裸眼井筒失效分析与对策研究

李云云 李美莹 李 康

1.西安思源学院 陕西西安 710038；
2.陕西省安全生产科学技术有限公司 陕西西安 710065

井筒是指从井口到井底的筒状四壁或空间，是井内的流体通道，也是井控工作的重点环节。井筒功能对于安全钻进具有重要意义。在钻井过程中，由于井下情况复杂，井筒失效时常发生。井筒失效一方面影响施工进度，另一方面可能导致井眼报废，严重的甚至会引起井喷等重大事故。通过对井筒进行失效分析可以及时了解井筒状况，从而采取有效措施防止井筒结构产生失效破坏，减小钻井风险。

裸眼井段一般出现在钻井作业的钻进阶段。在钻井中，井筒风险存在的概率（P）大小为：P钻进＞P固井＞P完井。裸眼井筒失效一般表现为井塌和井漏两种形式，若处理不当，会诱发井喷等事故。井筒失效，归根结底，都是在井壁应力及化学应力的共同作用下引起的，主要表现在以下两个方面：井孔中流体压力过高时，产生张性破坏发生井漏；
地应力较高而井筒内液柱压力小于地层坍塌压力时，岩石发生剪切性破坏导致井孔崩落、缩径，甚至坍塌。

通过调研大量井筒失效事故，分析得出裸眼井筒失效因素主要包括力学、物理化学和工程措施三项。

1.1 力学因素

一般材料在外力作用下会产生塑性变形，以流动方式破坏时，遵循第三、四强度理论。其中，第四强度理论适用于除压力容器外的其余塑性材料。第四强度理论又称为形状改变比能理论，这一理论认为，不论材料在什么应力状态下，材料发生屈服的原因是形状改变比能达到了某个极限值。其破坏条件见式（1）。

式中：σ1、σ2、σ3——井眼周围3 个方向的主应力；

σs——屈服应力；

σ——等效应力。

当σ≥σs时，井筒失效。

为了探究3 个主应力之间处于何种关系时，裸眼井筒易失效，特建立井筒受力模型。以某区域为例，其地质情况已知，地应力σ1=50MPa,σ2=(10～50)MPa，井筒内压σ3=(0～40)MPa，模型见图1。

图1 某井筒受力模型图

赋初值σ1=50MPa、σ2=10MPa、σ3=20MPa，得到等效应力云图，如图2 所示。由图可知，在井壁附近局部区域出现塑性变形，表明在此应力作用下井筒已失效。

图2 塑性等效应力云图

令σ3=20MPa 不变，分别取σ2为10、20、30、40、50MPa,得到SEPL 曲线图，见图3。通过模拟发现，当内压σ3一定时，当σ1为50MPa、σ2为30、40、50MPa 时，井眼是稳定的；
而当σ2为20MPa、10MPa 时,会在井眼周围出现不同程度的应力集中，导致井筒失效。即当两个主应力σ1、σ2越接近时，裸眼井筒愈稳定，即使没有内压存在，井眼仍会保持稳定。

图3 SEPL曲线图

因此，井眼失效力学因素主要是由于两个主应力的差异造成的。概括起来，造成主应力差异的力学因素主要包括：

（1）钻进坍塌地层时钻井液密度低于地层坍塌压力的当量钻井液密度：一般情况下，易坍塌地层包括：层理裂隙发育或破碎的各种岩性地层；
孔隙压力异常的泥页岩；
处于强地应力作用的地区；
厚度大的泥岩层；
生油层；
倾角大易发生井斜的地层等。若地质部门设计钻井液密度时均依据所钻遇油气水层的压力系数，而未考虑易坍塌地层可能存在异常孔隙压力与地应力，其所造成的高地层坍塌压力对井壁稳定的影响。因此，按照惯例所确定的钻井液密度在钻进此类地层时，井筒中钻井液液柱压力不足以平衡地层坍塌压力，使地层处于力学不稳定状态，引起造成井壁失效。

（2）抽吸作用造成钻井液压力低于地层坍塌压力：在起钻过程中，若未及时灌注钻井液、钻井液塑性粘度和动切力过高，以及起钻速度过快等均会产生高的抽吸压力。抽吸压力使钻井液作用于井壁的压力下降，当其低于地层坍塌压力时就会发生井塌。

（3）溢流或井漏导致井筒中液柱压力低于地层坍塌压力：钻井过程中若发生溢流或井漏，均会造成井筒中液柱压力下降。当此压力小于地层坍塌压力时，就会出现井塌。

（4）钻井液密度过低不能控制地层的塑性变形：当岩盐层、含盐膏软泥岩和高含水的软泥岩等地层被钻开后，如果所使用的钻井液密度过低，就会发生塑性变形。由于这些地层具有蠕变特性，使井径缩小，导致起下钻遇阻卡、卡钻，严重时转盘无法转动甚至被卡死。胜利油田就曾发生过井眼闭合的现象。

（5）钻井液密度过高：钻井过程中，如果所采用的钻井液密度过高，大大超过地层孔隙压力，对井壁形成较大的压差，从而会有更多的钻井液滤液进入地层，加剧地层中粘土矿物水化，引起地层孔隙压力增加及围岩强度降低，最终导致地层坍塌压力增大。当坍塌压力的当量密度超过钻井液密度，井壁力学不稳定，造成井塌。

