鉆井液設(shè)計配比在大口徑鉆井施工中的應(yīng)用

陳鑫發(fā)，陳青山，陳瑩，程存平

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州 450053； 2.河北省地礦局地質(zhì)測繪院，河北 廊坊 065000)

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鉆井液設(shè)計配比在大口徑鉆井施工中的應(yīng)用

陳鑫發(fā)1，陳青山2，陳瑩1，程存平1

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州 450053； 2.河北省地礦局地質(zhì)測繪院，河北 廊坊 065000)

采用大口徑石油鉆井和小口徑繩索取心“二合一”鉆探新技術(shù)，在沉積地層中采用直徑為89 mm的繩索取心鉆桿成功完成了大口徑深部鉆探和取心，取得了較好成效，為沉積地層大口徑深部鉆探取心工程提供了示范。巖心鉆探在變質(zhì)巖、巖漿巖地層中通常采用小環(huán)空間隙金剛石繩索取心鉆進(jìn)方法。而水文地質(zhì)、地?zé)?、石油等鉆探采用大口徑實現(xiàn)快速鉆井，采用大泵量、高壓力、適當(dāng)?shù)沫h(huán)空間隙，通過巖石的體積破碎和較高的上返速度來避免巖屑的重復(fù)破碎、保持井底干凈，以達(dá)到高效率的鉆井取心。因此鉆井液的合理配比與使用尤為重要。

大口徑；繩索取心；鉆進(jìn)；鉆井液；配比

1 工程概況

河南省葉舞凹陷鹽礦普查位于河南省葉縣李莊村西北，項目編號：GTZY2011-002 ZK3鉆孔(設(shè)計孔深2630 m，實際孔深2386 m，2000 m以深取心)，是我院2011年完成的一口采用大口徑石油鉆井和小口徑繩索取心“二合一”鉆探新技術(shù)方法，在沉積凹陷盆地層中采用直徑為89 mm的繩索取心鉆桿成功試驗完成了大口徑深部鉆探和取心鉆進(jìn)，探索出一種高效、低耗的深部快速鉆探技術(shù)方法，取得了較好成效。根據(jù)傳統(tǒng)的巖心鉆探通常采用小環(huán)空間隙(2～3 mm)金剛石繩索取心鉆進(jìn)的優(yōu)點，我們選配了較為合理的鉆機(jī)施工設(shè)備、繩索取心鉆桿、取心鉆具、全面鉆進(jìn)鉆頭及取心鉆頭、固相控制設(shè)備。同時，更加重要的是如何在鉆井施工過程中調(diào)配實用的鉆井液，把沒有經(jīng)過完全破碎巖屑快速返回孔外尤為重要，為項目順利完成起決定性作用。

2 固相控制設(shè)備的選配

鉆探取心階段固相含量控制尤為重要，鉆具與井壁間隙較小，固相含量過多，易造成卡鉆、磨損鉆具、泥漿泵缸套及其他易損件；此外，還影響泥漿失水造壁性，泥皮交結(jié)質(zhì)量變差，顆粒之間孔隙增大，失水量加大。固相控制采用三級固相控制：振動篩、旋流除砂器以及離心機(jī)，如圖1所示。

圖1 固相控制設(shè)備

3 鉆井液(泥漿)的合理配比方式

3.1 全面鉆進(jìn)時鉆井液配方

基本配方：水+膨潤土+燒堿+CMC；性能參數(shù)：密度1130～1160 kg/m3；黏度25～35 s；濾失量<15 mL/30 min；pH值8～10；泥餅厚度2 mm。

3.2 取心鉆進(jìn)時鉆井液配方

基本配方：水+CMC+燒堿+NaCl+聚丙烯酰胺+水解聚丙烯腈鉀鹽(飽和鹽水鉆井液)；性能參數(shù)：密度1130～1160 kg/m3；黏度23～25 s；濾失量<10 mL/30 min；pH值8～10。

目前，國內(nèi)外繩索取心鉆進(jìn)常用的泥漿體系主要有三種：①無固相泥漿(鉆進(jìn)完整地層時)；②不分散低固相泥漿(鉆進(jìn)破碎地層時)；③具有特殊性能的泥漿(鉆進(jìn)松軟、破碎、膨脹、裂隙等復(fù)雜地層時)。隨著繩索取心鉆探工作量的不斷增加，以及繩索取心鉆探深度的逐漸加深，鉆探過程的泥漿鉆井液也逐漸得到優(yōu)化，并在實際應(yīng)用中取得了較好的應(yīng)用效果，目前應(yīng)用效果較好的泥漿體系主要包括以下幾種：LBM泥漿體系、PAM泥漿、CL植物膠復(fù)合無固相沖洗液、低固相油基泥漿、低溫耐寒泥漿。

