不同地层的泥浆体系及应用效果
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发布时间：2022-04-26 21:33
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时间：2023-11-05 11:49
(一)松散软地层
松散软地层主要为黏土、淤泥、砂、砂砾石、砾卵石、泥岩、灰岩等。这类地层用泥浆护壁主要是增加孔壁地层颗粒之间的胶结力和孔壁地层的抑制性(黏土、淤泥层)。关键措施是选择细分散泥浆体系,通过增加泥浆中的黏土含量,加入有机或无机增黏剂等方法来提高泥浆黏度。体系中除黏土、Na2CO3和水外,往往加入提黏剂、降失水剂和稀释剂(或抑制剂)。
该泥浆体系的配方:膨润土10～15%+CMC0.1～0.5%(可选择低黏、中黏或高黏)+KHm(腐植酸钾)2～4%(或NaHm)。主要性能指标:密度1.10～1.15g/cm3,黏度25～40s,滤失量≤15mL/30min。
该泥浆体系曾用于安徽霍邱和阜阳地区铁矿区第四系覆盖层(厚200～600m)、上海市地面沉降监测标孔、三维地质取样孔(第四系黏土及粉砂质黏土、砂砾层厚300～400m)、北京市地面沉降监测标孔、三维地质取样孔(第四系黏土、砂、砾卵石层最高厚950m)以及环境科学钻探,解决了孔壁缩径、超径、坍塌问题,完全满足松散软地层护壁要求。应用地区的主要地层如表5-1所示。
表5-1 应用地区的主要地层
经验表明,用于松散软地层的细分散CMC+KHm(或NaHm)泥浆可在钻进过程中自然造浆,对第四系地层的护壁和抑制孔壁膨胀性能较好。但泥浆抗侵污能力差,性能不够稳定,应针对不同类型的侵污特点对症添加抗侵处理剂,加强泥浆的地表净化(除泥、除砂),控制含砂量。
(二)水敏性地层
水敏性地层包括吸水膨胀(以蒙脱石为主的泥页岩)、吸水分散(蚀变凝灰岩、蚀变粗安斑岩、高岭土化、滑云母化岩石、泥质砂岩)和吸水剥落(泥质板岩、砂质页岩、石英石墨片岩)三类地层。水敏性地层主要选用高抑制性泥浆体系。主要措施是降低泥浆的滤失量,避免大量自由水进入地层;添加K+或
等成分,利用高分子聚合物的吸附、分子链交联及包被作用,提高泥浆的抑制性能;加入沥青类处理剂,对孔壁上的裂隙及毛细管道具起封堵作用。
钾基高分子抑制性泥浆体系的配方:1m3水+40kg钠膨润土+40kg氯化钾+3kg聚丙烯酰胺+5kgCMC+10kg改性沥青+5kgGLUB(润滑剂)。主要性能指标:密度1.05～1.10g/cm3,黏度22～25s,滤失量≤14mL/30min,泥皮厚1mm,相对膨胀降低率80%,润滑系数0.22。
该泥浆体系中采用KCl、KOH或KHm等作为处理剂,提供K+离子,一是通过离子交换使K+进入蒙脱石晶层形成伊利石结构;二是因K+离子直径与黏土六方晶格大小相符,离子交换后起晶格固定封闭作用。同时体系中加入的高分子聚合物吸附于孔壁表面,形成高分子吸附膜封闭地层微裂隙及层理,增强胶结强度,减少地层膨胀性,增强泥浆体系对地层抑制能力和孔壁的润滑性能。
该体系泥浆在安徽寿县正阳关铁矿异常验证ZK01、ZK04孔和安徽明光苏巷石盐钾盐矿异常查证ZK012孔中应用,平均钻孔深度1717m,最深达2001m,累计钻探工作量5153m。钻孔主要穿过地层见表5-2所示。