1.2 物理化学因素

1.2.1 地层因素

（1）地层中粘土矿物及其可交换阳离子的类型和含量：一般情况下，粒度越小，阳离子交换量越大；
比表面积越大，水化膨胀率越大。

（2）地层中非晶态粘土矿物的类型及含量：地层中非晶态粘土矿物的类型及含量会影响阳离子交换容量的大小，因此它们对地层水化作用亦有较大的影响。

（3）地层中所含无机盐的类型及含量：地层中若含有石膏、氯化钠和芒硝等无机盐，则会促使地层发生吸水膨胀，体积增大。

（4）地层中层理裂隙发育程度：地层中存在层理裂隙，当与水接触时，水就会沿着这条裂缝进入地层深处，使井壁周围地层中的粘土矿物发生水化，因而井壁也容易坍塌。

1.2.2 钻井液因素

钻井液的密度、API 滤失量是影响井筒稳定性的最敏感性因素，其中钻井液粘度是次敏感性因素，滤饼厚度和排量是非敏感性因素。

（1）温度和压力：对泥页岩而言，随着温度升高，粘土的水化膨胀速率和膨胀量都明显增高。压力增高可抑制粘土水化膨胀。

（2）时间：粘土水化膨胀随地层中的粘土矿物与钻井液滤液接触时间的增长而加剧。

1.3 工程措施因素

（1）井内激动压力过大：钻井过程中，如果起下钻速度过快、钻井液静切力过大、开泵过猛或钻头泥包等，均可能发生强的抽吸作用，产生过高的抽吸压力，从而降低钻井液作用于井壁的压力，造成井塌。

（2）井内液柱压力大幅度降低：钻井过程中如果发生溢流、井漏或起钻没灌满钻井液，均可能使井内液柱压力大幅度下降，造成井壁岩石受力失去平衡而导致井塌。

（3）环空钻井液流型：如果钻井液环空返速过高，在环空形成紊流，会对井壁产生强烈的冲蚀作用。此作用随环空返速增大而加剧。当钻进破碎性地层或层理裂隙发育的地层时，如果钻井液的环空返速过高导致形成紊流，则对井壁的冲刷力有可能超过被钻井液浸泡后的岩石强度，这时就会造成井壁坍塌。

（4）井身质量问题：如井眼方位变化大、狗腿度过大等，易造成应力集中，加剧井塌的发生。

（5）对井壁过于严重的机械碰击：钻进易塌地层时，如果转速过高、起钻用转盘卸扣等，由于钻具剧烈碰击井壁，会加速井塌。

根据工程海域近十年的实测水文资料[6-9]，烂沙洋海域潮汐周期为12 h，且涨潮与落潮过程流速呈镜像分布。工程海域为太平洋两大潮波系统辐合交汇区域，综合南通外海岸略微内凹的地形阻挡作用，工程外海区域潮波呈辐射状旋转流。在沙洲之间的狭长海道，水流流向受潮汐影响，呈往复流状态。工程海域潮位特征值见表1。

为了保证井筒功能的完整性，需要在钻前井筒设计、钻井作业阶段采取有针对性的安全防范措施，以减少、消除危险因素，保证井筒功能的完整性，从而提高井筒的安全性能，减少钻井风险。

2.1 提高井身设计质量

在设计阶段，要综合考虑该井的目的和任务，尽可能全面地收集所钻区的地质、气象、周边环境、历史工程事故等资料，选择最优的设计方案。

2.2 加强钻井施工管理

施工质量是关系到一口井能否安全完钻、平稳投产，以及减少事故发生的关键。

（1）减少人因失误：例如，减少或取消不必要的报告和审批程序, 开展不同层面的安全教育和安全管理活动等；

（2）提高技术对策：例如，建立现场监测数据采集管理信息系统，应用APR 测试工具、油气井井喷失控灭火仿真平台等。

（3）适应环境条件：含H2S 气田钻井作业时，必须严格执行《含硫气田安全钻进法》的规定，采取预防措施，防止和减轻硫化氢溢出的危害；
遇8 级以上大风应停止钻进，将钻具起止安全井段，并做好防卡工作；
对于钻遇井漏、井涌等特殊情况，又遇到狂风暴雨不能作业时，以保井为主，临时采取措施进行处理。

2.3 推行井筒完整性管理

井筒完整性管理是近些年刚刚提出的井筒管理的先进方法，井筒风险评价和完整性管理是钻井风险管理的重要环节。目前，国内的井筒完整性管理还仅涉及套管段部分的风险评价、完整性设计等，还处于初始阶段。因此，应加快推行应用井筒完整性管理。

（1）井筒功能对于安全钻进具有重要意义。但是，由于井下情况复杂，在钻进过程中井筒受到力学、物理化学、工程措施等因素，致使井筒失效，若处理不当，可能导致井喷等重大事故发生。

（2）钻井施工是一项投资多、风险大、常发生事故的“隐蔽性”工程。为了保证一口井能够顺利完钻、稳定投产，保证井筒功能的完整性至关重要。对于钻井公司而言，应提高井身设计质量、加强钻井施工管理、推行井筒完整性管理，提高井筒安全性能。