3.3 鉆井液設(shè)計內(nèi)容及方法

較全面的鉆井液設(shè)計內(nèi)容主要是：鉆井液的重度(或密度)、流變性、降失水性、膠體率、許可含砂量、固相含量、pH值、潤滑性、滲透率、泥皮質(zhì)量等；選擇造漿黏土和處理劑；進(jìn)行鉆井液處理劑配方設(shè)計；計算鉆井液材料用量；確定鉆井液的制備方法；擬定鉆井液循環(huán)、凈化、管理措施。一般情況下，按照以下基本設(shè)計程序進(jìn)行泥漿的全面設(shè)計。

(1)按平衡地層壓力的要求計算泥漿的密度ρ：

(1)

或：

(2)

式中：Pc—井深h處的地層側(cè)壓力；

P0—井深h處的地層孔隙流體壓力；

g—重力加速度；

h—井深。

由于該井為固體礦產(chǎn)，非油氣井，目的層為固體礦產(chǎn)，密度設(shè)計時無需考慮地層流體壓力，泥漿密度控制在1.05～1.10 g/cm3即可。

(2)考慮懸排鉆渣、護(hù)壁堵漏的要求確定泥漿的流變性。流變性的指標(biāo)主要是黏度η和切力τ，黏度和切力的調(diào)整范圍很寬，η的范圍在10～100 mPa·s，τ的范圍在0～20 MPa，應(yīng)視不同鉆進(jìn)情況具體確定。

(3)鉆井液的其他設(shè)計指標(biāo)的參考范圍：濾失量一般應(yīng)不大于15 mL/30 min，含沙量不大于8%，pH在6～11之間變化，潤滑系數(shù)必要時應(yīng)控制在0.02～0.50。

各種鉆進(jìn)情況下的鉆進(jìn)目的、地層特、鉆井工藝方法等差異甚大，因而對鉆井液性能等有明顯不同的要求，設(shè)計重點也因此而不同。在鉆渣粗大及井壁松散的地層中，鉆井液的黏度和切力等流變性指標(biāo)成為設(shè)計重點；在穩(wěn)定的堅硬巖中鉆進(jìn)，鉆井液設(shè)計的重點是針對鉆頭的冷卻和鉆具的潤滑，而此時護(hù)壁和排粉等則處于次要位置。又如在遇水膨脹塌孔的地層中鉆進(jìn)，鉆井液的設(shè)計重點則應(yīng)放在降失水護(hù)壁上；在對壓力敏感的地層中，鉆井液的重度設(shè)計又顯得尤為重要。因此，針對特定的鉆進(jìn)情況，在全面設(shè)計中找出相應(yīng)的設(shè)計要點，是做好泥漿設(shè)計的關(guān)鍵所在。

4 鉆孔鉆井液設(shè)計原則

該鉆孔為典型的沉積地層，地層特點為松軟、膠結(jié)性差、井壁易垮塌、水敏性地層。具體巖性見表1。

表1 試驗孔(葉舞凹陷鹽礦)區(qū)域地層巖性

據(jù)表1地層巖性特征，對于鉆井液體系設(shè)計而言，1317.00 m是一個重要的地層分界線，因為1317.00 m以上以大段泥頁巖為主，未出現(xiàn)鹽膏質(zhì)地層，可以使用淡水防塌鉆井液體系，低固相且失水造壁性好；然而自1317.00 m以下開始出現(xiàn)大段鹽膏質(zhì)泥巖地層，需要將淡水鉆井液在進(jìn)入此井段之前轉(zhuǎn)換為飽和鹽水鉆井液體系，防止巖鹽在低礦化度淡水鉆井液中發(fā)生溶解，導(dǎo)致井壁垮塌。因此，據(jù)地層信息，鉆井液設(shè)計中把握以下四個原則：

(1)全面鉆進(jìn)階段是以泥頁巖為主的水敏性地層，盡可能減少泥漿濾液滲入地層，防止井壁垮塌，要求低失水量；巖屑易分散、易造漿，防止巖屑分散造漿，需要稀釋劑控制黏度、固相含量。

(2)與常規(guī)固體礦產(chǎn)鉆探相比，取心段為石鹽礦，為了防止石鹽溶解垮塌，需要配置聚合物飽和鹽水鉆井液體系。與常規(guī)的淡水鉆井液相比，鹽水會破壞外加劑結(jié)構(gòu)，使其喪失外加劑具體功能，鉆井液體系遭到破壞，造成鉆井液性能不穩(wěn)定，鉆井液的維護(hù)難度較大。24小時進(jìn)行1～2次鉆井液全套性能測試，相應(yīng)補(bǔ)充外加劑，維持鉆井液性能穩(wěn)定，保證孔內(nèi)安全。