表5-2 钻孔主要穿过地层
在上述钻孔中的使用结果表明,钾基高分子抑制性泥浆对水敏性地层具有较强的抑制作用,钻进过程中自造浆能力减弱,流变性较好,携带岩粉、悬浮岩粉能力较强,钻孔孔壁较完整,超径、缩径现象不明显。同时有良好的抗侵污能力,减少了孔内事故,平均岩心采取率达90%以上。寿县正阳关ZK01孔和ZK04孔均采用H、N系列口径绳索取心钻进,内管起下顺利,满足了水敏性地层绳索取心钻进对泥浆性能的要求。
(三)破碎及压力地层
破碎地层是指在地质成因、构造运动及风化、地下水侵蚀等作用下形成的断层、破碎带及岩石节理、片理、裂隙发育的地层。破碎地层往往松散不稳定、胶结性差、强度低,而且其中常夹有压力地层。地层深部的岩石在未被钻开前其受到的上覆岩层压力、水平地应力及孔隙压力处于平衡状态;钻开后原有平衡被破坏,应力释放或重新分布造成孔壁失稳(孔壁缩径、坍塌或破裂),这类地层称为压力地层。在钻进过程中,泥浆的冲刷和动压力作用将加剧孔壁不稳定。这类地层应采用压力平衡(亦称平衡地压)钻进,通过调节泥浆密度使钻进中钻孔环空外压力始终等于或接近于地层孔隙压力,而又不超过地层压裂(压漏)压力极限,使之保持一定的平衡关系。压力平衡钻进的数学表达式:
PD＞PH＞PK
式中:PD、PH、PK分别代表地层压裂压力、环空压力和地层孔隙压力。
用于破碎地层的高分子聚合物低固相泥浆体系配方:1m3水+50kg钠膨润土+2kgCMC+1kgPHP+2kg皂化油(或GLUB)。主要性能指标:密度1.05g/cm3,黏度20～25s,滤失量≤14mL/30min,泥皮厚0.5mm,润滑系数0.21。
如果所钻破碎地层的地层压力不明显,一般采用密度1.05～1.10g/cm3的高分子聚合物泥浆即可达到护壁要求。在安徽霍邱铁矿深部钻探试验ZK1725孔、华东庐枞盆地科学钻探选址预研究LZSD-1孔和华南于都-赣县矿集区科学钻探选址预研究NLSD-1孔破碎带孔段使用的低固相高分子聚合物泥浆,完全满足护壁和绳索取心钻进要求。
四川汶川地震断裂带科学钻探WFSD-3孔布置在龙门山断裂上,钻遇的地层主要为:侏罗系粉砂岩含砾砂岩、泥岩互层,三叠系岩屑砂岩、炭质页岩或煤线、泥灰岩、煤层、断层泥等。该地层经过历史上多次强烈地震,全孔破碎地层占80%以上,地层应力很大,钻孔缩径、坍塌严重并伴有涌水漏失等罕见复杂情况。采用压力平衡钻进技术,以高黏度、高密度、高分子聚合物加重泥浆来解决该类破碎地层的孔壁失稳问题。聚合物加重泥浆体系配方:1m3水+8～10%膨润土+5%纯碱(膨润土重量)+0.5～0.8%CMC+1%NH4-HPAN+2%SAS+0.5%K-PAM+1%KHm+BaSO4(根据地层情况计算加量)+1%GLUB。性能参数见表5-3所示。
表5-3 聚合物加重泥浆体系性能参数
体系中处理剂的主要作用简述如下。
1)NH4HPAN由聚丙烯腈水解制成,由于引入
不但具有较好的降滤失量作用,还具有类似K+的抑制泥页岩水化分散,稳定孔壁作用。
2)K-PAM由丙烯酸甲和丙烯酰胺共聚而成,分子量300万以上,水解度30%～40%,能较好的包被絮凝劣质岩屑,抑制其分散变细,稳定孔壁,并兼有降滤失量和微增黏作用,可改善泥浆流型。
3)S-1主体为磺化酚醛树脂,是一种线性不规则水溶性聚合物,能在降滤失的同时不增黏并改善泥饼的润滑性,对孔壁有一定的稳定作用。
