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        小口徑繩索取心鉆進(jìn)在碭山地區(qū)深厚泥巖地層中的施工技術(shù)

        2022-04-24 09:27:22潘振泉秦正運(yùn)
        鉆探工程 2022年2期
        關(guān)鍵詞:縮徑液控粘土

        王 盛,潘振泉,秦正運(yùn)

        (1.江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一二大隊(duì),江西 鷹潭 335000;2.魯國化工(山東)有限公司,山東 臨沂 276000)

        0 引言

        小口徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝,具備鉆具回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高、鉆進(jìn)速度快、效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)點(diǎn);其缺點(diǎn)是孔徑較小,鉆桿與孔壁間隙?。?]。

        泥巖是水敏性地層,遇水時(shí)極易吸水膨脹、分散,導(dǎo)致井壁縮徑、垮塌等事故。同時(shí)粘性泥巖鉆屑對(duì)鉆具表面具有很強(qiáng)的粘附性能,造成鉆頭和鉆桿泥包、增加扭矩和憋泵效應(yīng)。

        小口徑繩索取心鉆遇深厚泥巖時(shí),由于本身孔徑、環(huán)狀間隙小的特點(diǎn),加之泥巖縮徑、鉆頭和鉆桿泥包現(xiàn)象,經(jīng)常出現(xiàn)鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)阻力增大,憋泵持壓不通水現(xiàn)象[2-8]。

        “安徽省碭山縣北部地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目”為安徽省自然資源廳2018 年度公益性地質(zhì)工作第一批項(xiàng)目,作為精準(zhǔn)扶貧項(xiàng)目由省財(cái)政全額出資,工期2 年。主要任務(wù)是查明工作區(qū)地層結(jié)構(gòu)、熱儲(chǔ)蓋層、熱儲(chǔ)層等地?zé)岬刭|(zhì)條件,對(duì)地?zé)豳Y源進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。在該項(xiàng)目ZK01 孔鉆探取心過程中鉆遇大段泥巖地層,多次出現(xiàn)坍塌、縮徑、泥包等問題。本文針對(duì)該區(qū)水敏性地層的特點(diǎn),研討解決水敏性地層小口徑繩索取心鉆探問題的相關(guān)技術(shù),對(duì)該區(qū)項(xiàng)目鉆探施工具有重要的意義。

        1 項(xiàng)目概況

        調(diào)查區(qū)位于華北陸塊徐淮地塊淮北斷褶帶黃口斷陷帶之黃口凹陷,北部斷箕楊樓次凹、姜馬莊鞍狀隆起與南部斜坡的交匯地帶。主要地層從上往下依次為第四系及新近系(Q+N)松散層、古近系汶口組(E2-3w)、古近系官莊組(E2g)及下白堊統(tǒng)青山組(K1q)。第四系及新近系松散層(Q+N):厚度500~700 m,上部為第四系土黃色粘土;下部為粘土層、粉砂質(zhì)粘土、細(xì)砂互層。古近系汶口組(E2-3w):不整合于松散層之下,厚度160~320 m。上部為淺灰、灰白色硬石膏巖、含石膏泥巖互層加灰質(zhì)泥巖;下部為淺棕色泥巖及粉砂巖互層。古近系官莊組(E2g):整合于汶口組之下,厚度400~680 m。巖性為河湖相棕褐色粉砂巖、細(xì)砂巖、含礫砂巖夾泥巖。巖心照片見圖1。

        圖1 鉆孔巖心照片F(xiàn)ig.1 Cores

        碭山地?zé)醃K01 孔設(shè)計(jì)孔深1200 m,全孔取心,采取率>85%,終孔直徑≮75 mm。

        2 施工遇到的困難

        (1)由于覆蓋層下以泥巖為主,在施工過程中多次出現(xiàn)上部縮徑,頻繁掃孔,不僅鉆進(jìn)效率低下,而且極易出現(xiàn)孔內(nèi)卡鉆事故。

        (2)泥巖經(jīng)過鉆頭破碎后,大量具有吸附性的劣質(zhì)粘土成分進(jìn)入到泥漿中,在泥漿循環(huán)過程中,伴隨鉆桿的甩動(dòng)會(huì)吸附在孔壁、套管內(nèi)壁,形成一層虛厚的泥皮,前期造成泵壓升高,隨著孔壁及套管內(nèi)壁吸附的泥皮厚度增加,形成一種“假縮徑”現(xiàn)象,鉆孔出現(xiàn)憋泵持壓。這一現(xiàn)象在采用單管鉆進(jìn)過程中影響不大,但是在繩索取心鉆進(jìn)工藝時(shí),因環(huán)狀間隙小,起下鉆頻率低,對(duì)孔壁剮蹭次數(shù)少等原因,極易造成憋泵持壓現(xiàn)象。