(3)孔深2630 m(地溫梯度3℃/100 m)，所篩選的鉆井液外加劑還需耐高溫。

(4)攜巖、排渣效率(宏觀方面：確定泵量、上返速度；微觀方面：調(diào)整鉆井液動切力、塑性黏度，提高其攜巖能力，保持井底、孔內(nèi)清潔),防止埋鉆。

5 鉆井液性能要求與配方

5.1 松散覆蓋地層鉆井液

0～491.2 m地層主要為：第四系更新統(tǒng)平原組(Qp)，主要由黃、黃褐、灰褐色亞黏土及砂質(zhì)黏土、棕紅色黏土、礫石層組成。該類地層屬于機(jī)械分散地層。由于顆粒之間缺乏膠結(jié)，鉆進(jìn)時井壁很容易坍塌。對于該類地層用泥漿護(hù)壁，解決問題的關(guān)鍵是增加井壁顆粒之間的膠結(jié)力。黏性較大的泥漿適當(dāng)滲入井壁地層中，可以明顯增強(qiáng)砂、礫之間的膠結(jié)力，以此使井壁的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

提高泥漿黏度，主要通過使用高分散度泥漿(細(xì)分散泥漿)，增加泥漿中的黏土含量、加入有機(jī)或無機(jī)增黏劑等措施來實現(xiàn)。細(xì)分散泥漿是含鹽量小于1%，含鈣量小于120 mg/L，不含抑制性高聚物的分散型泥漿。其組成除黏土、碳酸鈉和水外，為了滿足鉆井需要，往往加有提黏劑、降失水劑和防絮凝劑(稀釋劑)。細(xì)分散泥漿在砂、礫層中鉆進(jìn)的成功工程很多，該孔一開井段可以選用常規(guī)膨潤土配方，性能要求見表2。

表2 膨潤土泥漿性能指標(biāo)要求

根據(jù)表2膨潤土泥漿性能指標(biāo)要求進(jìn)行現(xiàn)場小樣試驗，需要的外加劑。配方：8‰CMC+1.75‰NaOH+2‰Na2CO3+2.5%黏土。

5.2 泥頁巖鉆井液

491.2～2000.0 m地層主要由棕紅、褐、灰、灰白色泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂巖組成，下部可見白云質(zhì)泥巖夾有暗色巖屑。

在黏土、泥巖中鉆進(jìn)，突出問題之一是鉆井井壁的遇水膨脹、縮徑，甚至流散、垮孔。其原因是黏土、泥頁巖中存在著大量的黏土礦物，尤其是蒙脫石黏土礦物的存在，使井壁黏土接觸到鉆井液中的水時，即發(fā)生黏土的吸水、膨脹、分散。這樣的地層稱之為水敏性地層。顯然，對于水敏性地層，應(yīng)盡量減少鉆井液對地層的滲水，也就是降低泥漿的失水量以及增強(qiáng)井壁巖土的抗水敏性，抑制分散是最為關(guān)鍵的問題。水敏性地層配漿時的幾個要點：

(1)選優(yōu)質(zhì)土。由于水化效果好，黏土顆粒吸附了較厚的水化膜，泥漿體系中的自由水量大大減少，所以優(yōu)質(zhì)土泥漿的失水量遠(yuǎn)低于劣質(zhì)土的。

(2)采取“粗分散”方法。使黏土顆粒適度絮凝，而非高度分散，從而使井壁巖土的分散性減弱，保持一定的穩(wěn)定性。

(3)添加降失水劑。Na-CMC、PAM等降失水劑通過增加水化膜厚度、增大滲透阻力、起井壁網(wǎng)架隔膜作用等，可使失水量明顯減少。

(4)調(diào)整泥漿比重，平衡地層壓力。井眼中液體壓力與地層的基液，其黏度越高，向地層中滲濾的速率就愈低。井眼中液體壓力與地層中流體的壓力差是泥漿失水的動力，盡可能減少壓力差，維持平衡鉆進(jìn)是降失水的有效措施。

(5)利用特殊離子對地層的“鈍化”作用。一些特殊離子的嵌合作用可以加強(qiáng)黏土顆粒之間的結(jié)合力，從而使井壁穩(wěn)定性提高，利用大分子鏈網(wǎng)在井壁上的隔膜作用。泥漿中的大分子物質(zhì)相互橋接，濾余后附著在井壁上形成阻礙自由水繼續(xù)向地層滲漏的隔膜，利用微顆粒的堵塞作用，在泥漿中添加與地層孔隙尺寸相配伍的微小顆粒，可以堵塞滲透通道，降低泥漿的失水量。