4)SMC是褐煤腐植酸的衍生物,具有良好的降滤失和降黏效果,与S-1复配降滤失效果更好。
5)SAS是沥青的磺化制品,主要起填充孔隙和裂隙的堵漏作用,可覆盖在页岩表面改善泥饼质量,同时还可改善体系的润滑性。
6)KHm是从褐煤中提取的产品,主要通过大量K+的镶嵌作用或晶格固定减弱蒙脱石的水化能力和泥页岩的渗透水化膨胀,使KHm具有较强的抑制作用,同时KHm也是一种优良的降滤失剂,有利于形成薄而致密的泥饼来防塌。
7)BaSO4(重晶石),密度4.2g/cm3。施工中若地应力增高,为防止地应力不平衡而发生缩径、塌孔等孔内事故,可用重晶石作为泥浆加重剂,常用粒度为400目。加重泥浆所需用量可有下列公式计算:
深部岩心钻探技术与管理
式中:m为所需重晶石的质量,kg;ρ1为基浆的密度,g/cm3;ρ2为要配置的泥浆的密度,g/cm3;ρ3为重晶石的密度,g/cm3(一般为4.2g/cm3)。
8)GLUB是一种由植物油合成的润滑剂,能形成牢固吸附在金属和岩土表面的致密油膜,改变钻杆与泥浆及孔壁的摩擦方式提高体系的润滑性能。
聚合物加重泥浆体系的最大特点是滤失量低、密度高、流变性好,对强破碎地层具有良好的护壁和保护岩心性能。在汶川地震科学钻探 WFSD-3孔复杂地层中平衡地应力钻进取得了非常满意的效果,取出的岩心如图5-9、图5-10所示。
图5-9 破碎松散岩心
图5-10 强膨胀黏滞性岩心
若地层孔隙压力低(如钻孔漏失、地下水位较低)可采用低密度泥浆,如充气泥浆或可循环微泡沫泥浆等进行压力平衡钻进。
(四)易溶性地层
易溶性地层主要为遇水溶蚀的盐膏层、芒硝、钾盐、岩盐等,极易造成钻孔超径、地层剥落、坍塌现象。这类地层护壁主要从降失水、降低泥浆对地层的溶蚀性两方面入手。在泥浆中加入与被溶物相同的物质使其达到饱和,可有效抑制其溶解。
在广东东莞中堂盐矿及广东龙归盐矿两矿区施工的10口探采结合食盐井采用的饱和盐水聚合物泥浆体系配方:1m3饱和盐水(NaCl加量至饱和程度,测滤液波美度为25～26°Bé)+5%膨润土+0.4%Na2CO3+0.2%CMC+3～5%SMC+0.5%K-PAM+1%KHm+2%KCl+1%Na2SO4。性能指标:密度1.05～1.10g/cm3;黏度25s;滤失量15mL/30min;泥皮厚1mm。
广东两盐矿区的应用表明:在现场采用盐矿山卤水加适量工业盐配置饱和盐水(波美度25～26°Bé)的抗盐、抗钙能力强,对岩盐、膏盐、芒硝层的抑制性好,滤失量低,泥皮质量较好,孔壁超径现象不明显,所取的盐矿心基本不溶蚀,完全满足易溶性地层护壁及钻进要求。
(五)较完整微裂隙地层
深部钻探一般都下入套管隔离复杂地层。钻进较完整微裂隙地层时钻孔的润滑条件、泥浆携带岩粉和悬浮岩粉的能力成为主要问题,而泥浆护壁变为次要问题。钻进较完整微裂隙地层常用的高分子低固相泥浆体系和无固相泥浆体系的典型配方性能参数见表5-4。
表5-4 低固相及无固相泥浆体系典型配方及性能参数
该泥浆体系润滑性能好,悬浮及携带岩粉能力强(孔内断钻杆后处理数十小时未出现埋钻现象),绳索取心钻杆内壁结垢少,抗温性好,钻进3000m深孔(孔底温度90～100℃)未发现泥浆降解现象。在安徽霍邱铁矿、金寨沙坪沟钼矿、寿县正阳关铁矿异常查证矿区及华南于都-赣县矿集区科学钻探NLSD 1孔和华东庐枞盆地科学钻探LZSD-1孔中套管以下较完整地层中使用,取得了良好效果。
