地层坍塌的原因
5页1、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)bv和两个水平应力oH(最大水平应力)和oh(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
2、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:未胶结或胶桔不好的砂岩、砾岩、砂砾岩;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;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;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;不成岩的地层,如煤层、流沙、粘土、淤泥等;泥页岩的组分。泥页岩中一般
3、含有2030%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,伊利石一蒙脱石混层是难以对付的地层。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
4、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
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