劉選朋, 鄭秀華, 王志民, 王 軍, 解衛(wèi)權(quán)

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083;2.陜西省地礦局西安地勘院,西安 710100)

硅酸鹽防塌泥漿研究及其在碳質(zhì)泥巖鉆探中的應(yīng)用

劉選朋1, 鄭秀華1, 王志民1, 王 軍2, 解衛(wèi)權(quán)2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083;2.陜西省地礦局西安地勘院,西安 710100)

硅酸鹽鉆井液體系是一種以無(wú)機(jī)鹽為主要處理劑的防塌抑制性鉆井液,具有物理封堵和化學(xué)加固井壁雙重防塌作用,能有效的降低井壁的滲透率、阻止壓力傳遞,且具有較好的流變特性、無(wú)毒、無(wú)熒光、成本低,被認(rèn)為是具有發(fā)展前景的水基鉆井液之一。在碳質(zhì)泥巖鉆探中經(jīng)常遇到的問(wèn)題有:漏失、坍塌、掉塊、涌水等,給安全鉆井帶來(lái)很大麻煩。同時(shí),為了滿足工程/水文地質(zhì)資料獲取與評(píng)價(jià)要求,鐵路勘察對(duì)復(fù)雜地層的處理有相對(duì)嚴(yán)格的要求,如避免使用水泥封孔等,本文研究的硅酸鹽鉆井液可以有效的解決碳質(zhì)泥巖鉆探中的上述問(wèn)題,并能提高巖心采取率和機(jī)械鉆速。

抑制性 漏失 坍塌 碳質(zhì)泥巖

L iu Xuan-peng,Zheng Xiu-hua,Wang Zhi-m in,Wang Jun,Xie W ei-quan.Study of the silicate fluid for prevention of borehole-wall collapse and its application to drilling in carbonaceousmudstone[J].Geology and Exploration,2010,46(5):0967-0971.

0 前言

巖心鉆探通常技術(shù)要求高,既要保證巖心、巖樣的采取率,又要滿足孔內(nèi)各項(xiàng)試驗(yàn)要求(鄭秀華等, 2008;要二倉(cāng)等,2008),而且經(jīng)常遇到地層漏失和坍塌的問(wèn)題,尤其在鐵路勘察中問(wèn)題較為突出。同時(shí),為了滿足工程/水文地質(zhì)資料獲取與評(píng)價(jià)要求,鐵路勘察對(duì)復(fù)雜地層的處理有相對(duì)嚴(yán)格的要求,如避免使用水泥封孔等,這就對(duì)鉆井液的性能提出了更高的要求,硅酸鹽在鉆井液中的應(yīng)用始于20世紀(jì)20至30年代(Lakatos Iet al.,1999)。研究表明硅酸鹽鉆井液具有很強(qiáng)的降低泥頁(yè)巖滲透率、改善膜系數(shù)、穩(wěn)定井壁的能力,“封固”能力隨作用時(shí)間的延長(zhǎng)而加強(qiáng)。Alford S,DzialowskiA,Jiang P等人認(rèn)為,該體系不僅提供有效的井壁穩(wěn)定性,也用于巖性改進(jìn)和地質(zhì)解釋(Alford Set al.,2001)。

1 硅酸鹽防塌鉆井液的研究

目前國(guó)內(nèi)外大量研究表明,泥頁(yè)巖/鉆井液之間物化-力學(xué)作用是影響泥頁(yè)巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。它們之間的相互作用主要變現(xiàn)為:第一,濾液向泥頁(yè)巖中滲流引發(fā)地層孔壓增加以及水化效應(yīng),其中水化效應(yīng)主要包括泥頁(yè)巖水化膨脹、分散或產(chǎn)生水化應(yīng)力等;第二,泥漿液柱壓力對(duì)井壁的力學(xué)支撐作用。為了穩(wěn)定泥頁(yè)巖地層,通常要求泥漿液柱壓力過(guò)平衡以提供有效徑向應(yīng)力支撐。但是,泥漿液柱的過(guò)平衡又會(huì)導(dǎo)致鉆井液濾液的達(dá)西侵入。侵入地層的濾液有可能引起泥頁(yè)巖水化,產(chǎn)生水化膨脹壓同時(shí)降低頁(yè)巖強(qiáng)度;另一方面,濾液侵入使近井眼處孔隙壓力提高,從而減弱泥漿液柱的有效應(yīng)力支撐,只要井眼周?chē)鷳?yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度,就會(huì)導(dǎo)致頁(yè)巖的塑性變形和失穩(wěn)(梁大川等,2005;梁大川,1998)。這一機(jī)理可由Van Oort E.等人做的壓力傳遞實(shí)驗(yàn)證明(Van Oort E,et al.),硅濾液侵入量可用下式表示:

式中:K-頁(yè)巖滲透率;η-濾液粘度;pm-泥漿液柱壓力;ps-地層壓力;σ-頁(yè)巖-流體膜效率;Δ π-滲透壓力。其中

根據(jù)以上分析可知,通過(guò)增加濾液粘度,降低頁(yè)巖的滲透率,用有效滲透壓力產(chǎn)生的反向流動(dòng)抵消因壓差產(chǎn)生的濾液侵入等途徑均可以減少濾液侵入,從而有利于井壁穩(wěn)定。硅酸鹽鉆井液主要是通過(guò)這些途徑而穩(wěn)定井壁的。

硅酸鹽本身具有良好的抑制性,能很好的抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹和分散,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究一致認(rèn)同:“含硅酸鹽溶液抑制頁(yè)巖分散能力最強(qiáng),具有獨(dú)特的封固作用”(Bailey Let al.,1998;邱正松等, 1999;Grattoni C Aet al.,2001;Schlemmer Ret al., 2002)。硅酸鹽與地層礦物反應(yīng)生成沉淀封堵地層微小裂縫和孔隙,改善和提高了泥頁(yè)巖的半透膜效率,抑制粘土水化膨脹和分散降低地層孔隙中壓力傳遞速度與地層中粘土礦物發(fā)生反應(yīng)。再加上配合使用的氯化鈉或氯化鉀協(xié)同硅酸鹽鉆井液提高了抑制能力。硅酸鹽在進(jìn)入地層時(shí),會(huì)變成硅酸鹽凝膠堵塞裂縫和孔隙,而進(jìn)入地層的硅酸根粒子與地層中的反應(yīng),生成沉淀,起到堵漏的效果。

配方及其性能:影響硅酸鹽鉆井液性能的主要因素有:硅酸鹽的濃度、水玻璃的模數(shù)、粘土的含量、pH值、無(wú)機(jī)鹽的類(lèi)型和濃度、zeta電位等(藍(lán)強(qiáng), 2007)。硅酸鹽的模數(shù)在2.8～3.2之間時(shí),水玻璃粒度分布范圍最窄,粒度最均勻,濃度為5%時(shí)的水玻璃粒度分布范圍最窄(魏新勇,2002;徐加放, 2007)。針對(duì)蘭渝鐵路勘察鉆探易坍塌漏失的情況,基于以上機(jī)理,利用正交實(shí)驗(yàn),最終得出優(yōu)選配方為:4%土+0.3%Na-CMC+5%Na2SiO3+3% KCl。其性能如下:密度1.01g/cm3,pH值為13,失水12.5mL/30min,表觀粘度21mPa·s,塑性粘度11m Pa·s,動(dòng)切力10.22Pa,動(dòng)塑比0.93,六轉(zhuǎn)讀數(shù)13,三轉(zhuǎn)讀數(shù)10,頁(yè)巖回收率為93.2%,膨脹率為0.1%。該體系具有良好的流變特性和頁(yè)巖抑制性?；拘阅苤笜?biāo)見(jiàn)表1,pH值對(duì)硅酸鹽鉆井液性能影響研究見(jiàn)表2。

表1 硅酸鹽鉆井液性能參數(shù)Table1 Basic performance parameters of silicate drilling fluids

表2 不同pH值硅酸鹽鉆井液性能基本數(shù)據(jù)Table2 Basic performance parameters of silicate drill ing fluids with varied pH values

通過(guò)表2可知,在pH值為13的時(shí)候泥漿性能最好,隨著pH值的降低,濾失量和粘度逐漸增大,流變性能變壞。因?yàn)樗Ａ儆趶?qiáng)堿弱酸鹽,它的性能在堿性環(huán)境中才能發(fā)揮的最好,當(dāng)體系的pH值>11.0時(shí),鉆井液中的硅酸鹽以硅酸根離子形式存在或者聚合硅醇離子形式存在,這些離子具有較強(qiáng)的分散性,能夠保持很好的流變性和防塌性能,隨著pH值的降低水玻璃逐漸喪失其抑制封堵的作用, (丁銳等,1998;丁銳,1998;Nakaj imaet al.,2002)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充消耗掉的硅酸鹽,保持pH值>11從而保證硅酸鹽體系發(fā)揮優(yōu)良的性能。一般要求鉆井液的pH值在9以上,以使鉆井液防塌性能和流變性能達(dá)到和諧統(tǒng)一(藍(lán)強(qiáng),2007)。

