上海煤气第二管线工程有限公司 戴 斌
由上海煤气第二管线工程有限公司承建的江西南昌英雄大桥段赣江穿越工程是南昌市天然气利用工程(引进川气东输气源)关键控制性工程。工程采用直径508 mm直缝双面埋弧焊钢管,穿越总长度1 374 m。工程穿越近千米的主区段为中风化泥质粉砂岩及中风化砂砾岩,地层复杂多变,工程地质性质较差。施工中极易发生沉砂、缩径、垮孔、埋钻和抱管等负面情况,严重时会导致恶性的工程事故。对此,在工程设计与实施中必须采用先进高效的钻井泥浆技术,以防垮塌、防水敏为主,同时兼顾减阻和润滑。我们紧密依据本工程的地质条件和岩土性质,通过科学的分析与计算并结合针对性的实验与测试,合理确定泥浆的切力、黏度和密度,严格限制泥浆的失水量,为本次长距离复杂地层大型穿越工程的泥浆配制拟定出关键的性能指标,从而研发出行之有效的泥浆体系。
根据穿越地层的工程地质勘察资料,部分中风化砂砾岩的自然散碎粒径较大,平均可达7 mm左右,密度约2.3 g/cm3,必须依靠泥浆足够大的切力才能悬排这些钻屑。根据有关学者研究:泥浆悬屑临界切力,是指泥浆在静止状态下刚好能够悬浮住钻屑(圆柱状高h,直径d),所需要的静切力τsL,于是应用力学原理对其分析推导(见图1)。
图1 悬屑临界切力分析
根据阿基米德浮力原理可得知,要使钻屑刚好被悬浮住,浮力加总切力应等于重力,由此可得所需泥浆静切力为:
式中:τsL——泥浆静切力,Pa;
d——钻屑颗粒直径,mm
ρ1——钻井液的密度,g/cm3
ρ2——钻屑颗粒的密度,g/cm3
g——重力加速度,取9.8 m/s2。
将钻屑的平均直径7 mm、密度2.3 g/cm3代入式(1),并初拟泥浆密度设计值为1.12 g/cm3,则计算刚好悬浮住钻屑所需的泥浆切力为20.24 Pa。
上述理论分析结果是拟定泥浆切力的基本依据,而在现场应用中又进一步考虑以下诸因素,从而完善对泥浆切力的设计。
(1)考虑到泥浆循环再用时地面对返排泥浆除砂的需要,应使钻屑在泥浆中能够有少许的相对下沉速度。所以实际切力设计取值时略小于理论计算值,而钻屑在环空中的缓慢下沉问题则由泥浆较大的返排流量弥补之。
(2)实际钻进中产生钻屑形状多种多样,如球状、立方体、多棱体、圆柱体、片状和棒状等。用圆柱体统一代替会产生一些误差,但除少数异形(如片、条形十分明显)外,一般误差不大(小于15%)。
(3)切力的测试用旋转黏度计来做,切力的调整则通过添加相应的配浆材料来实现。我们在泥浆中按一定比例添加黏土适度絮凝剂和聚合物交联剂,将泥浆体系的切力准确地调整到20 Pa左右。
本工程钻进中遇到大量中风化粉砂岩及中风化砂砾岩。此类岩土结构呈散粒或散块状态,散粒散块之间胶结弱或无胶结,结构极不完整,稳定性很差。钻进时,孔壁易掉块、坍塌,容易诱发卡钻、埋钻事故。运用泥浆技术来解决松散破碎地层钻进困难问题,是一项重要的工艺措施。将泥浆的黏度提高,可以有效粘结散状孔壁。
地层越是松散破碎,维稳孔壁的泥浆黏度就要求越高。可以说,地层的松散破碎程度是决定泥浆黏度设计值的主要因素。对地层松散破碎程度有多种不同的度量方法,在此我们采用单轴抗压强度评价法,即以足够尺寸的地层岩土样品的单轴抗压强度值σs作为衡量该地层松散破碎程度的指标。根据本工程实际样品测试数据统计,可以发现穿越地层多段为强破碎(σs≤0.5 MPa)结构,少量为极破碎(σs≤0.2 MPa)结构。
当岩层散碎程度已知且泥浆密度与地层压力平衡时,根据实际工程经验、室内实验模拟和力学分析计算,引用所需泥浆的黏度与该类地层样品散碎程度之间的经验关系式为:
式中:Ah——表观黏度,mPa·s;
按样品实测数据,将穿越地层的散碎程度值(0.2≤σs0.5 MPa)代入式(2),计算得到本工程应对散碎地层所需泥浆的表观黏度应在49~53 mPa·s之间,也就是六速旋转黏度计600转时的读值应该为98~106。其对应马氏漏斗黏度约为85~95 s。这样的黏度值在钻井工程中是属于较大的,旨在以此来维持易散碎孔壁的稳定。