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时间：2023-11-05 11:49
(一)松散软地层
松散软地层主要为黏土、淤泥、砂、砂砾石、砾卵石、泥岩、灰岩等。这类地层用泥浆护壁主要是增加孔壁地层颗粒之间的胶结力和孔壁地层的抑制性(黏土、淤泥层)。关键措施是选择细分散泥浆体系,通过增加泥浆中的黏土含量,加入有机或无机增黏剂等方法来提高泥浆黏度。体系中除黏土、Na2CO3和水外,往往加入提黏剂、降失水剂和稀释剂(或抑制剂)。
该泥浆体系的配方:膨润土10～15%+CMC0.1～0.5%(可选择低黏、中黏或高黏)+KHm(腐植酸钾)2～4%(或NaHm)。主要性能指标:密度1.10～1.15g/cm3,黏度25～40s,滤失量≤15mL/30min。
该泥浆体系曾用于安徽霍邱和阜阳地区铁矿区第四系覆盖层(厚200～600m)、上海市地面沉降监测标孔、三维地质取样孔(第四系黏土及粉砂质黏土、砂砾层厚300～400m)、北京市地面沉降监测标孔、三维地质取样孔(第四系黏土、砂、砾卵石层最高厚950m)以及环境科学钻探,解决了孔壁缩径、超径、坍塌问题,完全满足松散软地层护壁要求。应用地区的主要地层如表5-1所示。
表5-1 应用地区的主要地层
经验表明,用于松散软地层的细分散CMC+KHm(或NaHm)泥浆可在钻进过程中自然造浆,对第四系地层的护壁和抑制孔壁膨胀性能较好。但泥浆抗侵污能力差,性能不够稳定,应针对不同类型的侵污特点对症添加抗侵处理剂,加强泥浆的地表净化(除泥、除砂),控制含砂量。
(二)水敏性地层
水敏性地层包括吸水膨胀(以蒙脱石为主的泥页岩)、吸水分散(蚀变凝灰岩、蚀变粗安斑岩、高岭土化、滑云母化岩石、泥质砂岩)和吸水剥落(泥质板岩、砂质页岩、石英石墨片岩)三类地层。水敏性地层主要选用高抑制性泥浆体系。主要措施是降低泥浆的滤失量,避免大量自由水进入地层;添加K+或
等成分,利用高分子聚合物的吸附、分子链交联及包被作用,提高泥浆的抑制性能;加入沥青类处理剂,对孔壁上的裂隙及毛细管道具起封堵作用。
钾基高分子抑制性泥浆体系的配方:1m3水+40kg钠膨润土+40kg氯化钾+3kg聚丙烯酰胺+5kgCMC+10kg改性沥青+5kgGLUB(润滑剂)。主要性能指标:密度1.05～1.10g/cm3,黏度22～25s,滤失量≤14mL/30min,泥皮厚1mm,相对膨胀降低率80%,润滑系数0.22。
该泥浆体系中采用KCl、KOH或KHm等作为处理剂,提供K+离子,一是通过离子交换使K+进入蒙脱石晶层形成伊利石结构;二是因K+离子直径与黏土六方晶格大小相符,离子交换后起晶格固定封闭作用。同时体系中加入的高分子聚合物吸附于孔壁表面,形成高分子吸附膜封闭地层微裂隙及层理,增强胶结强度,减少地层膨胀性,增强泥浆体系对地层抑制能力和孔壁的润滑性能。
该体系泥浆在安徽寿县正阳关铁矿异常验证ZK01、ZK04孔和安徽明光苏巷石盐钾盐矿异常查证ZK012孔中应用,平均钻孔深度1717m,最深达2001m,累计钻探工作量5153m。钻孔主要穿过地层见表5-2所示。
表5-2 钻孔主要穿过地层
