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绳索取心钻进工艺在盐矿深部钻探中的应用研究

发布时间:2018年11月08日
来源:探矿工程在线 作者:罗冠平

引用格式:罗冠平.绳索取心工艺在盐矿深部钻探中的应用研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(6):8-13.


摘要:宁夏固原硝口—寺口子盐矿地层复杂,上部古近系清水营组存在厚约150m的红色泥岩夹石膏层,水敏性强,孔壁稳定性差,易出现坍塌和缩径,造成卡钻和抱钻事故;下部白垩系乃家河组含芒硝矿层及岩盐矿层,揭露厚度达380多米,水溶性强,孔壁易溶蚀形成“大肚子”、护壁难、钻进效率低、取心质量差。针对以上施工难题,从钻孔结构、钻头选型、钻井液和钻进参数等方面着手研究,建立了一套适合盐矿施工的绳索取心钻进工艺技术,有效地维护了孔壁稳定,实现了高效、高质、安全钻进,为今后施工类似钻孔积累了经验。

关键词:绳索取心钻进;岩盐层;水溶性地层;水敏性地层;深部钻探


1 概况

宁夏固原市硝口—寺口子地区盐矿预查项目ZK-1孔位于宁夏回族自治区固原市原州区中河乡硝口村,距离原州区西北24.8km,距离固原市区39.5km。该孔设计深度1800m,要求钻孔终孔直径≥75mm,取心率>75%,盐层及盐层顶、底板5m内取心率≮85%。该孔地层复杂,上部有强水敏性的泥岩地层,下部有强水溶性的岩盐地层。ZK辅-1孔地层自上而下依次为:

1)第四系,主要为风成黄土、砂,厚度9.55m。

2)古近系清水营组,是以湖相为主、河流相次之的红色泥岩夹多层优质石膏矿层及少量薄层砂岩的一套红色沉积。厚为1247.28m,钻孔1100m以浅岩层比较稳定,孔深1100~1246.83m岩层为红色泥岩夹石膏层。该段岩心图片见图1。

1 孔深1201~1203m处的岩心 

3)白垩系乃家河组,为一套蓝灰、灰绿色间紫红色泥岩、泥灰岩、泥质白云岩夹石膏、钙芒硝及岩盐层,其中含芒硝矿层及岩盐矿层为本次勘查目的层。矿心图片见图2。

2 孔深1275~1278m处盐矿心

 

2 盐矿深部钻探中应用绳索取心钻进工艺的难点

由于盐矿地层的复杂性和绳索取心工艺的特殊性,使得绳索取心工艺在盐矿钻探中难以发挥出应有优势,还因孔内事故频发而造成效率低下,表现出“不适应”。

1)泥岩地层的水敏性。泥岩中粘土颗粒易水化、分散和膨胀,造成孔壁缩径、坍塌等,护壁困难。

2)岩盐地层的水溶性。岩盐中的NaCl和其他无机盐易溶于水,这些物质溶解于钻井液中而破坏钻井液的性能,同时造成孔壁“大肚子”和垮塌,给继续钻进带来困难。岩盐层的水溶性,也使得盐矿心采取困难,取心率低。

3)孔内事故的预防。根据钻进盐层特性,对可能发生的孔内事故提前采取预防措施,避免孔内事故的发生,是钻井能否成功和取得高效益的关键。

 

3 技术方案和措施

针对绳索取心工艺在盐矿深部钻探应用中存在的问题,重点从以下4个方面采取针对性措施,以解决绳索取心工艺在“盐矿深部钻探”中的“不适应”问题。

3.1 钻孔结构优化

3.1.1 常规岩心钻探钻孔结构

小口径金刚石绳索取心钻探常用口径及技术套管层级有4层,即为Φ150mm口径级配Φ146mm套管,Φ130mm口径级配Φ127mm套管,Φ110mm口径级配Φ108mm套管,Φ95mm口径级配Φ89mm套管,最后采用S75绳索取心钻进至终孔,在钻孔深部再次遇到漏失、破碎等复杂地层,钻进困难,则可将S75绳钻杆作为技术套管,换S59钻具钻进至终孔,见图3。

3 常规岩心钻探钻孔结构层级

3.1.2 盐矿绳索取心钻进对钻孔结构设计的特殊要求

盐矿地层中普遍含有水敏性强的泥岩地层及水溶性强的岩盐地层,有些泥岩地层中夹有砂砾、芒硝、石膏等。这一类地层在钻穿以后往往会出现缩径、坍塌、掉块或形成“大肚子”,易造成抱钻、卡钻事故、断钻杆或断套管事故,而这些事故都将阻碍绳索取心钻进的正常进行。要确保绳索取心钻进在盐矿地层中正常钻进,就必须保证孔壁的稳定,要做好钻井液护壁措施,改善钻杆柱与孔壁间的环状间隙,解决绳索取心钻进“小间隙”给钻孔带来的钻井液循环阻力大、对孔壁“激动”压力和抽吸作用破坏大等问题变得尤为重要。

