鹽井鉆探施工護壁技術研究與實踐

摘 要：針對鹽井地層的特殊性，本文從鉆井液和固井兩方面出發(fā)，研究摸索出一套鉆井液護壁體系和套管水泥固井護壁技術。根據(jù)鹽井施工的實際情況，優(yōu)選井身結構和套管程序、鉆井液類型以及固井水泥漿配方；科學地使用和管理鉆井液體系，才能有效地防止鹽井的坍塌、漏失、超/縮徑、水敏性剝蝕、砂侵等井內(nèi)事故發(fā)生，從而保證了鹽井鉆探施工的順利進行和工程質(zhì)量。

關鍵詞：鹽井、鉆井液體系、套管護壁、維護與管理

Abstract： Find stabilizing methods by a mud system of well face and technique of casing&cement against the layers characteristics of brine well. Define the well structure and mud system according to the specific data. Due to this， it could avoid well incidents such as collapse， leakage， chambering， reducing， denudation， formation entry in effect and ensure the processing and quality of the brine well drilling.

Key words： Brine well； Mud & Casing Stabilizing； Performance Parameter and Matching； Applying， Maintenance and Management； Application Effect

1.工程概況

湖北省潛江市鹽礦勘探及成井工程施工的地層構造復雜，第四系、上第三系覆蓋層較厚，含鹽礦層厚度大、層數(shù)多、埋藏深，一般井深為1200-1500米。鉆井施工中易發(fā)生坍塌、漏失、縮徑、剝落、砂侵等復雜情況，給鉆探施工帶來很多困難。那么井身結構設計，套管固井護壁，鉆井液的選型及使用維護管理的好壞將直接關系到鹽井施工的成敗。我們由于對該區(qū)域地層情況了解認識不夠，施工中在鉆井液使用方面走了一些彎路，同時通過實踐也取得一些經(jīng)驗和教訓。我們在施工中根據(jù)地層特點和鉆井工藝等具體情況，合理選擇井身結構設計、采用優(yōu)質(zhì)低固相鉆井液和套管護壁，順利通過800～1000m厚的松散覆蓋層，并有效防止了400-600米厚的強水敏性泥頁巖和鹽巖地層的坍塌縮徑。從而保證了鹽井工程施工的順利進行和工程質(zhì)量。礦區(qū)地層情況及井身結構（圖1）。

圖1 地層及鉆井結構圖

2.鉆井工藝及取心方法

一開、二開三開均采用全面鉆井工藝（牙輪鉆頭或PDC鉆頭），全面鉆進時，環(huán)空間隙大，巖屑量大顆粒粗，主要考慮鉆井液的攜巖能力和膠結性能。四開采用繩索取心金剛石鉆進工藝。取心井段采用金剛石繩索取心鉆具（半合管）進行取心作業(yè)。在鉆井工藝措施方面，在保證純鉆速度的條件下，應盡量降低鉆具轉速和鉆壓。若泥漿粘度、切力大，應適當降低泵量，以免環(huán)空壓力過高。

3.鉆井液設計原則及護壁機理

鉆井液設計應考慮地層特點、施工條件、工程要求、安全環(huán)保等因素，根據(jù)具體情況合理選擇不同類型的鉆井液體系，以滿足井內(nèi)復雜情況施工的要求。并保證具有較低的固相含量、良好的流變性能、較強的清孔和攜巖能力和良好的潤滑性能。

鹽井鉆探施工用鉆井液護壁機理[1]：CMC高分子聚合物，由于其分子鏈很長，在分子鏈間易形成網(wǎng)狀結構，能顯著提高鉆井液的粘度，從而提高了粘土顆粒的聚結穩(wěn)定性，有利于保證鉆井液中細顆粒的含量，形成致密的泥餅，降低濾失量。水解聚丙烯酰胺（PHP）是要一種選擇性絮凝劑，水解聚丙烯酰胺在鉆井液中主要起絮凝巖粉作用。因為它也是一種線型高分子化合物，其長分子鏈上的吸附基（-CONH2）以氫鍵吸附的方式吸附巖粉。從而絮凝沉淀巖粉，達到凈化鉆井液的目的。CMC與PHP可以相互交聯(lián)形成網(wǎng)狀結構能有效提高完整或部分破碎地層的鉆進效率，還具有潤滑減阻作用。

飽和鹽水鉆井液由于礦化度高，因此這種體系具有較強的抑制性、流動性好、性能穩(wěn)定，能有效地抑制泥頁巖水化剝落，保證井壁穩(wěn)定。由于飽和鹽水中溶質(zhì)已經(jīng)飽和，避免了鹽層的溶解超徑，有利于提高井壁的穩(wěn)定性。低固相鹽水體系也具有較好的抗低溫特性。

鉀鹽（K2CO3、KCl等）提供K+離子，其離子半徑與粘土六方的晶格空穴尺寸剛好適應。K+離子本身水化能力弱，故嵌入粘土的晶格空穴中，使粘土不易水化分散，從而防止粘土質(zhì)地層的吸水膨脹以維持井壁穩(wěn)定。鉀離子的存在，能防止泥頁巖的水化和剝落，起到穩(wěn)定井壁的作用。

