復(fù)雜地層鉆井液技術(shù)應(yīng)用

1、復(fù)雜地層鉆井液技術(shù)應(yīng)用復(fù)雜地層鉆井液技術(shù)應(yīng)用 一、孔壁失穩(wěn)原因一、孔壁失穩(wěn)原因二、復(fù)雜地層分類二、復(fù)雜地層分類三、復(fù)雜地層沖洗液技術(shù)三、復(fù)雜地層沖洗液技術(shù)四、復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)沖洗液四、復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)沖洗液 一、孔壁失穩(wěn)原因一、孔壁失穩(wěn)原因 孔壁穩(wěn)定性是指孔壁保持其原始狀態(tài)的孔壁穩(wěn)定性是指孔壁保持其原始狀態(tài)的能力。若能保持稱孔壁穩(wěn)定，若不能保持則能力。若能保持稱孔壁穩(wěn)定，若不能保持則稱孔壁不穩(wěn)。失穩(wěn)原因主要包括三個(gè)方面：稱孔壁不穩(wěn)。失穩(wěn)原因主要包括三個(gè)方面： 1、地質(zhì)因素、地質(zhì)因素 2、工程因素、工程因素 3、物理化學(xué)因素、物理化學(xué)因素 1、地質(zhì)因素、地質(zhì)因素 上覆地層壓力，成巖及構(gòu)造

2、運(yùn)動(dòng)中高壓地層壓力釋放、高構(gòu)造應(yīng)力地層應(yīng)力釋放，孔隙壓力；巖石組分及巖性；巖石層理結(jié)構(gòu)；地層完整程度等是造成孔壁不穩(wěn)定的內(nèi)在因素。 2、工程因素、工程因素 起下鉆過程中鉆頭對(duì)孔壁的碰撞；沖洗液對(duì)孔壁的沖蝕；提鉆不灌漿，孔內(nèi)液柱大幅下降；以及起下鉆時(shí)的壓力波動(dòng)。 3、物理化學(xué)因素、物理化學(xué)因素 1）泥頁(yè)巖地層水化，造成孔壁地層變化。泥頁(yè)巖包括蒙脫石、伊利石、高岺石等，蒙脫石遇水產(chǎn)生滲透水化，導(dǎo)致膨脹縮徑、分散造漿；伊利石遇水產(chǎn)生毛細(xì)管水化，導(dǎo)致井壁崩塌。兩種巖石經(jīng)常以混層存在，對(duì)井壁危害更大。 2）水溶性巖層遇水溶解，造成孔壁擴(kuò)大和坍塌，或者對(duì)鉆井液造成離子污染，破壞沖洗液性能，失去護(hù)孔作用。

3、3）沖洗液對(duì)地層的浸泡造成機(jī)械強(qiáng)度下降，對(duì)松散、破碎地層孔壁的穩(wěn)定影響很大。 二、二、 復(fù)復(fù) 雜雜 地地 層層 分分 類類 1、石油系統(tǒng)分類、石油系統(tǒng)分類 2、安徽地礦局分類、安徽地礦局分類 表表1 復(fù)雜地層綜合分類表（石油系統(tǒng)）復(fù)雜地層綜合分類表（石油系統(tǒng)）地層分類成因類型典型地層復(fù)雜情況各種鹽類地層水溶性地層 鹽巖、鉀鹽、光鹵石、芒硝、天然堿、石膏鉆孔超徑、縮徑，污染泥漿，孔壁掉塊，坍塌各種粘土、泥巖、頁(yè)巖水敏性地層（溶脹分散地層、水化剝落地層）松散粘土層、各種泥巖、軟頁(yè)巖，有裂隙的硬頁(yè)巖，粘土膠結(jié)及水溶礦物膠結(jié)的地層膨脹縮徑，泥漿增稠，鉆頭泥包，粘附卡鉆、孔壁表面剝落，崩解垮塌超徑流砂、