3.1.3 盐矿绳索取心钻进钻孔结构设计优化办法

钻杆柱与孔壁间的环空间隙的改善,须靠加大钻头外径来实现,比如将S95改为S95+(≥3mm)钻进,将S75改为S75+(≥4mm)钻进,如此可以将环空间隙由原来的2~3mm增加到4~5mm以上,有效改善环空间隙,降低钻井液循环阻力,改善钻井液流变状态,减少钻井液对孔壁的冲刷危害。

3.2 适岩钻头选型

3.2.1 钻头选择

固原硝口—寺口子矿区所钻遇地层可钻性级别为4~6级,部分孔段软硬互层,孔壁稳定性差,岩层破碎,因此,其钻头选型应着重考虑适合于软—中硬地层钻进,同时,为了尽量减少钻孔裸露时间和提下钻次数,以减少抽吸破坏,确保孔壁稳定,要求所选择的钻头具备高时效和长寿命特点,所以我们主要选择多台阶(高台阶)金刚石钻头(见图4)和聚晶金刚石复合片(PDC)绳索取心钻头(见图5,图6),后者适合于钻进软—中硬地层。


4 多台阶钻头

5 Φ81mm圆柱PDC钻头

6 Φ81mm尖齿PDC钻头

3.2.2 钻头和扩孔器改进

结合盐矿地层特性,为了改善绳索取心钻进环状空间、降低钻井液的冲刷破坏和提高钻头时效,对钻头和扩孔器进行了一些改进:一是将钻头外径由Φ95mm增加到Φ98mm,Φ77mm增加到Φ81mm;二是降低钻头外工作层有效面积,降低50%;三是加宽钻头水口;四是降低扩孔器工作层面积,使其与改过后的钻头外工作层面相对应,同时将其工作层面倾斜度由原来的45°增加到75°。

3.3 钻井液方案设计

根据本孔地层特性和绳索取心钻进工艺对钻井液的特殊要求,我们选择在上部清水营组地层中采用高效优质无固相钻井液,以实现快速钻进、节约成本;在下部盐矿地层中采用MBM饱和盐水钻井液护壁钻进。

3.4 钻进参数选择

钻进参数的选择应与以上因素的变化相适应,体现在以下几点。

1)转速:采用S95+3钻进和S75+6裸眼钻进,由于环空间隙较大,应采用较低转速;尖齿PDC复合片钻头钻进时,由于其是“犁剃式”碎岩方式,不需要开高钻速;在变径过程中,要慢转,随着钻孔延深,钻杆中和点不断下移,就可以恢复较高转速钻进。

2)钻压:由于环空间隙较大,钻压不能太大,金刚石钻头钻进时一般控制在8~10kN;尖齿PDC钻头钻进时,要控制进尺,其钻压要求更低,一般控制在5~8kN;在变径过程中,要轻压,随着钻孔延深,钻杆中和点不断下移,可以逐步加大钻压。

3)泵量:钻进岩层大多为软、中硬岩层,同时采用尖齿PDC钻头钻进,其产生的岩粉多、颗粒大,因此需要较大泵量,要求采用二挡(90 L/min)或三挡量(145L/min)。

 

4 实际应用情况及效果分析

4.1 钻孔完工情况

该孔终孔深度1629.58m,终孔口径为Φ77mm,实际生产工期58d,台月效率高达842.89m,纯钻进时间利用率达到40.45%;岩盐心采取率达到90%以上,钻孔孔斜度不到3°,钻孔质量为优质。

4.2 钻探设备和钻杆

1)钻机: XY-6B型液压钻机。

2)柴油发电机组: GF-100型柴油发电机组。

3)钻井液泵: BW-250型和BW-320型钻井液泵各1台。

4)钻塔:加重型ZT17SA型钻塔。

5)钻杆:主要使用无锡探矿机械厂生产的S95A和CNH钻具。

4.3 钻孔结构

根据钻孔设计要求、地层特征和工艺要求等,设计了三级钻孔结构。采用Φ168mm自制刮刀钻头开孔,穿过第四系黄土风化层后下入Φ146mm孔口管,采用S95+3绳索取心钻进穿过古近系上部覆盖层,因未见不完整或漏涌地层,故不需要下技术套管隔离,直接换径S75+6绳索取心钻进,在钻进至孔深1526.35m后,换径成S75+2钻进至终孔。具体见表1和图7。

