绳索取心钻进中涌水的处理技术,地质工程论文.docx

绳索取心钻进中涌水的处理技术,地质工程论文我公司在中国地质科学院组织的 云南江城地区油钾兼探钻探工程 招标活动中一举中标。该项目设计四个钻孔，编号分别为ZK-1、ZK-2、ZK-3和ZK-4,井型为垂直井，全孔取心，要求岩矿心直径不小于60mm,最小井径96mm;采取率要求为含盐 段95%以上，非 含 盐 段80% 90%.主要目的任务是：通过取心钻进，获取 中、新生代 含盐建造完好的地层序列，建立一个可供找钾参照的 标杆地层柱 利用对全套岩心的综合配套测试分析，获取成盐成钾物质基础和来源等准确可靠的第一性地质、地球化学信息，提供海相-海陆交相互成盐盆地成钾的理论参数，提炼成盐聚钾的地质模型；通过获取盐下层可能的油气基础地质资料，为盐下层可能的油气勘探部署提供科学根据，做到 一孔多用，钾油兼探 通过钻探所揭露地层，进一步分析验证构造模拟及物探测试结果。 ZK-2井位于云南省普洱市江城县宝藏乡西南约10公 里，该 孔 设 计 孔 深1000m,我 们 配 备 了HXY-5型钻机，BW250型泥浆泵。为有效保卫盐层，选用饱和氯化镁钻井液体系；168表层套管下到了33m. 2 第一层涌水 使用 95+1金刚石取心钻头+89岩心管带扩孔器+89绳 索 钻 具 组 合，钻 井 液 比 重 为1.10,黏度为28s,钻进到98m时钻井液消耗严重，钻具静止时钻孔涌水，一小时后返出的全是清水，涌水量达1.70m3/h,井口压力为0.20MPa.分析：钻具旋转的同时带动钻井液旋转，离心力对井壁的侧压力较大，致钻井液压力大于地层压力，造成钻井液漏失。加大钻井液比重到1.50时，可平衡地层压力，但无法正常钻进：固相在内外管间堵塞，泵压太高；钻杆内壁结垢，内管上下通行困难。 钻进中由于地层水的侵扰，钻井液时多时少，我们就用钠土、纤维素、护壁剂等不断调浆，补充黏度和比重更大的新浆，致使钻井液性能不稳定，携粉能力差，孔底有沉沙，而且孔壁很不稳定，有掉块现象，每次打捞内管前都需要把钻具提起20m. 钻进到110m后涌水量不再增大，由 此 判 定98110m段有裂隙。 2.1水泥封固 1强行钻进到120m后，用P.042.5水泥封堵：从井口注水 泥浆0.5m3,加3%工业盐，替浆0.30m3,替浆压力3MPa,停泵后压力霎时恢复至零。候凝24小时后探水泥面在35m,扫到孔底后，涌水1.20m3/h,略有减小。取出的水泥石上部完好、致密，接近底部时有水槽样孔洞。分析：井口密封不严、替浆量小、钻杆和套管内余留的水泥浆多，挤进裂隙的有效水泥浆太少致下部水窜。 2总结上次注浆的经历体验，施行二次注浆作业：水泥 浆1m3,加3%工 业 盐，替 浆0.45m3,憋 压2.5MPa,停泵后压力霎时恢复至零。候凝24小时后探 水泥面在35m,扫 到孔底 后，涌 水 量 仍 然 是1.20m3/h.分析：泥浆泵能力小，排量小，注浆和替浆时混浆多。 3第三次注浆：先注隔离油塞子25kg水泥加50kg柴油，作为前置液，再注水泥浆1m3,比重由小到大，最后替水0.60m3,压力忽高忽低，管内余留20m水泥浆。候凝后，水泥面还在35m.扫到孔底后，涌水不减。 2.2顶涌钻进 注浆后涌水都稳定在1.20m3/h不再减小，可见下部水层的活动能力很强，很难彻底封堵，继续注浆已无意义。只要穿过含水层或不能继续顶涌钻进时，再下套管隔离涌水。 由于 含 水 层 太 浅，我 们 把 钻 井 液 比 重 调 至1.50,黏度160s,才能把涌水压制住，但这么高的参数根本无法绳索取心钻进。 