潞安礦區(qū)煤系地層鉆井液漏失特征及堵漏對策研究

董寧波

(山西潞安金源煤層氣公司,山西 長治 046204)

進行鉆探工作時,鉆井液在地層中會有一定的消耗,需要及時補充,當遇到地質(zhì)構(gòu)造體或滲透率高的地層時,鉆井液就會大量漏失。由于野外作業(yè)用水困難,以水基泥漿為主的鉆井液不易補充,影響鉆探工作順利進行,因此根據(jù)地層條件合理選擇鉆井液可以減少鉆井液消耗量,提高鉆井作業(yè)效率。

1 地質(zhì)概況

潞安礦區(qū)區(qū)域地層由老至新有上元古界震旦系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系,中生界三迭系、新生界新近系、第四系,見表1.

目前在潞安礦區(qū)進行煤田地質(zhì)鉆探的主要目的層為石炭系C、二迭系P煤系地層,利用鉆探手段揭穿自奧陶系上部峰峰組O2f、石炭系C、二迭系P,中生界三迭系T、新生界第三系至第四系地層。

該段地層主要為砂巖、泥巖、石灰?guī)r等碎屑巖和碳酸鹽,呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu),巖體各向異性,強度變化大。該地層中石灰?guī)r、砂巖多為半堅硬或堅硬的巖類,具有一定的塑性和脆性,在圍巖應(yīng)力的作用下巖體裂隙發(fā)育,鉆開此類地層時容易發(fā)生孔內(nèi)掉塊卡鉆事故;泥巖、粉砂巖巖石抗壓強度低,多為軟巖或半堅硬巖,穩(wěn)定性較差,鉆開此類地層時容易發(fā)生鉆孔縮徑、超徑、坍塌等問題;在第四系黃土層中存在流沙層,在基巖上界面存在風化層,鉆開此類地層時容易發(fā)生鉆孔坍塌。上述地層鉆井液漏失往往會造成卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。

2 漏失原因分析及主要漏失層段特征

2.1 鉆井液漏失的一般地質(zhì)因素

在鉆探施工過程中,鉆井液的漏失跟地質(zhì)構(gòu)造體和地層巖石的巖性有密切關(guān)系,漏失地層又分為孔隙類地層、裂隙類地層、洞穴類地層、松散地層和水敏地層[1]。

在地質(zhì)構(gòu)造體、背斜軸部拉張應(yīng)力帶,或砂巖尤其是粗砂巖或中砂巖這些含水層中進行鉆探施工時會造成鉆井液的漏失。砂泥巖井漏的主要原因是砂巖孔隙壓力低、裂隙發(fā)育、滲透性強,在一定壓差作用下形成井漏[2]290-291。堅硬巖石構(gòu)成的地層在地應(yīng)力作用下易呈現(xiàn)脆性破壞,形成大量節(jié)理和裂隙,這些節(jié)理和裂隙由于填充差、固結(jié)差也會形成鉆井液漏失的通道。

2.2 地層特點

通過對潞安礦區(qū)煤田地質(zhì)鉆探施工過程中遇到的具有典型意義的漏失地層特征進行分析,得知造成漏失的地層主要有:

1) 新生界第三系、第四系地層的黃土層。該層段含有大量砂層、砂礫和垂直裂隙等,在黃土層段底部和基巖上部有基巖風化帶,該層段巖體松散破碎。

2) 中生界三迭系T、二迭系P的砂巖、砂泥巖互層段。該層段的砂巖是重要的含水層,砂巖滲透率高,砂巖和砂泥巖硬度高,發(fā)育有大量節(jié)理和裂隙等導水通道,是該地層主要的漏失層段。另外該層段的黏土質(zhì)泥巖有較強的吸水性,往往會因吸水溶脹等作用造成鉆孔縮徑、坍塌掉塊、孔內(nèi)卡鉆事故。

3) 石炭系C地層的石灰?guī)r層段。石灰?guī)r硬度大,往往裂隙發(fā)育,有些區(qū)域還有溶洞,是主要的漏失層段。

3 常見鉆井液的種類及漏失機理

3.1 目前常見的鉆井液(泥漿)種類

鉆井液種類有很多,按照鉆井液的分散體系分為:細分散泥漿、粗分散泥漿、泡沫泥漿、無粘土泥漿等;按照泥漿基質(zhì)可劃分為:油基泥漿、水基泥漿等。

我國煤田地質(zhì)勘探行業(yè)中廣泛使用的水基泥漿是以水為分散介質(zhì),使用膨潤土也就是黏土和水以及化學處理劑攪拌而成的具有一定粘度的液體。此種泥漿易于取得、配制成本低、沖洗孔底效果好。由于其基質(zhì)是水和黏土,所以冷卻鉆具能力強、比重低,有利于提高鉆進效率,但此種泥漿粘度小,不利于懸浮和攜帶巖屑,一旦停止循環(huán),泥漿中懸浮攜帶的巖屑、巖粉就會沉淀,造成埋鉆事故。在易坍塌地層,由于井壁穩(wěn)定性差,一般不宜使用無固相鉆井液體系[3]。