1 钻孔变径及套管情况

7 ZK辅-1孔孔身结构

实践证明,将S95调整为S95+3,S75+2调整为S75+6,加大了环空间隙,有效地解决或降低了绳索取心“小间隙”给钻孔带来的钻井液循环阻力大、“激动”压力高、较大颗粒岩屑排除难等问题。

4.4 钻头

全孔钻头实际使用情况见表2。

2 钻头使用情况统计表

从表2中可以看出,钻头选型大部分都合理,较为可靠,实现了高时效(平均时效在7.15m/h)和长寿命(平均寿命在500m以上)的双效果,为快速钻进、减少孔壁浸泡时间奠定了基础。

4.5 钻井液

4.5.1 无固相钻井液

上部古近系清水营组孔段采用高效优质无固相钻井液,具体如下。

孔深9.55~456.97m,采用钻井液配方Ⅰ:1m3水+1~2kg PHP+2~3kg固体润滑剂。

孔深456.97800.12m,采用钻井液配方Ⅱ:1m3水+1~2kg PHP+2~3kg固体润滑剂+3~4kg GPC+3~4kg GLA。

孔深800.12~1246.83m,采用钻井液配方Ⅲ:1m3水+1~2kg PHP+2~3kg固体润滑剂+3~4kg GPC+3~4kg GLA+0.5~1kg CMC。

各钻井液配方性能参数见表3。

3 PHP-润滑型无固相钻井液配方及性能指标

大部孔段钻进正常,起到了良好的护壁、润滑和悬携岩粉作用,在钻进1100~1246.83m孔段时岩层出现不稳定性情况,孔壁出现缩径坍塌,提钻后要花1~2d时间冲扫孔才能到底,孔深1246m也开始见岩盐层,故在以下孔段更换MBM饱和盐水钻井液。

4.5.2 MBM饱和盐水钻井液

在孔深1246m后改用多功能剂(MBM)盐水钻井液,现场开始采用基础试验配方配制钻井液,并逐步增加盐量和调整盐水钻井液性能,刚开始钻进3m,矿心部分没有取上来,测量矿心外径为44mm,溶蚀2.50mm,分析盐水没有达到饱和,进至孔深1263m后,钻井液配方为1m3水+30~40kg MBM+3~4kg GTQ+5~10kg GPC+0.5~1kg PHP+350~400kg NaCl,此时矿心外径为48.5mm,矿心采取达到要求,测得钻井液的漏斗粘度23.5s,失水量10mL/30min,pH值为7,密度1.150g/cm3,泥皮厚0.10mm。

采用MBM配制的盐水钻井液,对孔壁稳定性的维护起到良好的效果;悬携岩粉能力强,保持了孔底清洁(下钻时孔底无沉粉);钻井液抗盐侵污染能力理想,钻井液在孔内循环48h后的性能没有明显变化,随着新浆的不断加入,钻井液的基本性能都维持在较好水平;现场使用和维护较为简单,不需要特殊维护。

4.6 钻进规程参数

全孔钻进规程参数实际情况如表4所示。

4 钻进规程参数

从表4中可以看出,为了与调整后的“较大环空间隙”相适宜,钻压和转速都进行了适当的降低,以防止断钻杆事故的发生;PDC钻头正常钻进所需要的钻压和转速较低,但由于其产生的岩粉多、颗粒大,需要较大泵量,才能有效去除。

 

5 结论

1)在上部非含盐孔段应用具有较强水敏抑制性、较低成本、良好流变性的无固相钻井液,有助于绳钻优势的发挥,节约了材料费用;下部含盐孔段应用具有很好的抗盐侵污染能力、抑制岩盐水化能力和悬携岩粉能力的MBM饱和盐水钻井液,有效地维持了孔壁稳定,确保孔内干净,保证了钻孔的安全。

2)在应用MBM饱和盐水钻井液后,上部泥岩孔段未再出现缩径坍塌现象,提下钻顺畅,验证盐水钻井液对泥页岩地层的强抑制性能,且其抑制效果明显好于无固相高分子聚合物抑制钻井液。

3)在满足一定条件下,PDC钻头在软—中硬地层(尤其是泥页岩地层)时效和寿命比金刚石钻头高,时效是金刚石钻头的3倍以上,寿命在2倍以上;同时,其在较小钻压和中低转速下就可以实现高时效,为避免断钻杆事故创造了条件,与“较大环空间隙”下对钻进参数的要求相适应。

4)在“较大环空间隙”下,钻井液循环阻力得到了有效降低,降低率达到50%,有效地减轻了对孔壁“激动”压力破坏和抽吸作用破坏。


阅读原文:http://m.cnki.net/mcnki/literature/detail?datatype=CJFD&instanceID=TKGC201806002

[责任编辑:dc]

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