強潤滑泥漿在高礦化度鐵礦區(qū)繩索取心鉆進中的應用

2015-06-28 15:25:59李小慧

四川水泥 2015年5期

李小慧

（華北水利水電大學，河南鄭州 450000）

李小慧

（華北水利水電大學，河南鄭州 450000）

兗州顏店鐵礦區(qū)上部地層松軟，下部地層堅硬且易漏失，石膏夾層對泥漿穩(wěn)定性影響較大，對此開展高礦化度地區(qū)繩索取心鉆進中的強潤滑泥漿技術研究。分析了各泥漿處理劑的作用機理，得到針對不同孔段的泥漿方案。采用乳化劑OP-10有效解決了高礦化度地區(qū)皂化油破乳問題。應用沖擊回轉鉆進有效控制了井斜，取得了防斜保直的鉆進效果。現場應用結果表明，該強潤滑泥漿方案大幅降低了鉆進阻力，提高了鉆進效率。

潤滑泥漿繩索取心破乳

0工程簡介

顏店礦區(qū)位于兗州市以西約20公里，是山東境內最大磁異常區(qū)。初步探明鐵礦儲量達10億噸，為國內最大的鐵礦之一。該區(qū)屬平原區(qū)，上部為第四紀覆蓋層，主要地層為粉質粘土、砂土及礫石層，厚度一般為20～290m，起伏較大；下部為濟寧群地層，主要以石灰?guī)r為主，中間夾石膏礦，磁鐵礦一般埋深在1000m以下。區(qū)內構造發(fā)育，破碎帶較多。巖層的特點是裂隙發(fā)育，泥漿易漏失。礦層巖石硬度較高（Ⅵ～Ⅷ級）。由于礦層節(jié)理發(fā)育，是典型的易造斜地層。1

施工的ZH001孔身結構為：150mm硬質合金鉆頭開孔，鉆進2.1m下孔口套管，管徑為146mm；以130mm合金鉆頭鉆穿第四系至基巖，井深28.4m，下127mm套管；以110mm金剛石鉆頭鉆穿風化巖層，鉆進至65.1m，下108mm套管；采用S95繩索取心鉆進，鉆進至350.4m，下89mm活動套管；S75繩索取心至1986.15m，裸眼完井。

1施工難點

（1）濟寧群石灰?guī)r地層裂隙發(fā)育，滲透性強，易發(fā)生嚴重漏失；

（2）石膏夾層鉆開后，泥漿遭受污染，性能惡化；

（3）礦層節(jié)理發(fā)育，為典型易造斜地層，易發(fā)生鉆具折斷。

2泥漿方案優(yōu)選

相比于傳統的單、雙管鉆探工作，繩索取心大大減少了起下鉆次數，且具有較高的巖心采取率。然而，繩索取心在實際的使用當中也存在一些常見的問題：（1）環(huán)空間隙小，易發(fā)生掉塊卡鉆；（2）泥漿上返速度高，對井壁沖刷嚴重，易導致井壁失穩(wěn)；（3）鉆具與井壁多點接觸，摩阻大，鉆具磨損嚴重；（4）小環(huán)空泥漿循環(huán)壓降大，有時泵壓高至壓漏地層；（5）鉆具高速旋轉易導致鉆桿內壁結垢，影響巖心管、打撈器的投放[1]。

ZH001鉆孔設計深度較大，地層復雜多變，需要結合地層情況選擇相應泥漿方案。考慮到繩索取心工藝的特殊性，泥漿應在滿足正常攜巖的基礎上，維持低粘切、低密度和高效潤滑性[2]。

2.1 表層泥漿方案

表層主要為第四系沉積物，包括粉質粘土、砂土和礫石層，地層造漿性能較差。開孔口徑較大，鉆進速度快，鉆屑量較大，此時宜選用高粘度高切力泥漿，以維持良好的排渣能力。選用優(yōu)質造漿土，配合KPAM來快速鉆進。現場泥漿配方為1#：8%NV-1+3%Na2CO3+0.1%KPAM。泥漿性能見表1。

