微泡钻井液在岩芯钻探中的多重功效.pdf

第 4 5卷第 3期 2 o 0 9 年 5月 地 质 与 勘 探 G EO L OGY AND E XP L 0RA T 1 0N V0 1 45 No 3 Ma r y ， 2 0 0 9 微 泡钻 井液在岩芯钻探 中的多重功效 郑秀华 ， 王 军 ， 詹美萍 ， 申 庆民 ， 蔡福民 ( 1 中国地质大学， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 陕西省地矿局西安地勘院， 西安7 1 0 1 O O ； 3 甘肃省核地质 2 1 2大 队， 武威7 3 3 0 4 0 ) 摘要 岩芯钻探经常遇到构造复杂、 裂隙发育、 地层破碎等地层， 造成钻进 困难， 效率低下等 问 题 。微 泡的特殊结构使微泡钻 井液在漏失地层具有堵漏材料的特性 ； 同时， 由于其优 良的流 变特性 和润 滑性能， 携带岩粉能力强， 有利于提高岩芯采取率、 机械钻速和钻探质量， 降低 了钻探成本。本文介绍了 微 泡钻井液特性 ， 并结合现场实践讨论 了可循环微 泡钻探技术在岩 芯钻探 中的多重功 效。 关键词 微泡钻井液岩心钻探漏失 中图分类号 P 6 3 4 5 文献标识码 A 文章编号 0 4 9 5 5 3 3 1 ( 2 0 0 9 ) 0 30 3 2 l o 4 Z h e n g X iu h u a ， Wa n g J u n， Z h a n Me i - p in g ， S h e n Q in g - min ， C a i F u - mi n T h e mu l t i f u n ct i0 n s o f mi cr 0 _ b u b b l e d r i l I i n g n u id f 0 r c0 r e d r il l i n g J Ge 0 l o g y a n d E x p l 0 r a t i 0 n ， 2 0 O 9 ， 4 5 ( 3 ) ： 3 2 1 3 2 4 1 前言 钻井液特性和在岩芯钻探中的多重功效。 岩芯钻探通常技术要求高， 既要保证岩芯 、 岩样 的采取率 ， 又要满足孔 内各项试验要求。当钻遇裂 隙发育、 破碎地层时会发生钻井液漏失 ， 钻进泥页岩 地层时则出现膨胀缩径掉块等现象， 造成钻进 困难 ， 岩芯采取率低 ， 钻探质量差等问题 。一方面随钻漏 失造成材料浪费 ， 使钻探综合成本增加 ； 另一方面由 于泥浆切力低 ， 泥页岩地层 自然造浆 ， 普通泥浆流变 性变差 ， 携岩能力下 降， 造成孔底岩粉重复破碎 ， 钻 头 、 钻杆接手、 岩芯管磨损严重。 泡沫 由于密度低 ， 携岩能力强 ， 常用于漏失 地 层 ， 提高取心效率 ； 常规泡沫需要增加空压机和高压 管汇， 限制了其应用范围 一J 。微泡的特殊结构使 其坚韧富有弹性 ， 在压力作用下压缩变形 。钻遇裂 隙或孔隙地层时 ， 压力降低 ， 所储蓄的能量释放 ， 微 泡相对基液快速流动进入地层空隙， 在漏失地层架 桥 ， 起堵漏材料的作用 ， 同时微泡钻井液在剪切速率 较低时具有很高 的粘度 ， 能够有效阻止钻井液 向地 层渗漏 ； 微泡沫携带岩 屑能力强 ， 能够保 持孔底干 净 ， 高剪切稀释性好 ， 井底压力低 ， 有利于提高碎岩 效率、 岩芯采取率和综合钻探质量。本文介绍微泡 2 微泡钻井液技术特性 微泡特性是 由其特殊结构决定的。图 l 为微泡 的微观结构 ， 微泡 以球形 内相 ( 通 常为气体 ) 为核 心， 外 围被含有表面活性剂分子双层液相包围。静 止时微泡亲水 ， 在高速剪切下外层液膜脱落 ， 微泡显 示疏水特性 。微泡粒径在 2 5 2 O 0 m之 间。微泡 极易流动 ， 具有胶体性质 ， 易于输送 ， 这使微泡沫 的 应用领域大大拓宽 ， 可 以利用常规钻探设备实现泡 沫钻进 。 2 1 微泡钻井液的堵漏特性 微泡钻井液独特的性能有利于阻止滤液进入地 层。其机理可以阐述如下 ： 1 )微泡钻井液具有很高 的低剪粘度。