于志堅(jiān)

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì),河北承德 067000)

1 工區(qū)地質(zhì)概況

本區(qū)大地構(gòu)造位置處于華北地臺北緣、山西斷隆與燕山褶皺帶西端接壤地帶,區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,巖漿活動頻繁。礦區(qū)地層主要為中上元古界長城系高于莊組、薊縣系霧迷山組、楊莊組、清白口系望狐組及侏羅系后城組,礦區(qū)地層巖性見表1。

表1 zk4403孔地層情況Table 1 Formation conditions of hole zk4403

2 鉆孔概況及施工準(zhǔn)備

2.1 鉆孔情況

zk4403孔位于山西省靈丘縣腰站礦區(qū)山頂,海拔高度約1700 m,設(shè)計(jì)傾角75°,設(shè)計(jì)孔深1200 m。

2.2 鉆探設(shè)備及管材配置

主要施工設(shè)備包括:HXY-6B 鉆機(jī)1臺,BW-250泥漿泵1臺,BW-320泥漿泵1臺,200kW發(fā)電機(jī)組2臺,SGX-23鉆塔1套,1m3泥漿攪拌機(jī)3臺。

主要管材包括:直徑114 mm 鉆桿300 m,直徑89 mm 鉆桿950 m,直徑71 mm 鉆桿1500 m;直徑146 mm 套管20 m,直徑108 mm 套管220 m,直徑89 mm 套管800 m。

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一開,直徑150 mm 合金鉆頭鉆進(jìn)至基巖,下直徑146 mm套管;二開,S122 mm金剛石鉆進(jìn)至200 m,下直徑108 mm 外絲套管;三開,S95 mm 金剛石鉆進(jìn)至王臺群金剛庫組,下入直徑89 mm 外絲套管;四開,S77 mm 金剛石鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深,裸眼。鉆孔結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 zk4403孔鉆孔結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Drilling structure drawing of zk4403 hole

3 施工情況

2011～2014年我單位在此礦區(qū)施工,先后共完成3個(gè)孔,鉆探工作量4800 m。2011年派出1臺鉆機(jī)進(jìn)駐礦區(qū)施工,由于對地層了解不夠,施工準(zhǔn)備不足,施工人員缺少在完全漏失地層鉆進(jìn)經(jīng)驗(yàn),發(fā)生多次燒鉆事故,累計(jì)報(bào)廢工作量達(dá)700 m,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失,也給鉆探施工人員造成過大的心理壓力,導(dǎo)致施工進(jìn)度過慢。為了解決在漏失地層鉆進(jìn)的問題,嘗試使用了多種處理方法。

受構(gòu)造斷層影響,地層破碎、軟硬不均,鉆孔傾角變化較大(60°～80°),鉆進(jìn)中有掉塊、坍塌現(xiàn)象發(fā)生,所鉆巖石硬、脆,降低了進(jìn)尺效率。斷層導(dǎo)致巖石嚴(yán)重破碎,裂隙發(fā)育,孔內(nèi)鉆井液失返。由于鉆井液漏失嚴(yán)重,失去了防塌護(hù)壁、潤滑功能,造成孔壁失穩(wěn)、回轉(zhuǎn)阻力增大,導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過低影響鉆速;此外,因孔底漏失,鉆進(jìn)時(shí)泵壓表無顯示,增加了燒鉆的風(fēng)險(xiǎn)。因此,鉆孔堵漏已成為迫切需要解決的主要問題。

4 地層漏失機(jī)理分析與漏失層判定

4.1 漏失原因分析

鉆孔發(fā)生鉆井液漏失一般是鉆孔液柱壓力與地層壓力不平衡所致,只要地層壓力小于鉆孔內(nèi)液柱壓力且孔壁存在漏失通道就可能會出現(xiàn)漏失現(xiàn)象。漏失狀態(tài)下,鉆孔與地層間存在的壓力關(guān)系為

式中:pm為泥漿靜液柱壓力;pa為環(huán)空流動阻力;pf為地層壓力或孔隙壓力;pi為泥漿在漏失通道中流動時(shí)的壓力損失。

Δp越大,漏失越嚴(yán)重。由于pm相對恒定,當(dāng)pa增大時(shí),Δp增加,漏失量增大;pi很低時(shí),漏失量多少取決于地層的滲透率和泥漿進(jìn)入通道中流動時(shí)的阻力[1]。

