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(xiàn)象出現(xiàn)，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(shù)。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(xiàn)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(chǎn)生吸水膨脹、分散、崩解、剝落等現(xiàn)象的巖層，其共同特征是含有粘土礦物或水溶性礦物，根據(jù)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(jīng)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(xiàn)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(fā)生復雜情況的泥頁巖而言，根據(jù)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(fā)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(chǎn)生的，是指水分子通過半滲透膜進行移動，當巖層遇水且?guī)r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(chǎn)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(huán)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(tài)。

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(fā)生在頁巖、含煤泥頁巖等地層，其產(chǎn)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(wěn)；另一方面，鉆井液侵入地層使其產(chǎn)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(jù)相應的地層壓力選用適當?shù)你@井液密度，此外還要設計合理的鉆井液上返速度和流態(tài)，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(fā)生在地層造漿的粘土層或泥頁巖孔段，它的主要表現(xiàn)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(fā)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(wěn)主要體現(xiàn)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(wěn)；（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(xiàn)象，使鉆井液護壁性變差，孔壁失穩(wěn)[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(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)上返巖屑判斷井壁出現(xiàn)了崩塌，現(xiàn)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(fā)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(jié)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(shù)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(wěn)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(xiàn)了崩塌，現(xiàn)場分析為軟弱的煤泥層在卸壓和遇水的情況下發(fā)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(jié)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(shù)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?shù)恼扯?、適當?shù)拿芏?、適當?shù)膒H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(tài)。為了保證鉆井液的性能、滿足鉆進的需要，應選用優(yōu)質粘土造漿，同時選用合理處理劑調節(jié)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(jié)大致可總結為 “兩個控制一個調節(jié)”，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(tǒng)壓力平衡的控制，要盡量使用平衡壓力鉆進。一個調節(jié)是：調節(jié)鉆井液的流速及流態(tài)，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.