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定向钻施工中泥浆在流沙地层的运用
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摘要:本文以介绍了定向钻穿越流沙层如何控制流沙层施工风险。

  关键词:水平定向钻、流沙层、泥浆、风险

  在目前定向钻施工遇流沙层时,由于缺少有效的成孔手段,往往施工方会加大钻机吨位、增加膨润土或添加剂用量,以期能降低风险,即使这样,仍然没有把握。

  笔者参与过流沙层工程的泥浆使用服务,有些实践和体会,在风险控制、降低成本增加效率、泥浆和添加剂选择原则与使用方法、泥浆与设备在工程风险控制中的相互关系,愿与大家共同探讨。笔者最大的感受是设备和辅助配套满足条件后,对于工程风险,如何选择性能符合要求的泥浆品种和合适的泥浆配方,才是解决问题的钥匙。

  流沙的是指沙子处于半流体状态,水减小了沙粒间的摩擦力,沙子变得非常易流动。当沙之间的水分达到饱和时,沙子会翻滚起来,流动的地下水向上流动,产生的力克服了重力,使得沙粒更易漂浮;地面的振动增加了浅层地下水的压力,从而使沙子和淤泥沉积发生液化形成流沙。流沙现象主要发生在细砂、粉砂及轻亚砂黏土等土层中。那么在流沙层中,控制沙层的松散、提高成孔强度、增加成孔泥皮层的胶结性、防易渗透等,就是流沙层成孔的关键要素。

  由此可以看出,对流沙层泥浆配方作用的关键要点是扣住泥浆的护壁性和携带能力。护壁要保证在流沙层和孔道间形成有很好粘附力、强度、韧性的泥皮,以阻止流动泥浆对它们的相互影响,防止沙层吸取泥浆中的水分,造成塌孔和膨胀缩孔。携带能力是指泥浆对砂屑所表现的悬浮输送能力,如果泥浆没有良好的悬浮性能,停钻时流沙很容易沉淀堆积在孔底,当泥浆泵重新启动时,钻孔压力猛增,孔壁或周边地层存在被挤压裂开的可能,引起漏浆或渗漏;输送能力通常用浆屑比表示,即泥浆对钻屑的携带比例。笔者对市场现用的数十种膨润土,做了携沙性能的浆屑比对照,其中Mi-swaco膨润土在美国制造,它对细沙、粉砂浆屑比值为1:1,即用1立方米泥浆携带1立方米沙;其它膨润土泥浆的浆屑比值均为:36:1,即用3-6立方米的膨润土泥浆,有可能携带出1立方米流沙;尚不考虑这类泥浆形成的泥皮对孔道的保护效果。

  膨润土作为泥浆基材,它的性能是影响成孔效果和携带性能的重中之重,笔者对同一品种、不同批次的膨润土、不同来源的膨润土十几种样品测试得到一批结果:

  实验条件:膨润土:25g,清水:500mlpH7.5)低速搅拌10min,高速搅拌20min。实验仪器:马氏漏斗、API标准筛、范氏低温压滤机。

表1各膨润土泥浆测试参数

序号膨润土名称漏斗粘度 S与Mi高效土
比值
含砂量与Mi高效土
比值
滤失量
ml/30min
与Mi高效土
比值
1Mi- 高效膨润土15113‰151
2合资土712.135%16.7122.6
3华东土 A612.485%16.7142.8
4西南土522.98%26.6710621.2
5湖北土522.98%26.67469.2
6华北土503.025%16.7224.4
7新疆土B483.159%30295.8
8广东土463.288%26.67234.6
9华东土B443.436%20204
10安徽土433.5111%36.7336.6
11新疆土 A413.688%26.67255
12河南土374.089%30377.4
13东北土364.198%26.67255


  实验目的:检测各膨润土相关参数用膨润土配泥浆,形成概念上解决流沙层的泥浆配方不难;但要能切实保证在钻进时取得持续、稳定的携沙效果、不塌孔,没有性能好的膨润土和有针对性的添加剂那就会是困难的问题了。从表一可以看出,泥浆粘度越高对穿越工程而言,膨润土需求量就越少;含砂量高会致使泥浆密度升高,携带力弱,形成的泥皮无韧性和粘附力,易沉淀失水,降低机械钻速,诱发沉砂卡钻;泥浆滤失量指泥浆在孔径内受压差的作用后,部分水渗入地层,这种现象称泥浆的失水性能或滤失特性,滤失量越大说明泥浆护壁性能差、携带能力弱。易引起地层坍塌、泥浆沉淀、漏浆、冒浆等风险。

