山西腰站矿区zk4403孔堵漏方法应用

于志坚

(河北省地质矿产勘查开发局第四地质大队,河北承德 067000)

1 工区地质概况

本区大地构造位置处于华北地台北缘、山西断隆与燕山褶皱带西端接壤地带,区内地质构造发育,岩浆活动频繁。矿区地层主要为中上元古界长城系高于庄组、蓟县系雾迷山组、杨庄组、清白口系望狐组及侏罗系后城组,矿区地层岩性见表1。

表1 zk4403孔地层情况Table 1 Formation conditions of hole zk4403

2 钻孔概况及施工准备

2.1 钻孔情况

zk4403孔位于山西省灵丘县腰站矿区山顶,海拔高度约1700 m,设计倾角75°,设计孔深1200 m。

2.2 钻探设备及管材配置

主要施工设备包括:HXY-6B 钻机1台,BW-250泥浆泵1台,BW-320泥浆泵1台,200kW发电机组2台,SGX-23钻塔1套,1m3泥浆搅拌机3台。

主要管材包括:直径114 mm 钻杆300 m,直径89 mm 钻杆950 m,直径71 mm 钻杆1500 m;直径146 mm 套管20 m,直径108 mm 套管220 m,直径89 mm 套管800 m。

2.3 钻孔结构设计

一开,直径150 mm 合金钻头钻进至基岩,下直径146 mm套管;二开,S122 mm金刚石钻进至200 m,下直径108 mm 外丝套管;三开,S95 mm 金刚石钻进至王台群金刚库组,下入直径89 mm 外丝套管;四开,S77 mm 金刚石钻进至设计孔深,裸眼。钻孔结构简图见图1。

图1 zk4403孔钻孔结构图Fig.1 Drilling structure drawing of zk4403 hole

3 施工情况

2011～2014年我单位在此矿区施工,先后共完成3个孔,钻探工作量4800 m。2011年派出1台钻机进驻矿区施工,由于对地层了解不够,施工准备不足,施工人员缺少在完全漏失地层钻进经验,发生多次烧钻事故,累计报废工作量达700 m,造成较大的经济损失,也给钻探施工人员造成过大的心理压力,导致施工进度过慢。为了解决在漏失地层钻进的问题,尝试使用了多种处理方法。

受构造断层影响,地层破碎、软硬不均,钻孔倾角变化较大(60°～80°),钻进中有掉块、坍塌现象发生,所钻岩石硬、脆,降低了进尺效率。断层导致岩石严重破碎,裂隙发育,孔内钻井液失返。由于钻井液漏失严重,失去了防塌护壁、润滑功能,造成孔壁失稳、回转阻力增大,导致转速过低影响钻速;此外,因孔底漏失,钻进时泵压表无显示,增加了烧钻的风险。因此,钻孔堵漏已成为迫切需要解决的主要问题。

4 地层漏失机理分析与漏失层判定

4.1 漏失原因分析

钻孔发生钻井液漏失一般是钻孔液柱压力与地层压力不平衡所致,只要地层压力小于钻孔内液柱压力且孔壁存在漏失通道就可能会出现漏失现象。漏失状态下,钻孔与地层间存在的压力关系为

式中:pm为泥浆静液柱压力;pa为环空流动阻力;pf为地层压力或孔隙压力;pi为泥浆在漏失通道中流动时的压力损失。

Δp越大,漏失越严重。由于pm相对恒定,当pa增大时,Δp增加,漏失量增大;pi很低时,漏失量多少取决于地层的渗透率和泥浆进入通道中流动时的阻力[1]。

4.2 钻孔漏失层位判定

确定漏失层位置是处理钻孔漏失的关键,可以采用石油系统测井测漏专用装置,如电磁法、声波法等。地质钻探现场一般采用观察、记录的方法简单判断。

4.2.1 通过钻进情况判断漏失层

钻井液体系性能没有改变,在正常钻进时发生漏失,那么漏失层位就是钻头到达的位置,钻探施工人员应及时观察钻井液返出情况,钻井液失返要准确记录孔深。

下钻时观察钻井液返出情况,每下入一个立根,孔口都应返出与钻杆同体积的钻井液,在实际施工下钻过程中,钻井液返出的时间可能会滞后,钻具下入越深,滞后时间越长。如果下入钻具后,孔口没有钻井液返出则说明钻头已经到达或穿过漏失层,可以借鉴此方法推算漏失层的深度[1,2]。

如果发生钻孔坍塌,下钻过程中钻头进入坍塌孔段时,开泵会发生憋泵,地层被憋漏,则漏失层在坍塌孔段。

4.2.2 查看岩心判断漏失层

通过查看岩心外观可以了解地层倾角、接触关系、孔隙、裂隙及断层发育情况,查看岩心是否有过水痕迹,过水痕迹是判定漏失层的重要依据[3]。

5 zk4403孔堵漏方法应用

zk4403孔地层变化大,施工中钻至230 m 时钻井液返浆量约为1/3,钻进至320 m 钻井液完全失返,继续顶漏钻进至367 m,此时孔内水位150 m 左右,上部钻杆磨损严重。由于钻孔倾角大、地层破碎,经常出现掉块卡钻现象,因此采取措施堵漏。

