鹽井鉆探施工護壁技術(shù)研究與實踐
◎? 舒智 劉帥 齊占凱
針對鹽井地層的特殊性,，本文從鉆井液和固井兩方面出發(fā),，研究摸索出一套鉆井液護壁體系和套管水泥固井護壁技術(shù)。根據(jù)鹽井施工的實際情況,，優(yōu)選井身結(jié)構(gòu)和套管程序,、鉆井液類型以及固井水泥漿配方,；科學地使用和管理鉆井液體系，才能有效地防止鹽井的坍塌,、漏失,、超/縮徑、水敏性剝蝕,、砂侵等井內(nèi)事故發(fā)生,，從而保證了鹽井鉆探施工的順利進行和工程質(zhì)量。
鉆井工藝及取心方法
湖北省潛江市鹽礦勘探及成井工程施工的地層構(gòu)造復雜,，第四系,、上第三系覆蓋層較厚，含鹽礦層厚度大,、層數(shù)多,、埋藏深，一般井深為1200-1500米,。鉆井施工中易發(fā)生坍塌,、漏失、縮徑,、剝落,、砂侵等復雜情況，給鉆探施工增加了難度,。
一開,、二開、三開均采用全面鉆井工藝（牙輪鉆頭或PDC鉆頭），全面鉆進時,，環(huán)空間隙大,，巖屑量大顆粒粗，主要考慮鉆井液的攜巖能力和膠結(jié)性能,，四開采用金剛石繩索取心鉆具（半合管）進行取心作業(yè),。在鉆井工藝措施方面，在保證純鉆速度的條件下,，應盡量降低鉆具轉(zhuǎn)速和鉆壓,。若泥漿粘度、切力大,，應適當降低泵量,，以免環(huán)空壓力過高。嚴格控制起下鉆速度,，避免或減小因激動壓力和抽吸作用對井壁破壞,。堅持起鉆時回灌鉆井液。加強泥漿固相控制,，及時清除固相顆粒,，防止鉆桿結(jié)垢。
鉆井液設計原則及護壁機理
鉆井液設計應考慮地層特點,、施工條件,、工程要求、安全環(huán)保等因素,，根據(jù)具體情況合理選擇不同類型的鉆井液體系,，以滿足井內(nèi)復雜情況施工的要求，并保證具有較低的固相含量,、良好的流變性能,、較強的清孔和攜巖能力和良好的潤滑性能。在鉆進如砂巖地層等高滲透性地層,，易形成較厚泥餅,，容易造成卡鉆。鉆井液應具有低濾失,、封堵性和良好的潤滑性能,，并配備一定數(shù)量的解卡劑。鉆進蒙脫石含量高的強水敏性地層,，要求鉆井液具有較低濾失量和良好的抑制性能,，需采用抑制性較強的鉆井液，如優(yōu)質(zhì)聚合物鉆井液,、鉀基鉆井液等,。鉆進軟頁巖,、有裂隙的硬頁巖，由于井壁表面剝落,、崩解易產(chǎn)生擴徑,、掉塊及井壁坍塌，要求鉆井液濾失量低,，且具有較好的封堵功能，掉塊較嚴重時,，應適當提高鉆井液比重……另外,，鉆井液設計還要考慮孔徑大小。
鹽井鉆探施工用鉆井液護壁機理如下：CMC高分子聚合物能顯著提高鉆井液的粘度,，從而提高了粘土顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性,，有利于保證鉆井液中細顆粒的含量，形成致密的泥餅,，降低濾失量,。水解聚丙烯酰胺（PHP）是一種選擇性絮凝劑，水解聚丙烯酰胺在鉆井液中主要起絮凝巖粉作用,。CMC與PHP可以相互交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),，能有效提高完整或部分破碎地層的鉆進效率，還具有潤滑減阻作用,。
飽和鹽水鉆井液由于礦化度高,，因此具有較強的抑制性、流動性且性能穩(wěn)定,，能有效地抑制泥頁巖水化剝落,，保證井壁穩(wěn)定。
鉆井液的選擇及維護使用
鉆井液的選擇及性能參數(shù)可借鑒以下參數(shù)：
鉆進第四系和第三系松散地層時,，通過鉆井液配方試驗和實踐,，采用高粘度、低失水的聚合物鉆井液體系進行護壁,，效果較好,。其配方為：1m3/清水+100kg/膨潤土+0.1～0.2kg/PHP+3kg/Na2CO3+5～8kg/HV-CMC。
