軟泥巖地層鉆進技術研究

管強盛

文章編號：2095-6835（2016）13-0120-02

摘 要：由于軟泥巖具有強度低、水化膨脹性強、環境敏感性強的特性，因此，在該地層鉆進時，極易出現鉆孔縮徑、坍塌等孔內事故，而且也很難維護鉆井液的性能。針對軟泥巖地層鉆進難的問題，通過查閱多種資料，并結合實踐經驗，對軟泥巖地層鉆進技術進行了初步研究，從鉆井液和鉆進工藝技術等方面提出了相應的解決措施。

關鍵詞：軟泥巖；塑性蠕變；鉆井液；鉆進工藝

中圖分類號：P634.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.13.120

通常，我們將具有塑性蠕變特性的泥巖稱為“軟泥巖”。影響軟泥巖蠕變速率的主要因素有地應力大小、鉆井液類型和密度、施工時間長短等。軟泥巖具有強度低、水化膨脹性強、環境敏感性強等基本特性。軟泥巖的這些特性使得在其地層中鉆進變得特別復雜和困難，極易出現鉆孔縮徑、坍塌、卡鉆等孔內事故。

1 軟泥巖地層鉆進時存在的主要問題

由于軟泥巖具有蠕變特性，因此在鉆進過程中會給鉆井液維護、孔壁穩定帶來各種問題。

1.1 鉆井液流變性控制難

軟泥巖地層的黏土含量高，水化分散能力強，其高水化分散的特性使鉆井液的流變性難于控制。在鉆進過程中，隨著軟泥巖中黏土成分的水化分散，鉆井液的黏度和切力不斷增加。過高的黏度和切力會對鉆井液的流動性和凈化工作帶來極大的影響。同時，高固相和高切力的鉆井液會造成泥餅質量差，泥餅虛厚，鉆井液濾失量大，濾失量難于控制。

1.2 鉆井液固相含量高

軟泥巖的水化分散性使井眼內的泥質和固相含量大增。一方面，高固相含量會使泥餅質量變差，使鉆井液濾失量增加。鉆井液濾失量的增加又加速了黏土的水化，從而形成一種水化、濾失的惡性循環。隨著濾失量的增加，泥餅不斷加厚，造成起下鉆阻力增大，甚至出現卡鉆現象。另一方面，固相含量的增加，特別是亞微米顆粒固相的增加，將會給鉆進速度帶來很大的影響。

1.3 鉆孔縮徑或坍塌

軟泥巖所具有的蠕變性使得其在上覆巖層的作用下緩慢流動而使井眼失穩。這時，井眼會出現縮徑或坍塌現象。同時，黏土顆粒的水化引起孔壁巖石剝落，也會導致鉆孔縮徑或坍塌現象的出現。

1.4 形成鉆頭泥包

軟泥巖水化還容易使大量泥質固相吸附于鉆頭表面，形成鉆頭泥包，造成鉆頭泥包卡鉆。

2 軟泥巖鉆進技術研究

針對軟泥巖的特性及其在鉆進中存在的問題，本文主要從鉆井液和鉆進工藝技術兩方面對軟泥巖地層鉆進技術進行研究。

2.1 鉆井液工藝技術

2.1.1 鉆井液體系的選擇

在軟泥巖地層鉆進時，首先要選擇鉆井液體系，要求鉆井液具有強抑制性和高固相容限。室內研究認為，適合于大段活性軟泥巖地層鉆進的鉆井液應具有以下特性：①較強的包被抑制性。抑制軟泥巖的水化分散是軟泥巖鉆井液技術的重點所在。②較高的固相容限。較高的固相容限不僅可以使鉆井液具有較好的抗固相污染能力，還可以減少鉆井液固相控制處理的工作量。③良好的攜砂能力。鉆井液良好的攜砂能力能夠有效將鉆屑帶到地面，以免因鉆屑在鉆井液中停留的時間過長而消耗處理劑和增加鉆井液固相含量。④潤滑性。在鉆井施工中，由于軟泥巖地層的黏彈性很強，鉆屑極易黏附在鉆頭、扶正器、鉆桿接箍處，形成“泥包”，引發卡鉆。因此，在鉆進中，要加入足量的潤滑劑和防泥包劑。⑤軟抑制。這是鉆井液設計的一種新思路。傳統無機鹽抑制的方式雖然能有效地抑制地層的水化膨脹，但會造成近井壁帶硬化（硬抑制），給起下鉆帶來一系列問題。室內研究發現，通過采用軟抑制，即將研究合成的具有適度分子量和高的正電荷的有機物作為抑制劑，通過正電荷壓縮雙電層抑制黏土水化膨脹，使近井壁地層不至于變硬。

2.1.2 鉆井液維護

合理的鉆井液維護能使鉆井液發揮其應有的性能。這對于保證軟泥巖地層的正常鉆進有著重要的作用。鉆井液維護要從鉆井液配制開始，并貫穿鉆井液使用的整個過程中。

2.1.2.1 維持鉆井液的膠體穩點

鉆井液膠體的穩定性是其抑制黏土水化分散的基礎，因此，應時刻保持足夠的護膠劑。良好的鉆井液膠體穩定性還能實現鉆井液的分散—抑制平衡，即鉆井液中黏土顆粒的水化分散與鉆井液對黏土顆粒的包被抑制達到平衡，從而保持鉆井液坂土含量的穩定。

