深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)護(hù)壁技術(shù)

何東 王永尚 馮航 王冠軍 林俊宇

摘要：深部找礦對(duì)給鉆探技術(shù)提出了十分高的要求。伴隨鉆孔的加深，施工周期的延長(zhǎng)，孔內(nèi)通常會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，施工難度會(huì)越來(lái)越大。在深孔復(fù)雜地層開(kāi)展鉆探更是如此，護(hù)壁技術(shù)是重中之重。文章通過(guò)分析深孔復(fù)雜地層鉆探的難點(diǎn)、闡述深孔復(fù)雜地層鉆探對(duì)沖洗液的要求，對(duì)不同地層的護(hù)壁技術(shù)、護(hù)壁作用機(jī)理及沖洗液護(hù)壁效果展開(kāi)探討，旨在為相關(guān)人員基于深孔復(fù)雜地層鉆探的難點(diǎn)、闡述深孔復(fù)雜地層鉆探對(duì)沖洗液的要求的深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)護(hù)壁技術(shù)研究適用提供一些思路。

關(guān)鍵詞深孔；復(fù)雜地層鉆進(jìn)；護(hù)壁技術(shù)

引言

于深孔復(fù)雜地層鉆探中，地層破裂壓力、坍塌壓力受泥漿極大程度影響。當(dāng)?shù)貙?、泥漿接觸形成濾失后，會(huì)與孔壁上形成薄、韌及低滲透的泥皮將底層隔離，一方面可阻止泥漿中自由水朝地層滲透，一方面能夠使地層水化、水敏速度放緩，進(jìn)一步提升鉆孔井壁膠結(jié)水平，達(dá)到避免鉆孔掉塊、坍塌，提升孔壁穩(wěn)定性的目的。由此可見(jiàn)，對(duì)深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)護(hù)壁技術(shù)展開(kāi)研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.深孔復(fù)雜地層鉆探的難點(diǎn)

（1）深孔復(fù)雜地層穩(wěn)定性不足，護(hù)壁難度大。復(fù)雜地層鉆進(jìn)過(guò)程中，伴隨鉆孔逐步加深，地層會(huì)變得越來(lái)越繁雜，鉆進(jìn)時(shí)間變得越來(lái)越長(zhǎng)，孔壁穩(wěn)定性也會(huì)變得越來(lái)越不足。換而言之，深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)，對(duì)其孔壁予以保護(hù)當(dāng)屬重中之重，務(wù)必要對(duì)應(yīng)好護(hù)壁問(wèn)題。

（2）回轉(zhuǎn)阻力大，高動(dòng)力、材料耗損，孔內(nèi)隱患多。伴隨鉆孔逐步加深，孔內(nèi)鉆桿會(huì)變得越來(lái)越長(zhǎng)，進(jìn)而使得摩擦阻力不斷提升。這一點(diǎn)對(duì)繩索取心鉆探來(lái)說(shuō)特別明顯，一方面會(huì)加快鉆桿磨損，加大鉆機(jī)符合，一方面無(wú)法提升轉(zhuǎn)速，且極易引發(fā)斷鉆桿等孔內(nèi)隱患。因此，務(wù)必要制定潤(rùn)滑方案策略，有效縮減鉆桿回轉(zhuǎn)阻力。

（3）鉆頭使用周期降低。深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)過(guò)程中，要想對(duì)鉆壓予以準(zhǔn)確控制存在十分大的難度，再加上鉆桿接頭密閉不佳容易造成滲漏，使得無(wú)法確保所有沖洗液會(huì)被送至孔底，產(chǎn)生假性迅速，進(jìn)而導(dǎo)致鉆頭微燒，對(duì)鉆頭使用周期造成負(fù)面影響。

（4）鉆進(jìn)效率不足，施工成本高。深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)有著施工周期長(zhǎng)的特征，如果護(hù)壁技術(shù)采用不合理，便會(huì)增多孔內(nèi)隱患，進(jìn)而降低鉆進(jìn)效率，提升施工成本。