5.1 惰性材料堵漏

堵漏溶液配方:清水100 kg+PHP 0.15 kg(搅拌20 min)+锯末3 kg+海带丝2 kg。

将堵漏溶液从钻杆内倒入,再用BW-250泥浆泵把堵漏溶液顶入漏失层。在小裂隙中堵漏,用锯末、剪碎的海带丝、破碎的黄豆粒掺入PHP溶液中,送入裂隙,通过海带、黄豆粒的遇水膨胀架桥堵漏方法在多个漏水孔中起到了一定的堵漏效果,但用此方法在zk4403孔进行多次灌堵后均无效果。

5.2 水泥浆堵漏

水泥浆配方:水泥300 kg +清水180 kg。

用P.O 42.5硫铝酸盐水泥按照水灰比为60%的比例配制成水泥浆液,用泥浆泵送到孔底250 m处,提钻候凝,8 h后下钻通孔,未遇到水泥,灌注的水泥浆液全部漏到地层中,连续灌了2次水泥都没能成功,用水泥浆固结堵漏法失败。

5.3 快速凝胶堵漏

(1)根据漏失段的岩心判断漏失性质属于破碎地层裂隙漏失,在漏失通道直径较大时,可利用有机凝胶与固结材料之间的化学触变作用,即当无机凝胶材料与有机凝胶相遇时,会迅速变成凝胶而失去流动性,逐渐堵塞漏失通道。有机凝胶浆液1号配方:清水+10%膨润土+10%有机凝胶(CNJ-2);快速固结水泥浆液2号配方:0.5～0.6水灰比配置的P.O 42.5水泥溶液+3%～4%速凝剂。

(2)有机凝胶、快速固结水泥浆液、替浆液的配制。1号浆液:搅拌罐中放入清水后依次加入膨润土、有机凝胶,配制3 m3备用;2号固化液:首先向搅拌罐中加入0.4 m3清水、加入25 kg速凝剂,搅拌均匀使其充分溶解,再依次加入800 kg水泥、5 kg锯末,充分搅拌,配制2.5 m3备用;替浆液:搅拌罐中放0.5 m3清水+12.5 kg钠基膨润土+0.5 kg增黏防塌剂,配备1 m3备用[4,5]。

5.4 堵漏浆液用量确定

经计算,漏浆段裸眼体积V=0.7 m3,现场配备堵漏浆液2.5 m3,大约是裸眼段体积的3.6倍,能满足施工需要。

5.5 现场施工操作步骤及效果

①将光钻杆下入至孔深225 m 处,为了保证孔内安全防止卡钻事故发生,尽可能不下入带钻头的钻具。②首先用BW-250泥浆泵向钻杆内泵入有机凝胶浆液1号浆液,再泵入快速固结水泥浆液2号浆液,取2号浆液做地表凝固试验。③打入替浆液0.8 m3。④提钻清洗钻杆内壁,候凝24 h。⑤24 h后2号浆液在地表已经完全凝固,下钻至221 m 处遇水泥,扫至孔底,扫通水泥桩后钻井液返浆量达1/2,封堵取得一定效果,可以继续钻进。

zk4403孔施工近4个月,第一次用快速凝胶堵漏取得了成效,在后续的钻进中又运用了3次,直至95 mm 口径钻至老地层遇片麻岩后下套管隔离,护住上部地层形成人工套管孔壁。

6 预防钻井液漏失

漏失通道与压差是造成漏失主要原因,因此,堵塞地层裂隙漏失通道和降低液柱压与地层的压差是预防漏失的最有效途径。

钻井液正常消耗时加入随钻堵漏惰性材料能起到堵塞微小裂隙的作用,也可以采用膨胀材料、水泥固结、套管隔离等方法,减少钻井液的漏失。

泥浆的密度直接影响液柱压的高低,环空阻力与泵量、钻杆与孔壁环状间隙以及钻井液的黏度等因素有关。因此,在施工中应尽可能使用密度低、黏度低的钻井液,以降低孔内液柱压力与环空阻力。在钻杆与孔壁环状间隙较大时,增加黏度可以提高钻井液在漏失通道中的流动阻力,减少漏失[6-8]。

7 结语

钻井液漏失不仅增加钻探成本,还会导致排渣不彻底、回转阻力大、孔壁泥皮变差,从而降低钻速甚至导致孔内事故;在油气层钻进时,钻井液漏失还会堵塞油气层通道,影响油气排采。

快速凝胶堵漏应用范围较广,适用于不同特征的漏失通道。在含水层、较大裂隙地层使用可以有效地防止地下水对堵漏水泥浆液的稀释,提高堵漏浆液的流动阻力。另外,用此方法堵漏还可以提高松散破碎地层孔壁稳定性,降低掉块卡钻风险。

快速凝胶堵漏可以降低水泥凝固时间,普通方法灌注水泥需要候凝48～72 h,而使用快速凝胶堵漏一般只需要8～24 h。在凝胶堵漏浆液配制前要进行试验,掌握堵漏浆液初凝时间,以防灌注过程中发生事故。堵漏浆液灌注前要留样做地表凝固实验,通常地表样凝固4～8 h后即可以下钻扫水泥通孔。

钻井液被称为“钻探工程的血液”,与钻孔安全、工艺方法等都有着密切的关系,直接影响着钻孔的成孔质量和施工效率。因此,在钻探施工中发现钻孔漏失时,要准确分析漏失原因,采取有效的堵漏方法,保证钻孔质量,提高钻探效率和经济效益。