只得把钻井液性能调整到正常参数，钻进中一边排浆一边补充新浆。钻进到220m时，涌水增大到3.60m3/h,井 口 静 压0.80MPa.钻 进 到234m时，孔底岩粉过多，加不上尺，用捞砂筒捞砂强行钻进到241m,而且上部还掉块，已无法继续钻进，决定下管。 分析：以上屡次封堵，固然在水泥浆量、替浆量、注浆工艺等方面都做了不同的尝试，但套管内水泥面每次都定格在35m左右，讲明钻孔上部包括地层密封不严，有漏/涌层，虽能憋压但保持不住，停泵后地层涌水把水泥浆往回顶，待水泥浆被顶到35m时，井内液柱压力与地层压力平衡，稳定在这里处静止、凝固；涌水层为地下河类，水流活泼踊跃，水泥浆不能在裂隙内凝固；地层多处 漏气 ,接近地表有涌水层，致使泥浆虽已加重但液柱压力很小，不能很好地将涌水压制。涌水层越接近地面越难实现平衡钻进。 2.3下管隔水 为了把涌水压住，便于调浆扩孔，再次从井口注水泥浆0.50m3,替浆1m3,候凝后探孔水泥柱面仍在35m. 由于绳索钻具壁薄而且刚性强，脆性大，难以承受大扭矩，只能逐级扩大孔径。 首先扩到133mm,钻具组合：133PDC全面钻头+89石油钻杆 38m+89绳索钻杆+59立轴，分别在距钻头9m和18m的89石油钻杆接头上焊肋骨条作扶正器。 用重晶石粉、优质钠土、纤维素、护壁剂等把钻井液调到黏度70s,比重1.50.循环畅通后比重降到1.41.钻进一天后涌水到达1.50m3/h,泥浆基本成清水。 扩到241m后，换152牙轮扩孔。到230m时，岩粉多加不上尺，换用114管捞砂到235m,捞不下去：底部有大块。换152牙轮继续扩孔到底后，用96钻头+89岩心管单管取心：钻进1.80m,只拿出几块泥包砾和硬块。经研究：泥包砾属泥岩，是隔水层，能够下管。再次捞岩粉清孔后用20m长的133管试下顺利。 第一根套管上焊6mm 250mm钢筋4根呈螺旋状以把套管扶正居中，然后每隔30m焊一组；套管平底不做马蹄；套管丝扣缠生料带密封；底部50m套管丝扣点焊，以防倒扣。 套管下深238m,距孔底3m遇阻，经活动无效。 随后，注水泥浆3t约3.2m3，替浆2.4m3,整个经过泥浆泵无压力显示。井口返水约0.20m3/h,憋压10h打开井口，微冒水，管外微量返水。 分析：水泥浆跑到了218m处的裂隙中和套管外上部的孔隙。 用PDC钻头扫水泥，扫到套管底脚时换95+2金刚石钻头绳索钻进。出套管后仍然涌水但涌水量很小0.4m3/h,不影响绳索取心正常钻进。 3 第二层涌水 下管后钻进中又碰到了涌水：252m时，涌水到达1.6m3/h,钻进中边排水边造浆；285m时，涌水到达3m3/h,地层为完好泥岩，沉砂1m. 分析：套管外水泥环被震松，上下地层裂隙窜通；下部地层又涌水。289m时，从井口直接顺套管注浆2.5吨，压力24MPa,替浆2.2m3,最高压力到达7MPa,后不断补水憋压一小时。然后，从井口往管外注水泥浆0.4m3,压力到达3MPa.管外涌水彻底封堵住。 扫孔时从10多米就开场磕磕绊绊：套管内壁挂有水泥浆，230310m段全是水泥柱，310m下面放空：310m处有掉块等架桥；下部无涌水裂隙，泥浆托住水泥浆；下部涌水压力大，托住水泥浆不能下行。 后绳索取心正常钻进时涌水0.5m3/h,打捞内管时11.5m3/h,井口静压力0.7MPa. 在336m处取出的岩心十分破碎，每回次只能钻进0.51.5m就堵心，采取率只要20%,岩性为米粒状白色砂粒。起钻后井口涌水3m3/h,1MPa.钻进到358m时孔底沉砂15m,无法钻进。调配钻井液比重到达1.17,压住涌水，用96刮刀清理孔底沉砂。 