鉆井液在實際施工中的應用

尹 江，陳立濤

（吉林省地礦勘察設計研究院，吉林長春130012）

鉆井液在實際施工中的應用

尹 江*，陳立濤

（吉林省地礦勘察設計研究院，吉林長春130012）

根據(jù)實際鉆探施工需要和對鉆井液處理劑性能的要求及操作使用的技術要求，并結合鉆探施工技術人員現(xiàn)場操作，總結出孔內(nèi)事故成因、預防及解決方法，利用好鉆井液，預防和減少井內(nèi)事故的發(fā)生，達到節(jié)能生效的目的。

鉆井液；事故成因；實際應用

目前，國內(nèi)巖芯鉆探廣泛采用金剛石繩索取芯鉆進，其鉆井液的某些性能和特點，關系到生產(chǎn)效率，甚至影響到鉆孔的成功與否。本文主要闡述鉆井液在實際施工中的應用。

1 在預防坍塌中的應用

1.1 坍塌的形成

坍塌主要是由于地層構造、地層壓力、人為操作籌因素方面的影響造成的，主要表現(xiàn)：

（1）由于地層構造的原因，形成泥頁巖、砂質(zhì)或粉質(zhì)泥巖、流砂層、粉砂巖、砂礫巖、煤灰層等，造成地層松散破碎而形成坍塌。

（2）由于地層與液柱壓力不平衡，極易造成井漏、井涌、井塌的事故發(fā)生。

（3）由于人為操作不當，造成鉆桿、鉆具對并壁的振動，出現(xiàn)共振而發(fā)生坍塌。

1.2 預防和阻止坍塌

預防和阻止坍塌，應根據(jù)地質(zhì)構造及施工方法，并選擇相應的材料來進行。例如：膠結性差地層。如：粉砂泥巖、流砂巖、煤灰層等。針對構造層膠結性差，應加強井壁表面的膠結加固。

2 在抑制性護壁中的應用

（1）抑制性護壁所針對的地層構造主要是吸水性較大的淺泥層、蒙脫石含量較高地層、鹽膏層、含鹽膏軟泥層、高滲透性砂巖、粉砂巖、瀝青等水敏性地層。因其地層的親水性，能大量吸收水基鉆井液中的水分，使之水化膨脹，擴徑、縮徑，易造成坍塌卡鉆、埋鉆等井內(nèi)事故的發(fā)生。

（2）井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象的主要表現(xiàn)在：返屑體積增大且數(shù)量增多、泵壓增高、扭矩增大、提鉆遇卡、下鉆遇阻、井徑擴大、縮徑、井眼閉合等井內(nèi)事故。

（3）根據(jù)上述地層構造和表現(xiàn)特征，選擇相適用的處理劑，運用恰當?shù)氖┕ぜ夹g是解決井壁不穩(wěn)定的必須措施，在淺層泥巖、泥頁巖、泥質(zhì)砂層等地質(zhì)構造層，可選擇抑制性護壁材料。

（4）在鹽膏層、含鹽膏軟泥層、瀝青、蒙脫石、碳酸鹽巖等地質(zhì)構造中，可選擇抑制性較強的護壁材料。

（5）在泥頁巖、油頁巖層?？蛇x擇KP共聚物，并以多效天然植物膠等處理劑作為配合劑?？奢^好地阻止坍塌、縮徑的事故的發(fā)生。

3 在漏失地層中的應用

（1）漏失可分為微縫隙、小裂縫隙、空洞漏失。從漏失量分為滲透性漏失，其主要表現(xiàn)特征為：泵壓較穩(wěn)定，返漿逐漸少。小裂縫隙漏失，其主要表現(xiàn)特征為：泵壓異常下降，返漿少。大裂縫隙或空洞漏失，其主要表現(xiàn)特征為：泵壓全無、不返漿。

（2）針對漏失情況，可分別選擇堵漏材料。

①滲透性漏失，可選用植物膠配合其它泥漿材料就可解決。其原理是：利用植物膠膠結網(wǎng)狀結構，粘結其不溶解微粒對微縫隙進行封堵。

②小裂縫隙漏失，可選用多效堵漏劑（隨鉆型）配合其它泥漿材料進行封堵。其原理是：利用多效堵漏劑中不溶顆粒及膠結性能。在小裂縫隙中形成封堵膠團，并可加入一定的惰性材料配合進行封堵。

