潞安矿区煤系地层钻井液漏失特征及堵漏对策研究

董宁波

(山西潞安金源煤层气公司,山西 长治 046204)

进行钻探工作时,钻井液在地层中会有一定的消耗,需要及时补充,当遇到地质构造体或渗透率高的地层时,钻井液就会大量漏失。由于野外作业用水困难,以水基泥浆为主的钻井液不易补充,影响钻探工作顺利进行,因此根据地层条件合理选择钻井液可以减少钻井液消耗量,提高钻井作业效率。

1 地质概况

潞安矿区区域地层由老至新有上元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二迭系,中生界三迭系、新生界新近系、第四系,见表1.

目前在潞安矿区进行煤田地质钻探的主要目的层为石炭系C、二迭系P煤系地层,利用钻探手段揭穿自奥陶系上部峰峰组O2f、石炭系C、二迭系P,中生界三迭系T、新生界第三系至第四系地层。

该段地层主要为砂岩、泥岩、石灰岩等碎屑岩和碳酸盐,呈现层状结构,岩体各向异性,强度变化大。该地层中石灰岩、砂岩多为半坚硬或坚硬的岩类,具有一定的塑性和脆性,在围岩应力的作用下岩体裂隙发育,钻开此类地层时容易发生孔内掉块卡钻事故;泥岩、粉砂岩岩石抗压强度低,多为软岩或半坚硬岩,稳定性较差,钻开此类地层时容易发生钻孔缩径、超径、坍塌等问题;在第四系黄土层中存在流沙层,在基岩上界面存在风化层,钻开此类地层时容易发生钻孔坍塌。上述地层钻井液漏失往往会造成卡钻、埋钻等孔内事故。

2 漏失原因分析及主要漏失层段特征

2.1 钻井液漏失的一般地质因素

在钻探施工过程中,钻井液的漏失跟地质构造体和地层岩石的岩性有密切关系,漏失地层又分为孔隙类地层、裂隙类地层、洞穴类地层、松散地层和水敏地层[1]。

在地质构造体、背斜轴部拉张应力带,或砂岩尤其是粗砂岩或中砂岩这些含水层中进行钻探施工时会造成钻井液的漏失。砂泥岩井漏的主要原因是砂岩孔隙压力低、裂隙发育、渗透性强,在一定压差作用下形成井漏[2]290-291。坚硬岩石构成的地层在地应力作用下易呈现脆性破坏,形成大量节理和裂隙,这些节理和裂隙由于填充差、固结差也会形成钻井液漏失的通道。

2.2 地层特点

通过对潞安矿区煤田地质钻探施工过程中遇到的具有典型意义的漏失地层特征进行分析,得知造成漏失的地层主要有:

1) 新生界第三系、第四系地层的黄土层。该层段含有大量砂层、砂砾和垂直裂隙等,在黄土层段底部和基岩上部有基岩风化带,该层段岩体松散破碎。

2) 中生界三迭系T、二迭系P的砂岩、砂泥岩互层段。该层段的砂岩是重要的含水层,砂岩渗透率高,砂岩和砂泥岩硬度高,发育有大量节理和裂隙等导水通道,是该地层主要的漏失层段。另外该层段的黏土质泥岩有较强的吸水性,往往会因吸水溶胀等作用造成钻孔缩径、坍塌掉块、孔内卡钻事故。

3) 石炭系C地层的石灰岩层段。石灰岩硬度大,往往裂隙发育,有些区域还有溶洞,是主要的漏失层段。

3 常见钻井液的种类及漏失机理

3.1 目前常见的钻井液(泥浆)种类

钻井液种类有很多,按照钻井液的分散体系分为:细分散泥浆、粗分散泥浆、泡沫泥浆、无粘土泥浆等;按照泥浆基质可划分为:油基泥浆、水基泥浆等。

我国煤田地质勘探行业中广泛使用的水基泥浆是以水为分散介质,使用膨润土也就是黏土和水以及化学处理剂搅拌而成的具有一定粘度的液体。此种泥浆易于取得、配制成本低、冲洗孔底效果好。由于其基质是水和黏土,所以冷却钻具能力强、比重低,有利于提高钻进效率,但此种泥浆粘度小,不利于悬浮和携带岩屑,一旦停止循环,泥浆中悬浮携带的岩屑、岩粉就会沉淀,造成埋钻事故。在易坍塌地层,由于井壁稳定性差,一般不宜使用无固相钻井液体系[3]。