4、砂礫、松散破碎地層松散的孔隙性地層，風(fēng)化裂隙發(fā)育地層，未膠結(jié)的構(gòu)造破碎帶流砂層，砂礫石層，基巖風(fēng)化層，斷層破碎帶漏水，涌砂，孔壁垮塌，鉆孔超徑裂隙地層構(gòu)造裂隙地層，成巖裂隙地層節(jié)理、斷層發(fā)育地層漏水，涌水，掉塊，坍塌巖溶地層溶隙地層溶隙、溶洞發(fā)育地層（石膏，石灰?guī)r，白云巖，大理巖）漏水，涌水，坍塌高壓油、氣、水地層封閉的儲(chǔ)油、氣、水的孔隙型地層，裂隙及溶隙地層儲(chǔ)油、氣、水的背斜構(gòu)造，逆掩斷層的封閉構(gòu)造井噴及其帶來的一切不良后果高溫地層巖漿活動(dòng)帶與放射性礦物有關(guān)地層地?zé)峋⒊罹龅降牡貙幽酀{處理劑失效，地層不穩(wěn)定，H2S造成危害 2、巖心鉆探中泥頁(yè)巖是重要問題，但變質(zhì)、巖心鉆探中泥頁(yè)巖是重要

5、問題，但變質(zhì)巖、斷層帶、蝕變帶及硬脆碎等復(fù)雜情況，更為巖、斷層帶、蝕變帶及硬脆碎等復(fù)雜情況，更為頻繁和突出，石膏、高嶺土、煤層既要護(hù)壁，還頻繁和突出，石膏、高嶺土、煤層既要護(hù)壁，還要取心，對(duì)孔壁穩(wěn)定都產(chǎn)生影響。要取心，對(duì)孔壁穩(wěn)定都產(chǎn)生影響。 安徽地礦局將不穩(wěn)定巖層分類如下：安徽地礦局將不穩(wěn)定巖層分類如下： 1）松散不穩(wěn)定地層。如粉砂、流砂、風(fēng)化）松散不穩(wěn)定地層。如粉砂、流砂、風(fēng)化層。層。 2）破碎不穩(wěn)定地層。如破碎閃長(zhǎng)巖、石英）破碎不穩(wěn)定地層。如破碎閃長(zhǎng)巖、石英角礫巖、斷層破碎帶等硬、脆、碎地層。角礫巖、斷層破碎帶等硬、脆、碎地層。 3）水敏不穩(wěn)定地層。細(xì)分為：）水敏不穩(wěn)定地層。細(xì)分為： 吸水

6、膨脹地層，如以蒙脫石為主的泥頁(yè)巖。吸水膨脹地層，如以蒙脫石為主的泥頁(yè)巖。 吸水分散地層，如蝕變凝灰?guī)r、蝕變粗安吸水分散地層，如蝕變凝灰?guī)r、蝕變粗安斑巖、高嶺土化、絹云母化巖石、泥質(zhì)砂巖等。斑巖、高嶺土化、絹云母化巖石、泥質(zhì)砂巖等。 吸水剝落地層，如泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、吸水剝落地層，如泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)頁(yè)巖、片巖、石英石墨片巖。片巖、石英石墨片巖。 水溶不穩(wěn)定地層。巖鹽、天然堿、芒硝、水溶不穩(wěn)定地層。巖鹽、天然堿、芒硝、石膏和含易溶硫化物礦層。石膏和含易溶硫化物礦層。 1、壓力地層、壓力地層采取壓力平衡鉆進(jìn)技術(shù)采取壓力平衡鉆進(jìn)技術(shù)地層深處的巖石受到上覆巖層壓力、水平地應(yīng)力及孔隙壓力的作用，在鉆孔未鉆