③大裂縫隙漏失，可選用多效堵漏劑（延時膨脹型），調(diào)制稠粘狀液體，直接對大裂隙進行封堵，其原理是：通過膠結網(wǎng)狀結構粘結膨脹材料在大裂隙中吸水膨脹，形成韌性膠團進行封堵?；蜻x擇大裂隙堵漏劑，采用拋擲法進行碾壓入隙、吸水膨脹、脹實封堵。

以上堵漏材料堵漏時間長，成功率高，可自動降解，不影響地層質(zhì)量（注：鉆井液正常消耗15%～17%）。

4 潤滑劑在施工中的應用

（1）潤滑劑是減輕鉆頭對地層研磨所產(chǎn)生的摩擦力和熱量吸收，減輕鉆桿對井壁的摩擦所產(chǎn)生的共振。具體表現(xiàn)為潤滑劑中的表面離子活性劑能在鉆具與井壁間形成一層薄的潤滑層，有效地減輕鉆具對地層的摩擦，并能及時對鉆頭進行冷卻，因而達到潤滑冷卻鉆頭鉆具的作用。

（2）應根據(jù)巖質(zhì)的結構、硬度、屬性等來選擇潤滑劑。

5 鉆井液的經(jīng)濟價值和效率的體現(xiàn)

性能全面、優(yōu)良的鉆井液處理劑，其自身價值體現(xiàn)主要在其經(jīng)濟和效率上，所以，要充分地認識、了解和掌握其性能，做到物盡其能，性盡所用，充分發(fā)揮其效能，使其在經(jīng)濟和效率上得到較佳的體現(xiàn)。

具體表現(xiàn)為：選擇恰當?shù)你@井液處理劑，能預防和阻止或減輕、減少井內(nèi)事故的發(fā)生，降低材料的消耗和用工成本，縮短成井周期，減輕勞動強度，從而達到降低綜合成本，創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

6 常見問題

6.1 卡鉆

鉆井過程中，鉆具在井下既不能轉動又不能上下活動而被卡死的現(xiàn)象稱為卡鉆。在正常鉆進中，若施工不當或鉆井液使用不當?shù)仍?，都會造成卡鉆事故的發(fā)生。大多數(shù)卡鉆都與鉆井液有直接的關系。因此，選用好鉆井液處理劑并配合施工技術才能預防卡鉆事故的發(fā)生。了解卡鉆的原因與形成，預防和解除事故的方法：

（1）壓差卡鉆：是指鉆具在井內(nèi)靜止時，在鉆井液與地層孔隙壓力之間的壓差作用下，緊壓在井壁泥餅上而導致的卡鉆。

預防方法：

①降低鉆井液的密度。

②減少鉆具與井壁的接觸面。

③降低泥餅摩擦系數(shù)。

④減少巖屑床的厚度。

解除方法：

①可使用皂化油或解卡劑浸泡，以減少鉆具與井壁的粘附面積及降低泥餅的摩擦系數(shù)。

②用稀鹽酸浸泡，但必須是鉆井液使用石灰石粉加重和卡鉆地層為碳酸鹽方可使用。

③降低鉆井液密度以減小壓差，可使用加有抑制劑與潤滑劑的水，通過降低壓差解卡。

（2）沉砂卡鉆：是由于鉆井液的懸浮性能不好，或處理鉆井液過程中由于粘度和切力下降幅度大，導致的鉆井液中所懸浮的鉆屑和重晶石沉淀，埋住井底一段井眼而造成的卡鉆。

預防方法：

①使鉆井液保持合適的粘度與切力，使之能有效地攜帶和懸浮鉆屑與重晶石。

③注意控制鉆速，防止環(huán)空中的鉆屑質(zhì)量分數(shù)過高。

解除方法：

①應盡快恢復循環(huán)（注意使用小排量），盡可能憋通鉆頭水眼。

②提高鉆井液的粘度與切力，邊循環(huán)邊活動鉆具，以期達到逐漸清除沉砂和解卡的目的（切忌用大排量，猛提、硬壓、強轉鉆具）。

③如仍然無法恢復循環(huán)，只有采取套銑倒扣的方法解卡。

（3）井塌卡鉆：主要是由于鉆井液未能起到穩(wěn)定和保護井壁而無法抑制破碎帶的坍塌、或因施工人員操作技術不當引起井壁失穩(wěn)（如泵壓過大造成對井壁的沖刷，鉆具對井壁的撞擊，上下鉆過快造成強烈的抽吸或擠壓等）。

