軟泥巖地層鉆進(jìn)技術(shù)研究

管強(qiáng)盛

文章編號(hào)：2095-6835（2016）13-0120-02

摘 要：由于軟泥巖具有強(qiáng)度低、水化膨脹性強(qiáng)、環(huán)境敏感性強(qiáng)的特性，因此，在該地層鉆進(jìn)時(shí)，極易出現(xiàn)鉆孔縮徑、坍塌等孔內(nèi)事故，而且也很難維護(hù)鉆井液的性能。針對(duì)軟泥巖地層鉆進(jìn)難的問題，通過查閱多種資料，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)軟泥巖地層鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了初步研究，從鉆井液和鉆進(jìn)工藝技術(shù)等方面提出了相應(yīng)的解決措施。

關(guān)鍵詞：軟泥巖；塑性蠕變；鉆井液；鉆進(jìn)工藝

中圖分類號(hào)：P634.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.120

通常，我們將具有塑性蠕變特性的泥巖稱為“軟泥巖”。影響軟泥巖蠕變速率的主要因素有地應(yīng)力大小、鉆井液類型和密度、施工時(shí)間長(zhǎng)短等。軟泥巖具有強(qiáng)度低、水化膨脹性強(qiáng)、環(huán)境敏感性強(qiáng)等基本特性。軟泥巖的這些特性使得在其地層中鉆進(jìn)變得特別復(fù)雜和困難，極易出現(xiàn)鉆孔縮徑、坍塌、卡鉆等孔內(nèi)事故。

1 軟泥巖地層鉆進(jìn)時(shí)存在的主要問題

由于軟泥巖具有蠕變特性，因此在鉆進(jìn)過程中會(huì)給鉆井液維護(hù)、孔壁穩(wěn)定帶來各種問題。

1.1 鉆井液流變性控制難

軟泥巖地層的黏土含量高，水化分散能力強(qiáng)，其高水化分散的特性使鉆井液的流變性難于控制。在鉆進(jìn)過程中，隨著軟泥巖中黏土成分的水化分散，鉆井液的黏度和切力不斷增加。過高的黏度和切力會(huì)對(duì)鉆井液的流動(dòng)性和凈化工作帶來極大的影響。同時(shí)，高固相和高切力的鉆井液會(huì)造成泥餅質(zhì)量差，泥餅虛厚，鉆井液濾失量大，濾失量難于控制。

1.2 鉆井液固相含量高

軟泥巖的水化分散性使井眼內(nèi)的泥質(zhì)和固相含量大增。一方面，高固相含量會(huì)使泥餅質(zhì)量變差，使鉆井液濾失量增加。鉆井液濾失量的增加又加速了黏土的水化，從而形成一種水化、濾失的惡性循環(huán)。隨著濾失量的增加，泥餅不斷加厚，造成起下鉆阻力增大，甚至出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。另一方面，固相含量的增加，特別是亞微米顆粒固相的增加，將會(huì)給鉆進(jìn)速度帶來很大的影響。

1.3 鉆孔縮徑或坍塌

軟泥巖所具有的蠕變性使得其在上覆巖層的作用下緩慢流動(dòng)而使井眼失穩(wěn)。這時(shí)，井眼會(huì)出現(xiàn)縮徑或坍塌現(xiàn)象。同時(shí)，黏土顆粒的水化引起孔壁巖石剝落，也會(huì)導(dǎo)致鉆孔縮徑或坍塌現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1.4 形成鉆頭泥包

軟泥巖水化還容易使大量泥質(zhì)固相吸附于鉆頭表面，形成鉆頭泥包，造成鉆頭泥包卡鉆。

2 軟泥巖鉆進(jìn)技術(shù)研究

針對(duì)軟泥巖的特性及其在鉆進(jìn)中存在的問題，本文主要從鉆井液和鉆進(jìn)工藝技術(shù)兩方面對(duì)軟泥巖地層鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究。

2.1 鉆井液工藝技術(shù)