再根据所需泥浆的黏度来选择配浆材料,确定加量比例。针对松散破碎地层,通过使用高分散度泥浆、增加泥浆中的黏土含量、加入大分子聚合物以及适度絮凝等措施,来提高泥浆黏度。在高效提黏剂的选择上,采用分子量13 000的水溶性较好的有机聚合物,它在泥浆中的加量仅需0.75 kg/m3,就能将泥浆的表观黏度从10 mPa·s提高到50 mPa·s,不仅完全满足此次工程的高黏泥浆需求,也由于用量很少而显著降低了造浆成本。尽管泥浆黏度和切力越高越有利于粘结破碎的井壁并携出大颗粒钻屑,但受泵送能力和孔内压力激动等因素限制,泥浆黏稠度也不允许太大。在本次设计中,将泥浆的最大表观黏度控制在不超过55 mPa·s。
对此次主体穿越的泥质粉砂岩样品进行测试,发现其中存在着大量的黏土矿物。尤其是蒙脱石黏土的存在,将使近孔壁地层在受到泥浆中自由水份的浸渗时,即发生黏土的吸水、膨胀、分散,会导致钻孔壁的缩径、蠕垮、分散,是比较典型的水敏性地层。这是钻进工作中最常见的难钻地层之一,极易造成孔内事故,也是钻井界长期以来致力于解决的钻井技术课题。应对水敏地层的重要措施之一就是降低泥浆的失水量。
失水量的设计值取多少为好,很大程度上取决于地层的水敏程度。地层水敏性越强,失水量就要求越小。关于地层水敏性强弱程度的度量,有多种不同的评价检测方法,目前评价的量化指标各钻井单位还不完全统一。我们以水敏指数Iw作为指标,测得本次工程土体样品的Iw为0.69,属强水敏。建立泥浆的临界失水量即允许的最大失水量与地层水敏性指数之间的量化关系,主要根据大量工程经验数据进行拟合。现选择理论计算参考公式如下:
式中:FLmax——临界失水量,mL/30 min;
Iw——水敏指数,无量纲。
依据实测数据,将Iw=0.69代入式(3)计算,得本工程泥浆失水量应该控制在小于8.25 mL/30min。
对于水敏性地层的井壁稳定,应用针对性的泥浆技术可以取得较好的效果。其最根本的配方思路为2条:
(1)尽量减少泥浆向地层的渗水,也就是降低泥浆的失水量;
(2)即便有“水”渗入井壁,这类流体也对泥质不产生或很少产生水敏或称“抑制水敏”。
式(4)定量表达了降低失水量应该把握的各项因素。再加上考虑抑制水敏措施,便构成配制降失水抑制性泥浆的机理与要点。
式中:K——孔壁的渗透率,m2;
A——渗滤面积,m2;
ΔP——压差,Pa;
μ——滤液黏度,Pa·s;
t——渗滤时间,h;
Cc——泥皮中固体颗粒的体积百分数;
Cm——泥浆中固体颗粒的体积百分数;
Km——动失水系数,无量纲,视泵量等因素在0~1之间取值。
(1)添加Na-CMC、DFD等中分子量(约200万)的降失水剂——增加粘土吸附水化膜的厚度,增大对自由水的渗透阻力,充分发挥泥饼的隔膜作用,可使失水量明显减少。
(2)采取“粗分散”方法——使粘土颗粒适度絮凝,而非高度分散,从而使井壁岩土的分散性减弱,保持一定的稳定性。
(3)选优质土造浆——由于水化效果好,粘土颗粒吸附了较厚的水化膜,泥浆体系中的自由水量大大减少,所以优质土泥浆的失水量远低于劣质土的。
(4)提高基液黏度——泥浆中的“自由水”实际上是滤向地层的基液,其黏度愈高,向地层中渗滤的速率就愈低。
(5)调整泥浆密度,平衡地层压力——钻孔中液体压力与地层中流体压力的差值是泥浆失水的动力,尽可能减少压力差,维持平衡钻进是降失水的有效措施。
(6)利用特殊离子对地层的“钝化”作用——一些特殊离子(如钾离子)的嵌合作用可以加强粘土颗粒之间的结合力,从而使孔壁稳定性提高。
(7)利用大分子链网在井壁上的隔膜作用——泥浆中的大分子物质相互桥接,滤余后附着在井壁上形成阻碍自由水继续向地层渗漏的隔膜。
(8)利用微胶粒(如沥青微胶粒)的堵塞作用——在泥浆中添加与地层空隙尺寸相配伍的微小颗粒,堵塞渗漏通道,降低泥失水量。
(9)活度平衡——使钻井液化学性质与地层化学性质相近,减少相互之间的物质扩散交换程度。
根据本次工程实际情况,将切力、黏度、失水量作为主要的泥浆设计参数,辅助考虑泥浆密度和润滑减阻性能,按上述要点复配出一套有特色的泥浆体系。经实际工程应用,扩孔中未发生坍塌埋钻事故,拉管回拖力最大为50 t,该大型工程获得成功,验证了这套泥浆体系解决了相应的复杂地层长距离水平定向钻进铺管的瓶颈难题。