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1、第六章 钻孔冲洗及护壁堵漏第二 节 钻孔护壁堵漏 钻进复杂地层时，如果措施不当，往往造成不同程度的钻孔坍塌、掉块、漏失、涌水或井喷、孔壁膨胀或缩小等孔内复杂情况，钻进效率低，钻孔质量差，钻进成本高，甚至出现不能继续钻进和造成钻孔报废的严重后果。一、复杂地层及其分类 复杂地层：是指钻进时产生不同程度的钻孔坍塌、掉块、漏失、涌水或井喷、孔壁膨胀或缩小等孔内复杂情况的地层。 工程钻探学课件工程钻探学课件第六章 钻孔冲洗及护壁堵漏第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 复杂地层 不稳定地层 漏失（或涌水）地层 力学不稳定地层 遇水不稳定地层 轻微漏失 中等漏失 严重漏失 工程钻探学课件工程钻探学
2、课件第六章 钻孔冲洗及护壁堵漏第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层 1）力学不稳定地层力学不稳定地层：是指受地质成因或受构造运动影响造成的破碎地层，或受大气、地表水、地下水和生物活动而遭受机械破坏与化学破坏的地层。这类地层一旦被钻穿后，就会破坏其原来的相对稳定或平衡状态，使孔壁在重力作用下产生坍塌、掉块等孔壁失稳现象。 工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层 1）力学不稳定地层属于浅部的力学不稳定地层包括流砂、砂砾松散地层，具体如风化残积层、冲积层和洪积层、流砂层等。这些地层的特征是：胶结差或不胶结、松散、孔隙度大、稳定
3、性差、透水性强、钻进时不仅孔壁易坍塌，而且还伴随着冲洗液漏失或涌水。最不稳定的流砂层，极易坍塌，甚至无法形成钻孔。力学不稳定地层浅部的力学不稳定地层深部的力学不稳定地层工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层 1）力学不稳定地层力学不稳定地层浅部的力学不稳定地层深部的力学不稳定地层深部的力学不稳定地层主要有破碎地层和裂隙地层，具体如断层破碎带和交叉断裂裂隙形成的硬脆碎地层。这些地层的特征是：被破碎成颗粒或被切割成大小不等的块体，颗粒或块体间无连结、空隙大、透水性强、稳定性差。钻进时孔壁坍塌、钻孔超径，同时常出现冲洗液的漏失。工程钻探学课件工程钻探
4、学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层 2）遇水不稳定地层遇水不稳定地层：钻进中遇到这类地层是指孔壁与冲洗液接触，因而产生松散、溶胀、剥落、溶蚀等孔壁失去稳定性的地层，故亦称水敏性地层。钻进中遇到这类地层时，常出现钻孔缩径、超径、孔壁剥落、崩塌等孔壁失稳问题。工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层 2）遇水不稳定地层遇水不稳定地层遇水松散地层遇水溶胀地层遇水剥落地层遇水溶解地层工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层 2）遇水不稳定地层（1）遇水松散地层。这类地层由于受
5、风化或蚀变的影响，岩层遇水后经浸泡，产生松散性破碎，表现为掉块、塌孔、孔内渣子多等。这类岩层如风化黄铁矿、风化大理岩、风化花岗岩、风化泥质砂岩等。工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层 2）遇水不稳定地层（2）遇水溶胀地层。这类地层遇水后，颗粒或分子间的联结力降低，岩层吸水后体积膨胀，甚至进而以胶体或悬浮状态分散在水中形成悬浮体。这类岩层有粘土、泥岩、软页岩、绿泥石等。钻进这类岩层时，产生因溶胀而缩径，因分散成悬浮体而超径。工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层 2）遇水不稳定地层（3）遇水剥落