钻井液 进入漏失层后 ， 速度降低 ， 粘度增大很 多， 有利于封 堵裂缝或裂隙地层 ； 2 ) 在压差作用下， 微泡与钻井液基液产生相对 运动 ， 坚韧而有弹性 的微泡在前缘聚集成气泡流 ， 形 成软的封隔层 ， 阻止滤液进入地层 ； 3 )微泡钻井液中的几种成分相互胶联 ， 形成微 胶， 有利于降低初失水； 收稿 日期 2 O 0 8l 2 0 1 ； 修订 日期 2 ( ) ( 】 9一 O 41 5 。 责任编辑 王梅 。 基金项目 国土资源部地质调查局地质调查项目“ 口 r 循环微泡钻探技术的研究” ， 项 目 编号： 1 2 1 2 O 1 0 6 6 O 8 O 2 。 第一作者简介 郑秀华( 1 9 6 5 一) ， 女， 2 O O 1 年毕业于中国地质大学( 北京) ， 获工学博士学位， 教授， 主要从事钻井液教学和研究工作。 3 21 地质与勘探 2 0 O 9年 A 图 1 微泡 的微 观形态 A： 目镜 ： 1 0倍 ； 物镜 ： 5倍 F j g 1 Micr o S t mct u r e o f Ap h f 】 n s A： 0cu l a r ：1 O t i me s ； O b je ct kn s ： 5 t i me s 4 )由于微泡的疏水特性 ， 使得微泡能够集聚在 一 起而不聚结。钻井时 ， 微泡钻井液侵入地层 ， 形成 一 个大的聚集体 ， 在孔 隙或裂隙喉部变形 ， 该结构仍 然具有亲油特性。绝大多数油 气储层具 有亲水特 性 ， 毛细管压力阻止亲油材料 向地层中进一步渗透 。 微泡的封堵能力取决于孔 裂隙喉部尺寸和微泡壳 体的疏水特性 。如果孔隙小 ， 微泡壳体疏水能力强 ， 封堵能力就强。 2 2 微泡钻井液提高机械钻速和钻头寿命 一 方面由于微泡钻井液密度小 ， 流变性好 ， 对孔 底产生的静压低 ， 使孔底岩石因受地层压力不平衡 影响， 有向孔 内释放 内应力 的趋势 ； 另一方面 ， 微泡 钻井液具有极强的剪切稀释特性 ， 在孔底通过钻头 时粘度降低 ， 同时微泡中的活性剂溶液 因其 良好 的 浸润性 ， 会浸入 岩石 裂隙 ( 微裂 纹 ) 中产 生胀裂 作 用 ， 从而为高效钻进创造了条件 ， 加之其清除孔底岩 粉能力强 ， 使钻头寿命得以大大提高 。 2 3 微泡钻井液有利于岩芯采取 ， 护壁能力强 ， 减 少孔内事故 ， 提高钻进效率 微泡钻井液质量轻 、 冲蚀力弱 ， 对松散岩芯的破 坏程度小 ， 故在破碎层钻进 时， 有利 于岩芯采取 ， 表 现为岩芯取率高 ， 且出现岩芯堵塞的概率低 。 微泡钻井液携带岩粉能力强 ， 环空流速低 ， 使其 对孔壁的冲刷小 ； 且微泡钻井液失水量小 ， 从而维持 了孔壁的稳定性。 此外 ， 由于其 良好 的润滑 、 减阻性 能和护 壁作 用， 使钻进中的断钻杆、 孔壁坍塌、 掉块等孔内事故 减少 ， 加之可节约堵漏等时间， 而使纯钻时问利用率 大为提高。从而在复杂地层钻进 中产生了较冲洗液 钻进成倍高的效率 J 。 3 微泡钻井液在岩芯钻探 中的应用 微泡钻井液首先应用于油气 田勘探与开发 ， 在 衰竭储层 、 高渗地层和微裂缝地层中钻进 ， 自从美国 2 0 世纪9 0 年代首次在德克萨斯的 F u s s e l m a n油田 使用微泡钻井液成功钻穿漏失地层 以来 ， 微泡钻井 液在世界各地已经钻进超过 3 0 0口井 ， 并获得成功 。 由于可 以使用常规泥浆设备配制 ， 与常规泡沫和空 气钻井相比， 微泡钻井液为最经济 的可实现欠平衡 钻井 的技术方法 。 针对岩芯钻探技术特点， 在 国土资源部地质调 查局地质调查项 目的支持下 ， 2 0 0 4年起 中国地质大 学( 北京 ) 开展了可循 环微泡钻井液在岩芯钻探 中 的研究工作 ， 包括微泡钻井液性能及其评价方法， 并 研制了微泡钻井液配方， 先后在油气勘探 、 固体矿 产 、 工程勘查 中进行了广泛试验 。