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，我来为大家科普一下关于离石张家庄村煤矿塌陷?以下内容希望对你有帮助!
离石张家庄村煤矿塌陷
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
- 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。
- 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
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。
- 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。
- 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。
- 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
- 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。
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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。
井塌预防措施
1、优化防塌泥浆性能
钻遇松软地层时，适当提高泥浆密度、粘切和矿化度，保持低失水。
2．保持泥浆液柱压力
- 起钻时连续或定时灌浆，保持井口液面不降或下降不超过5米；
- 停工或测井时，每4小时检查一次井口液面，液面一旦下降，必须及时向井内灌浆；（场地工负责观察液面并将观察结果报告司钻）；
- 若钻柱或套管柱下部装有回压阀，下管柱时每3柱向管柱内灌泥浆，管柱在井内但未循环泥浆时应视情况定时向管柱内灌泥浆，每次必须灌进、灌满，防止回压阀挤毁而使泥浆倒流，把井壁抽垮。（内外钳工负责记数和观察灌浆情况,并将观察结果报告司钻；录井工负责观察泥浆灌液面变化情况，有异常时立即向司钻报告）；
- 若停泵后立管有回压，不允许放回水，也不能卸立柱，防止环空液体倒灌而造成环空液柱压力下降。（司钻负责观察立压，并通知副司钻不放回水）
3、减少抽吸和激动压力
- 严格控制起下钻速度，每一柱的行程时间控制在3-4分钟之间，以减少抽吸和激动压力（司钻负责控制）；
- 下钻时每下500米钻具应分段循环泥浆，泵压稳定后再继续下钻（司钻负责控制）；
- 上起钻具时，井口液面不降或外溢，应立即停止起钻，循环泥浆，采取措施，消除泥包，若消除不了，应边循环边起钻，起过小井径井段后再正常起钻（司钻负责控制工况，录井工负责监控泥浆灌液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口返出情况，有异常时立即向司钻报告）；
- 每次开泵时，应先小排量顶通，待泵压正常后再逐渐提高排量（司钻控制，副司钻在泵房协助，录井工负责监控泥浆灌液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口返出情况，并及时向司钻报告观察结果）。
- 钻进时尽可能降低循环压力，以免压漏地层；
井塌的判断
1、钻进过程中发生井塌
井下发生轻微坍塌时，返出钻屑明显增多，振动筛处有许多棱角分明的片状岩屑，如果坍塌层是正钻地层，则钻进困难，泵压上升、扭矩增大，钻头提起后，泵压下降至正常值，但钻头放不到井底；如果坍塌层在正钻层以上，则泵压升高，钻头提离井底后，泵压不降，且上提遇卡，下放遇阻，甚至井口返出量减少或不返。出口处可见棱角分明的岩块和失去棱角的岩屑（司钻观察泵压、扭矩、悬重、钻压、进尺，副司钻观察泵房泵压，录井工负责监控钻头位置和泥浆灌液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口返出砂子，各路及时向司钻报告观察结果）。
2、起钻时发生井塌
起钻时，上提遇卡，下放遇阻，阻力忽大忽小，但呈逐渐增加之势；钻具可以转动，但扭矩增加；上提钻具时，有时伴有井口液面不降或外溢现象；开泵时泵压上升，悬重下降，井口流量减少甚至不返，停泵时有回压，钻杆内反喷泥浆（司钻观察悬重、钻压、扭矩、泵压，副司钻观察泵房泵压，录井工负责监控钻头位置和泥浆灌液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口泥浆和返出砂子的情况，内外钳工观察钻杆内泥浆液面，各路及时向司钻报告观察结果）。
3、下钻时发生井塌
井塌发生后，下钻时可能遇阻，也可能不遇阻，但井口不返泥浆，或钻杆内反喷泥浆；若能正常开泵，说明钻头在坍塌层之上；若开泵时泵压升高，悬重下降，井口返出量减少或不返，但当钻头上行一段距离后，则一切恢复正常，说明钻头在坍塌层之中或之下。循环时出口处可见棱角分明的岩块和失去棱角的岩屑（司钻观察悬重、钻压、泵压，副司钻观察泵房泵压，录井工负责监控钻头位置和泥浆灌液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口泥浆和返出砂子的情况，内外钳工观察钻杆内泥浆液面，各路及时向司钻报告观察结果）。
