深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)泥漿技術(shù)

1、深孔取心鉆探泥漿技術(shù)北京探礦工程研究所2008年5月,一、深孔取心鉆探與泥漿有關(guān)的問(wèn)題,1、 回轉(zhuǎn)阻力大 隨孔深的增加，孔內(nèi)鉆桿增長(zhǎng)，摩擦阻力增大，鉆桿磨損加快，鉆機(jī)負(fù)荷增大，而且難以提高轉(zhuǎn)速以適應(yīng)金剛石鉆進(jìn)的需要，還容易造成斷鉆桿等孔內(nèi)事故。,2、復(fù)雜地層孔壁穩(wěn)定問(wèn)題 鉆進(jìn)過(guò)程中可能會(huì)遇到不同類型的復(fù)雜地層，如水敏性地層（膨脹性地層、分散性地層）、破碎松散地層、坍塌掉塊地層等，在這些地層施工孔壁穩(wěn)定比較

2、困難，容易引起縮徑、擴(kuò)徑、孔壁坍塌等一系列孔內(nèi)復(fù)雜事故。,3、漏失問(wèn)題 是鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常遇到也很難處理的問(wèn)題。處理一般滲透性漏失比較容易，漏失嚴(yán)重，處理難度加大。,4、粘附卡鉆問(wèn)題：由于繩鉆鉆桿與孔壁之間間隙小、鉆桿齊平與孔壁接觸面積大、孔深等原因，若泥漿處理不當(dāng)，泥皮厚、或不能有效抑制水敏性地層吸水膨脹等情況，極易造成粘附卡鉆問(wèn)題。,5、與繩索取心鉆進(jìn)工藝有關(guān)的問(wèn)題—即繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢及環(huán)空壓力過(guò)大。繩索取心鉆進(jìn)，鉆桿與孔

3、壁之間間隙很小，泥漿固相含量高，流變性能差將引起繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，導(dǎo)致巖心管打撈困難；同時(shí)也會(huì)引起較高的環(huán)空壓力，壓裂地層造成漏失，或因?yàn)檩^大的壓力波動(dòng)，壓垮或抽跨地層，人為造成孔壁不穩(wěn)定。,二、深孔繩索取心鉆進(jìn)對(duì)泥漿性能的要求,1、良好的潤(rùn)滑性能 能有效降低摩擦阻力，減小回轉(zhuǎn)阻力，防止粘附卡鉆等，同時(shí)也可以減少動(dòng)力和材料消耗，延長(zhǎng)鉆具壽命。,2、良好的護(hù)壁性能 泥漿應(yīng)具有較低的濾失量（一般小于15ml）、較強(qiáng)

4、地抑制性（相對(duì)膨脹降低率大于50%）和高質(zhì)量的泥皮。,3、較低固相 一般膨潤(rùn)土加量3—5%，相當(dāng)于漿液密度不高于1.02—1.03g/cm3。,4、良好的流變性能 在保證攜帶巖屑的情況下，盡可能保持低粘度和低切力，這一點(diǎn)對(duì)于防止繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢、降低環(huán)空壓力尤為重要。一般視粘度＜5—8 mPa.s，動(dòng)塑比0.1—0.4，靜切力趨于零。,5、能有效地解決泥漿的漏失問(wèn)題 要求堵漏速度快，效果好。,三、技

5、術(shù) 措 施,1、泥漿的減摩降阻措施 ①保持泥漿的低固相。搞好泥漿的固相控制和凈化，是改善和提高鉆井液潤(rùn)滑性能的有效途徑之一。 ②改善泥皮質(zhì)量，降低泥皮與鉆具之間的摩擦系數(shù)小，可明顯降低回轉(zhuǎn)阻力。好的泥皮質(zhì)量也可以有效防止粘附卡鉆。含瀝青、淀粉成份的產(chǎn)品（如高效護(hù)壁劑、聚合淀粉等）能有效改善泥皮質(zhì)量。,③加入潤(rùn)滑劑，既可以提高泥漿本身的潤(rùn)滑性能，又可以降低鉆具于孔壁泥皮之間的摩擦系數(shù)。使用潤(rùn)滑劑是改善鉆井液潤(rùn)滑性能，降低摩

6、擦阻力的主要途徑。高質(zhì)量的潤(rùn)滑劑，如極壓型潤(rùn)滑劑(GLUB)可有效保護(hù)鉆具，減少鉆具磨損，提高鉆具的使用壽命。,2、復(fù)雜地層孔壁的穩(wěn)定 復(fù)雜地層包括：松散不穩(wěn)定地層，如粉砂、流砂、風(fēng)化層；破碎不穩(wěn)定地層，如破碎閃長(zhǎng)巖、石英角礫巖、斷層破碎帶等硬脆、碎地層；水敏不穩(wěn)定地層，主要指吸水膨脹地層及吸水分散地層，如以蒙脫石為主的泥頁(yè)巖地層（如蝕變凝灰?guī)r、蝕變粗安斑巖、高嶺土化、絹云母化巖石、泥質(zhì)砂巖等）、吸水剝落地層（如泥質(zhì)板巖、砂質(zhì)

