水敏性地層地熱鑽井鑽井液應用分析

地熱井鑽井施工中常鑽遇水敏性地層，時有地層膨脹縮徑、井壁坍塌等現象出現，造成卡鑽埋鑽、甚至鑽孔報廢等事故，給地熱鑽井施工帶來極大困難。*鑽井液是鑽井工程的血液，是鑽進過程中孔內(nei) 安全的關(guan) 鍵因數。目前國內(nei) 子在地熱井鑽井液工藝上所做的研究還比較少，先進的鑽井液工藝技術沒有得到有效的推廣，下麵就現階段水敏性地層鑽井液的應用作簡單分析。

1 鑽井液對水敏性地層的影響

我們(men) 通常所說的水敏性地層是指遇水後易產(chan) 生吸水膨脹、分散、崩解、剝落等現象的岩層，其共同特征是含有粘土礦物或水溶性礦物，根據所含粘土及水溶性礦物的物理化學性質、含量和軟硬程度大致可分為(wei) 兩(liang) 類：（1）溶脹分散地層：含大量粘土礦物的鬆軟地層;（2）水化剝落地層：硬頁岩、粘土膠結或水溶性礦物膠結的地層

經過物理化學分析，我們(men) 知道鑽井過程中鑽井液對水敏性地層的影響主要表現在對岩層的水化和衝(chong) 刷這兩(liang) 個(ge) 方麵。

1.1 對岩層的水化

對岩層的水化主要是針對那些與(yu) 水作用而發生複雜情況的泥頁岩而言，根據泥頁岩的水化機理一般可分為(wei) 兩(liang) 種情況：

1.1.1 表麵水化

岩層受上覆壓力壓實的過程中吸附水被擠出，當其表麵在與(yu) 水接觸時，即發生吸水水化，並受能量釋放的影響而造成水化膨脹;

1.1.2 滲透水化

滲透水化是由滲透壓差（即離子濃度差）存在而產(chan) 生的，是指水分子通過半滲透膜進行移動，當岩層遇水且岩層所含介質離子濃度高於(yu) 泥漿介質離子濃度時，鑽井液中的水向岩層移動，即產(chan) 生岩層滲透水化。

1.2 對岩層的衝(chong) 刷

鑽井液對岩層的衝(chong) 刷是指鑽井液循環過程對孔壁岩層的力學擾動作用，其主要取決(jue) 於(yu) 鑽井液的流速和流態。

2 常見問題分析

在地熱井施工中鑽遇水敏性地層常見的問題有：孔壁掉塊坍塌、鑽井液侵汙、地層吸水膨脹縮徑等。

2.1 孔壁掉塊坍塌

鑽進中掉塊坍塌多發生在頁岩、含煤泥頁岩等地層，其產(chan) 生主要有兩(liang) 方麵的原因：一方麵，地層被鑽穿後，破壞了岩層的力學平衡，加之重力的作用，導致孔壁失穩;另一方麵，鑽井液侵入地層使其產(chan) 生水解、水化等作用，導致孔壁岩層鬆軟、鬆散、剝落。

處理孔壁掉塊坍塌事故需要提高鑽井液的護壁性能，使鑽井液具有較低的失水量、一定的粘度、較好的抑製性、薄而韌的泥皮，並根據相應的地層壓力選用適當的鑽井液密度，此外還要設計合理的鑽井液上返速度和流態，盡量降低鑽井液對孔壁的衝(chong) 刷破壞，嚴(yan) 格控製鑽井液固相含量。常用的處理劑有：羧甲基纖維素、水解聚丙烯晴、聚丙烯酸鉀、磺化瀝青、腐植酸鉀等。

2.2 鑽井液侵汙

鑽井液侵汙主要是指鑽進過程中地層高價(jia) 陽離子、可溶性無機鹽和粘土等侵入鑽井液，造成鑽井液性能的改變。

2.2.1 粘土侵

是指鑽進中粘土不斷進入鑽井液中，導致鑽井液中粘土含量超標，常發生在地層造漿的粘土層或泥頁岩孔段，它的主要表現為(wei) ，鑽井液變稠，甚至不能流動，鑽具被泥包，鑽進效率低等。常用的處理方法是加清水、稀釋劑稀釋鑽井液，同時添加處理劑維持鑽井液的性能，常用的處理劑有鐵鉻鹽、腐植酸鉀、水解聚丙烯晴銨鹽、火堿等，此外還要加強機械出砂，嚴(yan) 格控製鑽井液的固相含量。

2.2.2 高價(jia) 陽離子和可溶性無機鹽侵

主要發生在水溶性地層，如鹽岩層、鹽膏層、泥膏岩、膏泥岩等地層。其造成孔壁失穩主要體(ti) 現在兩(liang) 個(ge) 方麵：（1）地層中膠結的鹽膏吸水膨脹或溶解，使孔壁岩層結構遭到破壞，造成孔壁失穩;（2）地層中高價(jia) 陽離子溶解進入鑽井液中，破壞鑽井液性能，導致鑽井液變稠、失水量增大、pH降低等現象，使鑽井液護壁性變差，孔壁失穩。施工中常用的處理劑有：羧甲基纖維素鈉鹽、水解聚丙烯晴鈉鹽、鐵鉻鹽、腐植酸鉀、磺化瀝青、水解聚丙銨鹽、抗鹽共聚物等。鑽遇大段此類地層時，多采用鹽水抑製性鑽井液。

