裸眼井筒失效分析與對(duì)策研究

李云云 李美瑩 李 康

1.西安思源學(xué)院 陜西西安 710038；2.陜西省安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)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(nèi)的流體通道，也是井控工作的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。井筒功能對(duì)于安全鉆進(jìn)具有重要意義。在鉆井過程中，由于井下情況復(fù)雜，井筒失效時(shí)常發(fā)生。井筒失效一方面影響施工進(jìn)度，另一方面可能導(dǎo)致井眼報(bào)廢，嚴(yán)重的甚至?xí)鹁畤姷戎卮笫鹿?。通過對(duì)井筒進(jìn)行失效分析可以及時(shí)了解井筒狀況，從而采取有效措施防止井筒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生失效破壞，減小鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

1 裸眼段井筒失效分析

裸眼井段一般出現(xiàn)在鉆井作業(yè)的鉆進(jìn)階段。在鉆井中，井筒風(fēng)險(xiǎn)存在的概率（P）大小為：P鉆進(jìn)＞P固井＞P完井。裸眼井筒失效一般表現(xiàn)為井塌和井漏兩種形式，若處理不當(dāng)，會(huì)誘發(fā)井噴等事故。井筒失效，歸根結(jié)底，都是在井壁應(yīng)力及化學(xué)應(yīng)力的共同作用下引起的，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：井孔中流體壓力過高時(shí)，產(chǎn)生張性破壞發(fā)生井漏；地應(yīng)力較高而井筒內(nèi)液柱壓力小于地層坍塌壓力時(shí)，巖石發(fā)生剪切性破壞導(dǎo)致井孔崩落、縮徑，甚至坍塌。

通過調(diào)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(xué)、物理化學(xué)和工程措施三項(xiàng)。

1.1 力學(xué)因素

一般材料在外力作用下會(huì)產(chǎn)生塑性變形，以流動(dòng)方式破壞時(shí)，遵循第三、四強(qiáng)度理論。其中，第四強(qiáng)度理論適用于除壓力容器外的其余塑性材料。第四強(qiáng)度理論又稱為形狀改變比能理論，這一理論認(rèn)為，不論材料在什么應(yīng)力狀態(tài)下，材料發(fā)生屈服的原因是形狀改變比能達(dá)到了某個(gè)極限值。其破壞條件見式（1）。

式中：σ1、σ2、σ3——井眼周圍3 個(gè)方向的主應(yīng)力；

σs——屈服應(yīng)力；

σ——等效應(yīng)力。

當(dāng)σ≥σs時(shí)，井筒失效。

為了探究3 個(gè)主應(yīng)力之間處于何種關(guān)系時(shí)，裸眼井筒易失效，特建立井筒受力模型。以某區(qū)域?yàn)槔涞刭|(zhì)情況已知，地應(yīng)力σ1=50MPa,σ2=(10～50)MPa，井筒內(nèi)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(yīng)力云圖，如圖2 所示。由圖可知，在井壁附近局部區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，表明在此應(yīng)力作用下井筒已失效。

圖2 塑性等效應(yīng)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)壓σ3一定時(shí)，當(dāng)σ1為50MPa、σ2為30、40、50MPa 時(shí)，井眼是穩(wěn)定的；而當(dāng)σ2為20MPa、10MPa 時(shí),會(huì)在井眼周圍出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中，導(dǎo)致井筒失效。即當(dāng)兩個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2越接近時(shí)，裸眼井筒愈穩(wěn)定，即使沒有內(nèi)壓存在，井眼仍會(huì)保持穩(wěn)定。

圖3 SEPL曲線圖

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

（1）鉆進(jìn)坍塌地層時(shí)鉆井液密度低于地層坍塌壓力的當(dāng)量鉆井液密度：一般情況下，易坍塌地層包括：層理裂隙發(fā)育或破碎的各種巖性地層；孔隙壓力異常的泥頁巖；處于強(qiáng)地應(yīng)力作用的地區(qū)；厚度大的泥巖層；生油層；傾角大易發(fā)生井斜的地層等。若地質(zhì)部門設(shè)計(jì)鉆井液密度時(shí)均依據(jù)所鉆遇油氣水層的壓力系數(shù)，而未考慮易坍塌地層可能存在異?？紫秹毫εc地應(yīng)力，其所造成的高地層坍塌壓力對(duì)井壁穩(wěn)定的影響。因此，按照慣例所確定的鉆井液密度在鉆進(jìn)此類地層時(shí)，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(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，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(shí)灌注鉆井液、鉆井液塑性粘度和動(dòng)切力過高，以及起鉆速度過快等均會(huì)產(chǎn)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(dāng)其低于地層坍塌壓力時(shí)就會(huì)發(fā)生井塌。

（3）溢流或井漏導(dǎo)致井筒中液柱壓力低于地層坍塌壓力：鉆井過程中若發(fā)生溢流或井漏，均會(huì)造成井筒中液柱壓力下降。當(dāng)此壓力小于地層坍塌壓力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)井塌。

