代頁1井鉆井液應(yīng)用技巧

朱斗圣，張承飛，鄧少東，江松，謝海洋

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局112地質(zhì)大隊(duì)，貴州安順561000）

代頁1井鉆井液應(yīng)用技巧

朱斗圣*，張承飛，鄧少東，江松，謝海洋

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局112地質(zhì)大隊(duì)，貴州安順561000）

代頁1井鉆遇地層復(fù)雜，水敏性地層厚度大，縮徑坍塌嚴(yán)重。為了解決鉆進(jìn)施工中鉆遇地層坍塌縮徑、鉆具難以通過的問題，應(yīng)對(duì)該鉆孔復(fù)雜的地層條件，綜合分析了地層的特征和復(fù)雜程度以及滿足頁巖氣鉆進(jìn)所需的鉆井液性能參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了鉆井液配比實(shí)驗(yàn)，通過該鉆孔的應(yīng)用實(shí)踐，表明所采用的鉆井液性能良好，適應(yīng)性強(qiáng)，粘度適中，濾失量合理，形成的泥餅薄而致密，對(duì)防止孔壁的縮徑垮塌起到了良好作用，減少了孔內(nèi)事故發(fā)生率，完全能夠滿足該鉆孔的鉆進(jìn)施工要求，從而提高了鉆進(jìn)效率。

鉆井液；軟塑地層；坍塌縮徑

頁巖氣是一種清潔、豐富的新能源。經(jīng)過近幾年的勘探研究表明，貴州省的頁巖氣資源十分豐富，目前仍然處于勘探階段。代頁1井就是一口頁巖氣勘探井。該井地處貴州黔南州代化鎮(zhèn)，距離縣城大約50km，交通比較方便，水源條件好。該井鉆遇地層存在漏失，地層破碎、易坍塌、縮徑。特別是炭質(zhì)泥巖孔段，地層呈泥狀，軟塑狀，遇水膨脹縮徑、坍塌厲害，并且該地層段厚度大，根據(jù)地質(zhì)資料，該層厚度達(dá)到240m，鉆探非常困難。

頁巖氣勘探孔必須保證孔壁穩(wěn)定，鉆井液不漏失，以保證鉆井液錄井和測(cè)井的順利進(jìn)行；必須要全孔段取芯，保證地質(zhì)人員對(duì)鉆孔地層的研究和氣體解析。因此采用合適的鉆井液處理劑就成為該地層鉆探的關(guān)鍵。

1　鉆孔地質(zhì)目的

代頁1井的鉆探目的是為了研究貴州省黔南地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組含氣頁巖的厚度及含氣性，進(jìn)一步在貴州黔南地區(qū)擴(kuò)大頁巖氣勘探成果。

（1）獲取目地層打屋壩組地層、巖石、地化、地球物理參數(shù)和頁巖含氣性參數(shù)，為開展頁巖氣資源潛力評(píng)價(jià)和有利區(qū)優(yōu)選提供基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)；

（2）查清貴州南部地區(qū)下石炭統(tǒng)打屋壩組的巖性、沉積相及沉積厚度。

2　地層特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)

2.1地層及巖性狀況

根據(jù)地質(zhì)資料和物探資料，該鉆孔鉆遇地層大概情況判斷見表1。

2.2技術(shù)難點(diǎn)

表1　代頁1井地層分層及巖性狀況

（1）由表1可知，在10～750m的地層段，鉆厚740m，鉆井液漏失嚴(yán)重，需要進(jìn)行堵漏防漏，但是孔壁相對(duì)比較穩(wěn)定，有掉塊現(xiàn)象發(fā)生。

（2）在750～990m孔段，鉆厚240m，孔壁縮徑坍塌嚴(yán)重，是整個(gè)鉆孔最難的部分。在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，該孔段地層全部呈軟塑狀，塑性變形特別嚴(yán)重，縮徑坍塌特別嚴(yán)重，鉆具無法通過，沒有性能優(yōu)良的鉆井液護(hù)壁，要順利鉆進(jìn)是不可能的。因此，在鉆進(jìn)施工中的地層防塌、堵漏、預(yù)防縮徑就成了該鉆孔鉆井液的技術(shù)重點(diǎn)。

