永冻地层绳索取心钻井无固相冲洗液的研制.pdf

2 0 1 2年 2月 第 3 1卷第 1期 大庆石油地质与开发 P e t r o l e u m Ge o l o g y a n d Oi l fi e l d D e v e l o p me n t i n Da q i n g Fe b ．，2 01 2 V0 1． 31 No ．1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I S S N． 1 0 0 0 - 3 7 5 4 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 2 6 永冻地层 绳索取 心钻 井无 固相冲洗液 的研 制 吴景华 ， 谢俊 革 1 ．成都 理工 大学环境 与土木工程学 院，四川 成都6 1 0 0 5 9；2 ．长春工程学 院勘查与测绘学院 ，吉林 长春1 3 0 0 2 1 摘要针对永冻地层特点和绳索取心钻井对冲洗液性能的要求，通过正交实验方法，优选冲洗液抗低温能力、 黏度、失水量、流变性能、护壁性、p H值等性能参数 ，通过岩样浸泡室内实验和野外试验证明，聚乙烯醇类和 植物胶类2种无固相冲洗液在抗低温能力、黏度 、失水量 、流变性能、护壁性等性能和参数方面，完全能满足 永冻复杂地层绳索取心钻井对冲洗液的要求。应用结果表明冲洗液黏度适中、低温情况下流变性能好，能达 到排出岩粉要求，失水量小对永冻复杂地层钻孔护壁作用强，冲洗液整体性能稳定，成本较低，适合推广。 关键词永冻地层；绳索取心；无固相冲洗液 ；正交实验 ；配方优选 中图分类号T E 2 5 4 ． 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 3 7 5 4 2 0 1 2 O 1 - 0 1 2 5 - 0 4 DEVELoPMENT oF THE No． S oLI D． PHAS E RI NS I NG F LUI DS oF RoPE CoRI NG DRI LLI NG I N ET ERNAL FRoS T F oRM AT I oN WU J i n g h u a ，XI E J u n g e 1 ． S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a n d C i v i l E n g i n e e r i n g， C h e n g d u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，C h e n g d u 6 1 0 0 5 9 ， C h i n a ；2 ． S c h o o l o f P r o s p e c t i n g a n d S u r v e y i n g E n g i n e e r i n g ，C h a n g c h u n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t F o c u s e d o n t h e c h a r a c t e ri s t i c o f e t e r n a l f r o s t f o r ma t i o n a n d t h e r e q u i r e me n t s o f t o p e c o r i n g d r i l l i n g t o t h e p r o p e r t i e s o f rin s i n g fl u i d s ，b y me a n s o f o r t h o g o n a l e x p e ri me n t me t h o d ， t h e p r o p e rt y p a r a me t e r s s u c h a s l o w- t e m． p e r a t u r e ／ c r y o g e n i c r e s i s t a n c e ，v i s c o s i t y ，fl u i d l o s s ，r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s，wa l l p r o t e c t i n g p r o p e r ty， pH v a l u e a nd S O 0 ／1 a r e o p t i mi z e d ．