（4）鉆井液密度過低不能控制地層的塑性變形：當(dāng)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(huì)發(fā)生塑性變形。由于這些地層具有蠕變特性，使井徑縮小，導(dǎo)致起下鉆遇阻卡、卡鉆，嚴(yán)重時(shí)轉(zhuǎn)盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)甚至被卡死。勝利油田就曾發(fā)生過井眼閉合的現(xiàn)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(duì)井壁形成較大的壓差，從而會(huì)有更多的鉆井液濾液進(jìn)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(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致地層坍塌壓力增大。當(dāng)坍塌壓力的當(dāng)量密度超過鉆井液密度，井壁力學(xué)不穩(wěn)定，造成井塌。

1.2 物理化學(xué)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(tài)粘土礦物的類型及含量：地層中非晶態(tài)粘土礦物的類型及含量會(huì)影響陽離子交換容量的大小，因此它們對(duì)地層水化作用亦有較大的影響。

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

（4）地層中層理裂隙發(fā)育程度：地層中存在層理裂隙，當(dāng)與水接觸時(shí)，水就會(huì)沿著這條裂縫進(jìn)入地層深處，使井壁周圍地層中的粘土礦物發(fā)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(wěn)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(duì)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(shí)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(shí)間的增長(zhǎng)而加劇。

1.3 工程措施因素

（1）井內(nèi)激動(dòng)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(fā)生強(qiáng)的抽吸作用，產(chǎn)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(nèi)液柱壓力大幅度降低：鉆井過程中如果發(fā)生溢流、井漏或起鉆沒灌滿鉆井液，均可能使井內(nèi)液柱壓力大幅度下降，造成井壁巖石受力失去平衡而導(dǎo)致井塌。

（3）環(huán)空鉆井液流型：如果鉆井液環(huán)空返速過高，在環(huán)空形成紊流，會(huì)對(duì)井壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖蝕作用。此作用隨環(huán)空返速增大而加劇。當(dāng)鉆進(jìn)破碎性地層或?qū)永砹严栋l(fā)育的地層時(shí)，如果鉆井液的環(huán)空返速過高導(dǎo)致形成紊流，則對(duì)井壁的沖刷力有可能超過被鉆井液浸泡后的巖石強(qiáng)度，這時(shí)就會(huì)造成井壁坍塌。

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

（5）對(duì)井壁過于嚴(yán)重的機(jī)械碰擊：鉆進(jìn)易塌地層時(shí)，如果轉(zhuǎn)速過高、起鉆用轉(zhuǎn)盤卸扣等，由于鉆具劇烈碰擊井壁，會(huì)加速井塌。

根據(jù)工程海域近十年的實(shí)測(cè)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?yàn)樘窖髢纱蟪辈ㄏ到y(tǒng)輻合交匯區(qū)域，綜合南通外海岸略微內(nèi)凹的地形阻擋作用，工程外海區(qū)域潮波呈輻射狀旋轉(zhuǎn)流。在沙洲之間的狹長(zhǎng)海道，水流流向受潮汐影響，呈往復(fù)流狀態(tài)。工程海域潮位特征值見表1。

2 裸眼井筒安全防范對(duì)策

為了保證井筒功能的完整性，需要在鉆前井筒設(shè)計(jì)、鉆井作業(yè)階段采取有針對(duì)性的安全防范措施，以減少、消除危險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)。

2.1 提高井身設(shè)計(jì)質(zhì)量

在設(shè)計(jì)階段，要綜合考慮該井的目的和任務(wù)，盡可能全面地收集所鉆區(qū)的地質(zhì)、氣象、周邊環(huán)境、歷史工程事故等資料，選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

2.2 加強(qiáng)鉆井施工管理

施工質(zhì)量是關(guān)系到一口井能否安全完鉆、平穩(wěn)投產(chǎn)，以及減少事故發(fā)生的關(guān)鍵。

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

（2）提高技術(shù)對(duì)策：例如，建立現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集管理信息系統(tǒng)，應(yīng)用APR 測(cè)試工具、油氣井井噴失控滅火仿真平臺(tái)等。

（3）適應(yīng)環(huán)境條件：含H2S 氣田鉆井作業(yè)時(shí)，必須嚴(yán)格執(zhí)行《含硫氣田安全鉆進(jìn)法》的規(guī)定，采取預(yù)防措施，防止和減輕硫化氫溢出的危害；遇8 級(jí)以上大風(fēng)應(yīng)停止鉆進(jìn)，將鉆具起止安全井段，并做好防卡工作；對(duì)于鉆遇井漏、井涌等特殊情況，又遇到狂風(fēng)暴雨不能作業(yè)時(shí)，以保井為主，臨時(shí)采取措施進(jìn)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(jìn)方法，井筒風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和完整性管理是鉆井風(fēng)險(xiǎn)管理的重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)的井筒完整性管理還僅涉及套管段部分的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、完整性設(shè)計(jì)等，還處于初始階段。因此，應(yīng)加快推行應(yīng)用井筒完整性管理。

3 結(jié)語

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

（2）鉆井施工是一項(xiàng)投資多、風(fēng)險(xiǎn)大、常發(fā)生事故的“隱蔽性”工程。為了保證一口井能夠順利完鉆、穩(wěn)定投產(chǎn)，保證井筒功能的完整性至關(guān)重要。對(duì)于鉆井公司而言，應(yīng)提高井身設(shè)計(jì)質(zhì)量、加強(qiáng)鉆井施工管理、推行井筒完整性管理，提高井筒安全性能。