7、開前處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。鉆開以后，破壞了原有的平衡，應(yīng)力重新分布。如果孔壁所受應(yīng)力超過巖石強(qiáng)度，就會(huì)破壞，孔壁失穩(wěn)，造成縮徑、坍塌，或破裂、壓裂。鉆進(jìn)過程中鉆井液流的沖刷和動(dòng)壓加劇了孔壁的不穩(wěn)定。 壓力平衡鉆進(jìn)是應(yīng)用鉆井液流變學(xué)和水力學(xué)原理，在鉆進(jìn)過程中，使鉆孔環(huán)空外壓力始終等于或接近等于地層孔隙壓力而又不超過地層壓裂（壓漏）壓力極限，使之保持一定的平衡關(guān)系。這樣就可能保持孔壁穩(wěn)定，來獲得最大鉆進(jìn)速度。 壓力平衡鉆進(jìn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式： PfracPwPf Pfrac、Pw、Pf-分別代表地層壓裂壓力、環(huán)空外壓力和地層孔隙壓力。 壓力平衡鉆進(jìn)通過調(diào)節(jié)泥漿密度來實(shí)現(xiàn)。 古老頁(yè)巖地層、塑性較強(qiáng)粘土層快速縮

8、徑，孔內(nèi)涌水，或非破碎帶地層坍塌，可能是由于沖洗液液柱壓力低于圍巖應(yīng)力或地層孔隙壓力，需要對(duì)原漿加重。 加重劑材料可選石灰石、重晶石和鐵礦石等，加重劑重量： V0循環(huán)系統(tǒng)泥漿總體積；1原漿密度；2加重后泥漿密度；3加重劑密度（重晶石4.2，石灰石2. 7，鐵礦粉4.95.3）。 泥漿加重前應(yīng)首先調(diào)節(jié)流變性能，確定其有足夠的承載能力。 應(yīng)注意的問題： 1、由于地層壓力造成的縮徑往往被當(dāng)作水敏性地層來處理，如古老的頁(yè)巖地層、塑性較強(qiáng)的粘土層及巖膏層的塑性蠕變等； 2、泥漿加重前首先要調(diào)整泥漿的流變性能，確保泥漿對(duì)加重材料具有足夠的懸浮能力； 3、在問題孔段沒有徹底封隔前，需要保持泥漿的比重。 地層

9、孔隙壓力低，如漏失地層可采用低比重泥漿，如沖氣泥漿或可循環(huán)微泡沫泥漿等。 2、松散不穩(wěn)定地層、松散不穩(wěn)定地層采用細(xì)分散泥漿采用細(xì)分散泥漿 解決問題的關(guān)鍵是增加孔壁顆粒之間的膠結(jié)力。粘性較大的泥漿適當(dāng)滲入井壁地層中，可以明顯增強(qiáng)砂、礫之間的膠結(jié)力，以此使井壁的穩(wěn)定性增強(qiáng)。提高泥漿粘度，主要通過使用細(xì)分散泥漿、增加泥漿中的粘土含量、加入有機(jī)或無機(jī)增粘劑等措施來實(shí)現(xiàn)。其組成除粘土、Na2CO3和水外，為了滿足需要，往往加有提粘劑、降失水劑和稀釋劑。常用體系如Na-CMC（鈉羧甲基纖維素）泥漿，膨潤(rùn)土加量為820，泥漿比重1.051.20，粘度2540s，濾失量15ml。 滲透性好、膠結(jié)性差的地層在泥

10、漿中加入滲透性好、膠結(jié)性差的地層在泥漿中加入纖維狀材料或隨鉆堵漏劑，防塌效果更好。纖維狀材料或隨鉆堵漏劑，防塌效果更好。 對(duì)于砂層也可使用硅酸鹽泥漿。采用模數(shù)對(duì)于砂層也可使用硅酸鹽泥漿。采用模數(shù)比比2.53的硅酸鈉，加量的硅酸鈉，加量2左右，左右，PH值值12以上，以上，維持較低的膨潤(rùn)土含量。維持較低的膨潤(rùn)土含量。 3、泥頁(yè)巖地層、泥頁(yè)巖地層采用抑制性沖洗液采用抑制性沖洗液泥頁(yè)巖地層即為水敏性地層，主要表現(xiàn)為縮徑、造漿、分散，易引起粘附卡鉆、鉆頭泥包、孔壁坍塌等。以蒙托石為主的泥頁(yè)巖，采用高抑制性泥漿體系。主要措施：盡可能降低泥漿的濾失量，避免大量自由水進(jìn)入地層；向沖洗液中加入K+或NH4+等