4.鉆井液的選擇及維護使用

4.1.鉆井液的選擇及性能參數(shù)

（1）鉆進第四系和第三系松散地層時，為了防止鉆井坍塌、漏失。通過鉆井液配方試驗和實踐，我們采用高粘度、低失水的聚合物鉆井液體系進行護壁，效果較好。其配方為：1m?/清水+100kg/膨潤土+0.1～0.2kg/PHP+3kg/Na2CO3+5～8kg/HV-CMC。

（2）鉆進第三系較完整井段時，采用低固相或無固相鉆井液，以保證鉆井護壁及繩索取心鉆進工藝的要求。

低固相聚璜鉆井液配方：1m?/清水+50kg/膨潤土+0.25kg/PHP+1.5kg/Na2CO3+3～5kg/MV-CMC+8～10kg/磺化瀝青+5～8kg/磺化褐煤。

無固相鉆井液的配方：1m?/清水+8～10kg/HV-CMC+1kg/PHP+0.1kg/NaOH+10kg皂化油。

（3）在鹽層鉆進階段采用無固相飽和鹽水鉆井液或低固相飽和鹽水鉆井液。保證了鹽礦層的采取率，避免了泥頁巖、石膏、巖鹽地層坍塌超徑現(xiàn)象的發(fā)生。

無固相飽和鹽水鉆井液配方：1m?/清水+350kg/NaCl+10～15kg/MV-CMC+0.3～0.5kg/PHP+0.1kg/NaOH。

低固相飽和鹽水鉆井液：1m?/清水+30kg/膨潤土+1kg/Na2CO3+315kg/NaCl+5～8kg/PAC-LV+8～10kg/磺化瀝青+50～70kg/氯化鉀+8～10kg/褐煤樹脂。

4.2.鉆井液維護使用及現(xiàn)場管理[5，6] ：

在將見鹽層前20～30m，應先配備優(yōu)質(zhì)飽和鹽水鉆井液，以防止巖鹽溶蝕出現(xiàn)超徑。飽和鹽水鉆井液的維護應以護膠為主，降粘為輔。

在鉆井過程中，若發(fā)現(xiàn)鉆井液粘度、切力增高，一般是粘土侵蝕的造漿地層，這時應在鉆井液中加入適量清水或稀釋劑，或使用選擇性絮凝劑、抑制劑。還可以用離心機清除鉆井液中的有害固相，以維護鉆井液性能的穩(wěn)定。

當鉆到遇砂層，鉆井液受砂侵時，其含砂量會急劇升高，也會加劇水泵、鉆具、鉆頭的磨損，所以必須及時采用除砂機進行除砂處理。還可降低鉆井液的粘度和切力，或添加聚丙烯酰胺絮凝粉砂。

在小口徑金剛石繩索取心鉆進中，應采用乳化鉆井液，以改善鉆具潤滑條件，減少鉆具回轉阻力，提高鉆進速度。

鉆井液中添加處理劑時要緩慢、均勻、避免鉆井液性能突變。不準向鉆井液中任意添加清水，不要讓污水、山水、雨水流進鉆井液中。

4.3鉆井液護壁效果：該礦區(qū)OZK2孔施工中，一開采用311mm口徑鉆進穿過第四系松散地層后就下入井口管。然后換253口徑鉆進至811.41米，該井段采用優(yōu)質(zhì)低固相聚合物鉆井液護壁，裸眼鉆進易坍塌的砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖等松散破碎地層，從未發(fā)現(xiàn)坍塌和嚴重漏失現(xiàn)象，只是在砂巖鉆進中鉆井液有輕微滲漏現(xiàn)象。通過該層位后，便下入219技術套管并用水泥封固，然后再換150mm口徑鉆進到1020米后，下127mm技術套管。800米以下地層比上部覆蓋層稍完整一點，但是膠結性依然較差，遇水易水化分散，會造成鉆井坍塌超徑現(xiàn)象。在該井段施工中我們采用優(yōu)質(zhì)低固相聚璜鉆井液體系和無固相鉆井液護壁，井壁穩(wěn)定，施工順利。最后我們采用80繩索取心金剛石鉆進至終孔，在該井段施工中，我們始終采用優(yōu)質(zhì)低固相飽和鹽水鉆井液護壁，順利通過長達600多米厚的強水敏性易水化剝落、坍塌縮徑的泥頁巖、石膏、巖鹽地層。直到終孔1501.43m都未發(fā)生坍塌超徑現(xiàn)象，在施工中斷鉆桿、卡鉆、埋鉆等井內(nèi)事故也明顯減少，從而保證了該鹽井工程施工的順利進行和工程質(zhì)量。

