泥、頁地層中鉆井沖洗液的應(yīng)用研究

劉加才

（江蘇省地質(zhì)工程勘察院，江蘇南京211102）

泥、頁地層中鉆井沖洗液的應(yīng)用研究

劉加才*

（江蘇省地質(zhì)工程勘察院，江蘇南京211102）

對蘇南鉆井經(jīng)常遇到的泥、頁巖地層特征進(jìn)行研究，利用實(shí)驗(yàn)和對比分析的方法，提出沖洗液方案，并對該類地層中鉆井沖洗液的作用機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)行分析。在蘇南臨湖和石湖等地復(fù)雜地層地?zé)徙@井施工中，沖洗液的應(yīng)用效果較好，孔壁穩(wěn)定，鉆孔質(zhì)量好，鉆進(jìn)效率高?？梢宰鳛樘K南地區(qū)泥、頁巖地層地?zé)徙@井沖洗液應(yīng)用參考。

泥、頁巖；鉆井；沖洗液

1 概述

泥、頁巖層中水化造成孔壁不穩(wěn)定，引起井壁縮徑，進(jìn)而垮塌，原因是地層中的粘土易吸水膨脹和分散，造成井壁的巖石強(qiáng)度降低，在鉆進(jìn)的過程中，沖洗液對井壁的沖刷作用，加上鉆具回轉(zhuǎn)對縮徑井壁的撞擊作用，導(dǎo)致井壁的垮塌，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生吸鉆、埋鉆、造成井壁局部超徑，影響沖洗液上返速度及降低沖洗液攜帶巖粉的能力，產(chǎn)生二次破碎。該類地層中井壁不穩(wěn)定，實(shí)質(zhì)上就是地層的水化問題，而水化分為表面水化和滲透水化。所以穩(wěn)定此類地層，最主要的是控制水分子的流向問題。

配置優(yōu)良的沖洗液能有效降低鉆井液濾失量，封堵漏層，提高地層承壓能力，以解決鉆井過程中遇到各種復(fù)雜地層時(shí)易發(fā)生的漏失、卡鉆、坍塌等技術(shù)難題[1-3]。

2 蘇南地區(qū)泥、頁巖地層概況

一般把復(fù)雜地層分為4類：力學(xué)不穩(wěn)定地層、物理化學(xué)不穩(wěn)定地層、漏失地層、中高溫地層。泥、頁巖屬于物理化學(xué)不穩(wěn)定地層，在這些鉆進(jìn)力學(xué)不穩(wěn)定地層和物理化學(xué)不穩(wěn)定地層中常常會(huì)發(fā)生孔壁的坍塌、掉快。造成此現(xiàn)象的因素主要有以下幾方面：（1）巖層的性質(zhì)、巖層的孔隙性、地層的含水情況；（2）孔壁巖層受沖洗液的破壞作用；（3）孔壁巖層的應(yīng)力狀態(tài)及壓力變化；（4）鉆進(jìn)過程技術(shù)工藝及升降鉆具產(chǎn)生壓力激動(dòng)的破壞作用。

江蘇蘇南地區(qū)比較常見的復(fù)雜地層有二疊系的煤系、侏羅系的軟凝灰?guī)r、白堊系的泥質(zhì)砂巖、泥頁巖以及水文勘察常見的漏失地層，其中泥、頁巖地層因其在該地區(qū)分布廣泛、厚度大，物質(zhì)成分主要為泥質(zhì)，遇水軟化、膨脹，給現(xiàn)場鉆探工作帶來很大的難度。作者通過多年在該地區(qū)的勘探工作，對該地區(qū)的泥、頁巖地層的地質(zhì)特性及鉆孔要求進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)蘇南地區(qū)的泥、頁巖地層具有巖石松散、吸水膨脹的特性，鉆孔過程中地層因吸水膨脹而縮徑，鉆進(jìn)過程中沖洗不流暢，起下鉆遇阻容易卡鉆，所以在鉆井過程中必須采用優(yōu)質(zhì)沖洗液鉆進(jìn)，以降低失水，保持泥漿礦化度。

