磺化瀝青鉆井液在貴州地?zé)峥碧骄械膽?yīng)用

李 勇，陳 怡，王 虎，吳曉蘭

(貴州省地質(zhì)工程勘察院，貴州貴陽550008)

0 引言

在地?zé)峋@進施工中，常常遇到孔內(nèi)垮塌、掉塊、縮徑等復(fù)雜的構(gòu)造破碎地層和厚薄不均的泥頁巖層或夾層，在鉆井液的沖洗破壞下，很容易造成孔壁垮塌和縮徑，引發(fā)憋鉆甚至鉆桿折斷和卡鉆等孔內(nèi)事故。特別是在貴州巖溶裂隙發(fā)育、以碳酸鹽巖為主的復(fù)雜地層中，孔內(nèi)事故頻發(fā)、處理難度頗高，嚴重影響了生產(chǎn)效率和施工進度。因此，增強孔壁的穩(wěn)定性，處理好復(fù)雜地層鉆孔的防塌護壁，減少孔內(nèi)事故是鉆進生產(chǎn)的重點工作。筆者在貴州省銅仁市西部地區(qū)地?zé)崴Y源整裝勘查沿河勘查區(qū)塊地?zé)峥碧娇?ZK2)地?zé)徙@井的施工中，使用了磺化瀝青泥漿，有效防止了孔壁垮塌和縮徑，提升了安全生產(chǎn)質(zhì)量，取得了良好的經(jīng)濟效益。

1 磺化瀝青及其護壁防塌機理

1．1 磺化瀝青簡介

制備磺化瀝青的原料瀝青是由一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高分子碳氫化合物及其非金屬(硫、氮、氧等)衍生物組成的混合物。瀝青主要由瀝青質(zhì)、樹脂、蠟、油等化學(xué)組分構(gòu)成，其中膠質(zhì)成分能溶于油溶液，但瀝青質(zhì)只能分散于油溶劑中。根據(jù)來源的不同，瀝青的性質(zhì)有很大差別。瀝青成分中的瀝青質(zhì)和樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)中包含有大量稠環(huán)芳烴類化合物以及雜環(huán)化合物，這些環(huán)上的一個氫原子比較容易被磺酸基(－SO3H)取代，從而生成磺酸化合物。這一化學(xué)過程叫做磺化作用，被磺化的瀝青即被稱作磺化瀝青。

磺酸基團具有極強的親水性。瀝青經(jīng)磺化后，由于其高分子鏈上增加了親水基團，瀝青的水溶性會得到一定程度提高?；腔潭仍礁撸瑸r青的親水性越強。當瀝青的磺化度達到一定的程度，磺化瀝青會變成水溶性物質(zhì)。

磺化瀝青中的堿金屬鹽和堿土金屬鹽均能溶于水，因此其具有較強的抗鈣、抗鹽能力?；腔癁r青是一種陰離子型的高聚物，其水溶性成分為帶陰離子基的大分子，而粘土邊緣一般帶有正電荷，因此當磺化瀝青中的水溶性大分子在吸附到粘土邊緣上時，可阻止粘土顆粒的分散;當其吸附在泥、頁巖地層井壁的微小縫隙上時，可有效阻止水滲入巖層，從而減少剝蝕掉塊?；腔癁r青中不溶于水的部分則能提供適當大小的顆粒，這些顆粒可以幫助造壁，改進泥餅的質(zhì)量。不溶于水的物質(zhì)覆蓋在泥、頁巖地層井壁的表面，還可以起到抑制泥、頁巖分散的作用。

用磺化瀝青處理鉆井液，可使其泥餅變薄，可壓縮性增大，濾失量也會隨之下降。同時磺化瀝青還可以增加泥餅的潤滑性，降低鉆具的阻力和扭力，延長鉆頭的使用壽命，還有防卡和解卡的作用。另外，磺化瀝青還具有較好的抗高溫性能，可在高溫條件下維持較低的切力和較低的濾失量。

1．2 磺化瀝青鉆井液的護壁防塌機理

在破碎地層和較厚的泥頁巖層中，巖石膠結(jié)性較差而呈分散狀態(tài)。鉆穿該類巖層后，巖石原有的相對平衡被破壞而形成新的自由面。由于鉆井液中的自由水進入巖層內(nèi)部巖石之間的小裂縫內(nèi)，促使泥頁巖或者破碎巖層水化膨脹，破壞孔壁的穩(wěn)定性，加上鉆穿地層后孔內(nèi)壓差的作用，極易造成孔壁垮塌，引起鉆井事故。