硅酸鹽抑制性實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果見(jiàn)表3:

表3 頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table3 Results of dilation exper iments on shale

通過(guò)表3可知此水玻璃加上氯化鉀的協(xié)同作用,抑制頁(yè)巖膨脹的能力比較理想,膨脹率較低。硅酸鹽中加入一定濃度的氯化鈉和氯化鉀,它們本身具有一定的抑制性,從而協(xié)同硅酸鹽提高了體系的抑制性或水相活度,改善了此體系的抑制性能。

2 蘭渝新建鐵路的坍塌機(jī)理

鉆進(jìn)過(guò)程中的井壁不穩(wěn)定問(wèn)題原因很復(fù)雜,其主要原因可歸結(jié)為力學(xué)因素、物理化學(xué)因素和工程技術(shù)措施等三個(gè)方面,但后兩個(gè)因素最終均因影響井壁應(yīng)力分布和井壁巖石的力學(xué)性能而造成井壁不穩(wěn)定(鄢捷年,2006)。

鉆井過(guò)程中保持井壁處于力學(xué)穩(wěn)定的必要條件是鉆井液液柱壓力必須大于地層坍塌壓力,且鉆井液的實(shí)際當(dāng)量密度低于與地層破裂壓力對(duì)應(yīng)的當(dāng)量鉆井液密度(圖1)。安全鉆進(jìn)的鉆井液密度由密度窗口確定。

安全鉆進(jìn)鉆井液密度由公式:Pp

式中,Pp-地層孔隙壓力;Pb-鉆井液井底壓力;PH-鉆井液靜液柱壓力;Ps-安全壓力,考慮環(huán)空壓力、激動(dòng)壓力等;Pf-地層破裂壓力。

鉆進(jìn)過(guò)程中當(dāng)量密度壓力如果大于地層破裂壓力,地層將被壓裂,鉆井液會(huì)大量漏失,發(fā)生井漏現(xiàn)象,如果小于地層坍塌壓力,井壁發(fā)生坍塌,產(chǎn)生卡鉆、埋鉆事故,均會(huì)給安全鉆井帶來(lái)嚴(yán)重的影響。

物理和工程技術(shù)措施因素最終也是通過(guò)影響井壁的應(yīng)力分布和井壁巖石的力學(xué)性能導(dǎo)致井壁失穩(wěn),由于地層中所含的粘土礦物吸水發(fā)生水化膨脹,產(chǎn)生水化應(yīng)力,改變了井筒周?chē)貙拥目紫秹毫εc應(yīng)力分布,從而引起井壁巖石強(qiáng)度降低,地層坍塌壓力發(fā)生變化。當(dāng)井壁巖石所受到的周向應(yīng)力超過(guò)巖石的屈服強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生井壁失穩(wěn)。而一些不當(dāng)?shù)墓こ檀胧┤?起下鉆速度過(guò)快、鉆井液靜切力過(guò)大、開(kāi)泵過(guò)猛、鉆頭泥包等原因,均可能發(fā)生強(qiáng)的抽吸作用,產(chǎn)生過(guò)高的抽吸壓力,從而降低鉆井液作用于井壁的壓力,造成井塌。

圖1 由地層壓力和地層破裂壓力決定鉆井液密度圖示Fig.1 Determ ination of drilling fluid density accord ing to formation pressure and fracture pressure

SZ-2鉆孔位于彰縣殪虎橋鐵溝村,鉆遇地層: (1)第四系殘積物、坡積物,巖性為灰綠色粘土、塊石堆積物,塊石成分以灰?guī)r為主;(2)風(fēng)化基巖,炭質(zhì)泥巖;(3)炭質(zhì)泥巖、斷層破碎帶。該鉆孔孔深350m,地層巖性:0～70m,搗石碓;70～350m:炭質(zhì)泥巖。地層傾角>85°。

SZ-2孔的突出鉆井問(wèn)題為:漏失、坍塌、掉快、縮徑、進(jìn)尺慢,地下涌水。具體原因如下:1)地層破裂壓力比較小,而坍塌和地層壓力偏高,泥漿密度窗口較窄,密度過(guò)大地層就被壓裂,將發(fā)生漏失現(xiàn)象,過(guò)小井壁便會(huì)坍塌。如果小于地層孔隙壓力,地下水將會(huì)涌入鉆孔。2)該段鉆孔地層巖性為碳質(zhì)泥巖,泥頁(yè)巖水化會(huì)導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定,而水泥封孔不能解決地層傾角近乎直立的破碎的碳質(zhì)泥巖鉆井問(wèn)題。這也為新型的防塌鉆井液技術(shù)提出了更高的要求,研究新型的防塌堵漏鉆井液技術(shù)迫在眉睫。