3 沖洗液配比及作用機(jī)理

3.1 沖洗液配比

在確定泥漿的具體性能時(shí)還應(yīng)考慮地層壓力梯度、破裂強(qiáng)度和孔隙壓力的大小以達(dá)到壓力平衡鉆進(jìn)。當(dāng)?shù)貙颖砻姘l(fā)生水化后則可能導(dǎo)致鉆進(jìn)困難，一般水化有2種：（1）表面水化：當(dāng)?shù)貙又泻械恼惩帘砻鎺в胸?fù)電荷，吸附?jīng)_洗液中的水分子，引起粘土表面水化，使粘土變軟和膨脹；（2）滲透水化：當(dāng)?shù)貙又械碾娊赓|(zhì)的濃度高于周圍沖洗液中的電解質(zhì)的濃度時(shí)，由于滲透作用，水分子由電解質(zhì)濃度低的沖洗液滲入到電解質(zhì)濃度高的地層內(nèi)部，造成孔壁的水化膨脹、坍塌。臨湖地?zé)嵩?600m埋鉆后，返鉆桿時(shí)，此類地層由于坍塌嚴(yán)重，導(dǎo)致事故頭難以找到，最終給鉆井生產(chǎn)帶來很大的麻煩。

針對此類地層的特性，選擇低固相不分散沖洗液體系，以降低失水為主，最主要的還是保證沖洗液中的礦化濃度與地層中保持平衡，從而抑制水分子向地層中滲入。此類沖洗液主要是加入高分子聚合物水解聚丙烯酰胺，同時(shí)加入腐植酸鉀提高礦化度，為了更好地阻止水分子向地層滲入，還加入油脂類磺化瀝青做封堵劑和潤滑劑。

由于不同水解的PAM對泥漿失水量的影響也不同，配置PAM的水解度與加堿量的關(guān)系表（見表1），而水解度對失水量的影響見圖1（原漿比重為1.05，失水量為18）。

表1PAM的水解度與加堿量的關(guān)系表

圖1 PAM水解度對泥漿失水量的影響

具體配比（見表2）及性能（見表3）如下：

配置步驟：首先使膨潤土預(yù)水化，然后加入穩(wěn)定劑CMC，使之包圍在分散的粘土顆粒周圍，穩(wěn)定泥漿膠體；然后再加入水解度為30%的水解聚丙烯酰胺，攪拌均勻后加入腐植酸鉀和磺化瀝青。

表2 配比表

表3 性能表

需要說明的是，若不加CMC，直接加入水解聚丙烯酰胺，粘土?xí)跄蓤F(tuán)狀，不利分散。30%的水解聚丙烯酰胺的配置有2種方法，中高溫水解和常溫水解，經(jīng)試驗(yàn)而知，常溫水解的粘度和分散效果比中高溫好，中高溫水解溫度需煮沸至90℃～100℃。由于常溫水解速度慢，所以一般要加過量的堿。2種水解方式的配比如下：

中高溫水解：（7%）PAM∶NaOH∶H2O=10∶0.13∶60

常溫水解：（7%）PAM∶NaOH∶H2O=10∶1∶60

3.2 沖洗液作用機(jī)理

不分散低固相泥漿，由于粘土含量較少，所以在孔壁形成的泥皮較薄，而加入PHP（水解聚丙烯酰胺）以后，它可以有效地把無用的固相顆粒絮凝成團(tuán)，能防止巖屑分散，起到包被作用。長鏈的PHP在泥頁巖井壁表面上產(chǎn)生多點(diǎn)吸附（見圖2），并可橫過微裂縫，從而阻止泥、頁巖的剝落；同時(shí)能在井壁表面形成致密的吸附膜。減少水滲透進(jìn)地層的速度，對地層的水化膨脹，起抑制作用。PHP還具有降失水作用，這點(diǎn)與CMC類似，通過提高液相粘度，其吸附基吸附在粘土的表面，眾多的水化基束縛住大量的自由水，使失水量降低。