11、，提高沖洗液的抑制性能；利用高分子聚合物的吸附、交聯(lián)及包被作用；加入瀝青類產(chǎn)品，對(duì)孔壁上的毛細(xì)管通道具有封堵作用。 1) 聚合物無固相沖洗液。聚合物的包被作用。水溶性高聚物吸附在巖層表面，形成高分子吸附膜，包被巖層，同時(shí)封閉其微裂隙及層理，增強(qiáng)膠結(jié)強(qiáng)度。無固相鉆井液配方：水廣譜護(hù)壁劑（GSP）。 表表2 PHP-GSP沖洗液性能沖洗液性能 2) 鉀基沖洗液。含有KCl、KOH或KHm、KPAM等處理劑的鉆井液，K+有兩種作用，一是離子交換，K+離子進(jìn)入蒙脫石晶層中，形成伊利石結(jié)構(gòu)；二是晶格固定，K+離子直徑與粘土六方晶格大小相符，離子交換后嵌入六方晶格，起封閉作用。NH4+有類似作用。控制蒙托

12、石地層，K+含量應(yīng)大于20000ppm。 參考配方：1m3水 +30Kg鈉膨潤(rùn)土40Kg氯化鉀5Kg抗鹽共聚物2+10Kg改性瀝青。 鉀基泥漿性能 3) 成膜鉆井液體系 34膨潤(rùn)土2成膜劑0.2快鉆劑 4）破碎不穩(wěn)定地層，要求泥漿造壁性能好。實(shí)踐證明，采用LBM泥漿體系具有良好的效果，破碎比較嚴(yán)重、較松散地層加入適量的防塌型隨鉆堵漏劑。 泥漿配方：水 表5 LBM1泥漿性能 5）水溶性地層采用鹽水泥漿 溶蝕性地層以氯化鈉鹽層最為典型，其他還有鉀鹽、石膏、芒硝、天然堿等。 鹽膏層埋深從幾十米到幾千米不等，厚度從幾米到兩千米不等。一般認(rèn)為，單層厚度超過2m就是厚鹽膏層，厚度超過50m就是中厚鹽膏層

13、，厚度超過100m就是特厚鹽膏層，厚度超過200m就是巨厚鹽膏層。 鹽膏層（含鹽水層）鉆進(jìn)主要表現(xiàn)： 鉆時(shí)加快； 泥漿粘度下降，濾失量增大，Cl-含量升高，pH值降低； 鉆鹽水層時(shí)，井口外溢，泥漿池液面上升； 鉆巖鹽層時(shí)，鉆具扭矩增大，蹩卡嚴(yán)重。 鹽膏層鉆井孔內(nèi)復(fù)雜情況及事故形態(tài)可以用“溶、縮、塌、脹、漏、卡、噴、損”八個(gè)字來形容。從起因看，可歸結(jié)五個(gè)方面問題：巖鹽層的塑性變形和蠕變流動(dòng)問題；鹽膏層中所含石膏層和鈣芒硝的膨脹問題；鉆穿鹽膏層特別是復(fù)合鹽膏層時(shí)，鹽的溶解、過飽和與重結(jié)晶問題；大段巖鹽下部泥頁(yè)巖引起的復(fù)雜問題；鹽膏層覆蓋下的異常壓力帶問題。 水溶性地層鉆進(jìn)，主要從兩方面入手解決：一