4.2 鉆孔漏失層位判定

確定漏失層位置是處理鉆孔漏失的關(guān)鍵,可以采用石油系統(tǒng)測井測漏專用裝置,如電磁法、聲波法等。地質(zhì)鉆探現(xiàn)場一般采用觀察、記錄的方法簡單判斷。

4.2.1 通過鉆進(jìn)情況判斷漏失層

鉆井液體系性能沒有改變,在正常鉆進(jìn)時(shí)發(fā)生漏失,那么漏失層位就是鉆頭到達(dá)的位置,鉆探施工人員應(yīng)及時(shí)觀察鉆井液返出情況,鉆井液失返要準(zhǔn)確記錄孔深。

下鉆時(shí)觀察鉆井液返出情況,每下入一個(gè)立根,孔口都應(yīng)返出與鉆桿同體積的鉆井液,在實(shí)際施工下鉆過程中,鉆井液返出的時(shí)間可能會滯后,鉆具下入越深,滯后時(shí)間越長。如果下入鉆具后,孔口沒有鉆井液返出則說明鉆頭已經(jīng)到達(dá)或穿過漏失層,可以借鑒此方法推算漏失層的深度[1,2]。

如果發(fā)生鉆孔坍塌,下鉆過程中鉆頭進(jìn)入坍塌孔段時(shí),開泵會發(fā)生憋泵,地層被憋漏,則漏失層在坍塌孔段。

4.2.2 查看巖心判斷漏失層

通過查看巖心外觀可以了解地層傾角、接觸關(guān)系、孔隙、裂隙及斷層發(fā)育情況,查看巖心是否有過水痕跡,過水痕跡是判定漏失層的重要依據(jù)[3]。

5 zk4403孔堵漏方法應(yīng)用

zk4403孔地層變化大,施工中鉆至230 m 時(shí)鉆井液返漿量約為1/3,鉆進(jìn)至320 m 鉆井液完全失返,繼續(xù)頂漏鉆進(jìn)至367 m,此時(shí)孔內(nèi)水位150 m 左右,上部鉆桿磨損嚴(yán)重。由于鉆孔傾角大、地層破碎,經(jīng)常出現(xiàn)掉塊卡鉆現(xiàn)象,因此采取措施堵漏。

5.1 惰性材料堵漏

堵漏溶液配方:清水100 kg+PHP 0.15 kg(攪拌20 min)+鋸末3 kg+海帶絲2 kg。

將堵漏溶液從鉆桿內(nèi)倒入,再用BW-250泥漿泵把堵漏溶液頂入漏失層。在小裂隙中堵漏,用鋸末、剪碎的海帶絲、破碎的黃豆粒摻入PHP溶液中,送入裂隙,通過海帶、黃豆粒的遇水膨脹架橋堵漏方法在多個(gè)漏水孔中起到了一定的堵漏效果,但用此方法在zk4403孔進(jìn)行多次灌堵后均無效果。

5.2 水泥漿堵漏

水泥漿配方:水泥300 kg +清水180 kg。

用P.O 42.5硫鋁酸鹽水泥按照水灰比為60%的比例配制成水泥漿液,用泥漿泵送到孔底250 m處,提鉆候凝,8 h后下鉆通孔,未遇到水泥,灌注的水泥漿液全部漏到地層中,連續(xù)灌了2次水泥都沒能成功,用水泥漿固結(jié)堵漏法失敗。

5.3 快速凝膠堵漏

(1)根據(jù)漏失段的巖心判斷漏失性質(zhì)屬于破碎地層裂隙漏失,在漏失通道直徑較大時(shí),可利用有機(jī)凝膠與固結(jié)材料之間的化學(xué)觸變作用,即當(dāng)無機(jī)凝膠材料與有機(jī)凝膠相遇時(shí),會迅速變成凝膠而失去流動性,逐漸堵塞漏失通道。有機(jī)凝膠漿液1號配方:清水+10%膨潤土+10%有機(jī)凝膠(CNJ-2);快速固結(jié)水泥漿液2號配方:0.5～0.6水灰比配置的P.O 42.5水泥溶液+3%～4%速凝劑。

