水敏性地層地熱鉆井鉆井液應用分析

王勇軍

（山東省魯北地質工程勘察院，山東 德州 253015）

0 前言

地熱井鉆井施工中常鉆遇水敏性地層，時有地層膨脹縮徑、井壁坍塌等現象出現，造成卡鉆埋鉆、甚至鉆孔報廢等事故，給地熱鉆井施工帶來極大困難。眾所周知鉆井液是鉆井工程的血液，是鉆進過程中孔內安全的關鍵因數。目前國內子在地熱井鉆井液工藝上所做的研究還比較少，先進的鉆井液工藝技術沒有得到有效的推廣，下面就現階段水敏性地層鉆井液的應用作簡單分析。

1 鉆井液對水敏性地層的影響

我們通常所說的水敏性地層是指遇水后易產生吸水膨脹、分散、崩解、剝落等現象的巖層，其共同特征是含有粘土礦物或水溶性礦物，根據所含粘土及水溶性礦物的物理化學性質、含量和軟硬程度大致可分為兩類：（1）溶脹分散地層：含大量粘土礦物的松軟地層；（2）水化剝落地層：硬頁巖、粘土膠結或水溶性礦物膠結的地層[2]。

經過物理化學分析，我們知道鉆井過程中鉆井液對水敏性地層的影響主要表現在對巖層的水化和沖刷這兩個方面。

1.1 對巖層的水化

對巖層的水化主要是針對那些與水作用而發生復雜情況的泥頁巖而言，根據泥頁巖的水化機理一般可分為兩種情況：

1.1.1 表面水化

巖層受上覆壓力壓實的過程中吸附水被擠出，當其表面在與水接觸時，即發生吸水水化，并受能量釋放的影響而造成水化膨脹；

1.1.2 滲透水化

滲透水化是由滲透壓差（即離子濃度差）存在而產生的，是指水分子通過半滲透膜進行移動，當巖層遇水且巖層所含介質離子濃度高于泥漿介質離子濃度時，鉆井液中的水向巖層移動，即產生巖層滲透水化[1]。

1.2 對巖層的沖刷

鉆井液對巖層的沖刷是指鉆井液循環過程對孔壁巖層的力學擾動作用，其主要取決于鉆井液的流速和流態。

2 常見問題分析

在地熱井施工中鉆遇水敏性地層常見的問題有：孔壁掉塊坍塌、鉆井液侵污、地層吸水膨脹縮徑等。

2.1 孔壁掉塊坍塌

鉆進中掉塊坍塌多發生在頁巖、含煤泥頁巖等地層，其產生主要有兩方面的原因：一方面，地層被鉆穿后，破壞了巖層的力學平衡，加之重力的作用，導致孔壁失穩；另一方面，鉆井液侵入地層使其產生水解、水化等作用，導致孔壁巖層松軟、松散、剝落[3]。

處理孔壁掉塊坍塌事故需要提高鉆井液的護壁性能，使鉆井液具有較低的失水量、一定的粘度、較好的抑制性、薄而韌的泥皮，并根據相應的地層壓力選用適當的鉆井液密度，此外還要設計合理的鉆井液上返速度和流態，盡量降低鉆井液對孔壁的沖刷破壞，嚴格控制鉆井液固相含量。常用的處理劑有：羧甲基纖維素、水解聚丙烯晴、聚丙烯酸鉀、磺化瀝青、腐植酸鉀等。

2.2 鉆井液侵污

鉆井液侵污主要是指鉆進過程中地層高價陽離子、可溶性無機鹽和粘土等侵入鉆井液，造成鉆井液性能的改變。

2.2.1 粘土侵

是指鉆進中粘土不斷進入鉆井液中，導致鉆井液中粘土含量超標，常發生在地層造漿的粘土層或泥頁巖孔段，它的主要表現為，鉆井液變稠，甚至不能流動，鉆具被泥包，鉆進效率低等。常用的處理方法是加清水、稀釋劑稀釋鉆井液，同時添加處理劑維持鉆井液的性能，常用的處理劑有鐵鉻鹽、腐植酸鉀、水解聚丙烯晴銨鹽、火堿等，此外還要加強機械出砂，嚴格控制鉆井液的固相含量。

2.2.2 高價陽離子和可溶性無機鹽侵

主要發生在水溶性地層，如鹽巖層、鹽膏層、泥膏巖、膏泥巖等地層。其造成孔壁失穩主要體現在兩個方面：（1）地層中膠結的鹽膏吸水膨脹或溶解，使孔壁巖層結構遭到破壞，造成孔壁失穩；（2）地層中高價陽離子溶解進入鉆井液中，破壞鉆井液性能，導致鉆井液變稠、失水量增大、pH降低等現象，使鉆井液護壁性變差，孔壁失穩[2]。施工中常用的處理劑有：羧甲基纖維素鈉鹽、水解聚丙烯晴鈉鹽、鐵鉻鹽、腐植酸鉀、磺化瀝青、水解聚丙銨鹽、抗鹽共聚物等。鉆遇大段此類地層時，多采用鹽水抑制性鉆井液。