包括陕北侏罗系 煤 田榆横矿 区朱家 峁井 田勘探 ( 2 o 0 7年钻进 7个 孔 ， 2 O 0 0 m) ， 青海省 江仓六 井 田煤 田勘探 D一 5 3 3 ( 7 3 0 m) ， 鄂尔多斯盆地银东地 区(8 0 0 m) 和 巴音戈壁银根地区地浸砂岩铀矿勘探 ( 8 1 1 m) ， 山西 省平陆县西窑矿区铝土矿地质详查勘探 ( 6 O 0 m) ， 兰 渝线新建铁 路线隧 道勘察 ( 3 3 0 m) ， 进 尺 已经超 过 5 0 ( ) 0 m( 不完全统计 ) ， 得到了很好 的钻探效果 ， 孔 内 干净 ， 护壁效果好 ， 可用于漏失 、 破碎等复杂地层 ， 钻 孔质量好， 岩芯采取率和机械钻速得到提高， 综合钻 探成本降低。本文以内蒙古雅布赖盆地西南缘 一巴 丹吉林盆地东南缘地区铀矿勘探为例， 讨论微泡沫 钻井液在岩心钻探 中的多重功效。 3 1 试验钻孔基本情况 内蒙古雅布赖盆地西南缘一巴丹吉林盆地东 南缘 1 ： 2 5万铀资源评价 是 中国地质调查局大调查 3 2 2 第 3期 郑秀华等 ： 微泡钻井液在岩芯钻探中的多重功效 项 目， 由核工业地质局 2 0 3研究所负责组织实施 ， 甘 肃省核地质 2 1 2大队负责钻探施工 。主要任务是完 成钻探工作量 8 0 0 0 m及相应 的地质工作 ， 重点对工 作区的铀成矿地质环境进行总体评价 ， 适当对有利 地段加以解剖 ， 落实有利的成矿远景地段。 位于巴丹吉林盆地的 z K 1 0 3和 z K 6 2是带 钻区调孔， 依据沉积建造和层位埋深状况可将下 白 垩统庙沟组下部 K ( 相 当于坳陷北缘的巴音戈壁 组 K ) ， 作为区内的东、 中段主要找矿 目的层。地 层以泥岩与砂岩互层为主 ， 由于砂岩地层裂缝发育 ， 连通性较好 ， 发生不同程度的渗漏。该钻孑 L 典型的 漏失层段采用了微泡沫钻井液钻进 ， 从而避免了恶 性井漏 的发生， 微泡沫钻井液表现出了良好的防漏 堵漏效果 ， 提高了钻进效率 ， 节约了钻探成本。 钻探孔地层主要为可钻性 35级 的砂岩和泥 岩 ， 采用 9 1 m mP D c 复合片系列钻头实行无泵反循 环取 芯 钻 进。钻具 组 合 为： P D c 复 合 片 钻 头 + 8 9 m m岩芯管 +异径接头球 阀 + 6 0 mm钻杆 +主 动钻杆。钻进技术参数为： 压力 P ： 8 1 0 k N ( 后期投 球转入无泵反循环钻进取芯时压力再增加 2 0 3 0 ) ； 转速 N： 2 O 03 0 0 r min ； 冲洗液量 Q： 4 0 l 5 0 L m in ( 后期投球转入无泵反循环钻进取芯时泵 量为零) 。 3 2 微泡沫钻井液现场试验 、 配方 、 性能及维护 z K l 03 ( 设计 孔深 4 5 1 m。微泡 钻井液 钻进 4 l 1 m， 即 4 04 5 1 m) 和 z K 62 ( 设计 孔深 3 9 5 m。 微泡钻 井 液钻 进 3 6 0 m， 即 3 53 9 5 m) 。分 别 在 2 o 0 6年 8月 2 9和 8月 3 0号开钻 ， 开钻泥浆为 1 m 清水 +金川膨润土 4 O 0 5 0 ( 】 k g +碳酸钠 3 k g+高粘 度絮状纤维 素 cMc ， 用该泥浆穿过覆 盖层。其 中 z K l 0 3钻进到十几米， 地表发生涌水 ， 加黄土粉和 水泥压孔 ， 用水泥和黄土粉 5 0袋左右。钻进井深 4 O m时发现孔 口泥浆返出量变少 ， 泥浆漏失 ， 停钻起 钻时发生涌水 ， 当时泥浆密度约 1 1 3 cm ， 漏斗粘 度约 6 0 s 。依据 以往盆地 区调带钻 的工作 经验， 经 判断是粉砂岩导致渗漏 ， 渗漏后 ， 孑 L 底压力增大 ， 停 钻提钻过程 中， 发生涌水。现场使用 的泥浆失水量 大， 且很难在井壁形成性能良好 的滤饼 ， 致使钻探过 程中泥浆 自由水沿微裂隙进入 泥岩 中， 使其发生水 化膨胀 ， 不能形成致密 的泥皮 。决定使用可循环微 泡沫泥浆体系钻完剩余井段。z K 6 2穿过覆盖层 就替换为可循环微泡沫泥浆体 系， 直到顺利完钻 。 从使用到完钻 ， 共用 时 1 0天 ， 期 间每次起下钻都通 畅无阻， 没有遇阻遇卡现象 ， 说明该体系悬 砂 、 携砂 32 3 效果好 。钻进过程中共补充泥浆 2 0 m。 ， 泥浆漏失量 少 ， 完井电测一次成功 ， 效率明显大大高于相邻钻孔 井 。 1 )配方。