2.1.1 鉆井液體系的選擇

在軟泥巖地層鉆進(jìn)時(shí)，首先要選擇鉆井液體系，要求鉆井液具有強(qiáng)抑制性和高固相容限。室內(nèi)研究認(rèn)為，適合于大段活性軟泥巖地層鉆進(jìn)的鉆井液應(yīng)具有以下特性：①較強(qiáng)的包被抑制性。抑制軟泥巖的水化分散是軟泥巖鉆井液技術(shù)的重點(diǎn)所在。②較高的固相容限。較高的固相容限不僅可以使鉆井液具有較好的抗固相污染能力，還可以減少鉆井液固相控制處理的工作量。③良好的攜砂能力。鉆井液良好的攜砂能力能夠有效將鉆屑帶到地面，以免因鉆屑在鉆井液中停留的時(shí)間過長(zhǎng)而消耗處理劑和增加鉆井液固相含量。④潤(rùn)滑性。在鉆井施工中，由于軟泥巖地層的黏彈性很強(qiáng)，鉆屑極易黏附在鉆頭、扶正器、鉆桿接箍處，形成“泥包”，引發(fā)卡鉆。因此，在鉆進(jìn)中，要加入足量的潤(rùn)滑劑和防泥包劑。⑤軟抑制。這是鉆井液設(shè)計(jì)的一種新思路。傳統(tǒng)無機(jī)鹽抑制的方式雖然能有效地抑制地層的水化膨脹，但會(huì)造成近井壁帶硬化（硬抑制），給起下鉆帶來一系列問題。室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，通過采用軟抑制，即將研究合成的具有適度分子量和高的正電荷的有機(jī)物作為抑制劑，通過正電荷壓縮雙電層抑制黏土水化膨脹，使近井壁地層不至于變硬。

2.1.2 鉆井液維護(hù)

合理的鉆井液維護(hù)能使鉆井液發(fā)揮其應(yīng)有的性能。這對(duì)于保證軟泥巖地層的正常鉆進(jìn)有著重要的作用。鉆井液維護(hù)要從鉆井液配制開始，并貫穿鉆井液使用的整個(gè)過程中。

2.1.2.1 維持鉆井液的膠體穩(wěn)點(diǎn)

鉆井液膠體的穩(wěn)定性是其抑制黏土水化分散的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)時(shí)刻保持足夠的護(hù)膠劑。良好的鉆井液膠體穩(wěn)定性還能實(shí)現(xiàn)鉆井液的分散—抑制平衡，即鉆井液中黏土顆粒的水化分散與鉆井液對(duì)黏土顆粒的包被抑制達(dá)到平衡，從而保持鉆井液坂土含量的穩(wěn)定。

2.1.2.2 控制鉆井液的坂土含量

軟泥巖地層水化分散能力極強(qiáng)，容易導(dǎo)致鉆井液坂土含量過高。過高的坂土含量會(huì)造成鉆井液流變性難于控制、鉆井液濾失量大和部分處理劑難以發(fā)揮作用等問題。通常，坂土含量應(yīng)控制在3%以下。控制鉆井液的坂土含量主要從以下3方面入手：①采取合理、有效的固控措施；②加入適當(dāng)?shù)陌灰种苿?，使鉆井液中的細(xì)小顆粒沉淀到底部；③加水稀釋。

2.1.2.3 保證適當(dāng)?shù)你@井液密度

由于軟泥巖地層具有易蠕變的特性，因此，為了防止因孔壁失穩(wěn)而出現(xiàn)蠕動(dòng)變形，應(yīng)盡量通過調(diào)整鉆井液密度來平衡地層壓力或減少因地層壓力而引起的鉆孔縮徑。

2.1.2.4 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)

加強(qiáng)對(duì)鉆井液性能的監(jiān)測(cè)，隨時(shí)掌握鉆井液在鉆進(jìn)軟泥巖地層時(shí)的性能變化，及時(shí)調(diào)整鉆井液性能，使其滿足鉆進(jìn)要求。

2.1.3 適用于軟泥巖地層鉆進(jìn)的鉆井液技術(shù)

2.1.3.1 運(yùn)用多聚物復(fù)合鹽欠飽和鉆井液體系

該鉆井液體系的應(yīng)用重點(diǎn)在于增強(qiáng)鉆井液的膠體穩(wěn)定性，提高鉆井液的抗黏土侵蝕能力，增強(qiáng)體系的抑制性。典型的鉆井液體系是在欠飽和鹽水體系的基礎(chǔ)上，加入FA367、PAM、XY-27等聚合物，并保持鉆井液的pH值在7～8之間。該體系克服了因軟泥巖高度水化分散帶來的污染問題。