(6)活度平衡。調(diào)整泥漿中電解質(zhì)的類型與含量，使之與地層物質(zhì)相平衡，從而減少或消除井內(nèi)泥漿的失水量。

鉆井液以防止井壁坍塌為主，故選用耐高溫甲基抑制性鉆井液體系，其主要特點為：①對水敏性泥巖、頁巖具有較好的防塌效果；②抑制泥頁巖能力較強(qiáng)；③鉆井液細(xì)顆粒含量比較低，對油層的黏土礦物起穩(wěn)定作用；④分散型鉀基鉆井液有較高的固相容度限。固相控制設(shè)備嚴(yán)格控制固相含量。

5.3 巖鹽水溶地層鉆井液

2000.0～2630.0 m為取心井段，目的層為鹽膏層，該類地層屬于溶蝕性地層或水溶性地層，它遇到鉆井液中的水，就會發(fā)生溶解，使鉆井井壁溶蝕掉，其結(jié)果導(dǎo)致井眼超徑、垮塌。對付水溶性地層，主要從兩方面入手解決：一是降失水，其原理和方法前面已經(jīng)介紹過；二是：降低鉆井液對地層的溶蝕性。在鉆井液中加入與地層被溶物相同的物質(zhì)，使溶解度趨于飽和，就是常用的治理溶蝕的方法。例如在巖鹽中鉆進(jìn)，采用鹽水鉆井液作為鉆井液，防塌效果很好。

鹽水鉆井液是黏土懸浮液中氯化鈉含量大于1%，或用咸水(海水)配制的鉆井液，它是靠氯化鈉的含量較大而促使黏土顆粒適度聚結(jié)并利用有機(jī)保護(hù)膠維持此適度聚結(jié)的穩(wěn)定粗分散鉆井液體系。依含鹽量的高低，分為鹽水鉆井液(一般含鹽量3%～7%)、海水鉆井液(總礦化度一般為3.3%～3.7%)和飽和鹽水鉆井液，氯化鈉約為33%～36%。根據(jù)以上分析，該孔決定配置飽和鹽水鉆井液，防止鹽膏層溶解。常用鹽水鉆井液性能要求見表3。

表3 鹽水鉆井液性能指標(biāo)

鹽水鉆井液的配制有兩種情況：其一是先用淡水制備分散性鉆井液，然后加鹽轉(zhuǎn)化為鹽水鉆井液；其二是：直接用咸水或海水配制鉆井液。前一種情況相當(dāng)于鹽侵后鉆井液的處理，容易配置；后一種情況，由于膨潤土和普通黏土在鹽水中不易分散，固配漿困難。為此，對于用鹽水或海水直接配漿，宜用抗鹽黏土，如凹凸棒土、海泡土等。當(dāng)氯化鈉含量小于1%時，泥漿黏度、切力和濾失量的變化不大，屬淡水鉆井液的范圍，然而當(dāng)鉆井液中氯化鈉含量大于1%時，鉆井液的黏度、切力以及濾失量隨著含鹽量的增大而迅速上升，當(dāng)含鹽量達(dá)到某一值時，鉆井液黏度、切力達(dá)到最大值，當(dāng)氯化鈉超過某一值時，黏度和切力隨含鹽量的增加而下降，濾失量則繼續(xù)增大，pH隨含鹽量的增加而逐漸下降。

現(xiàn)場配置時還需要對泥漿小樣進(jìn)行加熱，加熱后再次測試其性能，判定泥漿外加劑的耐高溫性能。

鈣、鹽侵前鉆井液6速黏度：6，10，14，19，24，38(黏度的上升是鈣侵作用的結(jié)果，固井完畢后，鉆井液黏度顯著上升)；鈣、鹽侵后鉆井液6速黏度：1，1.5，3，6，8，15(黏度的下降則主要是有鹽侵造成，出現(xiàn)了大量氣泡)。

6 結(jié)論

通過在深部沉積地層大口徑繩索取心技術(shù)中鉆井液配比與試用，在鉆探工程方面主要取得了以下成果：

(1)通過鉆井液不同階段鉆進(jìn)中配比試用，分析了就提高鉆井效率問題及影響鉆速的與鉆井液之間的因果關(guān)系；

(2)針對不同地層和現(xiàn)場試驗，對沉積復(fù)雜地層鉆井液進(jìn)行了研究和配制，并且取得了較好成效；

(3)通過采用適用泥漿鉆井液，不斷提高完善鉆井液合理配比，來得高的上返速度，從而避免了巖屑的重復(fù)破碎，其鉆探效率可提高40.35%～247%；

(4)鉆效與泥漿鉆井液(鉆井液上返速度)和鉆孔直徑密切相關(guān)，采用適用鉆井液可以大大提高鉆探效率。

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2017-01-16

陳鑫發(fā)(1971-) 男，河南鄭州人，高級工程師，主要從事機(jī)具選型與配套、野外地質(zhì)探礦勘查與管理工作鉆探工程機(jī)械工作，鄭州市南陽路56號河南地礦大廈403室，Tel：0371-86018017，E-mail:cxf197111@sohu.com。

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