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深孔取心钻探泥浆技术北京探矿工程研究所2008年5月一、深孔取心钻探与泥浆有关的问题1、回转阻力大随孔深的增加，孔内钻杆增长，摩擦阻力增大，钻杆磨损加快，钻机负荷增大，而且难以提高转速以适应金刚石钻进的需要，还容易造成断钻杆等孔内事故。2、复杂地层孔壁稳定问题钻进过程中可能会遇到不同类型的复杂地层，如水敏性地层（膨胀性地层、分散性地层）、破碎松散地层、坍塌掉块地层等，在这些地层施工孔壁稳定比较困难，容易引起缩径、扩径、孔壁坍塌等一系列孔内复杂事故。3、漏失问题是钻进过程中经常遇到也很难处理的问题。处理一般渗透性漏失比较容易，漏失严重，处理难度加大。4、粘附卡钻问题：由于绳钻钻杆与孔壁之间间隙小、钻杆齐平与孔壁接触面积大、孔深等原因，若泥浆处理不当，泥皮厚、或不能有效抑制水敏性地层吸水膨胀等情况，极易造成粘附卡钻问题。5、与绳索取心钻进工艺有关的问题—即绳钻钻杆内壁结垢及环空压力过大。绳索取心钻进，钻杆与孔壁之间间隙很小，泥浆固相含量高，流变性能差将引起绳钻钻杆内壁结垢，导致岩心管打捞困难；同时也会引起较高的环空压力，压裂地层造成漏失，或因为较大的压力波动，压垮或抽跨地层，人为造成孔壁不稳定。二、深孔绳索取心钻进对泥浆性能的要求1、良好的润滑性能能有效降低摩擦阻力，减小回转阻力，防止粘附卡钻等，同时也可以减少动力和材料消耗，延长钻具寿命。2、良好的护壁性能泥浆应具有较低的滤失量（一般小于15ml）、较强地抑制性（相对膨胀降低率大于50%）和高质量的泥皮。3、较低固相一般膨润土加量3—5%，相当于浆液密度不高于1.02—1.03g/cm3。4、良好的流变性能在保证携带岩屑的情况下，尽可能保持低粘度和低切力，这一点对于防止绳钻钻杆内壁结垢、降低环空压力尤为重要。一般视粘度＜5—8mPa.s，动塑比0.1—0.4，静切力趋于零。5、能有效地解决泥浆的漏失问题要求堵漏速度快，效果好。三、技术措施1、泥浆的减摩降阻措施①保持泥浆的低固相。搞好泥浆的固相控制和净化，是改善和提高钻井液润滑性能的有效途径之一。②改善泥皮质量，降低泥皮与钻具之间的摩擦系数小，可明显降低回转阻力。好的泥皮质量也可以有效防止粘附卡钻。含沥青、淀粉成份的产品（如高效护壁剂、聚合淀粉等）能有效改善泥皮质量。③加入润滑剂，既可以提高泥浆本身的润滑性能，又可以降低钻具于孔壁泥皮之间的摩擦系数。使用润滑剂是改善钻井液润滑性能，降低摩擦阻力的主要途径。高质量的润滑剂，如极压型润滑剂(GLUB)可有效保护钻具，减少钻具磨损，提高钻具的使用寿命。2、复杂地层孔壁的稳定复杂地层包括：松散不稳定地层，如粉砂、流砂、风化层；破碎不稳定地层，如破碎闪长岩、石英角砾岩、断层破碎带等硬脆、碎地层；水敏不稳定地层，主要指吸水膨胀地层及吸水分散地层，如以蒙脱石为主的泥页岩地层（如蚀变凝灰岩、蚀变粗安斑岩、高岭土化、绢云母化岩石、泥质砂岩等）、吸水剥落地层（如泥质板岩、砂质页岩、片岩等）；应力地层。①水敏性地层—采用防塌钻井液体系。主要表现为造浆、缩径。岩石成分以蒙托石为主，采用高抑制性泥浆体系。泥浆应保持低失水（滤失量≤10ml），高抑制性。降低泥浆滤失量的泥浆处理剂很多，抑制剂选用含有K+或NH4+的泥浆处理剂，如高效护壁剂（GSP）。可采用下列泥浆体系：a.低固相钻井液：水＋３—4％ＬＢＭ—１（低粘增效粉），膨胀较严重时，可加入1%高效护壁剂。该泥浆滤失量≤10.0ml，相对膨胀降低率≥70%。b.钾基钻井液：控制蒙托石地层，K+含量应大于20000ppm（相当于4%的KCI加量）。泥浆配方：水＋３—4％钠膨润土＋0.1%生物聚合物+0.5聚合淀粉+４%KCI。②破碎不稳定地层—采用LBM泥浆体系。