2.3 地層吸水膨脹縮徑

地層吸水膨脹縮徑主要發生在粘土層、軟泥巖等地層，是指鉆進過程中由于鉆井液失水，地層中礦物質（一般為粘土礦物）水化，使其分子間力增加、水化膜變厚，造成地層體積膨脹、鉆孔孔徑縮小的現象。地層吸水膨脹的關鍵是地層的水化，控制地層的水化主要體現在兩個方面：一方面，降低鉆井液的失水量；另一方面，提高鉆井液的抑制性、減弱滲透水化的作用。常用的處理劑有：羧甲基纖維素、腐植酸鉀、水解聚丙烯晴銨鹽、磺化瀝青、重金石粉等。

3 應用實例分析

3.1 山東省某井隊在河北霸州某地熱井施工中使用磺化瀝青、CMC、水解聚丙烯晴銨鹽、腐植酸鉀、聚丙烯酸鉀配制鉆井液，成功穿越了寒武系厚層泥頁巖地層。

3.1.1 事故描述分析

三開鉆進至2450m時，上返巖屑增多，上提鉆具有阻力，根據上返巖屑判斷井壁出現了崩塌，現場分析井壁崩塌的原因為：泥頁巖吸水膨脹剝落，從而井壁發生崩塌。

3.1.2 鉆井液配方

磺化瀝青1%、CMC0.5%、KHM1%、聚丙烯酸鉀0.3%、火堿0.1%。調節后鉆井液性能如下：漏斗粘度23s（蘇式），密度1.18g/ml，失水量7ml/30min，pH值9，泥皮厚度0.8mm。調整鉆井液性能參數后，順利穿過近兩百米厚的泥頁巖地層。

3.1.3 總結

磺化瀝青在高溫降失水、抑制巖層分散、穩定井壁方面有較好的作用；水解聚丙烯晴銨鹽、KHM均為稀釋型防塌將失水劑，其提供的NH4+和K+具有良好的防塌作用，同時控制了鉆井液失水量和粘度[4]；聚丙烯酸鉀中的聚丙烯酸根主要起包被和絮凝作用，K+具有較好的防塌作用；鉆井液防塌性能很好，在配合CMC的使用，失水量亦得到了很好的控制，同時鉆井液也具有一定的抗溫性能。很好的解決了泥頁巖剝落坍塌的問題。

3.2 山東某井隊在江蘇某地熱井施工中采用聚丙烯酰胺—腐植酸鉀鉆井液成功穿越了二疊系含煤泥頁巖地層。

3.2.1 事故描述分析

二開鉆進至945m時鉆探進尺突然加快，返出巖屑增多，隨著鉆進的進行，返出巖屑越來越多，且含有煤塊，含量超過30%，從返出巖屑判斷井壁出現了崩塌，現場分析為軟弱的煤泥層在卸壓和遇水的情況下發生坍塌。3.2.2 鉆井液配方

KHM2%、高分子量（500×104）水解度30%的聚丙烯酰胺0.5%、水解度60%低分子量聚丙烯酰胺0.4%、水解聚丙烯晴0.3%、CMC0.5%、火堿0.2%。調節后鉆井液性能為：密度1.21g/ml，粘度32s（蘇式），失水量3.5ml/30min，pH值8.5，泥皮厚度1.0mm。調整鉆井液性能參數后，順利穿過厚達100m的煤泥巖地層。

3.2.3 總結

腐植酸鉀在煤泥巖地層具有較好的防塌抑制性，同時聚丙烯酰胺具有良好的護壁作用，鉆井液防塌護壁效果較好。

4 總結

4.1 水敏性地層對鉆井液的總體要求是：低失水、適當的粘度、適當的密度、適當的pH值、較強的抑制性和能形成較好的泥皮護壁，另外還要求鉆井液具有較好的流變性能，合理的流態。為了保證鉆井液的性能、滿足鉆進的需要，應選用優質粘土造漿，同時選用合理處理劑調節鉆井液的性能；此外還要加強地面出砂工作，控制鉆井液中固相含量，強化鉆井液質量管理。

4.2 水敏性地層鉆井液的調節大致可總結為 “兩個控制一個調節”，兩個控制是：（1）對水的控制，要盡量降低鉆井液的失水，減輕對地層的水化作用；（2）對鉆井液—地層系統壓力平衡的控制，要盡量使用平衡壓力鉆進。一個調節是：調節鉆井液的流速及流態，以適合不同地層條件的要求。

［1］黃漢仁,等,編.泥漿工藝原理[M].北京：石油工藝出版社,1981.

［2］武漢地質學院,等.鉆探工藝學中冊[M].北京：地質出版社,1981.

［3］鄢捷年.鉆井液工藝學[M].東營：石油大學出版社,2001.

［4］于進海,等.興隆1井鉆井液技術[J].北京：鉆井液與完井液,2007,01.