預防方法：

①根據(jù)地層構造特性，合理設計鉆井液，性能和功效達到抑制、膠結地層；降低鉆具與井壁間的摩擦系數(shù)，減輕對井壁的撞擊和振動。

楊萍(1959-)，女，醫(yī)學博士，教授，博士生導師，研究方向：冠心病、心律失常、心力衰竭的發(fā)病機制和診療。

②規(guī)范施工人員的操作程序，提高施工技術水平，減少人為事故的發(fā)生。

解除方法：

①采用小排量開泵，建立循環(huán)，同時緩慢活動鉆具，并逐漸加大排量，帶出坍塌物而解卡。

②如仍無法解卡或無法開泵建立循環(huán)，則只能通過套銑倒扣來解卡。

（4）縮徑卡鉆：主要是由于鉆井液不能抑制地層水化膨脹、或鉆井液柱壓不能平衡地層應力，造成地層蠕動變形而縮徑卡鉆。

預防方法：

①根據(jù)地層特性，合理設計鉆井液，其性能和功效應達到抑制地層水化膨脹、平衡地層應力，阻止地層蠕動，防止縮徑事故的發(fā)生。

②合理的施工操作技術配合優(yōu)質(zhì)的鉆井液，在高滲透性的砂巖或礫巖中鉆進時，能降低鉆井液的濾失量或提高環(huán)空返速，阻止泥餅過厚而造成縮徑卡鉆。

解除方法：

①使用濕潤劑和稀釋劑及柴油進行浸泡一定時間，然后緩慢地活動鉆具，采用先壓后提上下活動解卡。

②如仍無法解卡或無法開泵建立循環(huán)，則只能通過套銑倒扣來解卡。

（5）泥包卡鉆：是指上提鉆具的過程中，因鉆頭泥包而遇阻所造成的卡鉆。主要由于易吸水膨脹的泥巖地層中鉆進時，由于環(huán)空返速過低，鉆井液粘度高，濾失量大，使吸水膨脹的泥巖屑粘附在鉆頭上未被鉆井液所清洗而造成的。

預防方法：

①依據(jù)地層特性，選用抑制性強的鉆井液。

②選用合適的環(huán)空返速，及時攜帶巖屑，清潔鉆頭。

③鉆井液中加入防鉆頭泥包劑，改善鉆井液的潤滑性能，降低巖屑在鉆頭上的粘附力。

解除方法：

可根據(jù)縮徑卡鉆解除方法解除。

6.2 井塌

井塌主要發(fā)生在泥頁巖地層，約占井塌的90%以上。主要是由于泥頁巖地層吸水膨脹的特性造成的。其它井壁不穩(wěn)定地層均會發(fā)生井塌。

（1）井塌的現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：

①返屑尺寸增大，數(shù)量增多且混雜。

②泵壓增大且不穩(wěn)定。

③扭矩增大，憋鉆嚴重。

④鉆具上提遇卡、下放遇阻。

⑤井徑擴大。

（2）預防方法：

①選用合適的鉆井液密度，保持井壁力學平衡穩(wěn)定。

②優(yōu)選防塌鉆井液類型與配方，采用膠結性、抑制性防塌劑。

③采用合理的施工工藝。

（3）清除方法：

①增大鉆井液的密度、粘度，提高鉆井液的懸浮、攜屑能力。

②小排量低速鉆進，防止鉆井液和鉆具對井壁的沖刷與撞擊，保證井壁穩(wěn)定。

③如仍不能清除則加大環(huán)空返速。

6.3 井漏

各類巖性的地層均可能發(fā)生井漏，主要是其構造運動形成的裂縫隙、因風化作用形成的溶孔疏松造成的。漏失通道主要有微孔隙、孔隙、微縫隙、裂隙、大縫隙、大裂隙、溶洞等。

