代頁1井鉆井液應用技巧

朱斗圣，張承飛，鄧少東，江松，謝海洋

（貴州省地質礦產勘查開發局112地質大隊，貴州安順561000）

代頁1井鉆井液應用技巧

朱斗圣*，張承飛，鄧少東，江松，謝海洋

（貴州省地質礦產勘查開發局112地質大隊，貴州安順561000）

代頁1井鉆遇地層復雜，水敏性地層厚度大，縮徑坍塌嚴重。為了解決鉆進施工中鉆遇地層坍塌縮徑、鉆具難以通過的問題，應對該鉆孔復雜的地層條件，綜合分析了地層的特征和復雜程度以及滿足頁巖氣鉆進所需的鉆井液性能參數。在實驗室進行了鉆井液配比實驗，通過該鉆孔的應用實踐，表明所采用的鉆井液性能良好，適應性強，粘度適中，濾失量合理，形成的泥餅薄而致密，對防止孔壁的縮徑垮塌起到了良好作用，減少了孔內事故發生率，完全能夠滿足該鉆孔的鉆進施工要求，從而提高了鉆進效率。

鉆井液；軟塑地層；坍塌縮徑

頁巖氣是一種清潔、豐富的新能源。經過近幾年的勘探研究表明，貴州省的頁巖氣資源十分豐富，目前仍然處于勘探階段。代頁1井就是一口頁巖氣勘探井。該井地處貴州黔南州代化鎮，距離縣城大約50km，交通比較方便，水源條件好。該井鉆遇地層存在漏失，地層破碎、易坍塌、縮徑。特別是炭質泥巖孔段，地層呈泥狀，軟塑狀，遇水膨脹縮徑、坍塌厲害，并且該地層段厚度大，根據地質資料，該層厚度達到240m，鉆探非常困難。

頁巖氣勘探孔必須保證孔壁穩定，鉆井液不漏失，以保證鉆井液錄井和測井的順利進行；必須要全孔段取芯，保證地質人員對鉆孔地層的研究和氣體解析。因此采用合適的鉆井液處理劑就成為該地層鉆探的關鍵。

1　鉆孔地質目的

代頁1井的鉆探目的是為了研究貴州省黔南地區下石炭統打屋壩組含氣頁巖的厚度及含氣性，進一步在貴州黔南地區擴大頁巖氣勘探成果。

（1）獲取目地層打屋壩組地層、巖石、地化、地球物理參數和頁巖含氣性參數，為開展頁巖氣資源潛力評價和有利區優選提供基礎參數數據；

（2）查清貴州南部地區下石炭統打屋壩組的巖性、沉積相及沉積厚度。

2　地層特點及技術難點

2.1地層及巖性狀況

根據地質資料和物探資料，該鉆孔鉆遇地層大概情況判斷見表1。

2.2技術難點

表1　代頁1井地層分層及巖性狀況

（1）由表1可知，在10～750m的地層段，鉆厚740m，鉆井液漏失嚴重，需要進行堵漏防漏，但是孔壁相對比較穩定，有掉塊現象發生。

（2）在750～990m孔段，鉆厚240m，孔壁縮徑坍塌嚴重，是整個鉆孔最難的部分。在實際鉆進過程中，該孔段地層全部呈軟塑狀，塑性變形特別嚴重，縮徑坍塌特別嚴重，鉆具無法通過，沒有性能優良的鉆井液護壁，要順利鉆進是不可能的。因此，在鉆進施工中的地層防塌、堵漏、預防縮徑就成了該鉆孔鉆井液的技術重點。

3　鉆孔施工的主要難題

3.1上部地層鉆進施工中的掉塊和漏失問題

該鉆孔上部地層是指0～750m地層段。該層段主要是裂隙發育程度高，巖石比較破碎，易掉塊卡鉆；從取出的巖芯可以看到，巖芯有一部分呈碎塊狀。鉆井液主要沿著巖石裂隙面漏失，而且裂隙中需要大量的鉆井液充填，鉆井液消耗量很大。

3.2下部軟塑層的施工難題

下部的炭質泥頁巖孔段，是整個鉆探施工中的最難部分。該孔段厚度大，塑性變形嚴重，水敏性強，遇水極容易吸水膨脹、坍塌縮徑。經常造成孔壁坍塌、縮徑、埋鉆等孔內事故。解決好上述問題是能否順利施工的關鍵。鉆井液技術應用的好壞是直接關系到鉆孔施工的成敗。為了確保本次鉆孔順利鉆進施工，必須配制性能優良的鉆井液。