7、頁(yè)巖、片巖等）；應(yīng)力地層。,①水敏性地層—采用防塌鉆井液體系。 主要表現(xiàn)為造漿、縮徑。巖石成分以蒙托石為主，采用高抑制性泥漿體系。泥漿應(yīng)保持低失水（濾失量≤10ml），高抑制性。降低泥漿濾失量的泥漿處理劑很多，抑制劑選用含有K+或NH4+的泥漿處理劑，如高效護(hù)壁劑（GSP）。可采用下列泥漿體系：,a. 低固相鉆井液：水＋３—4％ＬＢＭ—１（低粘增效粉），膨脹較嚴(yán)重時(shí)，可加入1%高效護(hù)壁劑。該泥漿濾失量≤10.0 ml，相對(duì)膨脹降

8、低率≥70%。,b. 鉀基鉆井液：控制蒙托石地層，K+含量應(yīng)大于20000ppm（相當(dāng)于4%的KCI加量）。 泥漿配方：水＋３—4％鈉膨潤(rùn)土＋0.1%生物聚合物+0.5聚合淀粉 +４%KCI 。,②破碎不穩(wěn)定地層—采用LBM泥漿體系。破碎地層要求泥漿造壁性能好。實(shí)踐證明，采用LBM泥漿體系具有良好的效果，破碎比較嚴(yán)重、較松散地層加入適量的防塌型隨鉆堵漏劑，可以明顯提高孔壁強(qiáng)度。,③變質(zhì)巖地層：分散、垮塌、不縮徑

9、該類地層最好采用工程辦法：提下鉆小心，避免變速；泵量低一點(diǎn)、泥漿粘度適當(dāng)增稠使其流動(dòng)呈層流狀態(tài)，以減少對(duì)孔壁的沖刷。,④壓力平衡鉆進(jìn)—壓力地層、破碎易坍塌地層。 除應(yīng)力地層外，繩索取心鉆進(jìn)環(huán)空外壓力大，經(jīng)常由于地層被壓裂而造成人為漏失，在破碎松散地層，容易造成壓垮或抽塌地層，引起復(fù)雜的孔內(nèi)事故。因此，繩索取心鉆進(jìn)，采用壓力平衡鉆進(jìn)技術(shù)尤為重要。,壓力平衡鉆進(jìn)是指鉆進(jìn)過(guò)程中，使鉆孔環(huán)空外壓力始終等于或接近等于地層孔隙壓力而又不

10、超過(guò)地層壓裂（壓漏）壓力極限，使之保持一定的平衡關(guān)系。這樣就可能保持孔壁穩(wěn)定，獲得最大鉆進(jìn)速度。 壓力平衡鉆進(jìn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式： Pfrac＞Pw≧Pf式中 ： Pfrac、Pw、Pf--分別代表地層壓裂壓力、環(huán)空外壓力和地層孔隙壓力。 壓力平衡鉆進(jìn)主要通過(guò)調(diào)節(jié)泥漿密度來(lái)實(shí)現(xiàn)，也與泥漿的流變參數(shù)有關(guān)。,3、漏失地層的堵漏 滲漏性地層：主要指孔隙及微裂隙地層，采用隨鉆堵漏劑、暫堵劑等即可解決

11、。 孔隙或裂隙較大，可以采用顆粒較粗的產(chǎn)品進(jìn)行堵漏，如鋸末、核桃殼、棉籽殼、云母、蛭石等，最好為這些產(chǎn)品的復(fù)合產(chǎn)品。,嚴(yán)重漏失地層：用高失水堵漏劑+ 復(fù)合堵漏劑配制的堵漏液進(jìn)行堵漏。 堵漏液配制：1m3水+100—150Kg高失水堵漏劑+40—60Kg核桃殼（或復(fù)合堵漏劑）。 注意：堵漏液中不要混入泥漿以免影響堵漏效果。注入堵漏液時(shí)將鉆桿放在堵漏液液面之上，防止堵漏液留在孔壁上的泥皮卡住鉆桿。,4、