        3 具體施工過程及解決方法

        鉆孔上部700 m 為松散第四系,粘土、細(xì)砂互層,采用?110 mm 口徑單管鉆進(jìn),孔底反循環(huán)局部干燒撈心工藝。鉆進(jìn)至708 m 后下入?89 mm 套管護(hù)壁,為確保巖心采取率達(dá)標(biāo),改用?76 mm 口徑繩索取心鉆進(jìn)工藝進(jìn)行施工。

        該孔以泥巖等水敏性地層為主,施工前期的泥漿選用了對(duì)泥巖具有抑制膨脹和分散作用的低固相泥 漿 。 配 方 為 :4% 膨 潤 土 +0.2% 純 堿 +2% 銨鹽+1%鉀鹽+2.5%防塌劑(封堵劑、腐殖酸與多羥基鋁絡(luò)合物)。

        采用?76 mm 口徑繩索取心工藝鉆進(jìn)至780 m處出現(xiàn)憋泵,孔口不返漿,但是回轉(zhuǎn)扭矩正常,上提、下放鉆具無阻力,判斷為上部泥巖出現(xiàn)蠕變縮徑現(xiàn)象。上提鉆具至縮徑封堵處往下掃孔,掃至孔底后又出現(xiàn)憋泵持壓、不返漿現(xiàn)象。多次上提鉆具進(jìn)行掃孔,依然無法解決上部已經(jīng)松散的軟泥。將泥漿密度提高至1.3 g/cm3后繼續(xù)掃孔,還出現(xiàn)吸附卡鉆現(xiàn)象。

        縮徑原因及特征分析:前期泥漿濾失量控制不力,導(dǎo)致泥漿中的水分通過滲透作用進(jìn)入到地層中,與地層中的粘土礦物水化膨脹,使其強(qiáng)度降低,在上覆巖層重力的作用下,向孔內(nèi)流動(dòng)(蠕變)。根據(jù)開爾文-沃伊特模型模擬地層圍巖受力變形的粘彈性分析,利用三維本構(gòu)方程,推導(dǎo)出巖石的三維蠕變方程:

        式中:Ua——井眼縮徑量,mm;a——井眼直徑,mm;Pb——上覆巖層壓力,MPa;ρ——泥漿密度,g/cm3;g——重力加速度,m/s2;h——井深,m;GH——彈性模量,MPa;GK—剪切模量,MPa;ηK——粘性系數(shù),MPa·s;t——鉆開井眼的時(shí)間,h。

        依據(jù)以上規(guī)律可知,在泥漿密度、井深、粘性系數(shù)等變量不變的情況下,井眼縮徑量和鉆開井眼時(shí)間呈幾何衰減關(guān)系,新井眼產(chǎn)生后,初始的縮徑蠕變速度最高,隨著時(shí)間的推移,縮徑蠕變速度逐漸降低。在較長的時(shí)間之后,縮徑逐漸停止[6]。

        上部708 m 為?89 mm 口徑套管,內(nèi)徑只有78 mm,且無法起拔?;趯?duì)該孔縮徑地層蠕變特征的分析,結(jié)合該孔現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,采取了以下措施:套管下部采用液控?cái)U(kuò)孔鉆頭將?76 mm 口徑原鉆孔擴(kuò)孔至?85 mm 口徑,通過擴(kuò)大縮徑段的孔徑,從而抵消蠕變?cè)斐傻目s徑效果,達(dá)到預(yù)防卡鉆、憋泵的目的。該孔使用的液控?cái)U(kuò)孔鉆頭收縮狀態(tài)外徑73 mm,通水后擴(kuò)孔翼張開狀態(tài)外徑85 mm。通過采用液控?cái)U(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔的方法順利穿過708~780 m縮徑段,終孔后井身結(jié)構(gòu)見圖2。