  笔者在市场看到泥浆产品资料中,对造浆率、漏斗粘度、旋转粘度计粘度等参数的表述都未说明基本测试条件膨润土和水用量,这极有可能出现资料表述的参数都符合使用要求,而实际使用时携沙能力弱,孔道易坍塌,因此让用户遇流沙工程时,因为对风险控制没有把握,尽量放弃这类工程,放弃不掉时,被迫用提高设备规格、过分加大膨润土和添加剂的用量等治表不治本的办法规避。有效的办法是选择性能符合的膨润土和添加剂;性能好的膨润土的基本特点:天然纳基土。最纯的蒙脱石(膨润土主要粘土成分)产生于初期的沉淀,美国怀俄明的膨润土蒙脱石含量不低于85%,基本取代钠、钙和镁离子。虽然在全世界范围内已发现不同纯度含量的蒙脱石土,但是在纯度上还是和俄怀明膨润土差异很大。很多价格低廉的膨润土蒙脱石含量很低,或者采用其他粘土矿物如:高岭石、伊利石、海泡石、绿泥石等作为膨润土原料,这些虽属于粘土矿物,但在阳离子交换能力、水化膨胀、分散、流变性及滤失特性效果和天然钠基蒙脱石性能没有可比性,针对流沙层施工所需要的性能显然不适合。

  比如:膨润土吸附阳离子的总量,对膨润土的造浆率起很重要的影响:以100g膨润土交换的阳离子当量表示基本交换容量(BEC),各种粘土矿物的交换能力如图1所示。

                       

1粘土矿物的基本置换容量(mg当量/100g干膨润土)

  还必须说及钠化膨润土,这是现在市场使用最广泛的膨润土,很多风险的产生也是由它而起。钠化膨润土是通过钙基膨润土(非蒙脱石粘土矿物)只是简单的添加了一些碱(烧碱-氢氧化钠(NaOH)、纯碱-碳酸钠(Na2CO3),能看到的效果是只提高了泥浆表面粘度;而对携砂力、凝胶粘度、护壁性这三个流沙层风险控制非常重要的性能毫无帮助,还易发生分离沉淀,也许会带来更大的风险和施工难度,对钻机和泥浆泵及配套设备的寿命影响也很大。

  我们看看国内主要使用的膨润土和来自怀俄明州Mi-swaco高效膨润土之间的区别和对比。

  取Mi-swaco高效膨润土14g,华北土37g,华东土A46g分别加清水(PH7.5500ml,低速搅拌3min高速搅拌10min,配制出粘度均为60s的泥浆,之后添加细沙200g,低速搅拌3min后的情况,下面相对应的是静止一小时后的变化情况。

2不同泥浆性能对比分析

  我们可以发现膨润土性能的差别明显A:未发生任何沉淀,砂屑均匀B:泥水分离,砂屑大部分沉淀。C,泥水严重分离,砂屑严重沉淀。实验证明:衡量一种泥浆的适用性不仅能仅仅看泥浆粘度,尤为不能忽略的是包裹携带能力和护壁性,这是确保成功的必要元素。易沉淀说明泥浆护壁能力低,滤失量大,携带能力差。泥浆中的水分易和地层发生水化作用,加速地层膨胀和坍塌,增加多余钻屑量。

  泥浆另一个重要性能就是流变性,这个词语被很多人提及,但是真正了解的并不多,所谓流变性是指外力影响较大时泥浆粘度会下降,流动性变大,以增加钻进效率、降低泥浆泵的负荷。在外作用减少时粘度会增加,不影响携带能力,不易造成停泵和停钻时钻屑沉淀孔径底部。笔者对表1的膨润土做了塑性粘度及相对、绝对粘度测试;