综合分析：涌水裂隙主要集中在310330m段，涌水造成坍塌、砂卡，已无法正常钻进，决定注浆封堵：管柱组合：50钻杆 100m+89绳索钻杆 238m=338m.先用 比 重 为1.19的 泥 浆 压 住 涌 水，下 钻 到338m注水泥浆1.2m3,替浆0.7m3.后往井内注泥浆0.12m3才满，密封井口后顶替0.2m3泥浆，泵压2MPa,停泵压力就归0.用113mmPDC全面钻头扫水泥柱。用96复合片钻进到482m.钻井液比重1.151.19,黏度25s,钻进中涌水1m3/h.钻杆接头磨损严重，第一个复合片钻进60m,外径磨损严重，新钻头扫孔50多米。每次换钻头都要扫孔几十米，而且，下钻经过必须分段循环，一次下多了泵压高不能建立循环。 从476m时取心为泥岩，进尺慢，1m/2h,泥浆比重1.18,黏度32s.BW250泵排量小，钻头常泥包。钻到582m时起钻，换钻头。新钻头在部分孔段下不去，到500m开泵困难。下钻时井口所返已全是清水，但钻孔涌水层下面一定深度泥浆稠，钻杆内也是上稀下稠，致使泵压到达5MPa仍然不能建立循环，只得起出几柱先开泵循环。钻进到710m,已进泥岩134m,分析涌水层已过，且泥岩隔水性好，于是测井、扩孔、下管。扩孔钻具组合：100 300mm导向+116金刚石扩孔钻头+89绳索钻杆 9m+115扶正器+89绳索钻杆 9m+115扶正器+89绳索钻杆。扩到710m,接22m108套管试下顺利，正式下管。 管串：木引鞋+套管小马蹄，防下部钻进起钻时钻具挂套管脚，套管规格为108 4.5mm,宝钢DZ40,节 箍：108 5.5mm,内径由97mm扩 大 到98mm,便于95+1金刚石钻头和扩孔器通行。 套管下到孔底后，管外返水，管内静止。后在孔口憋压5MPa,不能建立循环。下95+1绳索组合钻具，扫除木引鞋，去除孔底沉砂，管外返水，管内返水极少，在孔口能建立循环。下钻：50钻杆 45m+89绳索钻杆，到630m,密封井口，注水泥浆1m3,替浆3.1m3,水泥随涌水返出井口。随即起钻，起钻经过不断往套管内注浆，钻具起出后，管内仍少量返水，后密封管口。 分析：替浆后应憋压4h再打开井口，效果更好。 处理井口：把168井口管和108技术套管之间的返水引流出去不进泥浆池，钻井液在泥浆池、沉淀池、循环槽和108套管组合成的循环系统内循环，与涌水隔离，不被毁坏。 4 施工效果 憋压72小时后再次打开井口，管内涌水很少，扫除固井水泥柱后，涌水量没有增大。下部钻进中全孔替换成饱和氯化镁钻井液体系，涌水没有对钻井液造成毁坏，绳索取心能够正常钻进。平均日进尺20m,半月后钻进到1000m,顺利终孔。 测井时发现套管外的水泥很少，零零散散。讲明涌水返回井内时把水泥浆冲散。 5 几点体会 5.1钻孔涌水有两种情况 一是溶洞承压水，钻开的是 湖水 ,只顺着钻孔往上涌，在地下没有径向流动。 二是流动承压水，钻开的是地下河，不但顺钻孔上涌而且沿裂隙径向流动。这种情况往往很难彻底封堵，即便用大比重泥浆压住涌水，不开泵循环，地下河水的径向流动也能把大比重泥浆置换、稀释，井口很快又会上返清水。 5.2处理方式方法 溶洞承压水：首先要调整泥浆性能，用加重泥浆压住涌水，甚至构成过平衡状态把地层压漏，在泥浆中参加堵漏类材料，循环几个小时即可堵住；密封井口直接灌注水泥浆，按水泥5%的量加盐，尽可能多地往裂隙中灌注；先用加重泥浆压住涌水后，把钻具下到涌水层上，注入前置液，然后灌注水泥浆，也能把涌水封堵。这种情况相比照较容易封堵。 流动承压水：水泥浆封堵后，即便井口不返水，靠近底部的水泥柱也会被流水冲蚀成孔洞。