关于绿泥石化岩层钻井冲洗液的研究

邹思竟 徐力生

0 引言

钻井冲洗液历来被认为是钻探工程的血液,在钻探施工过程中起着携带岩屑、冷却散热、稳定孔壁等作用。然而,在一些特殊地层中,由于地层压力小于钻孔中冲洗液压力极易造成冲洗液的漏失问题,这一直是生产中的一个难题。换言之,如何做好护壁堵漏工作是钻探过程中的一个重要问题。目前护壁堵漏工作一直耗费大量时间是由于在处理各种复杂情况时缺乏可靠的方法和技术手段,而现有的技术手段最明显的缺点就是缺乏能满足钻进时间基本要求的堵塞材料。本文通过对绿泥石化地层钻进冲洗液的研究,介绍了一种绿泥石化地层的钻孔护壁堵漏措施。

1 绿泥石化岩层的特征

绿泥石是沉积岩、低级变质岩、水热蚀变岩中的主要矿物之一,也是热液蚀变作用的主要产物之一,主要分布于变质岩和许多矿床的蚀变围岩中。其成因主要有两类:一类为后期低温热液作用所形成,而另一类为动力浅变质作用产生,却在定向构造应力作用下,节理面上的斜长石发生绿泥石化形成。绿泥石化岩体与一般岩体相比,抗剪强度的主要差异在于绿泥石化岩体的峰值凝聚力明显减小,经实验证明[1],新鲜的绿泥石化岩体的凝聚力要比一般弱风化岩体的凝聚力还要小40%。值得注意的是,水对绿泥石化岩体强度的影响是显著的,不管是峰值强度还是残余强度,饱水岩体比干燥岩体都有明显的降低。

在钻探过程中,由于岩层遇水极易水化膨胀,从而引起冲洗液循环通道的堵塞,造成钻孔缩颈引起蹩泵,时间一久,在钻具回转的不停敲打下,就容易导致坍塌、垮孔,造成严重的孔内事故。因此,在这一岩层钻进时,我们应该结合以往的经验以及该岩层的特点,配制适当的冲洗液进行护孔以解决上述问题。

2 冲洗液选型研究

对硬、脆、碎等力学不稳定岩层,采用金刚石钻进时,既要解决孔壁的稳定问题,又要解决钻头、钻具的润滑问题。这就需要配制既具护壁性能又具润滑性能的冲洗液,润滑防塌泥浆能满足上述要求。

针对这种钻孔防塌泥浆,一般要具有低失水、高矿化度、高滤液粘度、适当的比重以及适当的粘度。这其中,低的失水和高矿化度是主要的。这是由于在对付水敏性地层的水化时,仅仅控制泥浆的失水量是阻止不了泥浆中水分向孔壁岩层内移动的,要想达到岩层不被水化的目标,还需提高泥浆的含盐量即矿化度,这样才能使渗透水化压力的作用方向从钻孔向地层改变为孔壁岩层向钻孔运移,或彼此间停止移动[2]。有了这两点,可以减少水敏性地层的水化膨胀压力。

在选择钻井液类型时,应根据如下几点进行选取[3]:

1)根据地层坍塌压力确定钻井液适当的密度以平衡地应力,直到不坍塌、不掉块、不缩颈为止。注意钻井液的密度要高但是不宜过高,钻井液密度过高会使井壁失稳更加严重。2)泥浆造浆应选用优质膨润土作为基本材料,其造浆率应较大,基浆的滤失率要小,含砂量应尽量小,且选择对地层具有强有力封堵能力的,能快速有效地封堵地层裂缝和微裂缝的处理剂,以减少和清除破碎性地层的坍塌。3)制浆用水一般为地下水或湖泊、河塘等地表水,有腐蚀性或受污染的水不得使用。4)根据黏土矿物的类型选择配制具有强抑制性的钻井液。腐殖酸钾类作为绿泥石化地层钻井泥浆主剂是非常适合的。腐殖酸钾是一种高分子非均一的芳香族羟基羧酸盐,外观为黑色颗粒或粉状固体,是由褐煤精细选后用KOH液体反应提取后的产物,溶于水,呈碱性,含有羧基、酚羟基等活性基团,它具有良好的稀释作用和降失水效果,并具有耐高温的特点,足够的K+含量的钾基泥浆具有很强的抑制水化作用,是该复杂地层防塌泥浆的一种较好的处理剂。在确定使用了钾基泥浆前提下,我们根据此地层要求失水量小的特点,选择羧甲基纤维素钠作为降失水增粘剂。羧甲基纤维素钠是一种水溶性纤维素醚,通常具有实用价值的是它的钠盐,它能多点吸附于岩石表面,又能以氢键力吸附多个水分子,由此在孔壁上能形成一个保护层,以此阻止岩石水化和孔壁岩石剥落,增强了防塌能力。值得注意的是H.Van.Olfen曾得出,羧甲基纤维素钠盐加量变化对钠膨润土悬浮液起敏感化和保护作用,且随着加量的增加,保护作用愈明显,但在加量很小的情况下作用不明显,如图 1所示。