2.1.2.2 控制鉆井液的坂土含量

軟泥巖地層水化分散能力極強，容易導致鉆井液坂土含量過高。過高的坂土含量會造成鉆井液流變性難于控制、鉆井液濾失量大和部分處理劑難以發揮作用等問題。通常，坂土含量應控制在3%以下。控制鉆井液的坂土含量主要從以下3方面入手：①采取合理、有效的固控措施；②加入適當的包被抑制劑，使鉆井液中的細小顆粒沉淀到底部；③加水稀釋。

2.1.2.3 保證適當的鉆井液密度

由于軟泥巖地層具有易蠕變的特性，因此，為了防止因孔壁失穩而出現蠕動變形，應盡量通過調整鉆井液密度來平衡地層壓力或減少因地層壓力而引起的鉆孔縮徑。

2.1.2.4 加強監測

加強對鉆井液性能的監測，隨時掌握鉆井液在鉆進軟泥巖地層時的性能變化，及時調整鉆井液性能，使其滿足鉆進要求。

2.1.3 適用于軟泥巖地層鉆進的鉆井液技術

2.1.3.1 運用多聚物復合鹽欠飽和鉆井液體系

該鉆井液體系的應用重點在于增強鉆井液的膠體穩定性，提高鉆井液的抗黏土侵蝕能力，增強體系的抑制性。典型的鉆井液體系是在欠飽和鹽水體系的基礎上，加入FA367、PAM、XY-27等聚合物，并保持鉆井液的pH值在7～8之間。該體系克服了因軟泥巖高度水化分散帶來的污染問題。

2.1.3.2 采用鉀石灰聚磺鉆井液體系

鉀石灰聚磺鉆井液中的Ca2+通過Na+/Ca2+交換，將鈉土轉變為鈣土。鈣土水化能力弱，分散度低，因此轉化后體系分散度明顯下降。同時，鉀石灰聚磺鉆井液本身也是一種無機絮凝劑，會壓縮黏土顆粒表面的擴散雙電層，使水化膜變薄，ζ電位下降，從而引起黏土晶片面與面、端與面聚結，造成黏土顆粒分散度下降。另外，在鉀石灰聚磺鉆井液加入了抑制黏土分散的鉀，它能進人黏土晶層間，靠靜電作用吸引晶層，抑制黏土和頁巖的水化膨脹作用，提升井眼的穩定性。鉀石灰聚磺鉆井液具有非常好的穩定性，長時間靜置后性能無大的變化，可以改善泥餅質量。在配制時，鉀鹽鉆井液對基漿的膨潤土較敏感，膨潤土含量較高時性能很難控制，因此在現場轉化前，應由化驗室在室內試驗的基礎上給出定量方案，依據與地層礦物及地層水的配伍性優選出一些處理劑。

2.2 鉆進工藝技術

2.2.1 鉆頭和鉆進參數的正確選擇

軟泥巖地層強度低，壓入硬度小，可在小的軸向壓力下切入巖石。當切入深度較大時，巖屑的顆粒也較大，但容易分散成小粒，鉆速很快，單位時間內產生的巖份量大，要求鉆頭易于排粉。該類地層黏結性較大，容易出現糊鉆或遇水膨脹等問題，因此需要大的環空間隙。在該地層中鉆進時，應選用硬質合金鉆頭鉆進，并且要適當加大鉆頭的出刃和水口。當需要取心時，最好選擇帶肋骨的鉆頭鉆進。綜合考慮軟泥巖的可鉆性和水化分散性，應取低鉆壓、高轉速、大泵量的參數配合。

2.2.2 合適的鉆具組合

軟泥巖地層具有蠕變特性，且鉆具在旋轉過程中與孔壁產生的黏滯力較強，因此，在軟泥巖地層鉆進時應盡量簡化鉆具組合，避免鉆具連接時出現過多的臺階，降低起下鉆摩阻和卡鉆風險。另外，有條件的施工現場應盡量帶上震擊器和安全接手，以減少卡鉆事故發生時帶來的影響。

2.2.3 短起下鉆作業和起下鉆劃眼

軟泥巖層的短起下鉆作業特別重要，不僅有利于及時修正鉆孔，破壞因蠕動向孔內移動的軟泥巖以及不斷增厚的泥皮，還能防止鉆具在孔內長時間停留而與孔壁間產生過大的年滯力，保證鉆進和起下鉆的順利進行。

起下鉆過程中的劃眼能有效降低因孔壁變形帶來的起下鉆摩阻和卡鉆風險。

3 結論

通過論述，我們可以得出以下幾個結論：①軟泥巖地層具有一定的特殊性，在該類地層鉆進時，應從鉆進液和鉆進工藝技術等方面入手采取有針對性的措施，多管齊下，協同進行，以期取得更好的鉆進效果。②在選擇鉆進液時，應充分考慮軟泥巖地層本身的特性和鉆進過程中容易出現的問題，選擇具有強抑制性、高固相容限和潤滑性能好的鉆井液體系。③在使用鉆井液的過程中，要勤監測、勤調整，隨時掌握鉆井液的性能變化情況，始終保持鉆井液的適應性和穩定性。④在鉆進工藝技術方面，要選擇適合軟泥巖地層鉆進的鉆頭，并適當增大鉆頭出刃和水口；在鉆具組合方面，要盡量簡化鉆具結構；在鉆進參數的選擇上，要遵循“低鉆壓、高轉速、大泵量”的原則；注意短起下鉆和起下鉆劃眼。

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〔編輯：劉曉芳〕