3 硅酸鹽鉆井液在SZ-2鉆孔中的應(yīng)用

該鉆孔于2008年6月開(kāi)工,鉆探情況:上部地層漏失嚴(yán)重,疏松坍塌,采用投擲黃土球,搗實(shí),鉆進(jìn);重復(fù)。70～350m,進(jìn)尺慢,每天只鉆進(jìn)1～2m,有坍塌掉塊現(xiàn)象,巖心破碎。鉆進(jìn)過(guò)程中,有地下水涌入,表現(xiàn)在泥漿有被稀釋現(xiàn)象;同時(shí),伴有泥漿消耗,表明產(chǎn)生泥漿漏失現(xiàn)象,特別是未能及時(shí)調(diào)整泥漿性能時(shí)壓裂地層,發(fā)生漏失。說(shuō)明地層破裂壓力比較小,而坍塌和地層壓力偏高,泥漿密度窗口小。在324m處,坍塌比較嚴(yán)重,下鉆不能到底。

采用硅酸鹽防塌抑制性鉆井液后,解決了坍塌和漏失問(wèn)題,在孔深310～320m處,有地下水涌入,采用重晶石加重以解決此問(wèn)題,每方泥漿中加入0. 36kg的重晶石,加重后的密度為1.26g/cm3,解決了鉆孔涌水的問(wèn)題。使用此鉆井液前鉆進(jìn)效率很低,應(yīng)用后鉆進(jìn)效率明顯提高,每天鉆進(jìn)6-9m。

4 結(jié)論及建議

造成鉆孔坍塌,漏失的主要原因有:

(1)該鉆孔的地層破裂壓力比較小,而地層壓力和坍塌壓力比較大,密度窗口較窄,所以對(duì)密度的要求比較苛刻?？赏ㄟ^(guò)加重劑和稀釋劑及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

(2)碳質(zhì)泥巖的水化膨脹,本文研究的硅酸鹽鉆井液具有良好的泥頁(yè)巖抑制性,再加上氯化鉀的協(xié)同作用,抑制效果明顯。另外硅酸鹽體系的pH值需保持在11以上,才能更好的發(fā)揮該體系的封固和抑制分散能力,總體起到了很好的防塌抑制目的。

建議進(jìn)一步從硅酸鹽的微觀結(jié)構(gòu)入手研究其防塌機(jī)理,不同速度的剪切作用下、不同的組成成分、不同的溫度和壓力下硅酸鹽的微觀結(jié)構(gòu)、粒徑分布以及防塌效果,以便更好的應(yīng)用到構(gòu)造破碎,問(wèn)題嚴(yán)重的泥頁(yè)巖地層中。

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Study of the Silicate Fluid for Prevention of Borehole-Wall Collapse and Its Applicati on to Drilling in CarbonaceousM udstone

L IU Xuan-peng1, ZHENG Xiu-hua1, WANG Zhi-min1, WANG Jun2, XIEWei-quan2
(1.China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083; 2.Geological Exploration Institute of Shanxi Province,Xi’an 710100)

The silicate drilling fluid system is an agent suppression fluid dominated by inorganic salt which is used to prevent collapse of borehole wall.It has the physical and chemical sealing,a double role ofwall reinforce.It can effectively reduce the penetration ofwall,and impede pressure transmission.And it has good rheologicalproperties,is non-toxic,non-fluorescent,low cost,consideredwith the developmentprospectsofone of thewater -based drilling fluids.In the Carbonaceousmudstone areas,drilling frequently encounters some problems,such as loss,collapse,block falling down, and water inflow,bringing about a great trouble to the safetyof drilling.Meanwhile,in order tomeet requirementsof the engineering/hydrological data acquisition and evaluation,there are relatively strict requirements of the handling complex formation in railway survey,such as avoiding using of cement sealing.The silicate solution,which is studied in thispaper,can be effectively solve the abovementioned problems and enhance the rate of taking core and the ROP.

suppression fluid,loss,collapse,carbonaceousmudstone

book=9,ebook=607

TE254.3

A

0495-5331(2010)05-0967-05

2010-06-17;

2010-08-10;[責(zé)任編輯]郝情情。

劉選朋(1986年-),2008年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院,獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)在讀碩士,從事鉆井液方向研究,E-mail:liuxuanpeng001@163.com。