破碎地层要求泥浆造壁性能好。实践证明，采用LBM泥浆体系具有良好的效果，破碎比较严重、较松散地层加入适量的防塌型随钻堵漏剂，可以明显提高孔壁强度。③变质岩地层：分散、垮塌、不缩径该类地层最好采用工程办法：提下钻小心，避免变速；泵量低一点、泥浆粘度适当增稠使其流动呈层流状态，以减少对孔壁的冲刷。④压力平衡钻进—压力地层、破碎易坍塌地层。除应力地层外，绳索取心钻进环空外压力大，经常由于地层被压裂而造成人为漏失，在破碎松散地层，容易造成压垮或抽塌地层，引起复杂的孔内事故。因此，绳索取心钻进，采用压力平衡钻进技术尤为重要。压力平衡钻进是指钻进过程中，使钻孔环空外压力始终等于或接近等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。这样就可能保持孔壁稳定，获得最大钻进速度。压力平衡钻进的数学表达式：Pfrac＞Pw≧Pf式中：Pfrac、Pw、Pf--分别代表地层压裂压力、环空外压力和地层孔隙压力。压力平衡钻进主要通过调节泥浆密度来实现，也与泥浆的流变参数有关。3、漏失地层的堵漏渗漏性地层：主要指孔隙及微裂隙地层，采用随钻堵漏剂、暂堵剂等即可解决。孔隙或裂隙较大，可以采用颗粒较粗的产品进行堵漏，如锯末、核桃壳、棉籽壳、云母、蛭石等，最好为这些产品的复合产品。严重漏失地层：用高失水堵漏剂+复合堵漏剂配制的堵漏液进行堵漏。堵漏液配制：1m3水+100—150Kg高失水堵漏剂+40—60Kg核桃壳（或复合堵漏剂）。注意：堵漏液中不要混入泥浆以免影响堵漏效果。注入堵漏液时将钻杆放在堵漏液液面之上，防止堵漏液留在孔壁上的泥皮卡住钻杆。4、防止钻杆内壁结垢及降低环空外压力措施①钻杆内壁结垢主要与泥浆的流变性能、固相含量、泵量、钻杆转速等因素有关。钻井液在钻杆内平均流速一般为0.1—0.5m/s，呈层流流动，为结垢缩径提供了充分条件。管壁结垢不断增加，直到液流由层流向紊流转变，即雷诺数达到临界值，钻杆内流动通径不再变小，其最小内径称临界通径Dc。钻杆内临界流动通径Dc表达式：A4Dc16－28ADc4＋48A1/2Dc2＋21BDc－21＝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。A＝π2ηcτcRe.c128ρQB＝πRe.cηc4ρQ通过下面的示例计算，说明钻杆结垢与泥浆流变参数的关系。设三种钻井液A、B、C，各自流变参数为：类型ηc，mPa.sτc，Paρ，g/cm3A5.00.61.03B2.30.0621.02C（清水）1.001.0表1绳索钻杆的临界流动通径(mm)210030004000Re.c类Ql/min型304260304260304260A23.529.136.419.824.731.117.021.427.2B65.281.8103.353.667.986.745.157.874.5C304424---212.2297.1424.4159.2222.8318.1计算说明，泥浆粘度越高、切力越大，钻杆内壁越容易结垢。2）环空外压力液流在钻杆与孔壁之间的压力总和称环空外压力。环空外压力总和的矢量式：Pw＝Pm+Pa+Pg+Pv+Pi环空外压力Pw静液柱压力Pm环空动压力Pd环空压力降Pa波动压力Ps结构波压力yalyayayayyayaPg粘滞波压力Pv惯性波压力Pi绳钻环空外压力组合实例分析•钻井液A、B的流变性能如下表钻井液类型卡森粘度ηc,mPa.s屈服值τc,Pa静切力τg,Pa浆液密度ρ,g/cm3A5.00.60.21.03B2.30.06201.02设S75绳钻提下钻速度Vp=0.6m/s，加（减）速度ap=1.0m/s2，泵量Q=0.7l/s。