根据现场的实际情况 ， 调整微泡沫泥 浆的配方如下 ： 4 5 膨 润土 +0 1 氢氧化钠 +0 3 0 5 泡沫剂。 2 )性能 。其微泡沫泥浆的常规性能如下 ： 密度： 0 81 1 g e m ； 漏斗粘度 3 05 0 s ； 表观 粘度 3 2 4 5 cP ； 动切力 1 2l 5 P a ； 失水量( 3 0 min ) 1 0mL。 维护。钻进过程中， 为达到稳定泡沫的目的 ， 要 尽量保持泡沫剂 的有效含量 ， 每钻进 5 0l 【 ) ( 】 m， 加 入泡沫剂 68 ， 充分利用好大功率搅拌机 ， 保持 泥浆性能 的稳定。刚配制的微泡沫钻井液气泡粗 大 ， 随着钻井液的不断循环 ， 钻头喷嘴的高剪切作用 使气泡逐渐变小 ， 形成均匀稳定的微泡沫钻井液。 3 3 可循环微泡沫泥浆应用效果分析 1 )携砂能力强 ， 钻孔干净。在试验期间， 泥浆 性能稳定 ， 可循环微泡沫泥浆动切力较高 ， 具有较强 的携砂能力 ， 泥浆泵上水正常 ， 泵压正常 ， 井眼清洁， 起下钻通畅无阻 ， 确保钻进工作一直顺利。 2 )防漏堵漏效果好。由于可循环泡沫泥浆密 度低 ， 降低了井眼中的液柱压力， 又 由于微泡沫泥浆 独特的结构 ， 避免 了在低压易漏地层钻进时容易发 生的井漏现象 ， 显示 了良好的防漏堵漏效果。 3 )岩芯采取率高 。在试验孔 z K 1 03的砂岩 地层中， 岩芯采取率高达 9 0 以上 ， 岩芯几乎没什 么损耗。而常规泥浆在相同的地层中岩芯采取率一 般很低。图 2为使用微泡钻井液前后岩芯对比， 左 图为使用普通钻井泥浆 ， 岩芯破碎 ； 右图为微泡钻井 液取出的完整岩芯。 4 )提高机械钻速， 节约成本。试验孔 z K l 0 3 平均机械钻速 1 5 7 m h ， 邻近对照孑 L z K 1 3 2平均 机械钻速 1 1 3 l h ， 平均机械钻速明显提高 ， 试验 孔平均机械钻速提高 3 8 多。据统计计算试验孔 泥浆平 均成 本 6 3 9 m， 对照 孑 L 泥浆 平均 成本 1 1 3 2 m。由此可见微泡沫泥浆在 提高钻速 ， 节 约成本方面的优势。 4 结论 研究试验表 明可循环微泡钻井液具有架桥、 堵 漏的特性 ， 适合在一些破碎 、 裂隙发育的漏失层中应 用 ； 同时有利于岩芯采取率和机械钻速的提高 ， 降低 地质 与勘探 2 0 O 9年 图2 使用微泡钻井液前后岩芯对比( 前 一破碎， 后 F ig 2 C o r e s b e f 0 r e a n d a f l e r u s i n g A p h r o n s( b e f 0 r e - b r 0 k e n ， 钻探费用 ， 提高钻井效益 ； 微泡钻井液投入循环后很 容易维护 ， 而且具有极佳 的井眼清洁效果和悬浮能 力 ， 对复杂地层中的岩芯钻探具有重要意义， 如果将 该项新技术推广使用 ， 提高钻探质量和效率 的同时 可以带来可观的经济效益。 参考文献 1 郑秀华， 胡茂焱 我国空气钻进技术发展概况 J 地质与勘 探 ， 1 9 9 4， ( 4 )， 6 56 7 Zh e n g Xiu h u a，Hu Ma 0 一 y a n S u r v y。 f AiT Dr i“ g T e ch n o 1o g ) T in ch i n a J Ge 0 l o g y a n d P m p e ct i “ g ，1 9 9 4， ( 4 ) ， 6 5 6 7 【 2 许支 l5 万水文 水井钻 探 工艺 及设 备发 展情 况 【 地 质与 勘 探 ， 2 0 0 O ， ( 4 )， 8 68 8 Xu Liu - wa n De v e l 0 p me n t o f d r il l i” g t e ch n o l 。 g y a n d q u ip me n t in h y d r 0 w a t e r w e U J G e o l 。 