腐植酸鉀也具有降失水作用，但同時(shí)它能提供K+，眾所周知，K+能鑲嵌在硅氧四面體氧原子組成的六角環(huán)中，能緊緊地把粘土片連結(jié)在一起。K+還可以減小粘土顆粒表面的水化半徑，阻止其水化膨脹。通過加入腐植酸鉀，還能提高沖洗液中的礦化度，阻止因?yàn)闆_洗液與地層的礦物質(zhì)濃度差導(dǎo)致水流向地層，鉆孔中的幾種作用力見圖3。

磺化瀝青物質(zhì)親水性差，親油性強(qiáng)，能在泥皮上形成一層油膜，防止水分子的滲入，同時(shí)具有潤滑作用，減少?zèng)_洗液循環(huán)對孔壁的沖刷作用。

圖2 高聚物吸附粘土顆粒示意圖

圖3 井內(nèi)作用力示意圖

由于加入水解聚丙烯酰胺，能有效地對無用固相進(jìn)行絮凝、聚沉，固相含量低，有利于提高鉆進(jìn)效率。在孔壁上形成的泥皮薄而韌、致密、富有塑性。具有較理想的流變性，剪切稀釋作用強(qiáng)，潤滑性效果好，對鉆具及泥漿泵的易損件消耗減少。

4 工程應(yīng)用

臨湖地?zé)?20～690m為泥巖，第一口井泥漿運(yùn)用不當(dāng)，導(dǎo)致坍塌。返鉆時(shí)，局部嚴(yán)重超徑，找不到事故源頭。在第二口井開鉆后，上部比較軟的地層，采用不分散低固相體系沖洗液，很好地抑制了地層坍塌，未發(fā)現(xiàn)縮徑、超徑等現(xiàn)象。在石湖地?zé)嵘喜磕鄮r地層使用此沖洗液方案，起下鉆順利無阻，下鉆到底，未發(fā)生泥質(zhì)包鉆等現(xiàn)象。

配漿時(shí)，膨潤土必須先預(yù)水化，且在加入PHP前必須先加入穩(wěn)定劑中粘CMC；若失水量過大時(shí)，可適量加入低粘CMC，切勿加入無機(jī)降失水劑；由于PHP具有絮凝、選擇性絮凝作用，絮凝后的巖粉很難在地面自然沉降，必須與機(jī)械除砂器配合。在除砂后，泥漿的切力和粘度會(huì)降低，必須進(jìn)行絮凝劑補(bǔ)充，補(bǔ)充時(shí)在孔口循環(huán)槽慢慢加入補(bǔ)充即可。在石湖地?zé)岬膶?shí)踐中說明，不分散低固相泥漿在對付水敏性地層時(shí)效果相當(dāng)好。

5 結(jié)論

鉆井液具有良好的抑制性能是確保活性泥、頁巖優(yōu)質(zhì)鉆井的關(guān)鍵，應(yīng)從多方面、多角度去評價(jià)鉆井液抑制劑的抑制性能，同時(shí)應(yīng)注重改進(jìn)、完善鉆井液抑制劑的評價(jià)方法，使其能夠反映鉆井液與井壁巖石、巖屑接觸后的真實(shí)情況。

泥、頁巖地層的鉆井沖洗液應(yīng)選擇低固相不分散沖洗液體系，以降低失水為主。

[1]孫金聲,蘇義腦,羅平亞,等.超低滲透鉆井液提高地層承壓能力機(jī)理研究[J].鉆井液與完井液,2005,22(5):78-81.

[2]薛玉志,劉寶鋒,唐代緒,等.非滲透鉆井液體系的研究與初步應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2005,22(2):73-76.

[3]Reid P,Santos H.Novel Drilling,Comp Letion and Workover Fluids for Dep Leted Zones:Avoiding Losses,Formation Damage and Stuck Pipe[C].SPE/IADC 85326,2003.

TE254

A

1004-5716(2015)01-0022-03

2014-06-10

2014-06-20

劉加才（1973-），男（漢族），江蘇南京人，高級工程師，現(xiàn)從事水工環(huán)地質(zhì)及地?zé)岬刭|(zhì)研究工作。