松且具湿陷性，泥浆使用不当或护壁不佳时，也极易塌陷。

深部破碎地层井周岩体破碎特征与井壁掉块垮塌失稳示意图

2 井塌对钻井施工的影响

(1)泥浆性能持续变化，需频繁调整其密度、粘度、切力及含砂量，成本高昂。

(2)泥浆循环易堵塞，增加整泵风险。

(3)钻头无法顺利返回井底，划眼效果递减。

(4)起下钻时遇阻可能导致埋钻，转盘反转，事故处理难度加大，极端情况下导致钻井报废。

井壁坍塌卡钻示意图

3 井塌的防治措施

3.1 工艺选取方面

（1）设计合理的井身结构，包括表层套管封隔松软地层、漏层上部应用套管封隔以避免地层坍塌，并避免同一裸眼井段内喷、漏层并存；

（2）减少套管鞋以下口袋长度以防岩屑堆积。

（3）调整钻井液性能以适应不同地层，如提高密度、粘度和切力以应对未胶结地层和裂缝发育地层，控制pH值减弱水化作用，必要时混油抑制膨胀，提高矿化度减少渗透压，并促进有利的离子交换以增强泥页岩稳定性。

（4）保持钻井液液柱压力，起钻、停工、测井时需定时补充钻井液，避免环空液柱压力下降。

（5）减少压力激动，如控制起钻速度、开泵时逐渐增加排量。对于薄弱地层，需限制循环压力并严格控制起下钻速度。

（6）不可长期停止循环，以避免井塌风险。

（7）负压钻进时，确保液柱压力不小于裸眼井段某些地层的坍塌压力，否则用套管封隔。

深地塔科1井井身结构设计

3.2 泥浆使用方面

(1)为抑制泥页岩水化膨胀、维持井壁稳定，常用低失水、高矿化度泥浆，如盐水、饱和盐水泥浆及氯化钙泥浆，其高Na+、Ca²⁺含量有效抑制膨胀，尤其是CaCl₂溶解度大，防坍塌效果显著。钾基泥浆也常用，因K⁺能嵌入粘土晶格，减少负电荷，减弱水化分散，预防井塌。

(2)提高泥浆密度，利用液柱压力平衡岩石侧压力，防止剥落坍塌。地层破碎时，还需增强泥浆动切力和动塑比以助钻进和循环。

(3)控制泥浆pH值在8.5至9.5间，减弱强水化，降低失水量，提高滤液粘度，减少地层水分渗透。

(4)调整泥浆性能时，需避免剧烈波动。

钻井液配方优化设计

3.3 机械操作方面

(1)缓慢开泵与平稳起下钻，减轻钻头对井壁撞击及液柱压力波动，避免抽吸效应。

(2)调节泵量、泵压至适宜水平，维持泥浆低速层流循环，减少井壁冲蚀。

(3)加速钻井进程，缩短周期，减少泥浆浸泡时间。

(4)起钻时持续灌注井内。

典型钻井系统和振动(冲击)过程

3.4 研究攻关方面

利用离散-连续耦合法构建综合考虑复杂井眼轨迹、地层特性及井周岩体破碎状况的跨尺度井壁失稳模型，是推进破碎地层井壁失稳地质-工程综合研究的核心基础。通过升级物理模拟实验设备与方法，并结合力链理论，能更有效地探究破碎井壁承压演变及失稳机制。关注岩块摩擦特性与井壁裂缝亚临界扩展，对于揭示井壁失稳的时间滞后效应及垮塌规律至关重要。同时，探究工程因素对井壁静动态稳定性的影响，有助于深入理解长裸眼井段井壁稳定性的动态变化。基于这些机理认识，构建融合地层特征、地质力学参数及工程参数的井壁失稳风险综合评估模型，以智能预测井壁坍塌压力、井眼扩径率及衍生风险。结合大数据与机器学习技术，可进一步开发井壁失稳风险早期识别与防控辅助决策系统，确保深部破碎地层钻井的安全高效。

破碎地层井壁失稳风险评价框架

3.5 井塌处理措施

在钻井作业中，遇到井塌迹象，如井口不返钻井液或钻杆内反喷，应立即停止作业并开泵循环通井或划眼，确保井下情况正常后再恢复。在软地层中，避免使用钻头划眼以防钻出新井眼，可采用特制的划眼工具，由导引杆保持老井眼路径，刀片破碎垮塌地层。起钻时同样需观察井口液面，异常时停止起钻并循环钻井液至正常。处理井塌时，开泵须小排量顶通后逐渐增加排量，避免地层漏失。若循环无望而钻具可活动，应立即起钻。井塌导致岩屑无法带出时，可使用高屈服值钻井液或高浓度携砂液洗井。坍塌卡钻后，若能小排量循环，则逐步增加钻井液粘度和切力，提高排量带出岩块；若无法循环但钻具可转动，应分析卡点位置，尽早倒扣以减少损失。上部松软地层塌卡时，需避免下部钻具粘卡，必要时下炸弹炸掉钻头或钻铤以恢复循环，之后可按粘吸卡钻处理。套铣倒扣时，松软地层采用长筒套铣，较硬地层减少套铣筒长度，套铣至扶正器时采用震击器解卡，避免全面套铣扶正器，仅套铣扶正条根部以便后续磨铣打捞。

井壁坍塌卡钻处理程序图