2.1.3.2 采用鉀石灰聚磺鉆井液體系

鉀石灰聚磺鉆井液中的Ca2+通過Na+/Ca2+交換，將鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土。鈣土水化能力弱，分散度低，因此轉(zhuǎn)化后體系分散度明顯下降。同時(shí)，鉀石灰聚磺鉆井液本身也是一種無機(jī)絮凝劑，會(huì)壓縮黏土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層，使水化膜變薄，ζ電位下降，從而引起黏土晶片面與面、端與面聚結(jié)，造成黏土顆粒分散度下降。另外，在鉀石灰聚磺鉆井液加入了抑制黏土分散的鉀，它能進(jìn)人黏土晶層間，靠靜電作用吸引晶層，抑制黏土和頁(yè)巖的水化膨脹作用，提升井眼的穩(wěn)定性。鉀石灰聚磺鉆井液具有非常好的穩(wěn)定性，長(zhǎng)時(shí)間靜置后性能無大的變化，可以改善泥餅質(zhì)量。在配制時(shí)，鉀鹽鉆井液對(duì)基漿的膨潤(rùn)土較敏感，膨潤(rùn)土含量較高時(shí)性能很難控制，因此在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化前，應(yīng)由化驗(yàn)室在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出定量方案，依據(jù)與地層礦物及地層水的配伍性優(yōu)選出一些處理劑。

2.2 鉆進(jìn)工藝技術(shù)

2.2.1 鉆頭和鉆進(jìn)參數(shù)的正確選擇

軟泥巖地層強(qiáng)度低，壓入硬度小，可在小的軸向壓力下切入巖石。當(dāng)切入深度較大時(shí)，巖屑的顆粒也較大，但容易分散成小粒，鉆速很快，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的巖份量大，要求鉆頭易于排粉。該類地層黏結(jié)性較大，容易出現(xiàn)糊鉆或遇水膨脹等問題，因此需要大的環(huán)空間隙。在該地層中鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)選用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，并且要適當(dāng)加大鉆頭的出刃和水口。當(dāng)需要取心時(shí)，最好選擇帶肋骨的鉆頭鉆進(jìn)。綜合考慮軟泥巖的可鉆性和水化分散性，應(yīng)取低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大泵量的參數(shù)配合。

2.2.2 合適的鉆具組合

軟泥巖地層具有蠕變特性，且鉆具在旋轉(zhuǎn)過程中與孔壁產(chǎn)生的黏滯力較強(qiáng)，因此，在軟泥巖地層鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化鉆具組合，避免鉆具連接時(shí)出現(xiàn)過多的臺(tái)階，降低起下鉆摩阻和卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。另外，有條件的施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)盡量帶上震擊器和安全接手，以減少卡鉆事故發(fā)生時(shí)帶來的影響。

2.2.3 短起下鉆作業(yè)和起下鉆劃眼

軟泥巖層的短起下鉆作業(yè)特別重要，不僅有利于及時(shí)修正鉆孔，破壞因蠕動(dòng)向孔內(nèi)移動(dòng)的軟泥巖以及不斷增厚的泥皮，還能防止鉆具在孔內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停留而與孔壁間產(chǎn)生過大的年滯力，保證鉆進(jìn)和起下鉆的順利進(jìn)行。

起下鉆過程中的劃眼能有效降低因孔壁變形帶來的起下鉆摩阻和卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

通過論述，我們可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：①軟泥巖地層具有一定的特殊性，在該類地層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)從鉆進(jìn)液和鉆進(jìn)工藝技術(shù)等方面入手采取有針對(duì)性的措施，多管齊下，協(xié)同進(jìn)行，以期取得更好的鉆進(jìn)效果。②在選擇鉆進(jìn)液時(shí)，應(yīng)充分考慮軟泥巖地層本身的特性和鉆進(jìn)過程中容易出現(xiàn)的問題，選擇具有強(qiáng)抑制性、高固相容限和潤(rùn)滑性能好的鉆井液體系。③在使用鉆井液的過程中，要勤監(jiān)測(cè)、勤調(diào)整，隨時(shí)掌握鉆井液的性能變化情況，始終保持鉆井液的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。④在鉆進(jìn)工藝技術(shù)方面，要選擇適合軟泥巖地層鉆進(jìn)的鉆頭，并適當(dāng)增大鉆頭出刃和水口；在鉆具組合方面，要盡量簡(jiǎn)化鉆具結(jié)構(gòu)；在鉆進(jìn)參數(shù)的選擇上，要遵循“低鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大泵量”的原則；注意短起下鉆和起下鉆劃眼。

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〔編輯：劉曉芳〕