關于綠泥石化巖層鉆井沖洗液的研究

鄒思竟 徐力生

0 引言

鉆井沖洗液歷來被認為是鉆探工程的血液,在鉆探施工過程中起著攜帶巖屑、冷卻散熱、穩定孔壁等作用。然而,在一些特殊地層中,由于地層壓力小于鉆孔中沖洗液壓力極易造成沖洗液的漏失問題,這一直是生產中的一個難題。換言之,如何做好護壁堵漏工作是鉆探過程中的一個重要問題。目前護壁堵漏工作一直耗費大量時間是由于在處理各種復雜情況時缺乏可靠的方法和技術手段,而現有的技術手段最明顯的缺點就是缺乏能滿足鉆進時間基本要求的堵塞材料。本文通過對綠泥石化地層鉆進沖洗液的研究,介紹了一種綠泥石化地層的鉆孔護壁堵漏措施。

1 綠泥石化巖層的特征

綠泥石是沉積巖、低級變質巖、水熱蝕變巖中的主要礦物之一,也是熱液蝕變作用的主要產物之一,主要分布于變質巖和許多礦床的蝕變圍巖中。其成因主要有兩類:一類為后期低溫熱液作用所形成,而另一類為動力淺變質作用產生,卻在定向構造應力作用下,節理面上的斜長石發生綠泥石化形成。綠泥石化巖體與一般巖體相比,抗剪強度的主要差異在于綠泥石化巖體的峰值凝聚力明顯減小,經實驗證明[1],新鮮的綠泥石化巖體的凝聚力要比一般弱風化巖體的凝聚力還要小40%。值得注意的是,水對綠泥石化巖體強度的影響是顯著的,不管是峰值強度還是殘余強度,飽水巖體比干燥巖體都有明顯的降低。

在鉆探過程中,由于巖層遇水極易水化膨脹,從而引起沖洗液循環通道的堵塞,造成鉆孔縮頸引起蹩泵,時間一久,在鉆具回轉的不停敲打下,就容易導致坍塌、垮孔,造成嚴重的孔內事故。因此,在這一巖層鉆進時,我們應該結合以往的經驗以及該巖層的特點,配制適當的沖洗液進行護孔以解決上述問題。

2 沖洗液選型研究

對硬、脆、碎等力學不穩定巖層,采用金剛石鉆進時,既要解決孔壁的穩定問題,又要解決鉆頭、鉆具的潤滑問題。這就需要配制既具護壁性能又具潤滑性能的沖洗液,潤滑防塌泥漿能滿足上述要求。

針對這種鉆孔防塌泥漿,一般要具有低失水、高礦化度、高濾液粘度、適當的比重以及適當的粘度。這其中,低的失水和高礦化度是主要的。這是由于在對付水敏性地層的水化時,僅僅控制泥漿的失水量是阻止不了泥漿中水分向孔壁巖層內移動的,要想達到巖層不被水化的目標,還需提高泥漿的含鹽量即礦化度,這樣才能使滲透水化壓力的作用方向從鉆孔向地層改變為孔壁巖層向鉆孔運移,或彼此間停止移動[2]。有了這兩點,可以減少水敏性地層的水化膨脹壓力。

在選擇鉆井液類型時,應根據如下幾點進行選取[3]:

1)根據地層坍塌壓力確定鉆井液適當的密度以平衡地應力,直到不坍塌、不掉塊、不縮頸為止。注意鉆井液的密度要高但是不宜過高,鉆井液密度過高會使井壁失穩更加嚴重。2)泥漿造漿應選用優質膨潤土作為基本材料,其造漿率應較大,基漿的濾失率要小,含砂量應盡量小,且選擇對地層具有強有力封堵能力的,能快速有效地封堵地層裂縫和微裂縫的處理劑,以減少和清除破碎性地層的坍塌。3)制漿用水一般為地下水或湖泊、河塘等地表水,有腐蝕性或受污染的水不得使用。4)根據黏土礦物的類型選擇配制具有強抑制性的鉆井液。腐殖酸鉀類作為綠泥石化地層鉆井泥漿主劑是非常適合的。腐殖酸鉀是一種高分子非均一的芳香族羥基羧酸鹽,外觀為黑色顆粒或粉狀固體,是由褐煤精細選后用KOH液體反應提取后的產物,溶于水,呈堿性,含有羧基、酚羥基等活性基團,它具有良好的稀釋作用和降失水效果,并具有耐高溫的特點,足夠的K+含量的鉀基泥漿具有很強的抑制水化作用,是該復雜地層防塌泥漿的一種較好的處理劑。在確定使用了鉀基泥漿前提下,我們根據此地層要求失水量小的特點,選擇羧甲基纖維素鈉作為降失水增粘劑。羧甲基纖維素鈉是一種水溶性纖維素醚,通常具有實用價值的是它的鈉鹽,它能多點吸附于巖石表面,又能以氫鍵力吸附多個水分子,由此在孔壁上能形成一個保護層,以此阻止巖石水化和孔壁巖石剝落,增強了防塌能力。值得注意的是H.Van.Olfen曾得出,羧甲基纖維素鈉鹽加量變化對鈉膨潤土懸浮液起敏感化和保護作用,且隨著加量的增加,保護作用愈明顯,但在加量很小的情況下作用不明顯,如圖 1所示。