4、划眼
划眼时经常蹩泵、蹩钻，钻头提起后放不到原来位置，甚至越划越浅，比正常钻进困难得多，甚至划出新眼。划眼过程中，虽然阻力和扭矩都不大，但泵压忽大忽小，有时会突然升高，悬重也随之下降，井口流量忽大忽小，有时甚至不返泥浆，从返出的岩屑中可见大量棱角分明的岩块（司钻观察悬重、钻压、泵压、扭矩，副司钻观察泵房泵压，录井工负责监控钻头位置和泥浆灌液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口泥浆和返出砂子的情况，各路及时向司钻报告观察结果）。
井塌的处理措施
1、无论何种工况，只要发现有井塌现象，开泵时只许用小排量顶通（调转速或拆1-2个凡尔），然后逐渐增加排量，中间不允许停泵（司钻实施，副司钻在泵房协助，录井工负责监控钻头位置和泥浆灌液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口泥浆和返出砂子的情况，井架工负责记录，井架工上二层台时内钳工负责记录，各路及时向司钻报告观察结果）；
2、若小排量顶不通，泵压上升至接近地层漏失压力值1MPa时，井口仍不返泥浆，则不可继续挤入泥浆，只能摘泵，待压力降低后再反复试顶、蹩压，全过程最高泵压不得超过地层漏失压力（司钻实施，副司钻在泵房协助，录井工负责监控钻头位置和泥浆灌液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口泥浆和返出砂子的情况，井架工负责记录，各路及时向司钻报告观察结果）；
3、如果反复试顶后仍不能恢复循环，而钻具尚能活动，应立即起钻；即使起钻时有不少阻力（注意上体拉力，不能提死钻具），钻杆内依然反喷泥浆，也丝毫不能迟疑，应尽最大可能上起钻具，中途不允许尝试开泵，液面如不在井口，应灌满泥浆（司钻实施，副司钻在泵房协助，录井工负责监控钻头位置和泥浆罐液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口泥浆返出情况，内外钳工观察井口泥浆液面，井架工负责记录，井架工上二层台时内钳工负责记录，各路及时向司钻报告观察结果）。
4、下钻过程中发生井塌，应立即停止下钻，开泵循环通井或划眼，待泵压正常、砂子循环干净，井下畅通无阻后，再继续下钻（司钻临机决断、实施，副司钻在泵房协助，录井工负责监控钻头位置和泥浆罐液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口泥浆返出情况，内外钳工观察井口泥浆液面，井架工负责记录，井架工上二层台时内钳工负责记录，各路及时向司钻报告观察结果）。
5、起钻过程中发生井塌，应立即停止起钻，开泵循环泥浆，待泵压正常，砂子循环干净，井下畅通无阻，钻柱内外压力平衡后，再继续起钻（司钻临机决断、实施，副司钻在泵房协助，录井工负责监控钻头位置和泥浆罐液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口泥浆返出情况，内外钳工观察井口泥浆液面，井架工负责记录，井架工上二层台时内钳工负责记录，各路及时向司钻报告观察结果）。
6、通井划眼时，坚持一通二冲三划眼通过，防止划出新眼（司钻控制）。
7、若循环时垮塌物带不出来，可采取如下办法：
- 起钻前，在坍塌井段打入封闭液，以减缓坍塌，并阻止砂桥形成；
- 循环时可加入一段高粘高切泥浆清扫井底和井筒；
- 使用高屈服值高动塑比的泥浆。
井塌卡钻的处理措施
1、井塌卡钻发生后，若尚能小排量循环，则必须耐心循环活动钻具，循环时必须控制进口流量与出口流量的基本平衡。在循环稳定之后，逐渐提高粘切，以提高携砂能力，然后逐渐提高排量，争取把砂子带出（司钻实施，副司钻在泵房协助，录井工负责监控钻头位置和泥浆灌液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口泥浆返出情况，井架工负责记录，泥浆工程师负责调节泥浆性能，各路及时向司钻报告观察结果）。
2、井塌卡钻发生后，若小排量可以循环，但提高排量就漏，返出量不增加，停泵后，泥浆反吐不止，这时要痛下决心倒扣，千万别等（井队实施，录井工负责监控钻头位置和泥浆灌液面变化情况，场地工和泥浆工负责观察井口泥浆返出情况，井架工负责记录，各路及时向司钻报告观察结果）。
3、井塌卡钻发生后，若不能顶通循环泥浆，应立即着手倒扣套铣。即使能够转动，上下也有一定活动空间，但是活动距离越来越小，转动扭矩越来越大，此时不应强转，要严格控制扭矩，为倒扣创造条件（钻井队决策）。
4、井塌卡钻发生后，卡点会迅速上移，卡实程度快速增加，此时各岗位均应在第一时间进行决策和准备。
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