3.2 鉆井液漏失的機理

鉆井液漏失是鉆孔內(nèi)鉆井液柱壓力和循環(huán)壓力大于地層壓力的表現(xiàn),是孔內(nèi)液柱和鉆開地層壓力不平衡的結(jié)果。鉆井液在孔內(nèi)所產(chǎn)生的壓力主要取決于鉆井液的比重,它是孔內(nèi)漏失的主要因素之一。無論是自然漏失還是壓裂漏失,漏失壓力等于克服地層孔隙壓力或井壁應(yīng)力及巖石強度等產(chǎn)生的壓力與漏失工作液在漏失通道中流動時的壓力損耗之和[4]。防止漏失、涌水和維持孔壁的穩(wěn)定就要維持鉆孔、地層間的物理力平衡,而孔內(nèi)靜液柱壓力的大小和孔內(nèi)液柱的密度或比重以及液柱垂直高度有關(guān)。即:

P=ρgH

式中:P為靜液壓強,MPa;ρ為液體密度,g/cm3;g為重力加速度常數(shù);H為液柱的垂直高度,m.

孔內(nèi)鉆井液靜液柱壓強P與泥漿的密度成正比,可以通過調(diào)節(jié)泥漿的密度使P與孔內(nèi)地層壓力梯度Gp相適應(yīng),以達到鉆孔、地層間物理力的平衡。

鉆井液可以平衡鉆開地層與周圍圍巖的壓力差,泥漿液柱壓力對鉆孔井壁具有力學支撐作用。為了穩(wěn)定地層壓力,通常要求泥漿液柱壓力過平衡以提供有效徑向應(yīng)力支撐[5]。通常采用低密度(比重)鉆井液降低鉆井液柱對孔底的壓力,同時用降低空循環(huán)壓力的方式減少鉆井液的損失。從力學方面來講,當鉆井液密度大于地層破裂壓力當量密度或者小于地層坍塌壓力當量密度,井壁巖石就會失去平衡造成井壁的崩裂或者垮塌[6]。通過調(diào)整鉆井液比重,使之略微超過地層壓力,避免鉆井液液柱對孔壁形成壓裂作用,導致地層被壓開造成鉆井液漏失。因此采用低比重鉆井液是預(yù)防漏失和保護孔壁的有效方法。

目前最常用的保護孔壁的措施是采用優(yōu)質(zhì)鉆井液體系。提高鉆井液的封堵能力,優(yōu)化鉆井液的流變性能,形成質(zhì)量優(yōu)良的濾餅,達到穩(wěn)定破碎地層井壁的目的[7]。在實際運用中,一般選用清水、無粘土相、低固相泥漿做鉆井液,或在鉆井液中加入聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素、氫氧化鈉等處理劑,調(diào)制成低固相鉆井液。實踐證明,加入化學處理劑是調(diào)節(jié)鉆井液比重最有效的途徑。

4 鉆井液的堵漏對策

潞安礦區(qū)鉆井液漏失層段主要是在煤系地層,也就是二疊系P下統(tǒng)山西組和石炭系C太原組地層,埋深在500～800 m,山西組地層多砂巖、砂泥巖互層,此類地層滲透率較高,砂巖中往往發(fā)育有裂隙。太原組發(fā)育有5～6層石灰?guī)r,灰?guī)r層中多裂隙,因此在該段含煤地層鉆井施工時,鉆井液在該層段鉆孔內(nèi)液柱靜壓力達到5～8 MPa,在鉆井液液柱壓力作用下,巖層中的裂隙被壓開造成滲漏。因此降低鉆井液比重,減小孔內(nèi)液柱壓力可在一定程度上減少鉆孔內(nèi)鉆井液的漏失。鉆進非煤地層普遍采用常規(guī)膨潤土鉆井液或低固相鉆井液,以預(yù)防井壁坍塌、縮頸,同時獲得較高機械鉆速[8]。