4　鉆井液技術措施

4.1上部地層鉆井液特點

合理的鉆井液，將直接影響到鉆探質量、鉆進效率和鉆探成本。針對上部生物屑泥晶灰巖、燧石泥晶灰巖、泥晶灰巖，夾泥晶生物屑灰巖、生物屑砂屑灰巖、礫屑灰巖、泥灰巖及薄層硅質巖地層，巖性相對穩定、構造比較完整，所以鉆進過程中主要采用聚丙烯酰胺無固相鉆井液。采用這種鉆井液具有潤滑能力強、排砂效果好、機械鉆速高的特點。此外，在上部地層中使用聚丙烯酰胺無固相鉆井液，鉆井液配制速度快，在漏失量大時還可以頂漏鉆進，鉆進成本也不算高。由于上部地層是沒有頁巖氣存在，所以鉆井液漏失以后也是不影響鉆井液錄井效果的，采用頂漏鉆進不影響鉆孔質量，在鉆進至比較完整的巖層后采用套管進行護壁。

4.2下部軟塑狀水敏性地層的鉆井液特點

在下部水敏性地層孔段，巖層呈泥狀和軟塑狀，縮徑嚴重，在正常鉆進過程極易會縮徑，把鉆桿箍死，導致事故。針對這種情況，必須配制高質量的鉆井液。尤其是要針對該水敏性地層塑性變形很強的特點，針對性地配制性能良好的鉆井液。對該鉆井液的要求是：（1）必須具有較強的抑制水化膨脹縮徑的功能；（2）必須具有平衡和抵御該水敏性地層塑性變形的功能；（3）具有護壁防塌功能；（4）具有潤滑鉆具功能；（5）具有保護頁巖氣儲層功能；（6）對環境無害、無污染。

對此，必須適當加大鉆井液的比重但是比重又不宜過大，以免把鉆井液壓漏，降低鉆井液的濾失量，鉆井液粘度不能過高，粘度高會損壞水龍頭。原漿采用優質鈉土粉加水充分攪拌，水化24h以上。處理劑采用CMC、KPHP及GSP廣譜護壁劑，粘度高時可以采用腐植酸鉀作稀釋劑，配制成低固相鉆井液，性能控制標準為：密度1.03～1.09g/cm3，漏斗粘度28～33s，失水量小于6～8mL/7.5min，泥餅厚度小于1mm，pH值9～10。

5　鉆井液的選擇

5.1選擇鉆井液的技術思路

在對鉆孔鉆遇地層進行仔細分析、認真研究的基礎上，根據地層特性和以往的經驗，在實驗室內進行了鉆井液對比試驗，確定采用低密度、低失水、低滲透性的抑制性鉆井液體系。

對聚合物降失水機理的研究表明，高分子鏈與粘土顆粒的僑聯作用，在鉆井液體系內部形成比較穩定的空間網架結構，粘土顆粒更加細化均勻分散，泥餅結構更加致密，從而有效地降低了鉆井液的失水量。有效地抑制了斷層角礫巖地層因水化膨脹而導致的鉆孔縮徑。為此，專門采用了幾種降失水劑和頁巖抑制劑做過實驗，最后選定一個鉆井液配方。

5.2鉆井液處理劑的選擇

根據試用配方選定方向選擇了聚丙烯酸鉀、水解聚丙烯腈胺鹽（NH4-HPAN）、氯化鉀、羧甲基纖維素鈉（Na-CMC）、KL防塌護壁劑、磺化瀝青、KL防塌護壁劑、803堵漏劑等多種泥漿處理劑。原因是：①聚丙烯酸鉀具有降濾失、降粘和抑制頁巖分散的作用。而水解聚丙烯腈胺鹽（NH4-HPAN）在以前的實驗和應用中都已經試驗成功。②高粘羧甲基纖維素鈉（HV—CMC）具有降濾失和增粘的作用。在泥漿中含量較高時，亦具有一定的抑制頁巖水化膨脹能力。③KL防塌護壁劑和磺化瀝青防塌護壁劑具有良好的冷水分散性能，能夠有效地抑制頁巖膨脹和防止井壁坍塌；優良的降失水性能，泥皮致密堅韌；良好的潤滑性能，可更好地防止粘附卡鉆和一定的防垮塌作用。④803堵漏劑具有較好的隨鉆堵漏效果。⑤氯化鉀。鉀離子對水敏性地層的膨脹縮徑也有一定的抑制作用。

5.3低固相聚丙烯晴銨鹽鉆井液的特點

針對孔內坍塌、掉塊、縮徑嚴重的水敏性地層，此次采用低固相聚丙烯晴銨鹽鉆井液。低固相鉆井液的主要特點是是指鉆井液體系中固相含量不大于4%，且以摻加不同的高分子聚合物維持鉆井液性能。低固相鉆井液是小口徑金剛石鉆進中最常用、最有效的鉆井液體系，它既有無固相鉆井液體系的高鉆速，又有良好的攜帶懸浮巖屑能力和防塌性能。最主要的是聚丙烯晴銨鹽鉆井液具有較強的抑制水化膨脹的功能。

