劉選朋, 鄭秀華, 王志民, 王 軍, 解衛(wèi)權

(1.中國地質(zhì)大學(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)泥巖鉆探中的應用

劉選朋1, 鄭秀華1, 王志民1, 王 軍2, 解衛(wèi)權2

(1.中國地質(zhì)大學(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機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、無毒、無熒光、成本低,被認為是具有發(fā)展前景的水基鉆井液之一。在碳質(zhì)泥巖鉆探中經(jīng)常遇到的問題有:漏失、坍塌、掉塊、涌水等,給安全鉆井帶來很大麻煩。同時,為了滿足工程/水文地質(zhì)資料獲取與評價要求,鐵路勘察對復雜地層的處理有相對嚴格的要求,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題,并能提高巖心采取率和機械鉆速。

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

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

1 硅酸鹽防塌鉆井液的研究

目前國內(nèi)外大量研究表明,泥頁巖/鉆井液之間物化-力學作用是影響泥頁巖穩(wěn)定性的關鍵因素。它們之間的相互作用主要變現(xiàn)為:第一,濾液向泥頁巖中滲流引發(fā)地層孔壓增加以及水化效應,其中水化效應主要包括泥頁巖水化膨脹、分散或產(chǎn)生水化應力等;第二,泥漿液柱壓力對井壁的力學支撐作用。為了穩(wěn)定泥頁巖地層,通常要求泥漿液柱壓力過平衡以提供有效徑向應力支撐。但是,泥漿液柱的過平衡又會導致鉆井液濾液的達西侵入。侵入地層的濾液有可能引起泥頁巖水化,產(chǎn)生水化膨脹壓同時降低頁巖強度;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力支撐,只要井眼周圍應力超過巖石強度,就會導致頁巖的塑性變形和失穩(wěn)(梁大川等,2005;梁大川,1998)。這一機理可由Van Oort E.等人做的壓力傳遞實驗證明(Van Oort E,et al.),硅濾液侵入量可用下式表示:

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

根據(jù)以上分析可知,通過增加濾液粘度,降低頁巖的滲透率,用有效滲透壓力產(chǎn)生的反向流動抵消因壓差產(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,能很好的抑制泥頁巖的水化膨脹和分散,國內(nèi)外學者研究一致認同:“含硅酸鹽溶液抑制頁巖分散能力最強,具有獨特的封固作用”(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生成沉淀封堵地層微小裂縫和孔隙,改善和提高了泥頁巖的半透膜效率,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。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。硅酸鹽在進入地層時,會變成硅酸鹽凝膠堵塞裂縫和孔隙,而進入地層的硅酸根粒子與地層中的反應,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、無機鹽的類型和濃度、zeta電位等(藍強, 2007)。硅酸鹽的模數(shù)在2.8～3.2之間時,水玻璃粒度分布范圍最窄,粒度最均勻,濃度為5%時的水玻璃粒度分布范圍最窄(魏新勇,2002;徐加放, 2007)。針對蘭渝鐵路勘察鉆探易坍塌漏失的情況,基于以上機理,利用正交實驗,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,動切力10.22Pa,動塑比0.93,六轉讀數(shù)13,三轉讀數(shù)10,頁巖回收率為93.2%,膨脹率為0.1%。該體系具有良好的流變特性和頁巖抑制性?；拘阅苤笜艘姳?,pH值對硅酸鹽鉆井液性能影響研究見表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

通過表2可知,在pH值為13的時候泥漿性能最好,隨著pH值的降低,濾失量和粘度逐漸增大,流變性能變壞。因為水玻璃屬于強堿弱酸鹽,它的性能在堿性環(huán)境中才能發(fā)揮的最好,當體系的pH值>11.0時,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)場應用時應及時補充消耗掉的硅酸鹽,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到和諧統(tǒng)一(藍強,2007)。

硅酸鹽抑制性實驗研究結果見表3:

表3 頁巖膨脹實驗結果Table3 Results of dilation exper iments on shale

通過表3可知此水玻璃加上氯化鉀的協(xié)同作用,抑制頁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理

鉆進過程中的井壁不穩(wěn)定問題原因很復雜,其主要原因可歸結為力學因素、物理化學因素和工程技術措施等三個方面,但后兩個因素最終均因影響井壁應力分布和井壁巖石的力學性能而造成井壁不穩(wěn)定(鄢捷年,2006)。

鉆井過程中保持井壁處于力學穩(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,且鉆井液的實際當量密度低于與地層破裂壓力對應的當量鉆井液密度(圖1)。安全鉆進的鉆井液密度由密度窗口確定。

安全鉆進鉆井液密度由公式: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、激動壓力等;Pf-地層破裂壓力。

鉆進過程中當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,均會給安全鉆井帶來嚴重的影響。

物理和工程技術措施因素最終也是通過影響井壁的應力分布和井壁巖石的力學性能導致井壁失穩(wěn),由于地層中所含的粘土礦物吸水發(fā)生水化膨脹,產(chǎn)生水化應力,改變了井筒周圍地層的孔隙壓力與應力分布,從而引起井壁巖石強度降低,地層坍塌壓力發(fā)生變化。當井壁巖石所受到的周向應力超過巖石的屈服強度時,就會產(chǎn)生井壁失穩(wěn)。而一些不當?shù)墓こ檀胧┤?起下鉆速度過快、鉆井液靜切力過大、開泵過猛、鉆頭泥包等原因,均可能發(fā)生強的抽吸作用,產(chǎn)生過高的抽吸壓力,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孔的突出鉆井問題為:漏失、坍塌、掉快、縮徑、進尺慢,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,密度過大地層就被壓裂,將發(fā)生漏失現(xiàn)象,過小井壁便會坍塌。如果小于地層孔隙壓力,地下水將會涌入鉆孔。2)該段鉆孔地層巖性為碳質(zhì)泥巖,泥頁巖水化會導致井壁不穩(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)泥巖鉆井問題。這也為新型的防塌鉆井液技術提出了更高的要求,研究新型的防塌堵漏鉆井液技術迫在眉睫。

3 硅酸鹽鉆井液在SZ-2鉆孔中的應用

該鉆孔于2008年6月開工,鉆探情況:上部地層漏失嚴重,疏松坍塌,采用投擲黃土球,搗實,鉆進;重復。70～350m,進尺慢,每天只鉆進1～2m,有坍塌掉塊現(xiàn)象,巖心破碎。鉆進過程中,有地下水涌入,表現(xiàn)在泥漿有被稀釋現(xiàn)象;同時,伴有泥漿消耗,表明產(chǎn)生泥漿漏失現(xiàn)象,特別是未能及時調(diào)整泥漿性能時壓裂地層,發(fā)生漏失。說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題。使用此鉆井液前鉆進效率很低,應用后鉆進效率明顯提高,每天鉆進6-9m。

4 結論及建議

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,所以對密度的要求比較苛刻?？赏ㄟ^加重劑和稀釋劑及時進行調(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。

建議進一步從硅酸鹽的微觀結構入手研究其防塌機理,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構、粒徑分布以及防塌效果,以便更好的應用到構造破碎,問題嚴重的泥頁巖地層中。

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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;[責任編輯]郝情情。

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