6、地层。这类地层由于其结构的不均匀性，如层理、节理、片理的存在，以及其充填物和胶结物的水敏性，遇水后往往产生片状剥落或块状剥落。如硬页岩、片岩、千枚岩、滑石化高岭石化板岩、硬煤层等。工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 1、不稳定地层 2）遇水不稳定地层（4）遇水溶解地层。这类地层与水接触后便溶解于水中，由于溶解的结果，使孔壁出现超径。属于这类地层的有：岩盐、钾盐、石膏、芒硝及天然碱等。工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 一、复杂地层及其分类 2、漏失地层 根据漏失的严重程度可分为： （1)轻微漏失：冲洗液仍能保持循环，但孔内返回的水量小于送入
7、的水量，水源箱中的冲洗液不断减少。（2）中等漏失：有时孔内有一定的水位，但孔口不返水，说明漏失地段在孔壁；有时突然涌失，孔内没有水位，说明是孔底漏失。（3）严重漏失：冲洗液全部漏失，钻孔没有水位，或呈深水位。这是遇到了裂隙、断层、破碎带或喀斯特溶洞、地下河等地层工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断 为了有效地处理钻孔中出现的复杂情况，必须对可能发生的孔内复杂情况复杂地层的深度、厚度、孔径变化；漏失层的深度、厚度、漏失量等了解清楚。这样才能正确地采取预防措施，有效地处理孔内复杂情况。对复杂地层的分析判断包括两个方面。即：在钻进过程中的分析判断和用专门的
8、装置或仪器对复杂层位进行测定。工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断 1）根据岩层结构情况判断漏失层位和坍塌孔段坍塌地层一般完整性和胶结力较差，钻进时孔内渣子多，往往采不上岩心。在冲洗液冲刷和钻具的碰撞敲击之下，易产生掉块和坍塌。从岩心的组织结构上观察是否有裂缝、节理或溶洞等可判断出孔内漏失的层位。1、在钻进过程中的分析判断工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断 2）根据钻速情况判断复杂层位当钻进中遇到破碎带、大裂缝和溶洞时，不但会产生漏失现象，而且钻进速度都有变快的趋势。从钻速突然加快上可以判断出是遇到了破碎
9、带或溶洞发育孔段。1、在钻进过程中的分析判断工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断 3）根据泥浆性能变化判断复杂层若遇到泥浆性能变坏，如相对密度增大，粘度升高，含砂量增加等，则可能是发生了孔壁坍塌现象。若遇到泥浆相对密度和粘度下降，失水量大增，则可能遇到了涌水地层。若发现泥浆中有大量气泡或充气现象，则可能是钻到了含气地层。1、在钻进过程中的分析判断工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断 4）根据水泵压力表的变化判断漏失层正常钻进时，水泵压力表变化不大，压力一般只是随孔深而增加。一旦发生水泵压力突然变化，压力表指
10、针迅速返回，则可能是遇到了漏失层。相反若压力突然升高，则可能遇到了坍塌层，因坍塌物堵塞循环通道而迫使水泵压力突然升高，甚至产生蹩泵现象。1、在钻进过程中的分析判断工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 二、孔内复杂情况的分析与判断 (a)漏失层为非含水层；(b)含水漏失层的水位高于漏失层；(c)含水漏失层的水位在漏失层之间。1、在钻进过程中的分析判断5）根据孔内稳定水位判断漏失层孔内稳定水位在起钻后、下钻前用测钟或水位计测量。当发现漏失层时，则视漏失层含水与否。工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析Pw=9.8110-3
11、H静液柱压力液体的密度H 垂直高度 孔壁失稳机理：1) 造成孔壁失稳的岩层性质及赋存条件，即复杂地层的成因类型及性质；2）孔壁周围岩石受的压力钻孔后，孔壁周围的岩石承受以下的压力。静液柱压力工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：2）孔壁周围岩石受的压力静液柱压力液体密度愈大，垂直高度愈大即孔深愈大，则液柱压力愈大。常把每单位高度（或深度）增加的压力值，叫做压力梯度，用GW表示，即：静液柱压力液体的密度H 垂直高度 工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析孔壁失稳机