3　鉆孔施工的主要難題

3.1上部地層鉆進(jìn)施工中的掉塊和漏失問題

該鉆孔上部地層是指0～750m地層段。該層段主要是裂隙發(fā)育程度高，巖石比較破碎，易掉塊卡鉆；從取出的巖芯可以看到，巖芯有一部分呈碎塊狀。鉆井液主要沿著巖石裂隙面漏失，而且裂隙中需要大量的鉆井液充填，鉆井液消耗量很大。

3.2下部軟塑層的施工難題

下部的炭質(zhì)泥頁巖孔段，是整個(gè)鉆探施工中的最難部分。該孔段厚度大，塑性變形嚴(yán)重，水敏性強(qiáng)，遇水極容易吸水膨脹、坍塌縮徑。經(jīng)常造成孔壁坍塌、縮徑、埋鉆等孔內(nèi)事故。解決好上述問題是能否順利施工的關(guān)鍵。鉆井液技術(shù)應(yīng)用的好壞是直接關(guān)系到鉆孔施工的成敗。為了確保本次鉆孔順利鉆進(jìn)施工，必須配制性能優(yōu)良的鉆井液。

4　鉆井液技術(shù)措施

4.1上部地層鉆井液特點(diǎn)

合理的鉆井液，將直接影響到鉆探質(zhì)量、鉆進(jìn)效率和鉆探成本。針對(duì)上部生物屑泥晶灰?guī)r、燧石泥晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，夾泥晶生物屑灰?guī)r、生物屑砂屑灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、泥灰?guī)r及薄層硅質(zhì)巖地層，巖性相對(duì)穩(wěn)定、構(gòu)造比較完整，所以鉆進(jìn)過程中主要采用聚丙烯酰胺無固相鉆井液。采用這種鉆井液具有潤(rùn)滑能力強(qiáng)、排砂效果好、機(jī)械鉆速高的特點(diǎn)。此外，在上部地層中使用聚丙烯酰胺無固相鉆井液，鉆井液配制速度快，在漏失量大時(shí)還可以頂漏鉆進(jìn)，鉆進(jìn)成本也不算高。由于上部地層是沒有頁巖氣存在，所以鉆井液漏失以后也是不影響鉆井液錄井效果的，采用頂漏鉆進(jìn)不影響鉆孔質(zhì)量，在鉆進(jìn)至比較完整的巖層后采用套管進(jìn)行護(hù)壁。

4.2下部軟塑狀水敏性地層的鉆井液特點(diǎn)

在下部水敏性地層孔段，巖層呈泥狀和軟塑狀，縮徑嚴(yán)重，在正常鉆進(jìn)過程極易會(huì)縮徑，把鉆桿箍死，導(dǎo)致事故。針對(duì)這種情況，必須配制高質(zhì)量的鉆井液。尤其是要針對(duì)該水敏性地層塑性變形很強(qiáng)的特點(diǎn)，針對(duì)性地配制性能良好的鉆井液。對(duì)該鉆井液的要求是：（1）必須具有較強(qiáng)的抑制水化膨脹縮徑的功能；（2）必須具有平衡和抵御該水敏性地層塑性變形的功能；（3）具有護(hù)壁防塌功能；（4）具有潤(rùn)滑鉆具功能；（5）具有保護(hù)頁巖氣儲(chǔ)層功能；（6）對(duì)環(huán)境無害、無污染。

對(duì)此，必須適當(dāng)加大鉆井液的比重但是比重又不宜過大，以免把鉆井液壓漏，降低鉆井液的濾失量，鉆井液粘度不能過高，粘度高會(huì)損壞水龍頭。原漿采用優(yōu)質(zhì)鈉土粉加水充分?jǐn)嚢瑁?4h以上。處理劑采用CMC、KPHP及GSP廣譜護(hù)壁劑，粘度高時(shí)可以采用腐植酸鉀作稀釋劑，配制成低固相鉆井液，性能控制標(biāo)準(zhǔn)為：密度1.03～1.09g/cm3，漏斗粘度28～33s，失水量小于6～8mL/7.5min，泥餅厚度小于1mm，pH值9～10。

5　鉆井液的選擇

5.1選擇鉆井液的技術(shù)思路

在對(duì)鉆孔鉆遇地層進(jìn)行仔細(xì)分析、認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)地層特性和以往的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了鉆井液對(duì)比試驗(yàn)，確定采用低密度、低失水、低滲透性的抑制性鉆井液體系。