g y a n d P m p e ct i ” g ，2 O O 0， ( 4) ， 8 6 8 8 3 菅志军， 张祖培， 戴树林等泡沫潜孔锤在水文水井钻探中的 应 用前景 J 地质与勘探 ， 2 O O 1 ， ( 4 ) ， 7 7 7 8 J i a n Z h i I j u n， Z h a n g Z u p e i D a i S h u l i n e t c T h e f 0 a m d t h h a mme r a n d it s p r I 】 s p e ct p p l y i “ g t o wa t e 卜 we 1 1 d r il I i “ g J 一 完 整 ) a f t e r in t e g r it y ) G e 0 1 0 g y a n d P m p e ct i n g ， 2 0 0 l ， ( 4 ) ， 7 7 7 8 I m Br 0 0 ke y Micr 0 一 Bu b b l e 。 ： Ne w Aph r o n Dr iU I n F l u id T e ch n i q u e R e d u ce s F o r ma t i0 n D a ma g e i n H0 r i z o n t a 1 we u s A S P E 3 9 5 8 91 9 9 8 S e b b a F e l I x F o a m s a n d B i l i q u i d f 0 a m s a p h mn s M J 0 h n wi l e y S 0 n s I t dNe w Y0 r k1 9 8 7 赵长福空气泡沫钻进技术在地质岩心钻探中的应用前景 J 探矿 工程 ( 岩土钻掘工程 ) ， 2 0 0 5， ( 8 ) ， 4 5 4 9 Zh a o Ch a “ g f u Ap p l i c a t io n P r 0 p e c t o f r F 0 a m D r il 1 in g Te ch n i q u e s in G e 0 l 。 g i ca l co r e D r i u i n g J E x p l 0 r a t i 0 n E n g i n e e r i n g ( R o ckS o i l D r | l J i n g a n d T u n n e l i n g ) ，2 0 O 5， ( 8 ) ， 4 5 4 9 F e d e r 记k B， 迁M a n d G A A p p l 沁 w e r B a a n d 0 i lB a s e d Ap h mn s i n D r i u i n g F l u id s A s P E 8 0 2 0 8 ， 2 O O 3： 要二仓 ， 郑 秀华 ， 杨爱军 ， 等可循环微泡沫泥浆在地浸砂岩铀 矿 中的应用 J 地质与勘探 ， 2 0 0 8， ( 5 )， 8 78 9 Y a 0 E r - ca n g ， z h e n g xi u h u a Y a n g A i j u n ，e t cAp p l i ca t i 0 n o f r e c y c l a b l e f b a m mu d in l e a c h in g in s it u s a n d s t o n e s t y l e u r a n iu m d e p 0 s j t s J G e o l o g y a n d P ms p e ct i ” g ， 2 0 O 8 ， ( 5 ) ， 8 7 8 9 The M ul t i- f u nct i O ns O f M icr O- bub bl e Dr il I i ng Fl uid f 0 r C0 r e Dr iI l i ng z H E N G x iu h u a ， wA N G J u n ， z HA N M e i p i n g ，S H E N Q i n g m in ， C A I F u mi n ( 1 Q 厂 0 c 饥ce s ， 1 0 0 0 8 3 ； 2 。 cr上 z 脚 如 r r 上 砌n 也M 把。 厂 r上 帆 P 厂 0 ce ， S r 上 n 7 1 0 l 0 0； 3 0 f 0 g c。 P