因此,在配制时,还需进行室内以及现场试验以确定各组成部分含量。为了保证钻进效率,我们需在泥浆中加入润滑剂,以此降低摩阻和扭矩的作用,提高钻头在孔内的回转速度。

表1 润滑防塌泥浆配方 %

3 工程实例

金川矿区是我国一座大型有色矿产资源生产基地。由于该矿区工程地质条件复杂、地应力高和围岩破碎所固有的不利条件,造成钻孔施工困难。特别是在金川Ⅳ矿区ZK7-1孔和ZK12-2孔钻进过程中,遇到不同厚度的绿泥石化岩层,鉴于绿泥石化岩层本身遇水易吸水膨胀的特点,我们结合绳索取芯钻进方法,决定采用低固相的泥浆护孔,同时为降低泥浆的失水量和抑制绿泥石化岩层的水化,我们选择羧甲基纤维素钠和腐殖酸钾作为泥浆处理剂。在黏土选型方面,我们选定了金昌红泉膨润土公司的红泉牌钠基膨润土,经试验证明[4],该膨润土含量只要达到3%～5%,就可以满足配浆的要求,它不含有聚丙烯酰胺,不产生絮凝现象,其与羧甲基纤维素钠和腐殖酸钾等处理剂配在一起,性能稳定。具体配方见表1。

该配方泥浆的失水量控制在15 mL/30 min以内,漏斗粘度保持在 19 s～21 s,表观粘度约(5～7)×10-3Pa◦s。 此低固相泥浆经7号机ZK7-1孔和6号机ZK12-2孔以及后续多个钻孔使用,说明有良好的防塌效果,特别是ZK12-2孔的使用,从395 m～405 m遇绿泥石化黏土状岩层产生垮孔,改用以上配方的低固相泥浆,排出孔内大量的坍塌物,并有效地抑制了孔壁的继续坍塌,直至(580多米)终孔,没有发生垮孔事故,可以肯定,该配方泥浆可以有效地解决绿泥石化岩层钻孔护壁堵漏的问题。

4 结语

本研究通过实践证明,在绿泥石化岩层钻进时,利用羧甲基纤维素钠和腐殖酸钾作为泥浆处理剂,可以很好的解决孔壁的稳定问题,避免了岩层由于水化膨胀造成的缩颈、坍塌和垮孔事故的发生,提高了钻进效率。必须注意的是,使用制浆原材料和处理剂时,事前一定要做好试验分析,防止由于其用量不当带来的不利影响。

[1] 何木章,苗 青.大朝山水电站绿泥石化岩体的分布特征及影响[J].云南水利发电,1994(1):48-49.

[2] 曾祥熹,陈志超.钻孔护壁堵漏原理[M].北京:地质出版社,1986:74-80,314-315.

[3] 王 燕,王平全,蒲 浩,等.稳定弱水敏感地层井壁的钻井液对策[J].甘肃石油和化工,2008(1):35-37.

[4] 彭振斌,隆 威,张可能,等.金川不良岩层综合改进钻探工艺技术研究项目科研成果总报告[R].长沙:中南大学地学与环境工程学院,2007:93-100.

[5] 谷天本,蒋国盛.反循环钻孔灌注桩钻进技术探讨[J].山西建筑,2008,34(5):134-135.