2.3 地層吸水膨脹縮徑

地層吸水膨脹縮徑主要發生在粘土層、軟泥岩等地層，是指鑽進過程中由於(yu) 鑽井液失水，地層中礦物質（一般為(wei) 粘土礦物）水化，使其分子間力增加、水化膜變厚，造成地層體(ti) 積膨脹、鑽孔孔徑縮小的現象。地層吸水膨脹的關(guan) 鍵是地層的水化，控製地層的水化主要體(ti) 現在兩(liang) 個(ge) 方麵：一方麵，降低鑽井液的失水量;另一方麵，提高鑽井液的抑製性、減弱滲透水化的作用。常用的處理劑有：羧甲基纖維素、腐植酸鉀、水解聚丙烯晴銨鹽、磺化瀝青、重金石粉等。

3 應用實例分析

3.1 山東(dong) 省某井隊在河北霸州某地熱井施工中使用磺化瀝青、CMC、水解聚丙烯晴銨鹽、腐植酸鉀、聚丙烯酸鉀配製鑽井液，成功穿越了寒武係厚層泥頁岩地層。

3.1.1 事故描述分析

三開鑽進至2450m時，上返岩屑增多，上提鑽具有阻力，根據上返岩屑判斷井壁出現了崩塌，現場分析井壁崩塌的原因為(wei) ：泥頁岩吸水膨脹剝落，從(cong) 而井壁發生崩塌。

3.1.2 鑽井液配方

磺化瀝青1%、CMC0.5%、KHM1%、聚丙烯酸鉀0.3%、火堿0.1%。調節後鑽井液性能如下：漏鬥粘度23s（蘇式），密度1.18g/ml，失水量7ml/30min，pH值9，泥皮厚度0.8mm。調整鑽井液性能參數後，順利穿過近兩(liang) 百米厚的泥頁岩地層。

3.1.3 總結

磺化瀝青在高溫降失水、抑製岩層分散、穩定井壁方麵有較好的作用;水解聚丙烯晴銨鹽、KHM均為(wei) 稀釋型防塌將失水劑，其提供的NH4+和K+具有良好的防塌作用，同時控製了鑽井液失水量和粘度;聚丙烯酸鉀中的聚丙烯酸根主要起包被和絮凝作用，K+具有較好的防塌作用;鑽井液防塌性能很好，在配合CMC的使用，失水量亦得到了很好的控製，同時鑽井液也具有一定的抗溫性能。很好的解決(jue) 了泥頁岩剝落坍塌的問題。

3.2 山東(dong) 某井隊在江蘇某地熱井施工中采用聚丙烯酰胺—腐植酸鉀鑽井液成功穿越了二疊係含煤泥頁岩地層。

3.2.1 事故描述分析

二開鑽進至945m時鑽探進尺突然加快，返出岩屑增多，隨著鑽進的進行，返出岩屑越來越多，且含有煤塊，含量超過30%，從(cong) 返出岩屑判斷井壁出現了崩塌，現場分析為(wei) 軟弱的煤泥層在卸壓和遇水的情況下發生坍塌。

3.2.2 鑽井液配方

KHM2%、高分子量（500×104）水解度30%的聚丙烯酰胺0.5%、水解度60%低分子量聚丙烯酰胺0.4%、水解聚丙烯晴0.3%、CMC0.5%、火堿0.2%。調節後鑽井液性能為(wei) ：密度1.21g/ml，粘度32s（蘇式），失水量3.5ml/30min，pH值8.5，泥皮厚度1.0mm。調整鑽井液性能參數後，順利穿過厚達100m的煤泥岩地層。

3.2.3 總結

腐植酸鉀在煤泥岩地層具有較好的防塌抑製性，同時聚丙烯酰胺具有良好的護壁作用，鑽井液防塌護壁效果較好。

4 總結

4.1 水敏性地層對鑽井液的總體(ti) 要求是：低失水、適當的粘度、適當的密度、適當的pH值、較強的抑製性和能形成較好的泥皮護壁，另外還要求鑽井液具有較好的流變性能，合理的流態。為(wei) 了保證鑽井液的性能、滿足鑽進的需要，應選用優(you) 質粘土造漿，同時選用合理處理劑調節鑽井液的性能;此外還要加強地麵出砂工作，控製鑽井液中固相含量，強化鑽井液質量管理。

4.2 水敏性地層鑽井液的調節大致可總結為(wei) “兩(liang) 個(ge) 控製一個(ge) 調節”，兩(liang) 個(ge) 控製是：（1）對水的控製，要盡量降低鑽井液的失水，減輕對地層的水化作用;（2）對鑽井液─地層係統壓力平衡的控製，要盡量使用平衡壓力鑽進。一個(ge) 調節是：調節鑽井液的流速及流態，以適合不同地層條件的要求。

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