在實際應(yīng)用中,為了提高鉆速,盡量選用清水作鉆井液,利用地層中的粘土層或粘土質(zhì)泥巖自然造漿。若用配制泥漿時,其粘度和密度值宜小不宜大,盡量采用低固相不分散泥漿[2]143-145。通常采用添加化學藥劑的方法調(diào)整泥漿的粘度與動切力,提高泥漿的粘性既可以提高砂巖等高滲透率地層的防漏失作用,也能增強鉆井液攜帶巖屑泥沙的能力。由于固相質(zhì)量具有極低的分數(shù),促使鉆井液性能十分穩(wěn)定,維護也非常簡單,有效節(jié)省了鉆井液材料成本[9]。

鉆井作業(yè)現(xiàn)場配置低固相鉆井液的常見方法:在鉆場開挖2.5 m×2.5 m×2.0 m的造漿池,底圍用塑料封閉,選擇鈉基膨潤土配漿,按質(zhì)量百分比為4%～5%進行配制,即1 t水中加入40～50 kg膨潤土,再加入膨潤土重量1%的碳酸鈉(碳酸鈉的加量為400～500 g);將膨潤土、水和碳酸鈉放入造漿池,用攪拌機攪拌均勻,浸泡24 h以上,再對泥漿進行化學處理。分別將聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素(CMC)、氫氧化鈉和水按質(zhì)量比1∶100、1∶100、1∶20進行水解,其中聚丙烯酰胺水溶液應(yīng)加熱助溶。將上述溶液加入鉆井液中并攪拌均勻。配置好的鉆井液技術(shù)指標參考值: pH 為8～9,比重<1.04,漏斗粘度為15～20 s,膠體率為100%,失水量<0.6 mL/ min,泥皮厚度≤1.0 mm,含砂率<0.5%.

當鉆進過程中遇到的砂巖或石灰?guī)r中發(fā)育較大裂隙,鉆井液漏失嚴重時,可考慮直接使用水泥泥漿進行封堵。水泥泥漿具有粘滯性,流動阻力大,不易被稀釋,封堵范圍大,堵漏成功率很高[10-11]。增加鉆井液中含有的固相材料可以減少孔隙裂隙地層漏失斷面或完全隔離漏失通道,通常采用提高泥漿固相物質(zhì)含量的方式,用惰性材料,如鋸末、稻殼等充填漏失斷面的方式實現(xiàn)鉆井液與漏失地層的隔離。

5 應(yīng)用案例

以潞安礦區(qū)為例,在鉆開二疊系P下統(tǒng)山西組地層時出現(xiàn)了鉆孔全漏不返水的情況,此時孔深為570 m,該段地層多為砂巖和砂泥巖互層,參考該鉆孔的水文記錄和鉆井液消耗記錄可知,該段地層鉆進過程中鉆井液消耗較大,達到了2.51 m3/h,比正常砂巖、砂泥巖互層段消耗量(0.1～0.5 m3/h)明顯增多。由此判斷,該段地層砂巖中發(fā)育大量節(jié)理和裂隙,孔內(nèi)570 m的鉆井液液柱在孔底形成的壓強達到了6 MPa,導致上述原生節(jié)理和裂隙被壓開,形成導水通道,成為鉆井液漏失的主要原因。

經(jīng)測定,鉆井液比重為1.30,漏斗粘度為15.0 s,含砂率8.2%,鉆井液的比重偏大,含沙量高,應(yīng)調(diào)低鉆井液比重?？紤]到調(diào)低比重后懸浮巖屑能力下降,容易造成埋鉆事故,因此需利用化學處理劑提升鉆井液的粘度和動切力等指標,提升鉆井液攜砂能力,同時較大的粘度也能改善對細小節(jié)理裂隙的封堵性能。

按照該思路分4次調(diào)整鉆井液指標,調(diào)整后恢復鉆進,通過測量泥漿池內(nèi)鉆井液消耗情況,該段地層漏失情況明顯好轉(zhuǎn),消耗量穩(wěn)定在0.4 m3/h左右,下降了83%,鉆進過程中巖屑能正常上返。實踐表明,通過調(diào)低鉆井液比重,增加粘度和動切力的方式成功實現(xiàn)了堵漏。

6 結(jié) 語

在潞安礦區(qū)鉆井施工中,盡量選用低比重鉆井液,也就是低固相泥漿,減少鉆井液中含沙量等固相含量。通過調(diào)整鉆井液比重,平衡鉆孔內(nèi)的地層壓力,可以減小鉆孔內(nèi)孔壁受力,降低泥漿循環(huán)時的孔內(nèi)壓力與地層之間的壓力差,使鉆井液柱壓力與鉆開地層壓力相匹配,降低鉆孔內(nèi)的鉆井液柱壓力對孔壁巖體的壓裂作用,從而減少鉆井液漏失。

實踐證明,通過調(diào)整鉆井液比重和粘度,鉆井液漏失量下降了83%,減少了造漿材料的消耗,提高了鉆進效率。