表1 表層泥漿性能參數

配方中造漿土NV-1具有優(yōu)良的造壁性能，且能提供一定的粘度和切力，降低失水量。KPAM的加入能夠對鉆進過程中產生的鉆屑進行絮凝包被，避免其進一步分散，其大分子長鏈能夠與井壁發(fā)生有效吸附，在井壁上形成良好的吸附膜，少量KPAM隨濾液滲入微裂隙中，起到良好的充填效果，進一步提高井壁穩(wěn)定性。此外，KPAM的加入使得泥漿具備良好的剪切稀釋性和潤滑性，保證了鉆進的順利進行。

鉆進過程中，始終維持較高的粘度、切力和適當的排量，增強泥漿攜帶鉆屑的能力。鉆至設計深度后充分循環(huán)，確保井底無沉沙、井壁無坍塌后順利起鉆，確保下套管和固井的順利。

2.2 取心段泥漿方案

采用繩索取心后，金剛石鉆頭直徑95mm，鉆桿外徑89mm，環(huán)空間隙較小，轉速較高，對泥漿性能要求具有較低的粘切。由于上部地層為灰?guī)r地層，溶洞發(fā)育，漏失嚴重，曾采用堵漏劑堵漏，水泥封孔等措施，均沒有取得理想效果。考慮到該區(qū)水位很高（5～15m）因此選擇頂漏鉆進。即S95采用頂漏鉆進至完整地層，下入89活動套管，換S75 繩索取心鉆進。漏失層段巖心裂隙發(fā)育，見圖1。

圖1 裂隙發(fā)育巖心照片

此時泥漿配方為2#：2%NV-1+0.8%Na2CO3+0.08%PHP+0.3%皂化油。其基本性能見表2。其中隨皂化油加量不同，泥漿潤滑系數變化情況見表3。

表2 取心段泥漿性能參數

表3 摩擦系數隨皂化油加量變化情況

由此可知，少量皂化油的加入能顯著降低泥漿的潤滑系數，降低鉆具與井壁間的摩阻，且加量超過0.3%后，其降低摩擦系數的幅度有限，所以選擇0.3%為其最優(yōu)加量。此外，提下鉆時在鉆桿外涂抹潤滑脂，在保護鉆桿的同時也起到了一定的潤滑減阻效果。配方中PHP鉆為選擇性絮凝劑，能夠對劣質屑進行選擇性絮凝，而不絮凝造漿土。

2.3 石膏污染后泥漿配方

礦區(qū)下部石灰?guī)r地層中有石膏夾層，石膏主要成分為CaSO4，在水中具有一定的溶解度（2.08g/L），鈣離子能夠對泥漿產生污染。鈣離子污染泥漿的機理為：鈣離子能夠與粘土晶層間的鈉離子發(fā)生交換，壓縮粘土顆粒雙電層結構，使得粘土顆粒水化膜減薄，電動電位下降，泥漿穩(wěn)定性遭到破壞。此外，皂化油為陰離子表面活性劑，鈣離子含量高時易導致乳狀液喪失穩(wěn)定性，發(fā)生破乳。

在現場鉆進過程中，發(fā)現鉆桿上部有結垢現象，成分類似于油泥混合物，且泥漿池內也出現析水現象，濾液分析表明鈣離子含量過高。于是，采用無固相PHP強潤滑沖洗液，配方為3#：0.1%PHP+0.3%皂化油+0.1%特效潤滑劑+0.04%OP-10。其中添加乳化劑OP-10的目的是提高乳狀液在高礦化度和pH異常區(qū)的穩(wěn)定性。其性能參數見表3。

表4 3#泥漿性能參數

3孔斜控制

為了控制該區(qū)內孔斜問題，采用了沖擊回轉鉆進技術。根據以往施工的規(guī)律，孔深在1100m以下孔斜變化劇烈，鉆進至1084m時采用了ZS-75型正作用閥式沖擊器進行沖擊回轉鉆進，收到良好效果。其主要規(guī)格參數如下：沖擊器外徑，73mm；總長1270mm；沖錘行程，12mm；自由行程，2.5～3.5mm；錘簧頂壓，3～5mm；沖擊頻率，33～42Hz；單次沖擊功，10～18J；工作泵量50～80L/min；泵壓2～3MPa；適應孔徑，75～91mm。但隨著孔深的增加，沖擊回轉出現了問題，到1650m撤換。孔斜結果如圖2。