在上述钻孔中的使用结果表明,钾基高分子抑制性泥浆对水敏性地层具有较强的抑制作用,钻进过程中自造浆能力减弱,流变性较好,携带岩粉、悬浮岩粉能力较强,钻孔孔壁较完整,超径、缩径现象不明显。同时有良好的抗侵污能力,减少了孔内事故,平均岩心采取率达90%以上。寿县正阳关ZK01孔和ZK04孔均采用H、N系列口径绳索取心钻进,内管起下顺利,满足了水敏性地层绳索取心钻进对泥浆性能的要求。
(三)破碎及压力地层
破碎地层是指在地质成因、构造运动及风化、地下水侵蚀等作用下形成的断层、破碎带及岩石节理、片理、裂隙发育的地层。破碎地层往往松散不稳定、胶结性差、强度低,而且其中常夹有压力地层。地层深部的岩石在未被钻开前其受到的上覆岩层压力、水平地应力及孔隙压力处于平衡状态;钻开后原有平衡被破坏,应力释放或重新分布造成孔壁失稳(孔壁缩径、坍塌或破裂),这类地层称为压力地层。在钻进过程中,泥浆的冲刷和动压力作用将加剧孔壁不稳定。这类地层应采用压力平衡(亦称平衡地压)钻进,通过调节泥浆密度使钻进中钻孔环空外压力始终等于或接近于地层孔隙压力,而又不超过地层压裂(压漏)压力极限,使之保持一定的平衡关系。压力平衡钻进的数学表达式:
PD＞PH＞PK
式中:PD、PH、PK分别代表地层压裂压力、环空压力和地层孔隙压力。
用于破碎地层的高分子聚合物低固相泥浆体系配方:1m3水+50kg钠膨润土+2kgCMC+1kgPHP+2kg皂化油(或GLUB)。主要性能指标:密度1.05g/cm3,黏度20～25s,滤失量≤14mL/30min,泥皮厚0.5mm,润滑系数0.21。
如果所钻破碎地层的地层压力不明显,一般采用密度1.05～1.10g/cm3的高分子聚合物泥浆即可达到护壁要求。在安徽霍邱铁矿深部钻探试验ZK1725孔、华东庐枞盆地科学钻探选址预研究LZSD-1孔和华南于都-赣县矿集区科学钻探选址预研究NLSD-1孔破碎带孔段使用的低固相高分子聚合物泥浆,完全满足护壁和绳索取心钻进要求。
四川汶川地震断裂带科学钻探WFSD-3孔布置在龙门山断裂上,钻遇的地层主要为:侏罗系粉砂岩含砾砂岩、泥岩互层,三叠系岩屑砂岩、炭质页岩或煤线、泥灰岩、煤层、断层泥等。该地层经过历史上多次强烈地震,全孔破碎地层占80%以上,地层应力很大,钻孔缩径、坍塌严重并伴有涌水漏失等罕见复杂情况。采用压力平衡钻进技术,以高黏度、高密度、高分子聚合物加重泥浆来解决该类破碎地层的孔壁失稳问题。聚合物加重泥浆体系配方:1m3水+8～10%膨润土+5%纯碱(膨润土重量)+0.5～0.8%CMC+1%NH4-HPAN+2%SAS+0.5%K-PAM+1%KHm+BaSO4(根据地层情况计算加量)+1%GLUB。性能参数见表5-3所示。
表5-3 聚合物加重泥浆体系性能参数
体系中处理剂的主要作用简述如下。
1)NH4HPAN由聚丙烯腈水解制成,由于引入
不但具有较好的降滤失量作用,还具有类似K+的抑制泥页岩水化分散,稳定孔壁作用。
2)K-PAM由丙烯酸甲和丙烯酰胺共聚而成,分子量300万以上,水解度30%～40%,能较好的包被絮凝劣质岩屑,抑制其分散变细,稳定孔壁,并兼有降滤失量和微增黏作用,可改善泥浆流型。
3)S-1主体为磺化酚醛树脂,是一种线性不规则水溶性聚合物,能在降滤失的同时不增黏并改善泥饼的润滑性,对孔壁有一定的稳定作用。
4)SMC是褐煤腐植酸的衍生物,具有良好的降滤失和降黏效果,与S-1复配降滤失效果更好。
