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绳索取心钻进中涌水的处理技术论文

2020-02-07    作者:    来源:

  1 工程概况

  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%.主要目标任务是:通过取心钻进,获取“中、新生代”含盐建造完整的地层序列,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-海陆交互相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依据,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。为有效保护盐层,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98~110m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,停泵后压力瞬间恢复至零。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整、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)总结上次注浆的经验,实施二次注浆作业:水泥 浆1m3,加3%工 业 盐,替 浆0.45m3,憋 压2.5MPa,停泵后压力瞬间恢复至零。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。只有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,孔底岩粉太多,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:①以上多次封堵,虽然在水泥浆量、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,说明钻孔上部(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,稳定在此处静止、凝固;②涌水层为地下河类,水流活跃,水泥浆不能在裂隙内凝固;③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.钻进一天后涌水达到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,可以下管。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,整个过程泥浆泵无压力显示。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

  下管后钻进中又遇到了涌水:252m时,涌水达到1.6m3/h,钻进中边排水边造浆;285m时,涌水达到3m3/h,地层为完整泥岩,沉砂1m.

  分析:①套管外水泥环被震松,上下地层裂隙窜通;②下部地层又涌水。289m时,从井口直接顺套管注浆2.5吨,压力2~4MPa,替浆2.2m3,最高压力达到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,压力达到3MPa.管外涌水彻底封堵住。

  扫孔时从10多米就开始磕磕绊绊:套管内壁挂有水泥浆,230~310m段全是水泥柱,310m以下放空:①310m处有掉块等架桥;②下部无涌水裂隙,泥浆托住水泥浆;③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1~1.5m3/h,井口静压力0.7MPa.

  在336m处取出的岩心特别破碎,每回次只能钻进0.5~1.5m就堵心,采取率只有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。调配钻井液比重达到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310~330m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1.15~1.19,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,下钻过程必须分段循环,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,但钻孔涌水层以下一定深度泥浆稠,钻杆内也是上稀下稠,致使泵压达到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,清除孔底沉砂,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,起钻过程不断往套管内注浆,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,不被破坏。

  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破坏,绳索取心可以正常钻进。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。说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,即使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处理方法

  溶洞承压水:①首先要调整泥浆性能,用加重泥浆压住涌水,甚至形成过平衡状态把地层压漏,在泥浆中加入堵漏类材料,循环几个小时即可堵住;②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;③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。这种情况相对比较容易封堵。

  流动承压水:水泥浆封堵后,即使井口不返水,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,但钻进过程中,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,特别是下钻具注浆,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固井遇到流动的涌水,即使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,即使进入裂隙也被流水冲走,致使套管底脚也很难彻底密封。遇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590~624m和656~657.50m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,后采用多种方法多次封堵均无效,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有2~3mm,内外管间隙只有1.5~2mm,卡簧座与钻头的内台阶间隙只有3~5mm;要求使用无固相或低固相钻井液。钻井液加重后,固相含量增多,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、内管相对于钻具如同活塞形成抽吸,裂隙水很快涌出稀释钻井液,破坏泥浆性能,导致孔壁坍塌、孔底沉沙增多等情况。

  (2)涌水对井内钻井液的影响。并非只有涌水层以上的泥浆被稀释:理论上停泵后,涌水层以下的泥浆不会被稀释,实际上涌水层以下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,因为即使加重泥浆,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安排,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,实际施工中要结合具体情况,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,就能取得良好效果。

  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,1980(2):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探讨与实践[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2008(5):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.

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