上海煤氣第二管線工程有限公司 戴 斌

0 引言

由上海煤氣第二管線工程有限公司承建的江西南昌英雄大橋段贛江穿越工程是南昌市天然氣利用工程(引進(jìn)川氣東輸氣源)關(guān)鍵控制性工程。工程采用直徑508 mm直縫雙面埋弧焊鋼管，穿越總長(zhǎng)度1 374 m。工程穿越近千米的主區(qū)段為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及中風(fēng)化砂礫巖，地層復(fù)雜多變，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。施工中極易發(fā)生沉砂、縮徑、垮孔、埋鉆和抱管等負(fù)面情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致惡性的工程事故。對(duì)此，在工程設(shè)計(jì)與實(shí)施中必須采用先進(jìn)高效的鉆井泥漿技術(shù)，以防垮塌、防水敏為主，同時(shí)兼顧減阻和潤(rùn)滑。我們緊密依據(jù)本工程的地質(zhì)條件和巖土性質(zhì)，通過科學(xué)的分析與計(jì)算并結(jié)合針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，合理確定泥漿的切力、黏度和密度，嚴(yán)格限制泥漿的失水量，為本次長(zhǎng)距離復(fù)雜地層大型穿越工程的泥漿配制擬定出關(guān)鍵的性能指標(biāo)，從而研發(fā)出行之有效的泥漿體系。

1 切力的設(shè)計(jì)與調(diào)整

根據(jù)穿越地層的工程地質(zhì)勘察資料，部分中風(fēng)化砂礫巖的自然散碎粒徑較大，平均可達(dá)7 mm左右，密度約2.3 g/cm3，必須依靠泥漿足夠大的切力才能懸排這些鉆屑。根據(jù)有關(guān)學(xué)者研究:泥漿懸屑臨界切力，是指泥漿在靜止?fàn)顟B(tài)下剛好能夠懸浮住鉆屑(圓柱狀高h(yuǎn)，直徑d)，所需要的靜切力τsL，于是應(yīng)用力學(xué)原理對(duì)其分析推導(dǎo)(見圖1)。

圖1 懸屑臨界切力分析

根據(jù)阿基米德浮力原理可得知，要使鉆屑剛好被懸浮住，浮力加總切力應(yīng)等于重力，由此可得所需泥漿靜切力為:

式中:τsL——泥漿靜切力，Pa；

d——鉆屑顆粒直徑，mm

ρ1——鉆井液的密度，g/cm3

ρ2——鉆屑顆粒的密度，g/cm3

g——重力加速度，取9.8 m/s2。

將鉆屑的平均直徑7 mm、密度2.3 g/cm3代入式(1)，并初擬泥漿密度設(shè)計(jì)值為1.12 g/cm3，則計(jì)算剛好懸浮住鉆屑所需的泥漿切力為20.24 Pa。

上述理論分析結(jié)果是擬定泥漿切力的基本依據(jù)，而在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中又進(jìn)一步考慮以下諸因素，從而完善對(duì)泥漿切力的設(shè)計(jì)。

(1)考慮到泥漿循環(huán)再用時(shí)地面對(duì)返排泥漿除砂的需要，應(yīng)使鉆屑在泥漿中能夠有少許的相對(duì)下沉速度。所以實(shí)際切力設(shè)計(jì)取值時(shí)略小于理論計(jì)算值，而鉆屑在環(huán)空中的緩慢下沉問題則由泥漿較大的返排流量彌補(bǔ)之。

(2)實(shí)際鉆進(jìn)中產(chǎn)生鉆屑形狀多種多樣，如球狀、立方體、多棱體、圓柱體、片狀和棒狀等。用圓柱體統(tǒng)一代替會(huì)產(chǎn)生一些誤差，但除少數(shù)異形(如片、條形十分明顯)外，一般誤差不大(小于15%)。

(3)切力的測(cè)試用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)來做，切力的調(diào)整則通過添加相應(yīng)的配漿材料來實(shí)現(xiàn)。我們?cè)谀酀{中按一定比例添加黏土適度絮凝劑和聚合物交聯(lián)劑，將泥漿體系的切力準(zhǔn)確地調(diào)整到20 Pa左右。

2 黏度的擬定與實(shí)現(xiàn)