Ac c o r d i n g t o i n d o o r s o a k e x p e rime n t s a n d fi e l d t e s t ， t w o k i n d s o f n o ． s o l i d - p h a s e r i n s i n g fl u i d s a r e p r o v e n t o me e t t he d e ma n ds o f r o p e c o ring d ril l i n g i n c o mp l e x e t e r n a 1 ． fro s t s t r a t a c o n s i d e ring t he p r e v i o u s p r o p ． e r t i e s a n d p a r a me t e r s ．T h e a p p l i e d r e s u l t s i n d i c a t e t h a t i f t h e v i s c o s i t i e s o f r i n s i n g fl u i d s a r e i n me d i u m 。t h e i r pe r ． t 0 rm a n c e s a r e p r e t t y b e t t e r i n 1 o w t e mp e r a t u r e a n d c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s o f r o c k fl o w e r d i s c h a r g et h e l 0 we r wa t e r l o s s c a n ma k e s t r o ng e f f e c t s i n wa l l p r o t e c t i o n f o r t h e c o mp l e x e t e r na 1 ． fro s t f o r ma t i o n ．T h e o v e r a l l D e d’0 r ma nc e o f t h e ri n s i n g fl u i d s a r e s t a b l e ，a n d mo r e o v e r t h e i r c o s t s a r e l o w e r ，S O t h e y a r e s u i t a b l e t o b e p o p u l a r i z e d a n d g e n e r ． a l i z e d． Ke y wo r d s e t e r n a l fro s t f o rm a t i o n ；r o p e c o ri n g d r i l l i n g；n o s 。 l i d - p h a s e r i n s i n g fl u i d；。 rt h o g 。 n a L ／ c r o s s e X p e r i _ me n t ；p r e f e r r e d f o rm u l a 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 1 - 0 8 改 回 日期 2 0 1 1 ． 1 2 ． 1 8 作者简介 吴景华，男 ，1 9 6 4年生 ，博士，教授 ，主要从事岩土工程与地质工程方面的教学和科研工作 。 E - m a i l w j h 1 9 6 4 9 1 8 1 6 3 ． c o rn l 2 6 大庆石油地质 与开发 2 0 1 2年 在钻井过程 中，利用某些 流体 液 体、气 体 和气液混合 体 ，称为 冲洗 液 冲洗孔底 的工艺 即 为钻孔 冲洗 冲孔 。冲孔是钻井工艺 的重要 组成 部分 ，也是影响钻井过程的重要因素。以机械力破 碎岩土钻井时，只有及时有效地冲洗孔底碎屑和冷 却钻头 ，钻进才能连续进行 。随着永冻 地层 及 低温环境 工程和资源、能源勘探开发项 目增加 ， 永冻地层钻探工作 量越来越 大 如永 冻地层 固体 矿产 、天 然气 、石油 、碳水化合 物等矿 产资 源勘 探 ，随之要求适应永冻地层 低温环境 钻探工 作的冲洗液性能也越来越高 。我 国与 国际先进水平 相 比仍存在着一定的差距 一是虽然钻井液处理剂 在品种上发展较快 ，但质量方 面问题较多 ，抗温 、 抗盐处理剂及缓蚀剂等也尚需完善。二是基础理论 研究薄弱 ，仪器设备差距较大 ，无毒原材料处理剂 和钻井液的研究还有一定差距 。三是低温无 固相冲 洗液研究较少 ，在永冻地层或低温环境下使用的冲 洗液类型较少，并且不能满足低温复杂地层的钻井 需求 卜 4 ] 。 本文研究 的冲洗液 ，意义体现在 以下几个 方 面 一是我国永冻地层面积较大 ，加之低温环境下 钻探工作量的加大，迫使我们研制低温冲洗液以适 应低温条件。二是低温深孔钻进除了解决低温问题 之外 ，另一个难题就是复杂地层护壁和堵漏 ，虽然 施工 中也采用冲洗液 ，但多为泥浆 ，其护壁堵漏效 果有 限。因此研制一种新型无固相 冲洗液 ，以适应 永冻复杂地层钻井护壁堵漏非常必要 。 1永冻 地 层 绳 索取 心钻 进 对 无 固相 冲 洗液性能 的要求 1 ． 