聚丙烯晴銨鹽鉆井液具有以下優點：（1）提高了鉆進速度；（2）鉆井液潤滑性能良好；（3）護壁性能良好，抑制水化膨脹的能力強，減少了縮徑卡鉆、埋鉆等孔內事故；（4）降低了鉆探成本，減小環境污染。

6　現場應用試驗

代頁1井是設計的一口頁巖氣參數井，要求全孔取芯，鉆井液錄井和現場氣體解析。終孔后進行全孔測井。設計孔深990m。采用的是XY—44型鉆機，BW—250泥漿泵，采用HQ、NQ金剛石繩索取芯鉆進工藝。

在開孔鉆進至15.3m，下入孔口管。換徑用HQ進行鉆進，鉆進至200m處，鉆井液全部漏失，采用堵漏劑無效，頂漏鉆進250m，采用水泥堵漏，效果一般，又頂漏鉆進至400m，下入套管護壁堵漏。換徑用NQ鉆進，鉆進至451m處鉆遇軟塑層，出現縮徑現象，泵壓升高，提鉆后鉆具下不到孔底，需要進行掃孔。鉆進至460m后，出現鉆具被箍死，無法鉆進。處理該事故以后，下鉆掃孔根本到不了孔底。

根據經驗，不能再采用普通鉆井液鉆進，必須配制更好性能的鉆井液，否則不會有任何效果。根據地質設計資料，軟塑層厚度有240m，必須及時配制高性能的抑制性泥漿進行護壁，預防孔內事故發生。最終根據室內對比實驗決定采用聚丙烯晴銨鹽低固相鉆井液的方案，并在鉆井液中加入一定量的惰性材料——隨鉆堵漏劑和鋸末進行堵漏，并添加一定量的加重劑，提高鉆井液比重，鉆井液配方及性能見表2。

表2　代頁1井鉆井液配方及性能

在使用過程中，鉆井液粘度不能過高，否則會泵壓增高，損壞水龍頭。經過試驗，應用效果良好，孔內坍塌、縮徑、塑性變形都得到抑制，沒有出現鉆具箍死現象，巖芯完整度良好，順利終孔。

7　現場鉆井液維護

現場配備：攪拌機1臺，使鈉膨潤土粉能充分水化分散；配備加藥桶，將待加入的處理劑預先分散、水化、溶解；配備鉆井液比重稱、馬氏漏斗粘度計、打氣筒失水儀和pH試紙以便測量鉆井液性能指標；泥漿池、沉淀池、循環槽用水泥砂漿修筑，以免混入雜物污染鉆井液。每班測量2次鉆井液性能指標，根據測量數據加入相應處理劑調節以保持鉆井液性能基本不變；停鉆時除盡沉淀池、循環槽內的沉砂以保證鉆井液較小的含砂量。鉆井液性能指標與最初鉆井液性能指標相差較大時換漿。注意不要有其它水分混入泥漿池，以免破壞鉆井液性能。

8　應用效果

通過現場應用實踐證明，所使用的聚丙烯晴銨鹽鉆井液性能穩定，孔內鉆進平穩，孔壁比較穩定，取芯順利，順利完鉆。說明這種低固相鉆井液完全可以滿足該鉆孔軟塑地層的鉆進要求。經濟技術指標見表3。

9　結論與建議

經過現場鉆井液使用情況表明，所選用的鉆井液對復雜軟塑地層具有良好的潤滑減阻和護壁效果，能夠很好地抑制水敏性地層的水化、膨脹，并兼有地層微裂隙堵漏效果。根據不同的地層確定不同鉆井液配方，才能滿足鉆孔施工需要。此外，鉆井液性能的現場維護是十分重要的，在水敏性地層中施工鉆孔，一般要求鉆井液具有低密度、低濾失量、抑制性能良好、泥餅薄而韌性好、堵漏效果明顯，就可以起到較好護壁作用。對塑性變形較大的地層，要適當加大鉆井液比重，從而滿足鉆孔施工需要。

表3　經濟技術指標一覽表

［1］烏效鳴，胡郁樂，賀冰新，等.鉆井液與巖土工程漿液［M］.武漢：中國地質大學出版社，2002：307-346.

［2］洪江，張承飛，朱斗圣，等.河南嵩縣東灣金礦勘探泥漿應用探討［J］.西部探礦工程，2010（10）：141-142.

［3］戰啟帥，楊衛東，王天放，等.魯頁參1井鉆井液技術［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2014（9）：27-31.

P634

A

1004-5716（2016）10-0045-04

2016-05-12

貴州省科技廳社會發展科技攻關項目“貴州復雜地層深井鉆探工藝應用研究”（黔科合SY字［2015］3002）；貴州省地礦局地質科研資金資助項目“地熱鉆井泥漿技術的研究應用”（黔地礦科合［2014］01）。

朱斗圣（1968-），男（漢族），貴州遵義人，高級工程師，現從事鉆探工程技術工作。