钻开水泥柱后，涌水量减小，但钻进经过中，涌水通道很快又被打开，涌水恢复。析：地下河水把进入裂隙的水泥浆稀释、冲走，使其不能深切进入裂隙胶结、封堵，只能在裂隙口即孔壁把裂隙堵塞。这种情况，用套管隔离、导水、封堵最有效。 5.3实际操作 5.3.1注浆根据情况可选择使用高标号水泥、添加剂等，无论使用什么材料，都要在现场做配伍试验，十分是下钻具注浆，严防把钻具固结；注浆方式可选择从井口、下钻具密封井口、用加重泥浆压制涌水后从裂隙上部注浆等方式方法。水泥浆把涌水永久性封堵的可能性很小，但注浆后往往能减小涌水，可强行钻进一段。 5.3.2下管下管往往也不能把涌水堵住，而是隔离、引流，使其不与钻井液混合。 下管深度：云南地层很复杂，分层不明显，涌水层连续不断，往往下管钻进不久又涌，很难不断地下管隔离。这就需要采取顶涌、造浆、水泥封堵等措施强行尽可能多地钻进；管脚超过涌水层越深越好，至少100m以上，理论上涌水从管外上返的阻力要小于绕到管底再从管内上返的阻力，但实际上管内往往还会有少量返水。例如：ZK-2井最下部的涌水层在430m,孔径为116,108套管下到710m,管内还是有少量涌水。管径：套管和孔壁环状间隙越大越好，确保导水通道畅通、导水阻力最小。 5.3.3固井碰到流动的涌水，即便下管也不能保证把涌水封住。下管后一定要固井，水泥浆返到管外超过涌水层后即被稀释并带出地面，即便进入裂隙也被流水冲走，致使套管底脚也很难彻底密封。碰到这种情况千万不可从井口往管外压注水泥，以免把导水通道堵 塞，迫 使 涌 水 返 入 管 内。例 如：我 们 施 工ZK-1井时，涌水层在590624m和656657.50m两处，井径122mm,井深732m,114mm套管下深680m.由 于114mm套 管 加 装 了 橡 胶 伞 与168mm井口管密封、配合，套管底脚没有封固，致使涌水从管内返出，后采用多种方式方法屡次封堵均无效，最终无奈弃孔。下管后封孔时，下钻具密封井口或直接密封井口注浆。注浆后憋压至水泥初凝后再打开井口。以防涌水回流把水泥稀释冲散。 5.4其他 1加重钻井液不适宜于绳索取心钻进。绳索取心工艺钻孔与钻具的间隙只要23mm,内外管间隙只要1.52mm,卡簧座与钻头的内台阶间隙只要35mm;要求使用无固相或低固相钻井液。钻井液加重后，固相含量增加，钻具内壁结垢影响过水，泵压升高，甚至不能建立循环；钻具内壁结垢后内管不能顺利提拉、下放；上下钻具和打捞内管时，钻具相对于井筒、内管相对于钻具好像活塞构成抽吸，裂隙水很快涌出稀释钻井液，毁坏泥浆性能，导致孔壁坍塌、孔底沉沙增加等情况。 2涌水对井内钻井液的影响。并非只要涌水层以上的泥浆被稀释：理论上停泵后，涌水层下面的泥浆不会被稀释，实际上涌水层下面相当长的一段距离泥浆还会被稀释。 3平衡钻进。涌水距离地表越近越难处理，由于即便加重泥浆，由于液柱短，有效压力低，很难实现平衡钻进。 4加强对施工细节的认识和操控。在水泥的型号、添加剂的种类、灌注方式和候凝时间等方面都要合理布置，而且每次注浆都要在现场用实际材料做配伍试验。 总之，钻孔涌水情况很复杂，实际施工中要结合详细情况，采取相应的施工工艺，精心组织，认真执行，把钻探这个 粗活 做细，就能获得良好效果。 以下为参考文献： 1 吴棣华.关于深孔岩心钻探若干情况和看法J.地质与勘探，19802:6-11. 2 孙丙伦，陈师逊，陶士先.复杂地层深孔钻探泥浆护壁技术讨论与实践J.探矿工程岩土钻掘工程，20085：31-34. 3 王扶志，张志强，宋小军.地质工程钻探工艺与技术，长沙：中南大学出版社，2008.