        圖2 井身結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Well structure

        液控?cái)U(kuò)孔鉆頭工作原理:該鉆頭主要由上接頭、鉆頭體、中心桿件、回位彈簧、限位塊、擴(kuò)孔刀翼、刀翼軸和前導(dǎo)鉆頭組成。以鉆井沖洗液為動(dòng)力,在鉆孔任意位置需要擴(kuò)孔處擴(kuò)孔翼張開即可進(jìn)行作業(yè)。鉆桿內(nèi)高壓沖洗液推動(dòng)鉆頭內(nèi)的活塞和中心桿件向下運(yùn)動(dòng),中心桿件上的齒條帶動(dòng)端部有齒輪的擴(kuò)孔翼旋轉(zhuǎn)張開,進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)。擴(kuò)孔翼張開后鉆頭靠鉆具的重力進(jìn)行回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔,此時(shí)擴(kuò)孔鉆頭不需要高壓沖洗液。擴(kuò)孔完成后,上提鉆桿,擴(kuò)孔翼在回位彈簧的作用下回縮,擴(kuò)孔鉆頭即可提出孔口,液控?cái)U(kuò)孔鉆頭結(jié)構(gòu)見圖3[9]。擴(kuò)孔鉆頭啟動(dòng)泵壓2 MPa,流量80 L/min,通泵后張開直徑85 mm,收縮狀態(tài)直徑73 mm。

        圖3 液控?cái)U(kuò)孔鉆頭示意Fig.3 Structure of the hydraulic control reaming bit

        擴(kuò)孔鉆頭下孔前必須在孔口接上主動(dòng)鉆桿,通泵后刀翼張開、停泵后刀翼收縮,說明擴(kuò)孔鉆頭刀翼收縮正常,可以進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)。將孔內(nèi)巖渣清洗干凈,使擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔時(shí),鉆孔的前導(dǎo)部分不要有太大的阻力,鉆孔的直徑要大于擴(kuò)孔鉆頭的直徑,大的越多,擴(kuò)孔鉆頭越容易張開,擴(kuò)孔作業(yè)越順利。前導(dǎo)鉆頭在擴(kuò)孔時(shí)起攪動(dòng)沉渣作用,在使用時(shí)應(yīng)與擴(kuò)孔鉆頭體擰緊并點(diǎn)焊。擴(kuò)孔過程盡量采用低鉆壓、高泵量、低轉(zhuǎn)速,確保擴(kuò)孔鉆頭正常作業(yè)。本次鉆孔擴(kuò)孔采用參數(shù):泵量100 L/min,鉆壓6~7 kN,轉(zhuǎn)速80 r/min。

        采用液控?cái)U(kuò)孔鉆頭順利穿過上部縮徑地層后,下部繼續(xù)采用?76 mm 口徑繩索取心鉆進(jìn)工藝進(jìn)行下一步施工。鉆進(jìn)至890 m 處又出現(xiàn)憋泵持壓不返水現(xiàn)象,與上一次出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象不同的是,此次上提鉆具至套管內(nèi)(702 m)通泵,泥漿還是循環(huán)不暢,泥漿泵泵壓出現(xiàn)劇烈跳動(dòng),退主動(dòng)鉆桿往鉆桿內(nèi)灌漿,水位停留在管口不回落。多次起鉆檢查鉆具,未發(fā)現(xiàn)鉆具泥包、下鉆也無阻礙,排除了套管脫節(jié)和泥包鉆頭。經(jīng)過多番嘗試,反復(fù)論證,最終判斷本次憋泵現(xiàn)象原因是泥漿中具有吸附性的劣質(zhì)粘土成分吸附在套管壁形成虛厚泥皮,形成假縮徑現(xiàn)象,導(dǎo)致泥漿循環(huán)不暢,孔內(nèi)巖粉無法正常排出孔外,出現(xiàn)憋泵持壓現(xiàn)象。

        管壁形成虛厚泥皮原因分析:

        (1)泥漿抑制性差,鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖屑發(fā)生水化分散(地層造漿),使泥漿中泥質(zhì)成分含量大增,其中具強(qiáng)吸附性的粘土吸附在孔壁后使鉆孔環(huán)狀間隙減小,導(dǎo)致孔內(nèi)大顆粒巖屑不能及時(shí)排除孔外形成堆積。

        (2)泥漿潤滑性能差,管壁無法形成有效的保護(hù)膜,導(dǎo)致泥質(zhì)成分不斷吸附到管壁形成虛厚泥皮。

        (3)地層造漿導(dǎo)致泥漿中劣質(zhì)固相含量大增,且現(xiàn)場(chǎng)缺少有效的固控設(shè)備,無法清除泥漿中劣質(zhì)固相成分。

        采取的措施:

        (1)出現(xiàn)上述憋泵現(xiàn)象后及時(shí)提鉆,在原來的鉆具上加裝兩組新擴(kuò)孔器(外徑76.5 mm)后下入套管內(nèi),上下活動(dòng)、慢車回轉(zhuǎn),利用擴(kuò)孔器邊緣剮蹭套管壁泥皮(套管內(nèi)徑78 mm),達(dá)到清除管壁泥皮效果。