3.2 钻井液漏失的机理

钻井液漏失是钻孔内钻井液柱压力和循环压力大于地层压力的表现,是孔内液柱和钻开地层压力不平衡的结果。钻井液在孔内所产生的压力主要取决于钻井液的比重,它是孔内漏失的主要因素之一。无论是自然漏失还是压裂漏失,漏失压力等于克服地层孔隙压力或井壁应力及岩石强度等产生的压力与漏失工作液在漏失通道中流动时的压力损耗之和[4]。防止漏失、涌水和维持孔壁的稳定就要维持钻孔、地层间的物理力平衡,而孔内静液柱压力的大小和孔内液柱的密度或比重以及液柱垂直高度有关。即:

P=ρgH

式中:P为静液压强,MPa;ρ为液体密度,g/cm3;g为重力加速度常数;H为液柱的垂直高度,m.

孔内钻井液静液柱压强P与泥浆的密度成正比,可以通过调节泥浆的密度使P与孔内地层压力梯度Gp相适应,以达到钻孔、地层间物理力的平衡。

钻井液可以平衡钻开地层与周围围岩的压力差,泥浆液柱压力对钻孔井壁具有力学支撑作用。为了稳定地层压力,通常要求泥浆液柱压力过平衡以提供有效径向应力支撑[5]。通常采用低密度(比重)钻井液降低钻井液柱对孔底的压力,同时用降低空循环压力的方式减少钻井液的损失。从力学方面来讲,当钻井液密度大于地层破裂压力当量密度或者小于地层坍塌压力当量密度,井壁岩石就会失去平衡造成井壁的崩裂或者垮塌[6]。通过调整钻井液比重,使之略微超过地层压力,避免钻井液液柱对孔壁形成压裂作用,导致地层被压开造成钻井液漏失。因此采用低比重钻井液是预防漏失和保护孔壁的有效方法。

目前最常用的保护孔壁的措施是采用优质钻井液体系。提高钻井液的封堵能力,优化钻井液的流变性能,形成质量优良的滤饼,达到稳定破碎地层井壁的目的[7]。在实际运用中,一般选用清水、无粘土相、低固相泥浆做钻井液,或在钻井液中加入聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、氢氧化钠等处理剂,调制成低固相钻井液。实践证明,加入化学处理剂是调节钻井液比重最有效的途径。

4 钻井液的堵漏对策

潞安矿区钻井液漏失层段主要是在煤系地层,也就是二叠系P下统山西组和石炭系C太原组地层,埋深在500～800 m,山西组地层多砂岩、砂泥岩互层,此类地层渗透率较高,砂岩中往往发育有裂隙。太原组发育有5～6层石灰岩,灰岩层中多裂隙,因此在该段含煤地层钻井施工时,钻井液在该层段钻孔内液柱静压力达到5～8 MPa,在钻井液液柱压力作用下,岩层中的裂隙被压开造成渗漏。因此降低钻井液比重,减小孔内液柱压力可在一定程度上减少钻孔内钻井液的漏失。钻进非煤地层普遍采用常规膨润土钻井液或低固相钻井液,以预防井壁坍塌、缩颈,同时获得较高机械钻速[8]。