12、防止鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢及降低環(huán)空外壓力措施 ①鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢主要與泥漿的流變性能、固相含量、 泵量、鉆桿轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。 鉆井液在鉆桿內(nèi)平均流速一般為0.1—0.5m/s，呈層流流動(dòng)，為結(jié)垢縮徑提供了充分條件。管壁結(jié)垢不斷增加，直到液流由層流向紊流轉(zhuǎn)變，即雷諾數(shù)達(dá)到臨界值，鉆桿內(nèi)流動(dòng)通徑不再變小，其最小內(nèi)徑稱臨界通徑Dc。,鉆桿內(nèi)臨界流動(dòng)通徑Dc表達(dá)式：A4Dc16－28ADc4＋48A1/2Dc2＋21BDc－21＝

13、0 式中： ηc—卡森粘度，mPa.s； τc—卡森屈服值，Pa； ρ—液流密度，g/cm3； Q—泵排量，l/min。,通過(guò)下面的示例計(jì)算，說(shuō)明鉆桿結(jié)垢與泥漿流變參數(shù)的關(guān)系。設(shè)三種鉆井液A、B、C，各自流變參數(shù)為：類型 ηc，mPa.s τc，Pa ρ，g/cm3 A 5.0

14、 0.6 1.03 B 2.3 0.062 1.02 C（清水）1.0 0 1.0,計(jì)算說(shuō)明，泥漿粘度越高、切力越大，鉆桿內(nèi)壁越容易結(jié)垢。,繩鉆環(huán)空外壓力組合實(shí)例分析,鉆井液A、B的流變性能如下表,設(shè)S75繩鉆提下鉆速度Vp=0.6m/s，加（減）速度ap=1.0m/

15、s2，泵量Q=0.7l/s。其組合外力(Ew)如下表,通過(guò)對(duì)上述兩種泥漿進(jìn)行環(huán)空外壓力計(jì)算說(shuō)明，泥漿粘度、切力、比重及泵量越大，環(huán)空外壓力越大，加速（或減速）提下鉆時(shí)的壓力波動(dòng)也越大，容易引起孔壓垮或抽塌地層。 所以，防止繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，降低環(huán)空外壓力的最有效辦法，就是降低泥漿的比重，保持良好的流變性能。,四、 深孔復(fù)雜地層用泥漿,1、LBM泥漿組成及配方 LBM泥漿的主要成份為低粘增粘粉（LBM-1）、高效護(hù)

16、壁劑（GSP）和高效潤(rùn)滑劑(GLUB)。LBM-1是一種具有很低粘度和濾失量，集造漿與泥漿處理劑功能于一體的多功能復(fù)合材料。GSP中含有瀝青、淀粉、聚合物、K+或NH4+等，抑制、造壁性強(qiáng)，潤(rùn)滑性好。高效潤(rùn)滑劑(GLUB)為極壓型潤(rùn)滑劑，在有效降低回轉(zhuǎn)阻力的同時(shí)，對(duì)鉆具具有良好的保護(hù)作用。,LBM泥漿配方為：1m3水 + 30—50kg LBM—1 +5—10Kg GSP+ 5—10Kg GLUB。,3、 LBM 泥漿特點(diǎn)：

17、（1）LBM泥漿具有良好的流變性能，其粘度、動(dòng)塑比都很小。這一特性有利于降低環(huán)空壓降，避免因泥漿粘稠導(dǎo)致過(guò)高的環(huán)空壓力波動(dòng)，防止憋泵和壓垮不穩(wěn)定地層。良好的流變性能，有利于地表巖屑沉降，使泥漿保持較低固相，也能使泥漿在鉆桿內(nèi)保持紊流狀態(tài)，從而有效地防止和消除繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象，對(duì)繩索取心鉆進(jìn)是非常有利的。,（2）具有較強(qiáng)的造壁性能。造壁性一般指泥皮的厚度、強(qiáng)度和對(duì)地層的粘結(jié)特性。LBM泥漿中含有聚合物、瀝青等成份，均能形成高質(zhì)量的泥皮

18、；瀝青具有疏水性，且溫度升高以后瀝青產(chǎn)品具有很強(qiáng)的粘結(jié)性，有利于穩(wěn)定孔壁。室內(nèi)試驗(yàn)證明，LBM泥漿泥皮薄，一般厚度≤0.3mm；韌性好，反復(fù)折疊，不破裂；對(duì)濾紙的附著力強(qiáng)，不易被水沖刷掉。這一特性對(duì)破碎地層的穩(wěn)定非常有利。,（3）具有較低的濾失量。濾失量不但對(duì)水敏性地層的穩(wěn)定，而且對(duì)松散和破碎地層的穩(wěn)定也具有很大影響。泥漿濾失量大，泥漿濾液侵入到地層較深，除引起地層中礦物成分產(chǎn)生水化作用以外，還由于濾液對(duì)地層的浸泡，使地層的機(jī)械強(qiáng)度大大