        (2)采用無固相泥漿體系代替低固相泥漿體系,從而減少泥漿中粘性土成分,提高泥漿流動(dòng)性,降低泥漿粘度、切力。

        (3)乳化泥漿,通過泥漿混油、增加潤滑劑用量等措施,破壞粘土網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),避免粘性土、巖粉粘附在管壁上。

        (4)增加泥漿中鉀離子、銨離子含量,提高鉆井液抑制性,減少泥巖的水化分散,控制地層造漿。

        (5)泥漿中配置一定量的表面活性劑,達(dá)到清洗管壁的作用。

        (6)加大泥漿中聚合物含量,通過高分子聚合物吸附粘土顆粒,抑制粘土分散,促進(jìn)粘土顆粒沉淀,達(dá)到降低泥漿中粘土含量的效果。同時(shí)降低泥漿濾失量。

        (7)降低泥漿粘度、切力,及時(shí)清除劣質(zhì)固相,發(fā)現(xiàn)泥漿性能變差及時(shí)更換新泥漿。

        (8)配制泥漿前,用巖樣做浸泡試驗(yàn),采用多種泥漿配方進(jìn)行比對(duì),挑選抑制性好的泥漿配方進(jìn)行施工[10-17],見圖 4。

        圖4 無固相泥漿浸泡48 h 后的巖樣對(duì)比Fig.4 Comparison of rock samples after soaked in solid?free mud for 48 hours

        后期采用的無固相泥漿配比為:清水+0.2%聚丙烯酰胺+3%水解聚丙烯腈胺鹽+0.6%有機(jī)硅腐殖酸鉀+1%磺化褐煤樹脂+1%封堵劑+1%瓜爾膠+0.5%柴油+1%解卡劑配制而成。該泥漿通過在孔壁形成一層薄膜保護(hù)層,減少水入侵到泥巖中,從而達(dá)到抑制泥巖水化造漿的作用。泥漿中混油乳化后可以起到破壞泥漿中粘土網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的作用,能有效預(yù)防粘土吸附孔壁。

        通過采取以上措施,掃孔至890 m 后,正常鉆進(jìn)至1200 m,期間地層造漿現(xiàn)象明顯減弱,且未出現(xiàn)管壁結(jié)泥皮現(xiàn)象,順利終孔。

        4 結(jié)論及建議

        (1)現(xiàn)階段液控?cái)U(kuò)孔鉆頭系列主要應(yīng)用于:錨固工程、煤、頁巖氣擴(kuò)孔、水井施工中擴(kuò)大含水層的口徑、定向鉆進(jìn)豎井段增大對(duì)接中靶面積、在水平可溶礦井中擴(kuò)大溶解面。液控?cái)U(kuò)孔鉆頭在小口徑巖心鉆探施工中采用還是首例,對(duì)將來巖心鉆探施工類似地層將起到很好的借鑒作用。

        (2)該項(xiàng)目施工過程中出現(xiàn)的鉆孔縮徑、結(jié)垢現(xiàn)象的根本原因是該區(qū)泥巖地層粘土含量高。地層中粘土成分極易吸水水化,水化后強(qiáng)度降低,在上覆地層重力作用下發(fā)生縮徑。鉆進(jìn)過程大量含粘土成分的巖屑無法及時(shí)沉淀,長時(shí)間懸浮在泥漿中,出現(xiàn)粘土水化造漿現(xiàn)象,導(dǎo)致泥漿粘度驟升,大量水化的粘土吸附于管壁,出現(xiàn)井壁結(jié)垢現(xiàn)象。

        (3)本項(xiàng)目采用無固相混油泥漿體系順利穿過400 多米的泥巖地層,該泥漿體系抑制泥巖水化性能良好、具備良好的封堵性能,有效避免了泥巖縮徑、造漿現(xiàn)象。該泥漿體系經(jīng)過混油后能有效破壞粘土網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),預(yù)防粘土吸附井壁結(jié)垢。

        在施工過程中,出現(xiàn)局部孔段縮徑現(xiàn)象后,利用泥巖縮徑蠕變規(guī)律,可采用液控?cái)U(kuò)孔鉆頭對(duì)局部縮徑孔段進(jìn)行擴(kuò)孔,確保鉆孔順利施工。

        (4)泥巖地層施工對(duì)泥漿性能要求十分嚴(yán)格,在泥漿配制和維護(hù)過程中應(yīng)該嚴(yán)格管理。配制泥漿前,必須通過浸泡試驗(yàn)選擇性能良好的泥漿配方;在施工過程中,加強(qiáng)對(duì)泥漿性能變化的監(jiān)控,嚴(yán)格控制泥漿固相含量,條件允許的情況下可配備一套泥漿固控設(shè)備。

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