(2)有機(jī)凝膠、快速固結(jié)水泥漿液、替漿液的配制。1號漿液:攪拌罐中放入清水后依次加入膨潤土、有機(jī)凝膠,配制3 m3備用;2號固化液:首先向攪拌罐中加入0.4 m3清水、加入25 kg速凝劑,攪拌均勻使其充分溶解,再依次加入800 kg水泥、5 kg鋸末,充分?jǐn)嚢?配制2.5 m3備用;替漿液:攪拌罐中放0.5 m3清水+12.5 kg鈉基膨潤土+0.5 kg增黏防塌劑,配備1 m3備用[4,5]。

5.4 堵漏漿液用量確定

經(jīng)計(jì)算,漏漿段裸眼體積V=0.7 m3,現(xiàn)場配備堵漏漿液2.5 m3,大約是裸眼段體積的3.6倍,能滿足施工需要。

5.5 現(xiàn)場施工操作步驟及效果

①將光鉆桿下入至孔深225 m 處,為了保證孔內(nèi)安全防止卡鉆事故發(fā)生,盡可能不下入帶鉆頭的鉆具。②首先用BW-250泥漿泵向鉆桿內(nèi)泵入有機(jī)凝膠漿液1號漿液,再泵入快速固結(jié)水泥漿液2號漿液,取2號漿液做地表凝固試驗(yàn)。③打入替漿液0.8 m3。④提鉆清洗鉆桿內(nèi)壁,候凝24 h。⑤24 h后2號漿液在地表已經(jīng)完全凝固,下鉆至221 m 處遇水泥,掃至孔底,掃通水泥樁后鉆井液返漿量達(dá)1/2,封堵取得一定效果,可以繼續(xù)鉆進(jìn)。

zk4403孔施工近4個(gè)月,第一次用快速凝膠堵漏取得了成效,在后續(xù)的鉆進(jìn)中又運(yùn)用了3次,直至95 mm 口徑鉆至老地層遇片麻巖后下套管隔離,護(hù)住上部地層形成人工套管孔壁。

6 預(yù)防鉆井液漏失

漏失通道與壓差是造成漏失主要原因,因此,堵塞地層裂隙漏失通道和降低液柱壓與地層的壓差是預(yù)防漏失的最有效途徑。

鉆井液正常消耗時(shí)加入隨鉆堵漏惰性材料能起到堵塞微小裂隙的作用,也可以采用膨脹材料、水泥固結(jié)、套管隔離等方法,減少鉆井液的漏失。

泥漿的密度直接影響液柱壓的高低,環(huán)空阻力與泵量、鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙以及鉆井液的黏度等因素有關(guān)。因此,在施工中應(yīng)盡可能使用密度低、黏度低的鉆井液,以降低孔內(nèi)液柱壓力與環(huán)空阻力。在鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙較大時(shí),增加黏度可以提高鉆井液在漏失通道中的流動阻力,減少漏失[6-8]。

7 結(jié)語

鉆井液漏失不僅增加鉆探成本,還會導(dǎo)致排渣不徹底、回轉(zhuǎn)阻力大、孔壁泥皮變差,從而降低鉆速甚至導(dǎo)致孔內(nèi)事故;在油氣層鉆進(jìn)時(shí),鉆井液漏失還會堵塞油氣層通道,影響油氣排采。

快速凝膠堵漏應(yīng)用范圍較廣,適用于不同特征的漏失通道。在含水層、較大裂隙地層使用可以有效地防止地下水對堵漏水泥漿液的稀釋,提高堵漏漿液的流動阻力。另外,用此方法堵漏還可以提高松散破碎地層孔壁穩(wěn)定性,降低掉塊卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

快速凝膠堵漏可以降低水泥凝固時(shí)間,普通方法灌注水泥需要候凝48～72 h,而使用快速凝膠堵漏一般只需要8～24 h。在凝膠堵漏漿液配制前要進(jìn)行試驗(yàn),掌握堵漏漿液初凝時(shí)間,以防灌注過程中發(fā)生事故。堵漏漿液灌注前要留樣做地表凝固實(shí)驗(yàn),通常地表樣凝固4～8 h后即可以下鉆掃水泥通孔。

鉆井液被稱為“鉆探工程的血液”,與鉆孔安全、工藝方法等都有著密切的關(guān)系,直接影響著鉆孔的成孔質(zhì)量和施工效率。因此,在鉆探施工中發(fā)現(xiàn)鉆孔漏失時(shí),要準(zhǔn)確分析漏失原因,采取有效的堵漏方法,保證鉆孔質(zhì)量,提高鉆探效率和經(jīng)濟(jì)效益。