在实际应用中,为了提高钻速,尽量选用清水作钻井液,利用地层中的粘土层或粘土质泥岩自然造浆。若用配制泥浆时,其粘度和密度值宜小不宜大,尽量采用低固相不分散泥浆[2]143-145。通常采用添加化学药剂的方法调整泥浆的粘度与动切力,提高泥浆的粘性既可以提高砂岩等高渗透率地层的防漏失作用,也能增强钻井液携带岩屑泥沙的能力。由于固相质量具有极低的分数,促使钻井液性能十分稳定,维护也非常简单,有效节省了钻井液材料成本[9]。

钻井作业现场配置低固相钻井液的常见方法:在钻场开挖2.5 m×2.5 m×2.0 m的造浆池,底围用塑料封闭,选择钠基膨润土配浆,按质量百分比为4%～5%进行配制,即1 t水中加入40～50 kg膨润土,再加入膨润土重量1%的碳酸钠(碳酸钠的加量为400～500 g);将膨润土、水和碳酸钠放入造浆池,用搅拌机搅拌均匀,浸泡24 h以上,再对泥浆进行化学处理。分别将聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素(CMC)、氢氧化钠和水按质量比1∶100、1∶100、1∶20进行水解,其中聚丙烯酰胺水溶液应加热助溶。将上述溶液加入钻井液中并搅拌均匀。配置好的钻井液技术指标参考值: pH 为8～9,比重<1.04,漏斗粘度为15～20 s,胶体率为100%,失水量<0.6 mL/ min,泥皮厚度≤1.0 mm,含砂率<0.5%.

当钻进过程中遇到的砂岩或石灰岩中发育较大裂隙,钻井液漏失严重时,可考虑直接使用水泥泥浆进行封堵。水泥泥浆具有粘滞性,流动阻力大,不易被稀释,封堵范围大,堵漏成功率很高[10-11]。增加钻井液中含有的固相材料可以减少孔隙裂隙地层漏失断面或完全隔离漏失通道,通常采用提高泥浆固相物质含量的方式,用惰性材料,如锯末、稻壳等充填漏失断面的方式实现钻井液与漏失地层的隔离。

5 应用案例

以潞安矿区为例,在钻开二叠系P下统山西组地层时出现了钻孔全漏不返水的情况,此时孔深为570 m,该段地层多为砂岩和砂泥岩互层,参考该钻孔的水文记录和钻井液消耗记录可知,该段地层钻进过程中钻井液消耗较大,达到了2.51 m3/h,比正常砂岩、砂泥岩互层段消耗量(0.1～0.5 m3/h)明显增多。由此判断,该段地层砂岩中发育大量节理和裂隙,孔内570 m的钻井液液柱在孔底形成的压强达到了6 MPa,导致上述原生节理和裂隙被压开,形成导水通道,成为钻井液漏失的主要原因。

经测定,钻井液比重为1.30,漏斗粘度为15.0 s,含砂率8.2%,钻井液的比重偏大,含沙量高,应调低钻井液比重。考虑到调低比重后悬浮岩屑能力下降,容易造成埋钻事故,因此需利用化学处理剂提升钻井液的粘度和动切力等指标,提升钻井液携砂能力,同时较大的粘度也能改善对细小节理裂隙的封堵性能。

按照该思路分4次调整钻井液指标,调整后恢复钻进,通过测量泥浆池内钻井液消耗情况,该段地层漏失情况明显好转,消耗量稳定在0.4 m3/h左右,下降了83%,钻进过程中岩屑能正常上返。实践表明,通过调低钻井液比重,增加粘度和动切力的方式成功实现了堵漏。

6 结 语

在潞安矿区钻井施工中,尽量选用低比重钻井液,也就是低固相泥浆,减少钻井液中含沙量等固相含量。通过调整钻井液比重,平衡钻孔内的地层压力,可以减小钻孔内孔壁受力,降低泥浆循环时的孔内压力与地层之间的压力差,使钻井液柱压力与钻开地层压力相匹配,降低钻孔内的钻井液柱压力对孔壁岩体的压裂作用,从而减少钻井液漏失。

实践证明,通过调整钻井液比重和粘度,钻井液漏失量下降了83%,减少了造浆材料的消耗,提高了钻进效率。