裸眼井筒失效分析與對策研究

李云云 李美瑩 李 康

1.西安思源學院 陜西西安 710038；2.陜西省安全生產科學技術有限公司 陜西西安 710065

井筒是指從井口到井底的筒狀四壁或空間，是井內的流體通道，也是井控工作的重點環節。井筒功能對于安全鉆進具有重要意義。在鉆井過程中，由于井下情況復雜，井筒失效時常發生。井筒失效一方面影響施工進度，另一方面可能導致井眼報廢，嚴重的甚至會引起井噴等重大事故。通過對井筒進行失效分析可以及時了解井筒狀況，從而采取有效措施防止井筒結構產生失效破壞，減小鉆井風險。

1 裸眼段井筒失效分析

裸眼井段一般出現在鉆井作業的鉆進階段。在鉆井中，井筒風險存在的概率（P）大小為：P鉆進＞P固井＞P完井。裸眼井筒失效一般表現為井塌和井漏兩種形式，若處理不當，會誘發井噴等事故。井筒失效，歸根結底，都是在井壁應力及化學應力的共同作用下引起的，主要表現在以下兩個方面：井孔中流體壓力過高時，產生張性破壞發生井漏；地應力較高而井筒內液柱壓力小于地層坍塌壓力時，巖石發生剪切性破壞導致井孔崩落、縮徑，甚至坍塌。

通過調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學、物理化學和工程措施三項。

1.1 力學因素

一般材料在外力作用下會產生塑性變形，以流動方式破壞時，遵循第三、四強度理論。其中，第四強度理論適用于除壓力容器外的其余塑性材料。第四強度理論又稱為形狀改變比能理論，這一理論認為，不論材料在什么應力狀態下，材料發生屈服的原因是形狀改變比能達到了某個極限值。其破壞條件見式（1）。

式中：σ1、σ2、σ3——井眼周圍3 個方向的主應力；

σs——屈服應力；

σ——等效應力。

當σ≥σs時，井筒失效。

為了探究3 個主應力之間處于何種關系時，裸眼井筒易失效，特建立井筒受力模型。以某區域為例，其地質情況已知，地應力σ1=50MPa,σ2=(10～50)MPa，井筒內壓σ3=(0～40)MPa，模型見圖1。

圖1 某井筒受力模型圖

賦初值σ1=50MPa、σ2=10MPa、σ3=20MPa，得到等效應力云圖，如圖2 所示。由圖可知，在井壁附近局部區域出現塑性變形，表明在此應力作用下井筒已失效。

圖2 塑性等效應力云圖

令σ3=20MPa 不變，分別取σ2為10、20、30、40、50MPa,得到SEPL 曲線圖，見圖3。通過模擬發現，當內壓σ3一定時，當σ1為50MPa、σ2為30、40、50MPa 時，井眼是穩定的；而當σ2為20MPa、10MPa 時,會在井眼周圍出現不同程度的應力集中，導致井筒失效。即當兩個主應力σ1、σ2越接近時，裸眼井筒愈穩定，即使沒有內壓存在，井眼仍會保持穩定。

圖3 SEPL曲線圖

因此，井眼失效力學因素主要是由于兩個主應力的差異造成的。概括起來，造成主應力差異的力學因素主要包括：

（1）鉆進坍塌地層時鉆井液密度低于地層坍塌壓力的當量鉆井液密度：一般情況下，易坍塌地層包括：層理裂隙發育或破碎的各種巖性地層；孔隙壓力異常的泥頁巖；處于強地應力作用的地區；厚度大的泥巖層；生油層；傾角大易發生井斜的地層等。若地質部門設計鉆井液密度時均依據所鉆遇油氣水層的壓力系數，而未考慮易坍塌地層可能存在異常孔隙壓力與地應力，其所造成的高地層坍塌壓力對井壁穩定的影響。因此，按照慣例所確定的鉆井液密度在鉆進此類地層時，井筒中鉆井液液柱壓力不足以平衡地層坍塌壓力，使地層處于力學不穩定狀態，引起造成井壁失效。

（2）抽吸作用造成鉆井液壓力低于地層坍塌壓力：在起鉆過程中，若未及時灌注鉆井液、鉆井液塑性粘度和動切力過高，以及起鉆速度過快等均會產生高的抽吸壓力。抽吸壓力使鉆井液作用于井壁的壓力下降，當其低于地層坍塌壓力時就會發生井塌。

（3）溢流或井漏導致井筒中液柱壓力低于地層坍塌壓力：鉆井過程中若發生溢流或井漏，均會造成井筒中液柱壓力下降。當此壓力小于地層坍塌壓力時，就會出現井塌。

（4）鉆井液密度過低不能控制地層的塑性變形：當巖鹽層、含鹽膏軟泥巖和高含水的軟泥巖等地層被鉆開后，如果所使用的鉆井液密度過低，就會發生塑性變形。由于這些地層具有蠕變特性，使井徑縮小，導致起下鉆遇阻卡、卡鉆，嚴重時轉盤無法轉動甚至被卡死。勝利油田就曾發生過井眼閉合的現象。

（5）鉆井液密度過高：鉆井過程中，如果所采用的鉆井液密度過高，大大超過地層孔隙壓力，對井壁形成較大的壓差，從而會有更多的鉆井液濾液進入地層，加劇地層中粘土礦物水化，引起地層孔隙壓力增加及圍巖強度降低，最終導致地層坍塌壓力增大。當坍塌壓力的當量密度超過鉆井液密度，井壁力學不穩定，造成井塌。