對(duì)聚合物降失水機(jī)理的研究表明，高分子鏈與粘土顆粒的僑聯(lián)作用，在鉆井液體系內(nèi)部形成比較穩(wěn)定的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，粘土顆粒更加細(xì)化均勻分散，泥餅結(jié)構(gòu)更加致密，從而有效地降低了鉆井液的失水量。有效地抑制了斷層角礫巖地層因水化膨脹而導(dǎo)致的鉆孔縮徑。為此，專門采用了幾種降失水劑和頁巖抑制劑做過實(shí)驗(yàn)，最后選定一個(gè)鉆井液配方。

5.2鉆井液處理劑的選擇

根據(jù)試用配方選定方向選擇了聚丙烯酸鉀、水解聚丙烯腈胺鹽（NH4-HPAN）、氯化鉀、羧甲基纖維素鈉（Na-CMC）、KL防塌護(hù)壁劑、磺化瀝青、KL防塌護(hù)壁劑、803堵漏劑等多種泥漿處理劑。原因是：①聚丙烯酸鉀具有降濾失、降粘和抑制頁巖分散的作用。而水解聚丙烯腈胺鹽（NH4-HPAN）在以前的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用中都已經(jīng)試驗(yàn)成功。②高粘羧甲基纖維素鈉（HV—CMC）具有降濾失和增粘的作用。在泥漿中含量較高時(shí)，亦具有一定的抑制頁巖水化膨脹能力。③KL防塌護(hù)壁劑和磺化瀝青防塌護(hù)壁劑具有良好的冷水分散性能，能夠有效地抑制頁巖膨脹和防止井壁坍塌；優(yōu)良的降失水性能，泥皮致密堅(jiān)韌；良好的潤(rùn)滑性能，可更好地防止粘附卡鉆和一定的防垮塌作用。④803堵漏劑具有較好的隨鉆堵漏效果。⑤氯化鉀。鉀離子對(duì)水敏性地層的膨脹縮徑也有一定的抑制作用。

5.3低固相聚丙烯晴銨鹽鉆井液的特點(diǎn)

針對(duì)孔內(nèi)坍塌、掉塊、縮徑嚴(yán)重的水敏性地層，此次采用低固相聚丙烯晴銨鹽鉆井液。低固相鉆井液的主要特點(diǎn)是是指鉆井液體系中固相含量不大于4%，且以摻加不同的高分子聚合物維持鉆井液性能。低固相鉆井液是小口徑金剛石鉆進(jìn)中最常用、最有效的鉆井液體系，它既有無固相鉆井液體系的高鉆速，又有良好的攜帶懸浮巖屑能力和防塌性能。最主要的是聚丙烯晴銨鹽鉆井液具有較強(qiáng)的抑制水化膨脹的功能。

聚丙烯晴銨鹽鉆井液具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）提高了鉆進(jìn)速度；（2）鉆井液潤(rùn)滑性能良好；（3）護(hù)壁性能良好，抑制水化膨脹的能力強(qiáng)，減少了縮徑卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故；（4）降低了鉆探成本，減小環(huán)境污染。

6　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

代頁1井是設(shè)計(jì)的一口頁巖氣參數(shù)井，要求全孔取芯，鉆井液錄井和現(xiàn)場(chǎng)氣體解析。終孔后進(jìn)行全孔測(cè)井。設(shè)計(jì)孔深990m。采用的是XY—44型鉆機(jī)，BW—250泥漿泵，采用HQ、NQ金剛石繩索取芯鉆進(jìn)工藝。

在開孔鉆進(jìn)至15.3m，下入孔口管。換徑用HQ進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至200m處，鉆井液全部漏失，采用堵漏劑無效，頂漏鉆進(jìn)250m，采用水泥堵漏，效果一般，又頂漏鉆進(jìn)至400m，下入套管護(hù)壁堵漏。換徑用NQ鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至451m處鉆遇軟塑層，出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，泵壓升高，提鉆后鉆具下不到孔底，需要進(jìn)行掃孔。鉆進(jìn)至460m后，出現(xiàn)鉆具被箍死，無法鉆進(jìn)。處理該事故以后，下鉆掃孔根本到不了孔底。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，不能再采用普通鉆井液鉆進(jìn)，必須配制更好性能的鉆井液，否則不會(huì)有任何效果。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)資料，軟塑層厚度有240m，必須及時(shí)配制高性能的抑制性泥漿進(jìn)行護(hù)壁，預(yù)防孔內(nèi)事故發(fā)生。最終根據(jù)室內(nèi)對(duì)比實(shí)驗(yàn)決定采用聚丙烯晴銨鹽低固相鉆井液的方案，并在鉆井液中加入一定量的惰性材料——隨鉆堵漏劑和鋸末進(jìn)行堵漏，并添加一定量的加重劑，提高鉆井液比重，鉆井液配方及性能見表2。