因此,在配制時,還需進行室內以及現場試驗以確定各組成部分含量。為了保證鉆進效率,我們需在泥漿中加入潤滑劑,以此降低摩阻和扭矩的作用,提高鉆頭在孔內的回轉速度。

表1 潤滑防塌泥漿配方 %

3 工程實例

金川礦區是我國一座大型有色礦產資源生產基地。由于該礦區工程地質條件復雜、地應力高和圍巖破碎所固有的不利條件,造成鉆孔施工困難。特別是在金川Ⅳ礦區ZK7-1孔和ZK12-2孔鉆進過程中,遇到不同厚度的綠泥石化巖層,鑒于綠泥石化巖層本身遇水易吸水膨脹的特點,我們結合繩索取芯鉆進方法,決定采用低固相的泥漿護孔,同時為降低泥漿的失水量和抑制綠泥石化巖層的水化,我們選擇羧甲基纖維素鈉和腐殖酸鉀作為泥漿處理劑。在黏土選型方面,我們選定了金昌紅泉膨潤土公司的紅泉牌鈉基膨潤土,經試驗證明[4],該膨潤土含量只要達到3%～5%,就可以滿足配漿的要求,它不含有聚丙烯酰胺,不產生絮凝現象,其與羧甲基纖維素鈉和腐殖酸鉀等處理劑配在一起,性能穩定。具體配方見表1。

該配方泥漿的失水量控制在15 mL/30 min以內,漏斗粘度保持在 19 s～21 s,表觀粘度約(5～7)×10-3Pa?s。 此低固相泥漿經7號機ZK7-1孔和6號機ZK12-2孔以及后續多個鉆孔使用,說明有良好的防塌效果,特別是ZK12-2孔的使用,從395 m～405 m遇綠泥石化黏土狀巖層產生垮孔,改用以上配方的低固相泥漿,排出孔內大量的坍塌物,并有效地抑制了孔壁的繼續坍塌,直至(580多米)終孔,沒有發生垮孔事故,可以肯定,該配方泥漿可以有效地解決綠泥石化巖層鉆孔護壁堵漏的問題。

4 結語

本研究通過實踐證明,在綠泥石化巖層鉆進時,利用羧甲基纖維素鈉和腐殖酸鉀作為泥漿處理劑,可以很好的解決孔壁的穩定問題,避免了巖層由于水化膨脹造成的縮頸、坍塌和垮孔事故的發生,提高了鉆進效率。必須注意的是,使用制漿原材料和處理劑時,事前一定要做好試驗分析,防止由于其用量不當帶來的不利影響。

[1] 何木章,苗 青.大朝山水電站綠泥石化巖體的分布特征及影響[J].云南水利發電,1994(1):48-49.

[2] 曾祥熹,陳志超.鉆孔護壁堵漏原理[M].北京:地質出版社,1986:74-80,314-315.

[3] 王 燕,王平全,蒲 浩,等.穩定弱水敏感地層井壁的鉆井液對策[J].甘肅石油和化工,2008(1):35-37.

[4] 彭振斌,隆 威,張可能,等.金川不良巖層綜合改進鉆探工藝技術研究項目科研成果總報告[R].長沙:中南大學地學與環境工程學院,2007:93-100.

[5] 谷天本,蔣國盛.反循環鉆孔灌注樁鉆進技術探討[J].山西建筑,2008,34(5):134-135.