鉆進第三系較完整井段時,，采用低固相或無固相鉆井液,，以保證鉆井護壁及繩索取心鉆進工藝的要求。
低固相聚璜鉆井液配方：1m3/清水+50kg/膨潤土+0.25kg/PHP+1.5kg/Na2CO3+3～5kg/MV-CMC+8～10kg/磺化瀝青+5～8kg/磺化褐煤,。
無固相鉆井液的配方：1m3/清水+8～10kg/HV-CMC+1kg/PHP+0.1kg/NaOH+10kg皂化油,。
在鹽層鉆進階段采用無固相飽和鹽水鉆井液或低固相飽和鹽水鉆井液，保證了鹽礦層的采取率,。
無固相飽和鹽水鉆井液配方：1m3/清水+350kg/NaCl+10～15kg/MV-CMC+0.3～0.5kg/PHP+0.1kg/NaOH,。
低固相飽和鹽水鉆井液：1m3/清水+30kg/膨潤土+1kg/Na2CO3+315kg/NaCl+5～8kg/PAC-LV+8～10kg/磺化瀝青+50～70kg/氯化鉀+8～10kg/褐煤樹脂,。
鉆井液維護使用及現(xiàn)場管理分階段主要采取以下措施：
鉆進石膏層，為了防止鉆井液污染,，應預先進行鈣處理,，可采用鈣處理鉆井液。在將見鹽層前20～30m,，應先配備優(yōu)質(zhì)飽和鹽水鉆井液,，以防止巖鹽溶蝕出現(xiàn)超徑。飽和鹽水鉆井液的維護應以護膠為主,，降粘為輔,。
在鉆井過程中，若發(fā)現(xiàn)鉆井液粘度,、切力增高,，一般是粘土侵蝕的造漿地層，這時應在鉆井液中加入適量清水或稀釋劑,，或使用選擇性絮凝劑,、抑制劑，還可用離心機清除鉆井液中的有害固相,，以維護鉆井液性能的穩(wěn)定,。
當鉆遇砂層，鉆井液受砂侵時,，其含砂量會急劇升高,，也會加劇水泵、鉆具,、鉆頭的磨損,，必須及時采用除砂機進行除砂處理，還可添加聚丙烯酰胺絮凝粉砂,，降低鉆井液的粘度和切力,。
在小口徑金剛石繩索取心鉆進中，應采用乳化鉆井液,，以改善鉆具潤滑條件,，減少鉆具回轉(zhuǎn)阻力，提高鉆進速度,。
鉆井液中添加處理劑時要緩慢,、均勻，避免鉆井液性能突變,，不準任意添加清水,，不要讓污水、山水,、雨水流進鉆井液中,。
鉆井液護壁取得明顯效果,。該礦區(qū)OZK2孔施工中，一開采用311mm口徑鉆進穿過第四系松散地層后就下入井口管,，然后換253mm口徑鉆進至811.41m,，該井段采用優(yōu)質(zhì)低固相聚合物鉆井液護壁，裸眼鉆進易坍塌的砂巖,、泥質(zhì)粉砂巖,、頁巖等松散破碎地層，從未發(fā)現(xiàn)坍塌和嚴重漏失現(xiàn)象,，只是在砂巖鉆進中鉆井液有輕微滲漏現(xiàn)象,。通過該層位后，便下入219技術(shù)套管并用水泥封固,，然后再換150mm口徑鉆進到1020m后，下127mm技術(shù)套管,。800m以下地層比上部覆蓋層稍完整一點,，但是膠結(jié)性依然較差，遇水易水化分散,，會造成鉆井坍塌超徑現(xiàn)象,。在該井段施工中我們采用優(yōu)質(zhì)低固相聚璜鉆井液體系和無固相鉆井液護壁，井壁穩(wěn)定,，施工順利,，最后采用80繩索取心金剛石鉆進至終孔。在該井段施工中,，始終采用優(yōu)質(zhì)低固相飽和鹽水鉆井液護壁,，順利通過長達600多米厚的強水敏性易水化剝落、坍塌縮徑的泥頁巖,、石膏,、巖鹽地層，直到終孔1501.43m都未發(fā)生坍塌超徑現(xiàn)象,，從而保障鹽井工程施工的順利進行,。
套管護壁及固井