1绳索取心钻进的特点 绳索取心钻进 的主要特点是 ，提钻时 ，用钢丝 绳把 内管 总成从钻杆 柱 内打捞 上来。因此 ，钻杆 内、外径都 比较大 ，钻杆与孑 L 壁 、内管与钻杆内壁 之间的环状 间隙非常小 ，最小为 0 ． 5 m m，最大也 不过 3 1 “I 1 1 ／ 1 。导致 冲洗 液循环时泵压高 ，造成循环 漏失压跨孔 壁。钻具 高速旋转 时 ，钻杆 内壁易结 垢 ，造成打捞内管困难 ，带内管上、下钻具会产生 抽汲作用 ，易抽跨或挤塌不稳定地层而扩径 ，形成 “ 大肚子”现象 ，刚性连接 的绳钻杆在扩径孔段经 常发生折断事故。为此 ，必须采取一定的措施 ，提 高冲洗液的护壁防塌性能 ，满足绳索取心钻进 的要 求 ，保证绳索取心钻进 的正常进行。 1 ． 2绳索取心钻进对冲洗液性能要求 1 ． 2 ． 1冲洗 液整 体性 能要 求 1 尽可能使用 无 固相 冲洗液 ，以防钻杆 内 壁结泥皮 。 2 具有 良好 的润滑性 、流变性 ，降低 冲洗 液的流动阻力 ，减小泵压损失 ，同时更好地排除岩 粉 ，提高钻速 。 3 冲洗液具有较小 的失水量 ，能在孔 壁上 形成渗透胶结 ，有效地实现护壁堵漏 。 1 ． 2 ． 2温度要 求 要想 冲洗液在 一1 0 o C时不凝 固 ，必须满 足相 应的流变性能 ，应寻找低温介质 ，再将其加入到普 通的冲洗液 基础液 中，降低冲洗液的凝 固点 。 卤盐 、甲酸盐 、有机醇有 良好 的降低溶液凝固点的 作用 ，因此 ，对 卤盐 、甲酸盐、有机醇基础液进行 低温特性研究 ，以选 出效果最好的基础液方案 ，并 确定基础液浓度范围。 1 ． 2 ． 3流变性 要 求 冲洗液把岩屑从孔内携至地表 ，主要是靠液体 的黏稠性 ；对于破碎不稳定的孔壁 ，较黏稠的冲洗 液还可以起到良好 的粘结护壁作用 。如果冲洗液的 黏稠性过大 ，将使成孔液循环流动阻力增加 ，增大 对孔壁 的液压力激 动破坏。因此 ，黏度要适中。 1 ． 2 ． 4 失水量 要 求 冲洗 液的失水对永冻地层钻井工作影 响较大 。 初失水可以湿润岩土，使其强度降低 ，有利于钻头 对其破碎 ，提高钻进速度 。如果孔内冲洗液滤失过 程控制不当，必然导致失水量过大 ，对于永冻地层 容易侵蚀融化孔壁，造成钻孔坍塌 、缩径 、扩径 ， 进而造成 卡钻 、钻杆折断等孔内事故 。 1 ． 2 ． 5 p H值要 求 p H值过大会增大钻具回转的摩擦 阻力 ，p H值 一 般控制为 89 。将冲洗液 的 p H值作 为参考指 标 ，在最优配方选择 中主要考虑黏度和失水量。 2永冻地层 绳索取心钻进冲洗液 的实 验研 究 依据绳钻特 点、当今 国内外低 温钻井液现状 、 存在的问题及冲洗液性 能参数 ，选 取聚乙烯醇类 、 植物胶类 2种无 固相 冲洗液进行实验研究 。 2 ． 1聚乙烯醇类无固相冲洗液 用聚乙烯醇 、硼砂 、非水解聚丙烯酰胺 、乙二 醇等 4种材料 ，选取 3种加量进行正交实验 ，选用 第 3 1卷第 1期 吴景华等 永冻地层绳索取心钻井无固相冲洗液的研制 。1 2 7 正交实验表 L 9 3 进行 冲洗液优选。初选 时主 数 引。正交实验及其结果见表 1 。 要参考漏斗黏度、失水量 和岩样浸泡时间等参 由表 1 及其他实验结果可知，随着聚乙烯醇、 表 1 聚乙烯醇 类无固相冲洗液的正交实验及其结果 Ta b l e 1 Or t h o g o n a l e x p e r i me n t a n d i t s r e s u l ts o f p o l y v i n y l a l c o h o l n o s o l i d - p h a s e r i n s i n g fl u i d 22 ． 9 3 2 8 ． 3 4 3 1 ． 21 2 9 ． 3 7 2 9 ． 6 4 2 6 ． 49 3 O ． 2 8 3 0 ． 7 4 2 8 ． 5 O 5 ． 4 0 5 ． 2 0 4． 4 0 4 ． 7 0 5 ． 6 0 6 ． 8 0 4 ． 6 0 4 ． 8 0 3 ． 6 O 硼砂、非水解聚丙烯酰胺 、乙二醇含量增加 ，冲洗 液的黏度增加 ，失水量减小 岩样浸泡 时间均符 合要求 ，因此优选聚 乙烯醇类无固相 冲洗液配方 为 体积分数 为 0 ． 9 ％ 的聚 乙烯醇 、质 量分数 为 0 ． 5 ％的硼砂 、体积分数为 0 ． 0 5 ％ 的非水解 聚丙烯 酰胺和 乙二醇。 2 ． 2植物胶类无固相冲洗液 用 S I-I 胶、水玻璃、乙二醇等3种材料，选取 3种加量进行正交实验 ，选用正交实验表 L 9 3 进行冲洗液的优选 ，初选时主要参考漏斗黏度、失 水量等参数和岩样浸泡时间是否符合要求 加 。正 交实验及其结果见表 2 。 表 2 植物胶 类无固相冲洗液的正交实验及其结果 T a b l e 2 Or t h o g o n a I e x p e r i m e n t a n d i ts r e s u l t s o f v e g e t a b l e g u m n o - s o l i d- p h a s e r i n s i n g flu i d 2 9 ． 