14、是降失水；二是降低沖洗液對(duì)地層的溶蝕性，在泥漿中加入與地層被溶物相同的材料，有效抑制其溶解。三是在必要時(shí)采用較高比重泥漿；四是加強(qiáng)劃眼和擴(kuò)眼 。 該類地層鉆進(jìn)主要采用飽和鹽水泥漿（或欠飽和鹽水泥漿，CI含量在150000180000ppm）。 泥漿維護(hù)時(shí)應(yīng)注意保持泥漿比重和CI濃度。 鹽水泥漿流變性能、失水量難以控制，需選用抗鹽泥漿處理劑。 鹽水泥漿的配制有兩種情況：一是先用淡水配制泥漿，然后加鹽轉(zhuǎn)化為鹽水泥漿，相當(dāng)于鹽侵后泥漿的處理；二是直接用咸水或海水配制泥漿。 3）海水泥漿）海水泥漿 無固相海水泥漿：無固相海水泥漿：1m3海水海水10Kg抗鹽共聚物抗鹽共聚物-3 低固相海水泥漿：低固相海

15、水泥漿：1m3海水海水3040Kg鈉膨潤(rùn)土鈉膨潤(rùn)土5Kg抗鹽共聚物抗鹽共聚物-3五、復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)沖洗液五、復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)沖洗液 1、繩索取心鉆進(jìn)存在的突出問題、繩索取心鉆進(jìn)存在的突出問題 繩索取心鉆進(jìn)的主要特點(diǎn)是內(nèi)巖心管能自由地從鉆桿內(nèi)投放孔底，取心時(shí)不提出鉆桿，用鋼繩打撈器把內(nèi)管打撈上來。為此鉆桿內(nèi)外徑都比較大，接頭齊平或近齊平，使鉆桿與孔壁、內(nèi)管與鉆桿內(nèi)壁的環(huán)狀間隙都非常小，通常為13mm。鉆進(jìn)復(fù)雜地層多采用含有膨潤(rùn)土的沖洗液，如果沖洗液處理不當(dāng)，主要會(huì)引起兩方面的問題： 1）環(huán)空壓力 外環(huán)空間小，循環(huán)泵壓高，易造成循環(huán)漏失、壓垮孔壁，平衡壓力鉆進(jìn)在所有鉆進(jìn)方法中最困難； 帶

16、內(nèi)管提下鉆容易抽垮或擠塌不穩(wěn)地層而擴(kuò)徑，剛性連接的鉆桿在擴(kuò)徑孔段經(jīng)常發(fā)生折斷事故，而滿眼鉆具在孔隙地層井段還更易產(chǎn)生粘附卡鉆。 環(huán)空壓力的大小與泵量、泥漿性能有直接的關(guān)系。泥漿的比重越大、粘度越高、切力越大，環(huán)空壓力就越大。 2）鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢 在高速旋轉(zhuǎn)的鉆桿內(nèi)壁上，由于強(qiáng)大的離心力場(chǎng)作用而可能結(jié)垢，導(dǎo)致鉆桿實(shí)際內(nèi)徑縮小而使打撈內(nèi)管困難，往往需要提出幾根到幾十根鉆桿，才能下放打撈器將內(nèi)管打撈上來，增加了輔助時(shí)間，影響了鉆進(jìn)效率。 結(jié)垢現(xiàn)象 繩索取心鉆桿內(nèi)壁上的泥垢，實(shí)際上是鉆井液中固相物質(zhì)，包括粘土顆粒、巖粉、未完全溶解的化學(xué)處理劑或絮凝物，以及其它固體微粒在管內(nèi)壁上的沉積物。鉆井液中的固相顆

17、粒被離心力甩向管壁，并不斷沉積和壓實(shí)，加之粘土和有機(jī)聚合物的粘結(jié)作用，沉積物將逐漸脫水而變得十分結(jié)實(shí)，并牢固地粘附在鉆桿內(nèi)壁上，鉆桿實(shí)際內(nèi)徑變小，打撈器下放或內(nèi)管提升時(shí)，無論沖擊或提拉，都很難通過垢層的障礙。常見的結(jié)垢形式 1、延伸式泥垢 2、渦區(qū)積垢 3、滲漏積垢 幾個(gè)重要參數(shù)：幾個(gè)重要參數(shù)： a. 雷諾數(shù)和臨界雷諾數(shù)雷諾數(shù)和臨界雷諾數(shù) 液流流動(dòng)分層流和紊流。層流時(shí)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)呈層狀或線狀、無徑向動(dòng)量；紊流時(shí)質(zhì)點(diǎn)變?yōu)闊o規(guī)則運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生徑向動(dòng)量或沖蝕作用。因此，鉆桿結(jié)垢只能在層流環(huán)境下才發(fā)生。層流與紊流可用雷諾數(shù)來判斷，雷諾數(shù)Re表達(dá)式為： lRe = （1） 式中： 液流密度，g/cm3； D流動(dòng)