5)SAS是沥青的磺化制品,主要起填充孔隙和裂隙的堵漏作用,可覆盖在页岩表面改善泥饼质量,同时还可改善体系的润滑性。
6)KHm是从褐煤中提取的产品,主要通过大量K+的镶嵌作用或晶格固定减弱蒙脱石的水化能力和泥页岩的渗透水化膨胀,使KHm具有较强的抑制作用,同时KHm也是一种优良的降滤失剂,有利于形成薄而致密的泥饼来防塌。
7)BaSO4(重晶石),密度4.2g/cm3。施工中若地应力增高,为防止地应力不平衡而发生缩径、塌孔等孔内事故,可用重晶石作为泥浆加重剂,常用粒度为400目。加重泥浆所需用量可有下列公式计算:
深部岩心钻探技术与管理
式中:m为所需重晶石的质量,kg;ρ1为基浆的密度,g/cm3;ρ2为要配置的泥浆的密度,g/cm3;ρ3为重晶石的密度,g/cm3(一般为4.2g/cm3)。
8)GLUB是一种由植物油合成的润滑剂,能形成牢固吸附在金属和岩土表面的致密油膜,改变钻杆与泥浆及孔壁的摩擦方式提高体系的润滑性能。
聚合物加重泥浆体系的最大特点是滤失量低、密度高、流变性好,对强破碎地层具有良好的护壁和保护岩心性能。在汶川地震科学钻探 WFSD-3孔复杂地层中平衡地应力钻进取得了非常满意的效果,取出的岩心如图5-9、图5-10所示。
图5-9 破碎松散岩心
图5-10 强膨胀黏滞性岩心
若地层孔隙压力低(如钻孔漏失、地下水位较低)可采用低密度泥浆,如充气泥浆或可循环微泡沫泥浆等进行压力平衡钻进。
(四)易溶性地层
易溶性地层主要为遇水溶蚀的盐膏层、芒硝、钾盐、岩盐等,极易造成钻孔超径、地层剥落、坍塌现象。这类地层护壁主要从降失水、降低泥浆对地层的溶蚀性两方面入手。在泥浆中加入与被溶物相同的物质使其达到饱和,可有效抑制其溶解。
在广东东莞中堂盐矿及广东龙归盐矿两矿区施工的10口探采结合食盐井采用的饱和盐水聚合物泥浆体系配方:1m3饱和盐水(NaCl加量至饱和程度,测滤液波美度为25～26°Bé)+5%膨润土+0.4%Na2CO3+0.2%CMC+3～5%SMC+0.5%K-PAM+1%KHm+2%KCl+1%Na2SO4。性能指标:密度1.05～1.10g/cm3;黏度25s;滤失量15mL/30min;泥皮厚1mm。
广东两盐矿区的应用表明:在现场采用盐矿山卤水加适量工业盐配置饱和盐水(波美度25～26°Bé)的抗盐、抗钙能力强,对岩盐、膏盐、芒硝层的抑制性好,滤失量低,泥皮质量较好,孔壁超径现象不明显,所取的盐矿心基本不溶蚀,完全满足易溶性地层护壁及钻进要求。
(五)较完整微裂隙地层
深部钻探一般都下入套管隔离复杂地层。钻进较完整微裂隙地层时钻孔的润滑条件、泥浆携带岩粉和悬浮岩粉的能力成为主要问题,而泥浆护壁变为次要问题。钻进较完整微裂隙地层常用的高分子低固相泥浆体系和无固相泥浆体系的典型配方性能参数见表5-4。
表5-4 低固相及无固相泥浆体系典型配方及性能参数
该泥浆体系润滑性能好,悬浮及携带岩粉能力强(孔内断钻杆后处理数十小时未出现埋钻现象),绳索取心钻杆内壁结垢少,抗温性好,钻进3000m深孔(孔底温度90～100℃)未发现泥浆降解现象。在安徽霍邱铁矿、金寨沙坪沟钼矿、寿县正阳关铁矿异常查证矿区及华南于都-赣县矿集区科学钻探NLSD 1孔和华东庐枞盆地科学钻探LZSD-1孔中套管以下较完整地层中使用,取得了良好效果。