2.深孔復(fù)雜地層鉆探對(duì)沖洗液的要求

經(jīng)對(duì)深孔復(fù)雜地層鉆探的難點(diǎn)分析可知，深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)期間，面臨a.深孔復(fù)雜地層穩(wěn)定性不足，護(hù)壁難度大；b.回轉(zhuǎn)阻力大，高動(dòng)力、材料耗損，孔內(nèi)隱患多；c.鉆頭使用周期降低；d.鉆進(jìn)效率不足，施工成本高等問(wèn)題。而這些問(wèn)題的產(chǎn)生與沖洗液存在很大的關(guān)聯(lián)，換言之深孔復(fù)雜地層鉆探受沖洗液很大程度影響?，F(xiàn)階段，深孔復(fù)雜地層鉆探相對(duì)先進(jìn)的工藝技術(shù)為金剛石繩索取心鉆進(jìn)。深孔、復(fù)雜地層以及這一先進(jìn)工藝技術(shù)特征均對(duì)沖洗液性能提出了極高的要求。深孔復(fù)雜地層鉆探對(duì)沖洗液的要求如下：

（1）具備可觀的護(hù)壁性能。沖洗液應(yīng)當(dāng)具備相對(duì)強(qiáng)的造壁性及較低的濾失量，可發(fā)揮膠結(jié)、吸附孔壁作用，產(chǎn)生強(qiáng)韌性且薄的泥皮，可有效保持復(fù)雜地層孔壁穩(wěn)定。

（2）具備可觀的潤(rùn)滑性能。沖洗液應(yīng)當(dāng)有著較小的粘附系數(shù)，可有效縮減摩擦阻力，縮減回轉(zhuǎn)阻力，避免粘附卡鉆等，同時(shí)降低動(dòng)力、材料損耗，延長(zhǎng)鉆具使用周期。

（3）具備可觀的清洗孔底、冷卻鉆頭以及攜帶巖粉性能。沖洗液動(dòng)塑比、粘度比以及切力比等應(yīng)當(dāng)控制在合理范圍。

（4）可避免鉆具結(jié)垢。沖洗液應(yīng)當(dāng)具備十分細(xì)的分散性、極低的固相，且流變性能佳，可有效避免鉆具結(jié)垢，防止內(nèi)管打撈無(wú)法有序開(kāi)展。

3.不同地層的護(hù)壁技術(shù)

復(fù)雜地層包括多種不同地層，分別有水敏性不穩(wěn)定地層、破碎不穩(wěn)定地層、松散不穩(wěn)定地層以及變質(zhì)巖地層等，針對(duì)不同的復(fù)雜地層，對(duì)應(yīng)選取的護(hù)壁技術(shù)也大不相同。

3.1水敏性不穩(wěn)定地層

水敏性不穩(wěn)定地層多以吸水分散地層、吸水膨脹地層為主，主要代表地層有絹云母化巖石、高嶺土化以及泥頁(yè)巖地層等。為了保持水敏性不穩(wěn)定地層孔壁穩(wěn)定，可選取防踏鉆井液體系，也就是利用造漿、縮徑開(kāi)展孔壁穩(wěn)定保持。在復(fù)雜地層深孔鉆探期間，可采取鉀基鉆井液、低固相鉆井液此兩類(lèi)泥漿配置。

3.2破碎不穩(wěn)定地層

破碎不穩(wěn)定地層多以斷層破碎帶、破碎閃長(zhǎng)巖、石英角礫巖等碎地層為主。破碎不穩(wěn)定地層對(duì)泥漿造壁性能提出了相對(duì)高的要求，現(xiàn)階段廣泛選取LBM泥漿配置。相關(guān)工程實(shí)踐結(jié)果顯示，選取LBM泥漿體系可獲取滿(mǎn)意的造壁效果。就部分存在松散、破碎情況的地層而言，加入適量的防塌型隨鉆堵漏劑，可顯著提升破碎不穩(wěn)定地層孔壁強(qiáng)度。