磺化瀝青加入泥漿后，分以下幾步起到護壁防塌的作用:首先，瀝青磺酸鹽在泥漿中電離成帶負電荷的離子團，而巖石破碎后其斷鍵上帶有正電荷，由于靜電效應(yīng)帶有負電荷的瀝青磺酸粒子會向破碎巖石斷鍵邊緣移動，正負電荷中和后緊緊地吸附在一起;其次，帶負電的磺酸基團被吸附到巖石表面斷鍵后，憎水基團露在外面朝向巖石裂隙，阻止了水分子向孔壁滲透的趨勢;再次，當電荷作用達到平衡，無限多的瀝青磺酸基團聚集并且朝向巖石裂隙，阻斷了自由水分子向裂隙滲透的通道;最后，由于孔內(nèi)壓差和孔壁固有的滲透性，泥漿失水后形成的粘土顆粒、吸附有瀝青磺酸基團的粘土顆粒、磺化瀝青顆粒等一起緊密的附著在孔壁上形成一層致密、薄而韌的泥餅，這種泥餅?zāi)芨綦x自由水與孔壁之間的聯(lián)系，從而達到降失水的目的。

2 ZK2井地質(zhì)情況

貴州省銅仁市西部地區(qū)地?zé)崴Y源整裝勘查沿河勘查區(qū)塊地?zé)峥碧娇?ZK2)地?zé)徙@井位于貴州省銅仁地區(qū)沿河縣和平鎮(zhèn)黃柏石村，鉆井施工段地層斷層、裂隙、溶隙、溶洞發(fā)育，巖性以灰?guī)r白云巖為主，其中夾有中—厚層泥頁巖、粉砂質(zhì)泥巖，屬于易垮塌地層。鉆井采用常規(guī)牙輪鉆正循環(huán)鉆井工藝，井身結(jié)構(gòu)見表1。

表1 ZK2井井身結(jié)構(gòu)

2．1 地質(zhì)構(gòu)造

勘查區(qū)區(qū)域上處于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱鳳岡北北東向構(gòu)造變形區(qū)北東部，八面山褶皺帶上。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育燕山期形成的近北北東向構(gòu)造，斷裂及次級褶皺非常發(fā)育。主要褶皺有沿河背斜，斷裂有鐘南樞紐斷層(F1)、沿河樞紐斷層(F2)、淇灘斷層(F3)及其它次級斷裂。

2．1．1 褶皺

沿河背斜:發(fā)育遍布于整個勘查區(qū)，由于被沿河樞紐斷裂破壞，僅在烏江兩岸能見其軸跡，巖層產(chǎn)狀較緩，有多期變形。

2．1．2 斷裂

(1)鐘南樞紐斷裂(F1):正斷層。表現(xiàn)有多期活動，斷層具S形彎曲，沿斷層常有串珠狀落水洞分布，延伸長達40 km以上。

(2)沿河樞紐斷層(F2):正斷層。在碎屑巖區(qū)產(chǎn)狀緩，有分支復(fù)合現(xiàn)象，由O1m、O2sh、O2b組成兩盤及斷夾塊，巖層產(chǎn)狀緩，斷距約300～800 m，延伸長度百余千米，具晚近期活動性質(zhì)。

(3)淇灘斷層(F3):逆斷層。位于沿河至淇灘一線沿河背斜南東翼，兩端延伸出較長，斷距100余米，上下盤巖層中普遍發(fā)育平行分布的次級褶皺，且有彎曲現(xiàn)象，反映變形的多期性。

2．2 地層巖性

ZK2井井深1051.60 m，鉆井揭露地層巖性及厚度見表2。

從表2可以看出，從龍馬溪群(S1lx)到紅花園組(O1h)共664 m的地層均含泥、頁巖和泥質(zhì)巖的巖層或夾層。該類巖層均為水敏性較高的地層，在鉆井過程中容易發(fā)生縮徑、掉塊、坍塌、泥包等鉆井事故。

3 鉆井液使用情況

3．1 初始泥漿使用情況

鉆井初期使用鉆井液(初始鉆井液)配方為:7%土漿+0.15‰純堿+0.1‰PHP+5‰植物膠+5‰HV－CMC。

表2 ZK2井揭露地層巖性及厚度

但初始鉆井液的失水量偏大，泥皮厚度也偏大。從現(xiàn)場使用效果看，在使用此泥漿期間，井壁失穩(wěn)嚴重，鉆井縮徑、掉塊、垮塌事故頻發(fā)，并且部分地段出現(xiàn)地層造漿情況，一天只能鉆進20 m左右，鉆進效率及鉆井效益極其低下。

3．2 磺化瀝青在鉆井液中的使用

為了保證井壁穩(wěn)定，提高鉆進效率和鉆井效益，必須對初始鉆井液進行調(diào)整，降低鉆井液的失水量和泥餅厚度，改善泥餅質(zhì)量，提高鉆井液的抑制性。為了達到上述目的，現(xiàn)場配置了3種鉆井液配方，并對鉆井液性能進行了測試。

3種鉆井液配方如下。

Ⅰ:5%土漿+0.15‰純堿+0.1‰PHP+5‰植物膠+5‰HV－CMC+1‰腐植酸鉀;

Ⅱ:5%土漿+0.15‰純堿+0.1‰PHP+5‰植物膠+5‰HV－CMC+1%磺化瀝青;