1.2 物理化學因素

1.2.1 地層因素

（1）地層中粘土礦物及其可交換陽離子的類型和含量：一般情況下，粒度越小，陽離子交換量越大；比表面積越大，水化膨脹率越大。

（2）地層中非晶態粘土礦物的類型及含量：地層中非晶態粘土礦物的類型及含量會影響陽離子交換容量的大小，因此它們對地層水化作用亦有較大的影響。

（3）地層中所含無機鹽的類型及含量：地層中若含有石膏、氯化鈉和芒硝等無機鹽，則會促使地層發生吸水膨脹，體積增大。

（4）地層中層理裂隙發育程度：地層中存在層理裂隙，當與水接觸時，水就會沿著這條裂縫進入地層深處，使井壁周圍地層中的粘土礦物發生水化，因而井壁也容易坍塌。

1.2.2 鉆井液因素

鉆井液的密度、API 濾失量是影響井筒穩定性的最敏感性因素，其中鉆井液粘度是次敏感性因素，濾餅厚度和排量是非敏感性因素。

（1）溫度和壓力：對泥頁巖而言，隨著溫度升高，粘土的水化膨脹速率和膨脹量都明顯增高。壓力增高可抑制粘土水化膨脹。

（2）時間：粘土水化膨脹隨地層中的粘土礦物與鉆井液濾液接觸時間的增長而加劇。

1.3 工程措施因素

（1）井內激動壓力過大：鉆井過程中，如果起下鉆速度過快、鉆井液靜切力過大、開泵過猛或鉆頭泥包等，均可能發生強的抽吸作用，產生過高的抽吸壓力，從而降低鉆井液作用于井壁的壓力，造成井塌。

（2）井內液柱壓力大幅度降低：鉆井過程中如果發生溢流、井漏或起鉆沒灌滿鉆井液，均可能使井內液柱壓力大幅度下降，造成井壁巖石受力失去平衡而導致井塌。

（3）環空鉆井液流型：如果鉆井液環空返速過高，在環空形成紊流，會對井壁產生強烈的沖蝕作用。此作用隨環空返速增大而加劇。當鉆進破碎性地層或層理裂隙發育的地層時，如果鉆井液的環空返速過高導致形成紊流，則對井壁的沖刷力有可能超過被鉆井液浸泡后的巖石強度，這時就會造成井壁坍塌。

（4）井身質量問題：如井眼方位變化大、狗腿度過大等，易造成應力集中，加劇井塌的發生。

（5）對井壁過于嚴重的機械碰擊：鉆進易塌地層時，如果轉速過高、起鉆用轉盤卸扣等，由于鉆具劇烈碰擊井壁，會加速井塌。

根據工程海域近十年的實測水文資料[6-9]，爛沙洋海域潮汐周期為12 h，且漲潮與落潮過程流速呈鏡像分布。工程海域為太平洋兩大潮波系統輻合交匯區域，綜合南通外海岸略微內凹的地形阻擋作用，工程外海區域潮波呈輻射狀旋轉流。在沙洲之間的狹長海道，水流流向受潮汐影響，呈往復流狀態。工程海域潮位特征值見表1。

2 裸眼井筒安全防范對策

為了保證井筒功能的完整性，需要在鉆前井筒設計、鉆井作業階段采取有針對性的安全防范措施，以減少、消除危險因素，保證井筒功能的完整性，從而提高井筒的安全性能，減少鉆井風險。

2.1 提高井身設計質量

在設計階段，要綜合考慮該井的目的和任務，盡可能全面地收集所鉆區的地質、氣象、周邊環境、歷史工程事故等資料，選擇最優的設計方案。

2.2 加強鉆井施工管理

施工質量是關系到一口井能否安全完鉆、平穩投產，以及減少事故發生的關鍵。

（1）減少人因失誤：例如，減少或取消不必要的報告和審批程序, 開展不同層面的安全教育和安全管理活動等；

（2）提高技術對策：例如，建立現場監測數據采集管理信息系統，應用APR 測試工具、油氣井井噴失控滅火仿真平臺等。

（3）適應環境條件：含H2S 氣田鉆井作業時，必須嚴格執行《含硫氣田安全鉆進法》的規定，采取預防措施，防止和減輕硫化氫溢出的危害；遇8 級以上大風應停止鉆進，將鉆具起止安全井段，并做好防卡工作；對于鉆遇井漏、井涌等特殊情況，又遇到狂風暴雨不能作業時，以保井為主，臨時采取措施進行處理。

2.3 推行井筒完整性管理

井筒完整性管理是近些年剛剛提出的井筒管理的先進方法，井筒風險評價和完整性管理是鉆井風險管理的重要環節。目前，國內的井筒完整性管理還僅涉及套管段部分的風險評價、完整性設計等，還處于初始階段。因此，應加快推行應用井筒完整性管理。

3 結語

（1）井筒功能對于安全鉆進具有重要意義。但是，由于井下情況復雜，在鉆進過程中井筒受到力學、物理化學、工程措施等因素，致使井筒失效，若處理不當，可能導致井噴等重大事故發生。

（2）鉆井施工是一項投資多、風險大、常發生事故的“隱蔽性”工程。為了保證一口井能夠順利完鉆、穩定投產，保證井筒功能的完整性至關重要。對于鉆井公司而言，應提高井身設計質量、加強鉆井施工管理、推行井筒完整性管理，提高井筒安全性能。