3.3松散不穩(wěn)定地層

松散不穩(wěn)定地層多以風(fēng)化層、粉砂、流砂等為主，要想保持松散不穩(wěn)定地層孔壁穩(wěn)定，提升孔壁顆粒相互膠結(jié)力當(dāng)屬重中之重。應(yīng)用于保持松散不穩(wěn)定地層孔壁穩(wěn)定的常見(jiàn)泥漿配置為鈉羧甲基纖維素泥漿，膨脹土添加控制在10.0～20.0%范圍，泥漿比重控制在1.05～1.20范圍，濾失量不可超過(guò)15ml[1]。就滲透性佳而膠結(jié)性不足的地層而言，應(yīng)當(dāng)于泥漿中加入適量的纖維狀材料或者堵漏劑，可獲取良好的防塌效果。

4.護(hù)壁作用機(jī)理

4.1PHP系列泥漿護(hù)壁機(jī)理

水解聚丙烯酰胺（PHP）是通過(guò)聚丙烯酰胺（PAM）水解所產(chǎn)生的。PAM則屬于一類(lèi)非離子型高分子聚合物，不僅有著極大的分子量，還有著極廣的變化范圍。憑借PHP屬于一類(lèi)伸展長(zhǎng)鏈高分子化合物，有著不同非離子吸附基團(tuán)，就好比—CONH2等，能夠經(jīng)氫鍵對(duì)粘土表層予以吸附，于巖層表面借助多點(diǎn)吸附以產(chǎn)生薄吸附膜，一方面對(duì)水敏性不穩(wěn)定地層能夠緩解泥漿濾液對(duì)地層產(chǎn)生的侵蝕影響，一方面對(duì)破碎不穩(wěn)定地層能夠借助多點(diǎn)吸附膜保護(hù)、阻止濾液滲入裂縫而不容易引發(fā)坍塌掉塊，因此PHP泥漿有著極佳的護(hù)壁性能。同時(shí)，PHP還能夠視成一類(lèi)長(zhǎng)鏈非離子、陰離子混合型高分子表面活性劑，能夠于巖石、金屬表層吸附而發(fā)揮潤(rùn)滑功效，縮減鉆桿柱與孔壁相互的摩擦阻力，故此能夠選取相對(duì)高的回轉(zhuǎn)速度鉆進(jìn)。此外，多種水解度、分子量的PHP還具備選取絮凝、降失水作用。伴隨合成技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)廣泛采取的為分子量超過(guò)1000萬(wàn)的高分子PHP，其有著更為顯著的絮凝、包被作用，且多用于配制無(wú)固相沖洗液[2]。

4.2LBM系列泥漿護(hù)壁機(jī)理

新型低粘增效粉（LBM）是經(jīng)由膨潤(rùn)土化學(xué)改造升級(jí)而產(chǎn)生的高級(jí)造漿材料，有著低濾失量、低粘度特征，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配便捷，維護(hù)簡(jiǎn)單，是一類(lèi)一并匯集造漿、泥漿處理劑功能等于一身的復(fù)合材料。LBM中包含諸多—COONa、—CONH2、—CN等基團(tuán)，調(diào)配的泥漿有著“四低一高”特性，也就是粘度低、密度低、失水低、切力低以及分散性高等，同時(shí)能夠經(jīng)對(duì)其加量進(jìn)行變更而實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的自由調(diào)節(jié)。LBM泥漿性能，見(jiàn)表1。

表1 LBM泥漿性能

結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及相關(guān)機(jī)理分析得出，LBM泥漿具備下述幾方面特征：

（1）LBM泥漿具備可觀的流變性能。選取3.0%LBM調(diào)配而成的泥漿，有著較小粘度比、動(dòng)塑比的特征。該特性可有效作用于縮減環(huán)空壓降，防止受泥漿粘稠影響造成太高的環(huán)空壓力波動(dòng)，避免壓垮、憋泵不穩(wěn)定地層，對(duì)孔壁起到保護(hù)的作用。同時(shí)，LBM泥漿可觀的流變性能，可確保泥漿保持紊流情形，進(jìn)一步有效避免、消除索取心鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢情況，積極促進(jìn)繩索取心鉆進(jìn)。