5.套管護壁及固井

5.1套管護壁

套管護壁是鉆探施工最有效和最可靠的鉆井護壁方案之一，鹽井鉆探施工所用套管有井口管、技術套管、生產(chǎn)管。除生產(chǎn)管以外，其他套管均起到穩(wěn)定井壁，保證順利施工的作用。根據(jù)套管在井內(nèi)的工作條件，設計的套管柱應能承受內(nèi)、外壓力及井下地層所產(chǎn)生的橫向載荷和套管本身的重力。為確保安全，大部分套管柱設計采取的安全系數(shù)為：抗拉安全系數(shù)1.5～1.8；抗外壓（抗擠）安全系數(shù)1.0～1.25；抗內(nèi)壓（壓崩）安全系數(shù)1.1～1.3。

5.2 固井技術[4]

（1）影響水泥漿設計的因素

影響水泥漿設計的因素包括：井深、鉆井液液柱壓力、水泥漿粘度與水灰比、井溫、可泵時間及稠化時間、支持套管柱所需的水泥強度、配漿水質(zhì)、鉆井液及其處理劑類型、水泥漿比重、水泥水化熱、水泥石滲透率、水泥漿失水量、抗井內(nèi)鹽水之腐蝕能力。

（2）水泥漿灌注

水泥漿灌注是一項較復雜的工作。施工前要進行必要的計算、試驗和水泥漿灌注技術措施研究并認真實施。

（3）提高注水泥固井質(zhì)量的措施

① 適當提高水泥漿的回返速度， 使之處于紊流而非層流狀態(tài)。②適當降低水泥漿的粘度和切力， 以改善其流動性。③鉆井時注意井身質(zhì)量， 把井打直， 井徑規(guī)則， 套管要扶正。④水泥漿比重應均勻。⑤在滲透性大、易漏的地層采用低失水量的水泥漿。⑥在大段泥巖、頁巖地層固井， 應采用鹽水鉆井液。⑦縮短水泥漿的初凝和終凝時間差。⑧采用膨脹水泥， 可提高水泥與井壁及套管間的膠結強度。⑨精確地進行注水泥計算， 采用符合當?shù)貙嶋H情況的水泥用量附加系數(shù)。⑩下管前適當增大排量洗井， 既使井內(nèi)巖粉全部返出， 又使井壁適應大排量的沖刷， 以防注水泥過程中發(fā)生坍塌。

6.結論

6.1該礦區(qū)地層特點：第四系、上第三系覆蓋層較厚，軟硬互層多，且地質(zhì)構造復雜，另外含鹽礦層的厚度大、層數(shù)多、埋藏深。鉆井施工中易發(fā)生坍塌、漏失、縮徑、剝落、砂侵等復雜情況。

6.2根據(jù)地層特性和工程質(zhì)量要求及鉆機能力，合理設計井深結構，以保證順利施工和工程質(zhì)量。

6.3針對鉆井工藝和地層特點，因地制宜合理選擇鉆井液體系和性能參數(shù)，認真搞好現(xiàn)場鉆井液管理和維護調(diào)整工作，確保了井壁穩(wěn)定和工程質(zhì)量，提高了鉆進效率，降低了生產(chǎn)成本。

6.4套管護壁是鉆探施工最有效和最可靠的鉆井護壁方案之一，固井質(zhì)量也是保證套管護壁效果的關鍵技術。因此，我們通過科學地設計水泥漿配比和套管結構，并嚴格控制其物理性能參數(shù)和水泥漿灌注工藝，采取有效的技術措施，提高注水泥漿的成功率和固井質(zhì)量。

6.5應用前景：該套鉆井液體系和套管護壁工藝技術，不僅可以應用于鹽井鉆井施工領域。還可以用于其他松散、強水敏性地層的鉆探施工領域，無固相飽和鹽水鉆井液和低固相飽和鹽水鉆井液還可以應用于冰層凍土、可燃冰層或低溫工作條件下的鉆探施工的護壁。

參考文獻：

[1] 烏效鳴等，鉆井液與巖土工程漿液[M]，中國地質(zhì)大學出版社，2002。

[2] 王文臣主編，鉆孔沖洗與注漿[M]，冶金工業(yè)出版社，1994。

[3] 井礦鹽鉆探技術規(guī)范[M]，輕工業(yè)出版社，QBJ 203-87，1987。

[4] 賀建飛，鹽井鉆探及成井中的固井技術[M]，地質(zhì)與勘探，1992年（4），61-64

[5] 舒智，復雜地層深孔鉆進關鍵技術的探討與實踐[J]，探礦工程（巖土鉆掘工程），2009年增刊：161-166.

[6] 舒智等，鉀鹽鉆井液體系在吉林殼牌油頁巖勘探中的應用[J]，探礦工程（巖土鉆掘工程），2012年第39期（增刊）：52-55.

作者簡介：舒智（1964-），男，漢族，湖北武漢人，四川華鋒鉆探工程有限責任公司探礦高級工程師。從事地質(zhì)巖心鉆探工藝技術研究和施工管理及金剛石工具和鉆探機具的生產(chǎn)管理、新產(chǎn)品研究開發(fā)等工作。