关键词：复杂地层; 泥浆; 分析；对策
1. 井壁失稳的机理分析
井壁失稳过程首先是一个泥质岩层和黏土矿物水化膨胀的过程。地层中的泥质成分及其黏土矿物在地层压力、水平地应力、地层流体等作用下, 处于相对平衡状态。而一旦被钻开, 泥浆与地层开始接触, 地层岩石应承受的各种压力会发生变化。黏土矿物表面遇水, 产生水化膨胀, 造成强度降低。同时, 对于松散地层而言, 由于钻孔所形成的自由面,井壁会在重力作用下产生自然剥离掉落, 加之松散地层多为半固结或弱固结岩石。固结程度较低, 结构疏松, 因此地层表现极不稳定。其失稳的主要形式为剥落、掉块、坍塌、缩径、超径等。
2.复杂地层存在的问题
2.1 孔壁不稳定导致坍塌超径和缩径
复杂地层成分使泥浆粘度、固相含量增大,泥皮厚而松散, 易脱落, 泥皮更换频繁, 孔壁总失水量大大增加, 从而加速泥质成分吸水、水化、分散, 导致孔壁不稳定, 坍塌或缩径。
2.2 岩芯管下部和钻头内外产生泥包现象
泥浆中大量劣质造浆成分侵入, 泥浆粘度、固相含量增大, 泥皮厚, 岩芯管下部和钻头内外逐步形成泥包。回次初始时效提高, 随泥包加剧, 泵压增高, 时效衰减很快, 严重时鳖泵, 被迫提钻。回次长度很低, 钻效大幅度下降。即使加大钻头内外出刃缓解泵压, 但并不能够解决根本问题。
2.3 提钻时因抽吸导致钻孔坍塌
提钻时在松散层产生抽吸作用, 使其含水砂层, 严重坍塌, 在下钻扫孔时, 又易产生新岔孔,给延顺钻进带来麻烦。
2.4 钻孔漏失导致松散层坍塌
钻孔漏失后, 使泥浆漏失液面以上不稳定地层坍塌造成埋钻或出现新岔孔。
3. 预防孔壁失稳问题的技术
防止孔壁坍塌, 需要泥浆液柱的有效支撑; 防止孔壁缩径、超径, 需要最大可能地降低泥浆的失水量。在泥浆与地层接触产生滤失后, 在孔壁上形成的低渗透薄而韧的泥皮与地层隔离, 阻止泥浆内的自由水向地层渗透, 使地层的水敏、水化速度减慢。对于砂、砾石层, 采用物理、化学的方法, 可增加井壁颗粒之间的胶结能力等。根据分析, 可以通过对泥浆添加一些造浆材料、化学处理剂等对现有泥浆体系的技术性能指标进行改良, 从而达到抑制水敏、水化, 防止坍塌、掉块、孔壁失稳的目的。
4. 泥浆选择对策
4.1 初始泥浆的选择
4.1.1 低粘度、低固相不分散泥桨
目前, 煤田钻探泥浆粘度、固相含量偏高( 往往是劣质成分偏高) , 影响时效和回次进尺, 应采用低粘度、低固相泥浆勺普通钻进方法泥浆粘度可控制在18 ～20s以内, 绳索取芯钻进( 转速高)泥浆粘度还要低, 可控制在17～18s, 初始泥浆应由优质膨润土配制, 固相含量控制在3%～4%。实验证明: 泥浆中优质膨润土含量过低, 即使泥浆失水量较低, 泥浆抗劣质造浆成分污染能力仍较差,当大量劣质造浆成分侵人泥浆后, 泥皮增厚严重。相反, 优质膨润土含量较高, 在相同的泥浆粘度和失水量条件下, 泥浆抗劣质造浆成分污染能力较强。
从泥浆的护壁作用和经济综合分析, 优质膨润土含量不宜过低, 因此, 所谓低固相优质泥浆并不是一味追求过低的固相, 更不是减少优质膨润土的含量, 而是在钻进大段劣质造浆成分地层时, 始终使泥浆保持允许的低固相。
4.1.2 控制适当的泥浆失水量
在采用强抑制泥浆的前提下, 泥浆失水不必控制太低, 通常情况下失水量控制在12～15ml/30s, ,绳索取芯钻进和特殊情况失水可适当降低。
4.1.3 试样滤液浸泡实验
通过试样滤液浸泡实验优选泥浆滤液, 是抑制泥质成分造浆, 防止造浆地层坍塌的重要手段。
4.1.4 抗劣质造浆成分污染实验
根据上述要求确定一批泥浆配方, 这批泥浆抗泥质成分污染能力大小只有通过实验确定, 最终选择抗污染能力较强泥浆成本较低的泥浆配方。一是泥浆在大量劣质造浆成分污染后, 泥皮的增厚情况; 二是泥浆对孔内所钻岩粉的抑制作用。泥浆抑制泥质成分水化分散能力强, 岩粉水化分散作用小, 处于游离状态, 一旦从孔内返出很容易机械清除, 或采用絮凝剂将许多小颗粒岩粉絮凝成团块再被机械清除。因此, 对已确定的一批泥浆配方要做抗污染实验。一是泥皮测定; 二是沉降测定, 观察泥浆静止后的沉降情况, 沉降物越多, 说明泥浆抗劣质造浆成分污染能力越强。
4.2 泥浆被污染后的维护
当采用了抑制性很强成本较低的泥浆钻进一段泥质成分地层后, 泥浆的性能会随着泥质成分的浸人变化, 粘度和固相含量上升, 泥皮增厚。因此,必须及时有效处理。
4.2.1 机械清除
机械清除不仅可以把绝大部分砂除掉, 同时还能清除大部分泥质成分。泥浆抗劣质造浆成分污染能力越强, 钻进时效越高, 岩粉相对粒径越大, 机械清除越有利, 越彻底。反之, 机械清除越彻底,泥浆抗污染能力也越强。因此, 及时有效地清除泥浆中的岩粉有极为重要的意义。
4.2.2 钻进过程中的泥浆维护
在大段水敏性复杂地层中钻进, 即使机械清除可以去大部分泥砂成分, 也仍会有相当多的泥砂质成分混人泥浆, 水化分散, 成为泥浆的组成部分。因此, 泥浆粘度、固相含量上升, 泥皮增厚。应及时应用稀释剂, 降失水剂、絮凝剂等进行维护, 使泥浆性能保持在规定范围内。无论哪一种泥浆通过劣质地层后, 都要采用泥浆处理剂控制粘度、固相含量和失水; 但在泥皮增厚幅度上都表现出很大差异, 其差异表明泥浆维护是否合理。因此, 在钻进过程中, 如何控制泥皮增厚, 还有待加强研究, 探讨摸索出一条简便易行, 合理稳定的一条路来。其目的一是保证泥浆具有良好的性能参数, 二是延长泥浆的使用寿命。
4.3 全孔更换泥浆
强抑制泥浆通过劣质复杂地层, 采用泥浆处理剂虽可控制粘度, 固相含量和失水, 也能延缓泥皮增厚速度, 但泥皮增厚的趋势却无法阻止, 因此, 当泥皮增加到一定程度后, 只能全孔排放, 更换新泥浆。这样做看起来浪费了许多泥浆,但从定向经济效益测算, 仍然是合理的方案。
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