12、理： 2）孔壁周围岩石受的压力上覆岩层压力它是指某深处在该岩层以上的岩层和孔隙中流体（油、气、水）的总重量造成的压力。其大小随岩石和流体重量的增加而增加，随孔深的增加而增加。 通常假设上覆岩层压力是随深度均匀增加的。对于沉积岩一般采用上覆岩层压力梯度的理论值为G0=0.0231 MPa/m工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理： 2）孔壁周围岩石受的压力 地层压力它是指作用在岩石孔隙内流体上的压力，故也叫地层孔隙压力。在各种沉积中，正常地层压力（pp）等于从地表到地下该地层处的静液柱压力。即：pp=9.81X10-3H 岩
13、石空隙中流体的密度；H地层厚度正常地层压力梯度为0. 0107MPa/m。高于静液柱压力的地层压力称为异常高压。低于静液柱压力的地层压力称为异常低压。异常高压地 层钻井时往往发生井喷，而异常低压地层则往往发生压漏地层。 工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：3）孔壁周围岩石内的应力在岩体中钻孔后，钻孔周围原岩应力的平衡状态受到破坏。根据弹性力学原理，对于各向同性的岩体中的直孔，钻孔周围岩层的应力状态超过岩石的抗张强度或抗压强度时，便造成孔璧破坏。工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原
14、理 1、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：4）影响孔壁失稳的钻井技术因素冲洗液对岩层的水化作用通常是指那些在钻进中易发生坍塌、剥落、膨胀等复杂情况的泥页岩。冲洗液对岩层的水化作用A 表面水化：研究指出，页岩粘土矿物表面水化时，可以吸附多至4个水分子层的水，层间距离可增大，这就会引起明显的膨胀和软化。工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理： 4）影响孔壁失稳的钻井技术因素A 表面水化：冲洗液对岩层的水化作用页岩在沉积成岩时，在受上覆岩层的压力而压实过程中，原来吸附的水 被挤出。挤出最后一层水分子，约需200MPa以上的压力。挤干的
15、页岩表面再与水接触时，便以很大的吸附能量来吸附水，此能量称为水化能。页岩释放能量而吸水，造成水化膨胀。因此，页岩表面水化力的大小与上覆岩层的压力有关。地质年代愈久，页岩埋藏愈深，上覆岩层压力愈大，页岩中被挤出的水分愈多，则再次与水接触时，吸附外来水分的能量就愈大，即表面水化力就愈大。 工程钻探学课件工程钻探学课件第二 节 钻孔护壁堵漏 三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理： 4）影响孔壁失稳的钻井技术因素B 渗透水化 ：渗透水化是由渗透压力的存在而产生的。渗透压力是在半渗透膜存在条件下，由于体系中的不同部分存在着离子浓度差而产生的。 冲洗液对岩层的水化作用工程钻探学课件工
16、程钻探学课件B 渗透水化 ：页岩与冲洗液接触时，页岩表面好像一个半渗透膜，当岩层水和冲洗液之间存在含盐浓度差时，就会产生渗透水化。渗透的方向是低离子浓度溶液的水分子向高离子浓度溶液中迁移。当用淡水泥浆作冲洗液时，页岩中水的离子浓度高，泥浆中的水转移到页岩中去，从而造成页岩的水化膨胀。反之，用高矿化泥浆作冲洗液时，页岩中的水被吸出，造成页岩的去水化。页岩因去水化又会导至页岩开裂而造成孔壁失稳。因此，必须保持页岩中液体的离子浓度与冲洗掖的离子浓度平衡，才会有利于孔壁的稳定。冲洗液对岩层的水化作用工程钻探学课件工程钻探学课件三、钻孔护壁堵漏的基本原理 1、孔壁失稳的分析孔壁失稳机理：4）影响孔壁失稳的钻井技术因素冲洗液对岩层的直接冲刷，使孔壁岩层破坏并导至孔壁失稳的程度，取决于冲洗液循环时在环空中的流速和流态。环空中上返速度大，易形成紊流，对孔壁的冲刷作用便大，不利于孔壁稳定。而流速较小的层流，对孔壁的冲刷作用小，有利于孔壁稳定。冲洗液对孔壁岩层的直