套管護壁是鉆探施工最有效和最可靠的鉆井護壁方案之一，鹽井鉆探施工所用套管有井口管,、技術(shù)套管,、生產(chǎn)管。除生產(chǎn)管以外,，其他套管均起到穩(wěn)定井壁,，保證順利施工的作用。根據(jù)套管在井內(nèi)的工作條件,，設計的套管柱應能承受內(nèi),、外壓力及井下地層所產(chǎn)生的橫向載荷和套管本身的重力,。設計的套管柱都應能承受相當大的拉力，最大拉力發(fā)生在套管柱頂部,。上部受拉力大,，下部受外擠力大，中間的套管受外力較小,。為確保安全,，大部分套管柱設計采取的安全系數(shù)為：抗拉安全系數(shù)1.5～1.8；抗外壓（抗擠）安全系數(shù)1.0～1.25,；抗內(nèi)壓（壓崩）安全系數(shù)1.1～1.3,。
固井受水泥漿設計及水泥漿的物理性能等因素影響。
影響水泥漿設計的因素包括：井深,、鉆井液液柱壓力,、水泥漿粘度與水灰比、井溫,、可泵時間及稠化時間,、支持套管柱所需的水泥強度、配漿水質(zhì),、鉆井液及其處理劑類型,、水泥漿比重、水泥水化熱,、水泥石滲透率,、水泥漿失水量、抗井內(nèi)鹽水之腐蝕能力,。
水泥漿的物理性能主要受比重,、流動度、失水,、水泥石的強度,、水泥漿灌注等影響，提高注水泥固井質(zhì)量主要應采取以下十項措施：一是適當提高水泥漿的回返速度,，使之處于紊流而非層流狀態(tài),；二是適當降低水泥漿的粘度和切力， 以改善其流動性,；三是鉆井時注意井身質(zhì)量,，把井打直，套管扶正,；四是水泥漿比重應均勻,；五是在滲透性大、易漏的地層采用低失水量的水泥漿,；六是在大段泥巖,、頁巖地層固井,，應采用鹽水鉆井液；七是縮短水泥漿的初凝和終凝時間差,；八是采用膨脹水泥,，可提高水泥與井壁及套管間的膠結(jié)強度；九是精確地進行注水泥計算,，采用符合當?shù)貙嶋H情況的水泥用量附加系數(shù),；十是下管前適當增大排量洗井，既使井內(nèi)巖粉全部返出,，又使井壁適應大排量的沖刷,，以防注水泥過程中發(fā)生坍塌。
結(jié)? ?論
該礦區(qū)地層特點：第四系,、上第三系覆蓋層較厚,，軟硬互層多，且地質(zhì)構(gòu)造復雜,，另外含鹽礦層的厚度大,、層數(shù)多、埋藏深,。鉆井施工中易發(fā)生坍塌、漏失,、縮徑,、剝落、砂侵等復雜情況,。
根據(jù)地層特性和工程質(zhì)量要求及鉆機能力,，合理設計井深結(jié)構(gòu)，以保證順利施工和工程質(zhì)量,。采用ф311開孔,，ф80終孔。一開鉆進通過第四系平原組的松散的粘土,、砂卵石層后,，即下入ф273井口管，并用水泥固井護壁,；二開鉆進穿過膠結(jié)性較差的上第三系廣華導組和荊河鎮(zhèn)組巖石后,，就下入ф219技術(shù)套管，并用水泥固井護壁,；三開鉆進到較完整的下第三系潛江組地層后,，就下入ф127技術(shù)套管，然后換ф80鉆進至終孔,。針對鉆井工藝和地層特點,，因地制宜合理選擇鉆井液體系和性能參數(shù),，通過科學地設計水泥漿配比和套管結(jié)構(gòu)，并嚴格控制其物理性能參數(shù)和水泥漿灌注工藝,，采取有效的技術(shù)措施,，提高注水泥漿的成功率和固井質(zhì)量。該套鉆井液體系和套管護壁工藝技術(shù),，不僅可以應用于鹽井鉆井施工,，還可用于其他松散、強水敏性地層的鉆探施工,。無固相飽和鹽水鉆井液和低固相飽和鹽水鉆井液還可應用于冰層凍土,、可燃冰層或低溫工作條件下的鉆探施工的護壁。
（作者系倬方鉆探工程集團有限責任公司鉆探技術(shù)中心主任,、生產(chǎn)指揮中心主任,、技術(shù)部部長。）
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