（1）井漏的性質(zhì)與表現(xiàn)特征：上節(jié)鉆井液在漏失地層中的應用中已介紹。

①滲透性漏失：發(fā)生在孔隙型地層，主要表現(xiàn)為微漏、小漏。井口返漿減少或逐漸減少。

②部分性漏失：發(fā)生在裂縫隙型地層，主要表現(xiàn)為中漏、大漏。井口返漿較少。

③完全漏失：發(fā)生在大裂縫隙型、溶洞型地層，主要表現(xiàn)為井口返漿全無。

（2）井漏的預防：

①合理設計井身結構：用套管封隔高壓層或漏失層，防止因平衡地層壓力使用的高密度鉆井液所產(chǎn)生的壓裂性漏失。

②合理設計井液的動壓力：選用合理的鉆井液密度與類型，實現(xiàn)地層壓力平衡，降低環(huán)空壓耗，降低開泵、下鉆和下套管過程中的激動壓力。

③提高地層的承壓能力：采用人工封堵方法，堵塞近井漏失通道來提高地層承壓力。

（3）堵漏的規(guī)程：

①分析井漏發(fā)生的原因，確定漏位、類型、程度。②如果條件允許，應鉆過該漏層，使該漏層同時封堵，減少處理時間。

③如果允許起鉆，鉆具應下到漏位頂部。

④使用正確的堵漏劑和堵漏方法，確保一定的堵漏劑進入漏失通道，并保持一定的候凝時間。

⑤如隨鉆堵漏應不斷地活動鉆具，避免卡鉆。

⑥凡采用橋堵法，必須保證管線、泵路暢通，避免憋泵傷人。

⑦憋壓試漏應緩慢進行，壓力一般不超過3MPa，避免造成新的誘導裂縫。

⑧收集、整理資料，總結經(jīng)驗。

（4）堵漏方法：

①靜止法：是在發(fā)生完全或部分漏失的情況下，采取停止鉆進和循環(huán)，起鉆于安全井段靜候8～24h為宜，但應保持液柱壓與地層壓力平衡。如果堵漏失效，應下鉆加入堵漏鉆井液替換原液至漏層上方，以增強堵漏效果。緩慢下鉆，低泵壓、小排量開泵循環(huán)觀察，無漏失即恢復正常鉆進。

②橋接法：是將不同形狀（顆粒、片狀、纖維狀）和不同尺寸（粗、中、細）的惰性材料，以不同的配方混合于鉆井液中，直接注入漏層的一種堵漏方法。主要以擠壓和循環(huán)2種方法進行施工。

③暫堵法：是指應用暫堵材料（易酸溶、油溶、水溶的堵劑）對漏失通道進行封堵的方法。主要用于封堵滲透性和微裂縫隙地層漏失。

④化學法：是將經(jīng)過篩選的化學堵劑（如PMN化學凝膠、水解聚丙烯腈稠漿、硅酸鈉等）注入漏失通道，形成凝膠，以封堵漏失層。

⑤無機膠凝法：是采用水泥漿及各種水泥混合稠漿為基礎，對裂縫性和破碎性碳酸巖及礫石層的漏失進行封堵。

6.4 井噴

井噴發(fā)生的原因：在鉆井過程中，因井內(nèi)的液柱壓不是一個固定值，當液柱壓小于地層壓力時就會發(fā)生井噴。例如：

（1）鉆井液當量密度低于地層的壓力系數(shù)時：

①鉆遇油氣層時由于氣體的不斷侵入鉆井液使之膨脹。

②起鉆時由于未及時灌入鉆井液造成井內(nèi)液柱壓下降。

③提鉆速度過快產(chǎn)生抽吸力增大、井內(nèi)液柱壓下降。

（2）井噴預防的技術措施。為了預防井噴，應采取包括工程措施和鉆井液技術措施。主要采?。?/p>

①選用合理的鉆井液密度，平衡井內(nèi)液柱壓力與地層壓力。

②進入油、氣、水層前，應調(diào)整好鉆井液的性能。③及時排除氣侵氣體。

④儲備一定量的加重鉆井液。

（3）井噴的處理技術和要求：溢流往往是井噴征兆的第一信號，一旦發(fā)生溢流，必須立即關閉防噴器，用一定密度的加重鉆井液進行壓井。壓井鉆井液的密度可由下式求得：

①壓井鉆井液的密度PMI=原鉆井液密度Pm+壓井所需鉆井液的密度增量AP。

②壓井所需鉆井液的密度增量AP=100（發(fā)生溢流關井時的立管壓力Pd/垂直井深H）+安全密度附加值。

7 結語

鉆井施工中鉆井液的配置及井下特殊情況下的鉆井液調(diào)整，是鉆井過程中重要的組成部分，對于鉆井施工是否能夠正常順利進行起著十分重要的作用。本文對施工中的鉆井液進行了分析研究總結，為今后在施工中能夠控制和處理好井內(nèi)事故提供了可借鑒的依據(jù)。

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1004-5716（2015）01-0038-04

2014-02-10

2014-02-13

尹江（1972-），男（漢族），黑龍江尚志人，高級工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)找礦技術工作。