表2　代頁1井鉆井液配方及性能

在使用過程中，鉆井液粘度不能過高，否則會(huì)泵壓增高，損壞水龍頭。經(jīng)過試驗(yàn)，應(yīng)用效果良好，孔內(nèi)坍塌、縮徑、塑性變形都得到抑制，沒有出現(xiàn)鉆具箍死現(xiàn)象，巖芯完整度良好，順利終孔。

7　現(xiàn)場(chǎng)鉆井液維護(hù)

現(xiàn)場(chǎng)配備：攪拌機(jī)1臺(tái)，使鈉膨潤(rùn)土粉能充分水化分散；配備加藥桶，將待加入的處理劑預(yù)先分散、水化、溶解；配備鉆井液比重稱、馬氏漏斗粘度計(jì)、打氣筒失水儀和pH試紙以便測(cè)量鉆井液性能指標(biāo)；泥漿池、沉淀池、循環(huán)槽用水泥砂漿修筑，以免混入雜物污染鉆井液。每班測(cè)量2次鉆井液性能指標(biāo)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)加入相應(yīng)處理劑調(diào)節(jié)以保持鉆井液性能基本不變；停鉆時(shí)除盡沉淀池、循環(huán)槽內(nèi)的沉砂以保證鉆井液較小的含砂量。鉆井液性能指標(biāo)與最初鉆井液性能指標(biāo)相差較大時(shí)換漿。注意不要有其它水分混入泥漿池，以免破壞鉆井液性能。

8　應(yīng)用效果

通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐證明，所使用的聚丙烯晴銨鹽鉆井液性能穩(wěn)定，孔內(nèi)鉆進(jìn)平穩(wěn)，孔壁比較穩(wěn)定，取芯順利，順利完鉆。說明這種低固相鉆井液完全可以滿足該鉆孔軟塑地層的鉆進(jìn)要求。經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見表3。

9　結(jié)論與建議

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)鉆井液使用情況表明，所選用的鉆井液對(duì)復(fù)雜軟塑地層具有良好的潤(rùn)滑減阻和護(hù)壁效果，能夠很好地抑制水敏性地層的水化、膨脹，并兼有地層微裂隙堵漏效果。根據(jù)不同的地層確定不同鉆井液配方，才能滿足鉆孔施工需要。此外，鉆井液性能的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)是十分重要的，在水敏性地層中施工鉆孔，一般要求鉆井液具有低密度、低濾失量、抑制性能良好、泥餅薄而韌性好、堵漏效果明顯，就可以起到較好護(hù)壁作用。對(duì)塑性變形較大的地層，要適當(dāng)加大鉆井液比重，從而滿足鉆孔施工需要。

表3　經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)一覽表

［1］烏效鳴，胡郁樂，賀冰新，等.鉆井液與巖土工程漿液［M］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2002：307-346.

［2］洪江，張承飛，朱斗圣，等.河南嵩縣東灣金礦勘探泥漿應(yīng)用探討［J］.西部探礦工程，2010（10）：141-142.

［3］戰(zhàn)啟帥，楊衛(wèi)東，王天放，等.魯頁參1井鉆井液技術(shù)［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2014（9）：27-31.

P634

A

1004-5716（2016）10-0045-04

2016-05-12

貴州省科技廳社會(huì)發(fā)展科技攻關(guān)項(xiàng)目“貴州復(fù)雜地層深井鉆探工藝應(yīng)用研究”（黔科合SY字［2015］3002）；貴州省地礦局地質(zhì)科研資金資助項(xiàng)目“地?zé)徙@井泥漿技術(shù)的研究應(yīng)用”（黔地礦科合［2014］01）。

朱斗圣（1968-），男（漢族），貴州遵義人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事鉆探工程技術(shù)工作。