4 0 3 0 ． 1 9 3 1 ． 2l 3 0． 2 4 3 4 ． 9 5 2 8 ． 8 8 3 6 ． 2 7 3 4 ． 0 7 3 3 ． O 9 不散 ，大于 7 d 由表 2及其他实验结果可知 ，随着 S H胶含量、 水玻璃含量 、乙二醇含量增加 ，冲洗液漏斗黏度增 加 ，失水量降低 岩样浸泡时间均符合要求 ，因 此优选植物胶类无 固相 冲洗液配方为 体积分数为 1 ％的 S H胶 、体积分数为 1 ％的水玻璃和乙二醇。 3研制的永冻地层绳索取心钻进冲洗 液性能评价 3 ． 1抗低温性能 改变无固相冲洗液中各组分含量 ，将 冲洗液放 d 7 于 大 散 不 O O O 5 O O 5 5 O 良 1 2 3 3 1 2 2 3 l 1 2 3 2 3 1 3 1 2 1 2 3 1 2 3 l 2 3 1 1 l 2 2 2 3 3 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 m n m m n 6 O 3 2 6 6 2 1 7 墙 H 幅 “ 1 2 3 2 3 1 3 1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 l l 2 2 2 3 3 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 8 大庆石油地质与开发 2 0 1 2正 入低温箱中，调节温度为 一 1 O ，放置 8 h 后测量 漏斗黏度 、旋转黏度 、失水量 和 p H值等参数 ，然 后进行岩样浸泡实验 ，测量结果表明 2类无 固相 冲 洗液在抗低温性能上达到永冻地层要求 一5℃左 右 ，且在低温条件下流动性好 。 3 ． 2漏斗黏度 物胶类无 固相冲洗液漏斗黏度 为 3 0 S ，2类无 固相 冲洗液漏斗黏度能够满足永冻地层悬 浮和排 出岩粉 的要求。 3 ． 3失水 量 2类无 固相 冲洗液 的失水量 测量 结果 见表 3 。 由表 3可知，2类无 固相 冲洗液失水量能够满足永 聚乙烯醇类无 固相冲洗液漏斗黏度为 2 3 s ，植 冻复杂地层钻进的要求 。 表 3 失水量测量 结果 Ta b I e 3 Re s u l t s o f t h e wa t e r ． 1 o s s me a s u r e m e n t 3 ． 4护壁性 在钻井过程 当中需要 冲洗液有足够 的稳 定性 ， 以有效保障冲洗液在长时问段 内携带与悬浮岩屑的 能力好 、取心护壁效果好 。通过永冻地层岩样浸泡 实验 ，认为 2类无固相冲洗液在永冻地层胶结护壁 性能好 。 4应用效 果 青海省祁连县红土沟金矿 区，由武警黄金部 队 钻探施工 ，钻探 工艺为绳 索取心 。地层 上部 为砂 土、砂砾土 ，松散破碎 ，不易成孔取心 ；下部为超 基性岩 ，永冻层平均厚度为 2 0 m。应用聚乙烯醇类 无固相冲洗液实现在永冻地层钻井 ，且在排粉 、胶 结护壁 、取心等方面取得较好的效果。 黑龙江省黑河市正阳钼矿 区，由黑龙江省有色 金属地质勘查局 7 0 6队钻探施工 ，钻探工艺为绳索 取心 。地层上部为腐殖土、砂砾土 ，松散破碎 ，不 易成 孔 取 心；下 部 为基 岩 ，平 均 永 冻 层 厚 度 为 2～ 3 I n ，环境温度为 一1 0℃。应用植 物胶类无 固 相冲洗液实现在永冻地层和低温环境下的钻井 ，冲 洗液在地表流动正常 ，排粉流动性好 、孔壁稳定 、 胶结岩心采取率高 ，且满足绳索取心钻井要求。 5结 论 1 聚乙烯醇类和植物胶类无 固相冲洗液能够 满足钻探工程需要 ，尤其在永 冻地层 、破碎地层 、 砂卵石地层 、第 四系覆盖层等复杂地层 中钻探效果 优于其他传统钻井液。 2 聚乙烯醇类和植物胶类无固相冲洗液具有 抗低温 一1 0℃的能力 ，适用 于中 国境 内大部 分永冻地层和低温环境下钻进成孔。 3 对永冻复杂地层具有较好 的护壁性能 ，并 且配制方便 ，成本低廉。 参考文献 [ 1 ]靖向党 ．钻孔工程 [ M]．北京冶金工业 出版社，2 0 0 3 3 8 8 ． 3 9 0 ． [ 2 ]卢采 田，李建平 ．永冻 层绳索取 心钻探 冲洗 液技术[ J ]．探 矿工程 ，2 0 0 9， 增 刊 4 3 4 43 5 ． [ 3 ]首照兵 ，章述 ，向昆明 ．绳索取心钻进冲洗液的性能控 制技术 [ J ]．探 矿工程 ，2 0 0 8 ， 4 2 9 -3 0，3 8 ． [ 4 ] 张继红 ，王亚 楠 ，赵 提财 ，等 ．低温 调堵 剂凝胶 的流变 特性 [ J ]．大庆石油学院学报 ，2 0 0 8 ，3 2 3 3 4 - 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