18、通道直徑，cm； V液流流速，cm/s； e有效粘度，mPa.s。 DVe 層流與紊流發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)的雷諾數(shù)范圍稱臨界雷諾數(shù)Re.c。實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)證明，鉆桿內(nèi)流動(dòng)受旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的影響，使層流向紊流轉(zhuǎn)換隨轉(zhuǎn)速增加而變得更困難。因此臨界雷諾數(shù)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)速范圍選取，一般推薦為： n.rpm600700-800800-900900-10001000Re.c21002500300035004000 b. 顆粒沉降速度顆粒沉降速度 固相顆粒受離心力和粘性阻力的作用，與鉆桿同步并以角速度旋轉(zhuǎn)。在穩(wěn)定沉降條件下，即離心力與粘性阻力相等時(shí)，顆粒在離心力場(chǎng)中可用Stokes公式計(jì)算其沉降速度Vs。 （ s -f）ds2

19、Vs =- . 2 r 18 e、 式中：s顆粒密度；f液流密度； ds顆粒直徑； 鉆桿轉(zhuǎn)速；鉆桿內(nèi)（半）徑； e有效粘度。 由公式可知，Vs與 ds和的平方成正比，說明旋流中粗顆粒易沉降積垢，微粒不易沉積；鉆桿轉(zhuǎn)速越高，鉆桿內(nèi)徑越大，沉降結(jié)垢越嚴(yán)重。 鉆井液在鉆桿內(nèi)平均流速一般為0.10.5m/s，呈層流流動(dòng)，為結(jié)垢縮徑提供了充分條件。管壁結(jié)垢不斷增加，直到液流由層流向紊流轉(zhuǎn)變，即雷諾數(shù)達(dá)到臨界值，鉆桿內(nèi)流動(dòng)通徑不再變小，其最小內(nèi)徑稱臨界通徑Dc。如果液流中固相不斷補(bǔ)充，則結(jié)垢將呈相對(duì)穩(wěn)定的臨界通徑Dc不斷向下延伸，短則幾米，長(zhǎng)達(dá)百米以上。 鉆桿內(nèi)臨界流動(dòng)通徑鉆桿內(nèi)臨界流動(dòng)通徑 Dc 表達(dá)式

20、為高次方程（式表達(dá)式為高次方程（式 3） A4Dc1628ADc448A1/2Dc221BDc210 (3) 式中：式中：A2ccRe.c128Q BRe.cc4Q c卡森粘度，卡森粘度，mPa.s； c卡森屈服值，卡森屈服值，Pa； 液流密度，液流密度，g/cm3；Q泵排量，泵排量，l/min。 2.4計(jì)算實(shí)例設(shè)三種鉆井液A、B、C，各自流變參數(shù)為： 類型 c,mPa.s c,Pa ,g/cm3 A 5.0 0.6 1.03 B 2.3 0.062 1.02C（清水）1.0 0 1.00 不同泵排量和臨界雷諾數(shù)下的流動(dòng)通徑如表1所示。 表 1 繩索鉆桿的臨界流動(dòng)通徑(mm) 2100 3000 4000 Re.c 類 Q l/min 型 30 42 60 30 42 60 30 42 60 A 23.5 29.1 36.4 19.8 24.7 31.1 17.0 21.4 27.2 B 65.2 81.8 103.3 53.6 67.9 86.7 45.1 57.8 74.5 C 304 424 - 212.2 297.1 424.4 159.2 222.8 318.1 查標(biāo)準(zhǔn)可知，S9