Ⅲ:5%土漿+0.15‰純堿+0.1‰PHP+5‰植物膠+5‰HV－CMC+1‰腐植酸鉀+1%磺化瀝青。

3種配方現(xiàn)場實驗主要性能對比見表3。

表3 鉆井液主要性能參數(shù)對比

從表3可以看出:

(1)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號配方鉆井液與初始鉆井液的性能相比，前3種配方的鉆井液的泥餅質(zhì)量都有了提高，失水量也得到了有效控制;

(2)Ⅰ、Ⅱ號鉆井液性能相比，使用了腐植酸鉀的I號鉆井液的粘度損失比較大，并且磺化瀝青比腐植酸鉀對失水量的控制效果更佳;

(3)Ⅱ、Ⅲ號鉆井液性能相比，Ⅲ號鉆井液的粘度損失較大，但失水量降低并不明顯。

綜上所述，可以認為Ⅱ號鉆井液是最優(yōu)配方，在水敏性較高的地層可使用Ⅲ號鉆井液。

3．3 使用效果對比

在后續(xù)鉆井施工過程中，主要使用Ⅱ號鉆井液，部分地層水敏性較高時，采用Ⅲ號鉆井液。

使用初始鉆井液施工時，由于鉆井液失水量高、泥餅厚，泥餅質(zhì)量不佳，孔壁時有垮塌，在含泥質(zhì)地層中有地層造漿現(xiàn)象，泥漿性能不穩(wěn)定，起下鉆摩阻大，施工進度慢，正常鉆進班平均進尺不足10 m。在相同巖性段(破碎帶、泥頁巖層)地層換用磺化瀝青泥漿后，孔壁無垮塌現(xiàn)象，檢驗上返泥漿性能無明顯變化，施工進度明顯增加，正常鉆進班平均進尺可達18 m(其中Ⅲ號鉆井液比Ⅱ號鉆井液效果更好，班平均進尺最高時達到19.4 m，鉆進效率更優(yōu))。詳細對比參見表4。

從表3、表4以及現(xiàn)場施工效果可以看出:Ⅲ號鉆井液配方性能穩(wěn)定，施工中鉆時最快，鉆進效果在3種配方中最好，但對粘度損失較大，在深井中使用時可能會出現(xiàn)攜砂能力不足的情況;Ⅱ號鉆井液(磺化瀝青泥漿)泥漿粘度更趨穩(wěn)定，在破碎帶地層、泥頁巖地層中失水量更能得到控制，泥餅厚度明顯低于初始鉆井液。施工中對于配方Ⅱ、Ⅲ號鉆井液反復(fù)檢測其粘度、失水量、泥餅厚度，發(fā)現(xiàn)其性能穩(wěn)定，降失水、控制泥餅厚度方面都能滿足施工要求，且鉆速都比初始鉆井液要快。

表4 上返泥漿性能對比

通過施工對比得知，磺化瀝青泥漿比普通泥漿潤滑性更好，使用磺化瀝青泥漿時鉆具在孔內(nèi)的摩擦阻力和扭矩更低;降濾失能力更強，可以抑制粘土成分在泥漿中的分散，尤其是在井壁的穩(wěn)固方面，磺酸基團本身的親水性抑制了水分子向地層內(nèi)滲漏的趨勢，更大程度地減小了孔壁吸水膨脹、甚至垮塌的可能。

綜上所述，磺化瀝青鉆井液具有濾失量低、濾餅薄、潤滑性好等特點，在水敏性地層中鉆進時，可以有效地穩(wěn)定孔壁，防止地層縮徑坍塌，同時可以提高鉆井效率。

4 結(jié)論與建議

4．1 結(jié)論

通過實際施工檢驗，可以得出以下結(jié)論。

(1)對于破碎地層與泥頁巖地層本身機械強度低、遇水易膨脹的特點，使用磺化瀝青鉆井液能有效抑制泥漿中自由水的濾失，磺化瀝青鉆井液較普通泥漿具有更低的濾失量。

(2)磺化瀝青鉆井液與破碎地層及泥頁巖地層中巖石小顆粒有良好的膠結(jié)作用，加強了孔壁的穩(wěn)定。

(3)磺化瀝青鉆井液具有密度低、流動性好、優(yōu)良的潤滑減阻性能等特點，比較適用于金剛石鉆進，且不易造成卡鉆和孔內(nèi)斷鉆桿事故。

(4)Ⅲ號鉆井液對失水量控制效果更佳，比Ⅱ號鉆井液具有更強的抑制性，可作為Ⅱ號鉆井液抑制性不足時的補充。但Ⅲ號鉆井液粘度損失較大，在深井鉆井施工中可能存在攜砂能力不足的情況，此時應(yīng)注意提高提粘劑的加量。

4．2 建議

(1)磺化瀝青泥漿在低溫時本身易凍結(jié)不易攪拌均勻，故在低溫環(huán)境中使用時應(yīng)適當加熱。

(2)臨近終孔時應(yīng)換掉磺化瀝青泥漿，因為磺化瀝青本身具有一定的污染性，對于地?zé)醿拥奈廴緫?yīng)當予以控制。

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