其组合外力(Ew)如下表020406080100第一季度第三季度东部西部北部工况条件表达式A液不带内管g/cm3A液带内管g/cm3B液不带内管g/cm3B液带内管g/cm3标准状态Ρ1.031.031.021.02开泵ρ+Eg1.0461.0461.021.02循环ρ+Ea2.862.861.601.60提钻加速ρ-Ev-Ei-0.16-3.860.66-3.18提钻匀速ρ-Ev-0.13-3.500.69-2.83提钻减速ρ-Ev+Ei-0.09-3.140.72-2.48下钻加速ρ+Ev+Ei2.225.921.385.22下钻匀速ρ+Ev2,195.561.354.87下钻减速ρ+Ev-Ei2.155.201.324.52通过对上述两种泥浆进行环空外压力计算说明，泥浆粘度、切力、比重及泵量越大，环空外压力越大，加速（或减速）提下钻时的压力波动也越大，容易引起孔压垮或抽塌地层。所以，防止绳钻钻杆内壁结垢，降低环空外压力的最有效办法，就是降低泥浆的比重，保持良好的流变性能。四、深孔复杂地层用泥浆1、LBM泥浆组成及配方LBM泥浆的主要成份为低粘增粘粉（LBM-1）、高效护壁剂（GSP）和高效润滑剂(GLUB)。LBM-1是一种具有很低粘度和滤失量，集造浆与泥浆处理剂功能于一体的多功能复合材料。GSP中含有沥青、淀粉、聚合物、K+或NH4+等，抑制、造壁性强，润滑性好。高效润滑剂(GLUB)为极压型润滑剂，在有效降低回转阻力的同时，对钻具具有良好的保护作用。LBM泥浆配方为：1m3水+30—50kgLBM—1+5—10KgGSP+5—10KgGLUB。表1LBM泥浆的常规性能LBM泥浆%视粘度AVmPa.s动塑比YP/PVKs-1API滤失量泥皮厚度水+3%LBM-16.00.2513.00.2水+3%LBM-1+1%GSP7.50.368.00.2表2LBM泥浆的润滑性能项目润滑系数水+3%钠膨润土0.45水+3%LBM—10.32水+3%LBM—1+1%GSP0.13水+3%LBM—1+1%GSP+0.5%GLUB0.08表3LBM钻井液的抑制性能钻井液类型6h膨胀量，mm相对膨胀降低率,%%蒸馏水2.921.412.150水+3%LBM—11.5352水+3%LBM—1+1%GSP0.91693、LBM泥浆特点：（1）LBM泥浆具有良好的流变性能，其粘度、动塑比都很小。这一特性有利于降低环空压降，避免因泥浆粘稠导致过高的环空压力波动，防止憋泵和压垮不稳定地层。良好的流变性能，有利于地表岩屑沉降，使泥浆保持较低固相，也能使泥浆在钻杆内保持紊流状态，从而有效地防止和消除绳钻钻杆内壁结垢现象，对绳索取心钻进是非常有利的。（2）具有较强的造壁性能。造壁性一般指泥皮的厚度、强度和对地层的粘结特性。LBM泥浆中含有聚合物、沥青等成份，均能形成高质量的泥皮；沥青具有疏水性，且温度升高以后沥青产品具有很强的粘结性，有利于稳定孔壁。室内试验证明，LBM泥浆泥皮薄，一般厚度≤0.3mm；韧性好，反复折叠，不破裂；对滤纸的附着力强，不易被水冲刷掉。这一特性对破碎地层的稳定非常有利。（3）具有较低的滤失量。滤失量不但对水敏性地层的稳定，而且对松散和破碎地层的稳定也具有很大影响。泥浆滤失量大，泥浆滤液侵入到地层较深，除引起地层中矿物成分产生水化作用以外，还由于滤液对地层的浸泡，使地层的机械强度大大降低，不利于地层的稳定。LBM泥浆的滤失量比PHP无固相泥浆低得多，可有效阻止泥浆中自由水或滤液进入地层孔隙、微裂隙、节理之中，从而防止孔壁坍塌，因此，其护壁性能更好。（4）较低的滤失量、较强的抑制性，有利于水敏性地层的稳定。（5）LBM泥浆泥皮薄、韧性好，表面光滑，粘附系数低；另外钻井液其本身又具有良好的润滑性能，因此该钻井液能有效降低回转阻力，达到深孔钻进的要求。