（2）LBM泥漿具備相對(duì)低的濾失量。倘若濾失量過(guò)高，一方面會(huì)使得水敏性不穩(wěn)定性地層出現(xiàn)分散、膨脹情況，引發(fā)坍塌、縮徑等孔內(nèi)隱患，一方面會(huì)對(duì)破碎不穩(wěn)定地層、松散不穩(wěn)定地層穩(wěn)定構(gòu)成負(fù)面影響。造成這一不良后果是因?yàn)槟酀{浸入至較深地層，不但會(huì)使得地層中礦物成分形成水化反應(yīng)，還會(huì)通過(guò)對(duì)地層進(jìn)行侵泡，極大縮減巖石的機(jī)械強(qiáng)度，再加上變動(dòng)壓力、地層壓力等因素制約便會(huì)引發(fā)孔壁坍塌。相較于PHP無(wú)固相沖洗液，LBM泥漿泥漿濾失量要低得多，這使得其能夠?qū)δ酀{中濾液或者自由水進(jìn)入地層空隙、節(jié)理等中進(jìn)行有效阻止，進(jìn)一步起到避免孔壁坍塌的作用，其護(hù)壁性能更客觀[3]。

（3）LBM泥漿具備相對(duì)強(qiáng)的造壁性能。通常情況下，造壁性指的是泥皮的強(qiáng)度、厚度及對(duì)地層的粘結(jié)特性。LBM泥漿中包含有聚合物成分，LBM獨(dú)特工藝技術(shù)及聚合物的低分子量，可促進(jìn)聚合物可以較細(xì)的狀態(tài)勻稱(chēng)散于泥漿之中，產(chǎn)生品質(zhì)佳的泥皮。相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，LBM泥漿有著相對(duì)薄的泥皮，通常厚度不超過(guò)0.3mm；有著良好的韌性，頻繁折疊，不破裂；對(duì)濾紙有著極強(qiáng)的附著力，確保不至于被水沖刷掉。該種特征可積極保持破碎不穩(wěn)定地層、松散不穩(wěn)定地層穩(wěn)定。

（4）LBM泥漿具備相對(duì)強(qiáng)的抑制性。泥漿具備較強(qiáng)的抑制性，有助于保持水敏性不穩(wěn)定地層孔壁穩(wěn)定。泥漿抑制性可經(jīng)坍塌試驗(yàn)、膨脹試樣來(lái)呈現(xiàn)。沖洗液抑制性能試驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 沖洗液抑制性能試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合表3可知，相較于PHP泥漿，LBM泥漿有著更強(qiáng)的抑制水平。在現(xiàn)場(chǎng)采取浸泡巖心手段開(kāi)展坍塌試驗(yàn)，效果同樣十分顯著。把礦層附近易破碎不穩(wěn)定地層巖心，選取常規(guī)泥漿浸泡8h就會(huì)崩解，選取PHP無(wú)固相沖洗液浸泡6d會(huì)發(fā)生破裂，而選取LBM泥漿浸泡15d依舊無(wú)顯著轉(zhuǎn)變。

5.沖洗液護(hù)壁效果

5.1PHP系列泥漿護(hù)壁效果

以山東某地區(qū)蝕變巖型金礦鉆探為例，地層以花崗巖為主，由于斷層構(gòu)造，巖石破碎、裂隙發(fā)育，一些地層存在嚴(yán)重漏失情形，為典型的復(fù)雜地層?，F(xiàn)階段，深孔復(fù)雜地層鉆探相對(duì)先進(jìn)的工藝技術(shù)為金剛石繩索取心鉆進(jìn)。為了避免鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，多選取PHP及相關(guān)復(fù)配型，好比PHP復(fù)配PVA、PHP復(fù)配KHm等無(wú)固相沖洗液開(kāi)展護(hù)壁[4]。