  实验目的:检测不同膨润土泥浆各转速值,计算塑性粘度、动切力、静切力、绝对粘度。实验器材:ZNN-D6六速旋转粘度计、高速搅拌器、量杯、天枰。

  实验步骤:各膨润土20g加清水500ml,高速搅拌30min

2不同转速值下泥浆的粘度

实验参数\膨润土名称

MI-高效膨润土

合资土A

华东土A

600r/min

53 Pa.s

34 Pa.s

22 Pa.s

300r/min

42 Pa.s

24 Pa.s

16 Pa.s

200r/min

36 Pa.s

20 Pa.s

14 Pa.s

100r/min

30 Pa.s

15 Pa.s

11 Pa.s

6r/min

18 Pa.s

7 Pa.s

6 Pa.s

3r/min

16 Pa.s

5 Pa.s

5 Pa.s

  所有钻进变量都是相互联系的,改变其中任何一个变量都会影响其它变量。膨润土不能仅仅只保证工程完成,还要保证抵御所有施工风险,缩短施工周期和设备损耗。

  再者添加剂的使用。笔者与很多客户做过现场沟通,得到的印象是对添加剂性能和效果了解不够,转而关注添加剂的价格,而没有感觉到适合的添加剂,对一个风险难以控制的工程而言,能起到救心丸的效果;在流沙层加了合适的添加剂,不仅可以提高施工的进度,还可以降低不同的施工风险,这里主要指降低泥浆滤失量、提高成孔稳定性和泥皮强度与韧性,保持管径畅通,无漏浆冒浆现象,返浆一致。还可以减少膨润土消耗及资源的浪费,缩小施工成本。目前市场添加剂功效的说法比较混乱,满足以上功能的主要有羧甲基纤维素(CMC),聚丙烯酰胺(PAM),正电胶等,这些都是在石油钻井中所经常使用的,在定向钻施工中虽有一定的作用,但不是最理想的,不具有专业的针对性,石油钻井面对的以岩石为主,而非开挖定向钻则以土、砂居多,定向钻施工中还要更多的考虑泥浆的润滑性和流变性。流沙层如果选择了不适合的添加剂,将会造成孔径坍塌和缩径等现象致使出入土点返浆不一致,甚至不返浆和地表冒浆等危害性。值得注意的是选用添加剂要充分了解所使用的膨润土参数及成分,不是所有添加剂都可以在任何膨润土泥浆中发挥作用。

  下面是一个流沙层合理使用泥浆的实际案例。工程位于南京市鼓楼区中山北路与大桥南路交叉口,距离长江仅两公里,工程分为五扩一洗两托。根据现场地层调查,发现层位主要以流沙(细沙、粉砂)为主,根据现场采样测试:地层含砂量78%,含水率16%,土质4%,其他杂质2%(小颗粒卵石)。

  泥浆方案:用PH>7.5的清水,1m3水加25-30kgMi-swaco高效膨润土,0.3kgMi-swaco的添加剂:白金派克(泥浆粘度为>60S)。穿越长度80m,回扩至Φ1100mm,钻屑量:约75m3,管径距离地仅约24m

3入土点返浆情况

4出土点返浆情况

  从图可以看到,返出的砂屑和泥浆形成的携带环,砂屑均匀的被泥浆所包裹,清理和携带能力充分;两边返浆一致,管径非常畅通,未发生任何塌孔及漏失情况,也就是常说的形成了活孔,工程总共用时不足16小时。

  无数成功和失败的定向钻施工经历反复的说明了以下条律:

  (1好泥浆并不仅仅是粘度;

  (2)流沙工程中采用大排量高泵压多加膨润土等手段比较盲目,不能有效降低风险;

  (3)不论是流沙层还是其它地层,一定要有活孔的概念,保持孔径畅通、稳定,钻屑和泥浆可以自由流动环形空间,还可以发挥钻机的最大性能,拉管会变的无风险和容易,完成更多的工作量,可以获得更大利润。

  (4)没有相同的地层,就没有相同的泥浆配方。任何泥浆配方都应根据地层、施工要求,结合设备、工具等一系列因素考虑到合适,不能简单的依葫芦画瓢。

  (5)科学使用膨润土及添加剂,不可以滥用和混用及不用,对工程来说是增加风险、增加成本。

  (6)使用质量好的膨润土和添加剂不是成本增长、而是成本的下降。对工程而言可以说是事半功倍。

  以上是笔者在实际工作中的拙见,愿与行业内的同仁们进行交流,帮助定向钻业在规避工程风险、提高效益出绵薄之力。

  参考文献:

[1]H.C.H.达利,G.R.格雷著,钻井液和完井液的组成与性能,石油工业出版社1994

[2]RandyRobert,水平定向钻施工研究--建立活孔,减少工程风险


文章分类: 技术支持
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