本工程鉆進(jìn)中遇到大量中風(fēng)化粉砂巖及中風(fēng)化砂礫巖。此類巖土結(jié)構(gòu)呈散粒或散塊狀態(tài)，散粒散塊之間膠結(jié)弱或無膠結(jié)，結(jié)構(gòu)極不完整，穩(wěn)定性很差。鉆進(jìn)時(shí)，孔壁易掉塊、坍塌，容易誘發(fā)卡鉆、埋鉆事故。運(yùn)用泥漿技術(shù)來解決松散破碎地層鉆進(jìn)困難問題，是一項(xiàng)重要的工藝措施。將泥漿的黏度提高，可以有效粘結(jié)散狀孔壁。

地層越是松散破碎，維穩(wěn)孔壁的泥漿黏度就要求越高?？梢哉f，地層的松散破碎程度是決定泥漿黏度設(shè)計(jì)值的主要因素。對(duì)地層松散破碎程度有多種不同的度量方法，在此我們采用單軸抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)法，即以足夠尺寸的地層巖土樣品的單軸抗壓強(qiáng)度值σs作為衡量該地層松散破碎程度的指標(biāo)。根據(jù)本工程實(shí)際樣品測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)穿越地層多段為強(qiáng)破碎(σs≤0.5 MPa)結(jié)構(gòu)，少量為極破碎(σs≤0.2 MPa)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)巖層散碎程度已知且泥漿密度與地層壓力平衡時(shí)，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M和力學(xué)分析計(jì)算，引用所需泥漿的黏度與該類地層樣品散碎程度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為:

式中：Ah——表觀黏度，mPa·s；

按樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將穿越地層的散碎程度值(0.2≤σs0.5 MPa)代入式(2)，計(jì)算得到本工程應(yīng)對(duì)散碎地層所需泥漿的表觀黏度應(yīng)在49～53 mPa·s之間，也就是六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)600轉(zhuǎn)時(shí)的讀值應(yīng)該為98～106。其對(duì)應(yīng)馬氏漏斗黏度約為85～95 s。這樣的黏度值在鉆井工程中是屬于較大的，旨在以此來維持易散碎孔壁的穩(wěn)定。

再根據(jù)所需泥漿的黏度來選擇配漿材料，確定加量比例。針對(duì)松散破碎地層，通過使用高分散度泥漿、增加泥漿中的黏土含量、加入大分子聚合物以及適度絮凝等措施，來提高泥漿黏度。在高效提黏劑的選擇上，采用分子量13 000的水溶性較好的有機(jī)聚合物，它在泥漿中的加量?jī)H需0.75 kg/m3，就能將泥漿的表觀黏度從10 mPa·s提高到50 mPa·s，不僅完全滿足此次工程的高黏泥漿需求，也由于用量很少而顯著降低了造漿成本。盡管泥漿黏度和切力越高越有利于粘結(jié)破碎的井壁并攜出大顆粒鉆屑，但受泵送能力和孔內(nèi)壓力激動(dòng)等因素限制，泥漿黏稠度也不允許太大。在本次設(shè)計(jì)中，將泥漿的最大表觀黏度控制在不超過55 mPa·s。

3 臨界失水量確定與降失水

對(duì)此次主體穿越的泥質(zhì)粉砂巖樣品進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其中存在著大量的黏土礦物。尤其是蒙脫石黏土的存在，將使近孔壁地層在受到泥漿中自由水份的浸滲時(shí)，即發(fā)生黏土的吸水、膨脹、分散，會(huì)導(dǎo)致鉆孔壁的縮徑、蠕垮、分散，是比較典型的水敏性地層。這是鉆進(jìn)工作中最常見的難鉆地層之一，極易造成孔內(nèi)事故，也是鉆井界長(zhǎng)期以來致力于解決的鉆井技術(shù)課題。應(yīng)對(duì)水敏地層的重要措施之一就是降低泥漿的失水量。

失水量的設(shè)計(jì)值取多少為好，很大程度上取決于地層的水敏程度。地層水敏性越強(qiáng)，失水量就要求越小。關(guān)于地層水敏性強(qiáng)弱程度的度量，有多種不同的評(píng)價(jià)檢測(cè)方法，目前評(píng)價(jià)的量化指標(biāo)各鉆井單位還不完全統(tǒng)一。我們以水敏指數(shù)Iw作為指標(biāo)，測(cè)得本次工程土體樣品的Iw為0.69，屬強(qiáng)水敏。建立泥漿的臨界失水量即允許的最大失水量與地層水敏性指數(shù)之間的量化關(guān)系，主要根據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合?，F(xiàn)選擇理論計(jì)算參考公式如下:

式中:FLmax——臨界失水量，mL/30 min；

Iw——水敏指數(shù)，無量綱。

依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將Iw=0.69代入式(3)計(jì)算，得本工程泥漿失水量應(yīng)該控制在小于8.25 mL/30min。

對(duì)于水敏性地層的井壁穩(wěn)定，應(yīng)用針對(duì)性的泥漿技術(shù)可以取得較好的效果。其最根本的配方思路為2條:

(1)盡量減少泥漿向地層的滲水，也就是降低泥漿的失水量；

(2)即便有“水”滲入井壁，這類流體也對(duì)泥質(zhì)不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生水敏或稱“抑制水敏”。

式(4)定量表達(dá)了降低失水量應(yīng)該把握的各項(xiàng)因素。再加上考慮抑制水敏措施，便構(gòu)成配制降失水抑制性泥漿的機(jī)理與要點(diǎn)。

式中:K——孔壁的滲透率，m2；

A——滲濾面積，m2；

ΔP——壓差，Pa；

μ——濾液黏度，Pa·s；

t——滲濾時(shí)間，h；

Cc——泥皮中固體顆粒的體積百分?jǐn)?shù)；

Cm——泥漿中固體顆粒的體積百分?jǐn)?shù)；

Km——?jiǎng)邮禂?shù)，無量綱，視泵量等因素在0～1之間取值。

(1)添加Na-CMC、DFD等中分子量(約200萬)的降失水劑——增加粘土吸附水化膜的厚度，增大對(duì)自由水的滲透阻力，充分發(fā)揮泥餅的隔膜作用，可使失水量明顯減少。

(2)采取“粗分散”方法——使粘土顆粒適度絮凝，而非高度分散，從而使井壁巖土的分散性減弱，保持一定的穩(wěn)定性。

(3)選優(yōu)質(zhì)土造漿——由于水化效果好，粘土顆粒吸附了較厚的水化膜，泥漿體系中的自由水量大大減少，所以優(yōu)質(zhì)土泥漿的失水量遠(yuǎn)低于劣質(zhì)土的。

(4)提高基液黏度——泥漿中的“自由水”實(shí)際上是濾向地層的基液，其黏度愈高，向地層中滲濾的速率就愈低。

(5)調(diào)整泥漿密度，平衡地層壓力——鉆孔中液體壓力與地層中流體壓力的差值是泥漿失水的動(dòng)力，盡可能減少壓力差，維持平衡鉆進(jìn)是降失水的有效措施。

(6)利用特殊離子對(duì)地層的“鈍化”作用——一些特殊離子(如鉀離子)的嵌合作用可以加強(qiáng)粘土顆粒之間的結(jié)合力，從而使孔壁穩(wěn)定性提高。

(7)利用大分子鏈網(wǎng)在井壁上的隔膜作用——泥漿中的大分子物質(zhì)相互橋接，濾余后附著在井壁上形成阻礙自由水繼續(xù)向地層滲漏的隔膜。

(8)利用微膠粒(如瀝青微膠粒)的堵塞作用——在泥漿中添加與地層空隙尺寸相配伍的微小顆粒，堵塞滲漏通道，降低泥失水量。

(9)活度平衡——使鉆井液化學(xué)性質(zhì)與地層化學(xué)性質(zhì)相近，減少相互之間的物質(zhì)擴(kuò)散交換程度。

4 結(jié)語

根據(jù)本次工程實(shí)際情況，將切力、黏度、失水量作為主要的泥漿設(shè)計(jì)參數(shù)，輔助考慮泥漿密度和潤(rùn)滑減阻性能，按上述要點(diǎn)復(fù)配出一套有特色的泥漿體系。經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用，擴(kuò)孔中未發(fā)生坍塌埋鉆事故，拉管回拖力最大為50 t，該大型工程獲得成功，驗(yàn)證了這套泥漿體系解決了相應(yīng)的復(fù)雜地層長(zhǎng)距離水平定向鉆進(jìn)鋪管的瓶頸難題。