現(xiàn)場(chǎng)選取PHP：分子量在800～1200萬(wàn)之間，水解度為30.0%。PVA：醇解度為99.0%，溶解期間要將溫度提升至80～90℃。相關(guān)性能見(jiàn)表3。

表3 PHP、PHP復(fù)配PVA沖洗液性能

經(jīng)數(shù)年生產(chǎn)實(shí)踐得出，廣泛選取PHP系列無(wú)固相沖洗液后，于常規(guī)破碎地層鉆進(jìn)期間，大致可消除孔壁潤(rùn)滑、穩(wěn)定及避免內(nèi)壁結(jié)垢等問(wèn)題，獲取較滿(mǎn)意的使用效果，具體而言，有效改善了鉆進(jìn)效率及鉆探施工質(zhì)量，臺(tái)月效率均值由過(guò)去常規(guī)泥漿時(shí)342m提升至430m，提升幅度實(shí)現(xiàn)25.7%；孔內(nèi)隱患顯著縮減，孔內(nèi)事故由過(guò)去31.3%降低至20.5%；優(yōu)質(zhì)孔率有過(guò)去70.0～80.0%提升至90.0%之上[5]。這亦是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)巖心鉆探中依舊廣泛選取PHP系列泥漿的一大原因。然而就漏失、破碎嚴(yán)重的地層而言，該類(lèi)問(wèn)題長(zhǎng)時(shí)間來(lái)都未得到較好的處理，伴隨深部鉆探的推行，鉆孔不斷加深，完孔周期也變得越來(lái)越長(zhǎng)，此類(lèi)問(wèn)題亟待解決。

5.2LBM系列泥漿護(hù)壁效果

以山東某地區(qū)開(kāi)展深孔鉆探為例，一方面部分地層破碎嚴(yán)重，一方面大量鉆孔漏失嚴(yán)重，多次選用PHP泥漿、花生皮等開(kāi)展堵漏效果均不佳，泥漿完全漏失，不得已選取PHP復(fù)配PVA沖洗液鉆進(jìn)，鉆進(jìn)期間出現(xiàn)嚴(yán)重掉塊、坍塌情況，鉆進(jìn)效率不佳。就好比ZK136—4孔，期初選取PHP復(fù)配PVA無(wú)固相沖洗液，鉆進(jìn)至1009.6m地層出現(xiàn)嚴(yán)重破碎情況，鉆進(jìn)至1040.1m出現(xiàn)斷鉆事故，提鉆后發(fā)生孔壁坍塌，事故鉆具被掩埋，通過(guò)不斷掃孔處理1周后都無(wú)效，孔內(nèi)沉淀可達(dá)5～8m。之后，選取LBM泥漿沖孔，花費(fèi)26h排除沉淀物，對(duì)事故鉆具進(jìn)行處理完畢后，鉆進(jìn)字約1146.5m終孔，從未出現(xiàn)掉塊、坍塌情況[6]。實(shí)踐表明，面對(duì)漏失、破碎等嚴(yán)重不穩(wěn)定復(fù)雜地層，選取LBM泥漿作用于保持孔壁穩(wěn)定，避免坍塌，避免繩索取心鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢等有著顯著的效果。

6.結(jié)束語(yǔ)

總而言之，相較于PHP無(wú)固相沖洗液，LBM泥漿泥漿濾失量要低得多，這使得其能夠?qū)δ酀{中濾液或者自由水進(jìn)入地層空隙、節(jié)理等中進(jìn)行有效阻止，進(jìn)一步起到避免孔壁坍塌的作用，其護(hù)壁性能更客觀。實(shí)踐表明，面對(duì)漏失、破碎等嚴(yán)重不穩(wěn)定復(fù)雜地層，選取LBM泥漿作用于保持孔壁穩(wěn)定，避免坍塌，避免繩索取心鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢等有著顯著的效果。

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