摘要：在钻探过程中经常遇到复杂的地层, 如裂隙发育、破碎、断裂、软硬不均、结构松软、膨胀、剥落等, 使岩心采取率低、破岩效率差、钻进成本高, 在钻进过程中又容易出现漏失、缩进、坍塌、掉块等问题, 使得施工难度加大。本文将详细分析各种常见复杂地形的形成原因, 并提出几点在复杂地层中进行钻探工作的技术建议。
关键词：复杂地层,钻进技术,综合治理
在复杂地层中进行钻进工作始终是小口径岩心钻探的技术难题。复杂地层从护壁角度来讲, 指的是对钻进工作具有阻碍作用的所有特殊岩性的地层。复杂地层包括胶结不良地层、遇水膨胀性地层、软硬互层、松散地层、溶蚀性地层以及由于地质运动导致的裂隙、破碎、断裂性地层。在这些复杂地层中进行钻进容易导致漏失、涌水、掉块、坍塌等情况, 若如处理失当, 还会导致钻进困难甚至施工事故[1]。为解决在复杂地层中进行钻进的技术难题, 应该在理论上了解各种复杂地层的形成原因, 针对复杂地层的具体特点提出相应的钻进措施。
1 各种复杂地层的形成原因
复杂地层一般是由地层本身的运动变化规律与外部力量的作用结果, 具体而言主要包括以下几种因素。
1.1 地层的矿物岩石构成的复杂地层
在某些地层中, 钻进工作会导致原有的矿物岩石结构演变为复杂地层。例如, 当某地层由黏土以及泥页岩等物质组成时, 打开钻孔后, 冲洗液会立刻渗入钻孔表面的地层中, 黏土与泥页岩等遇水后强度减弱, 颗粒的胶结性明显下降。加上后期钻具和冲洗液的循环作用, 地层容易破碎或掉块。当地层泥质中蒙脱石的含量很高时, 泥质会吸收冲洗液或其他水分而膨胀, 出现缩颈, 甚至发生钻探事故。当钻进盐膏层时, 盐膏岩会出现溶蚀现象, 导致钻孔迅速扩大。
1.2 风化作用导致的复杂地层
风化作用可以破坏坚固岩石所有或部分颗粒之间的连接, 令岩石慢慢疏松或产生裂隙、断裂等, 在漫长的风化或其他外力作用下就容易发生漏失、掉块或坍塌。
1.3 流水作用形成的复杂地层
流水对地层地形的作用主要包括流水冲击作用与流水沉积作用。沉积的泥质地层或流砂层都是流水的沉积作用导致的, 流水的作用使得岩石的胶结不牢固, 容易发生较为严重的缩颈或坍塌。
1.4 地质运动导致的复杂地层
地质构造运动会产生巨大的振动、扭力和压力, 这些力的作用会产生张性、压性、扭性、张扭性和压扭性各类断层。这些断层大多由糜棱岩、断层泥、压碎岩、片状岩、碎块岩以及断层角砾等成分结合组成, 这些断层的宽度与延伸度通常会达到几米至数百米。当在这些断层的破碎地带进行钻探, 往往会由于钻具碰撞以及冲洗液的冲刷, 会发生一定程度的漏失或坍塌。
1.5 溶蚀作用导致的复杂地层
地下水主要通过水化与溶解对岩石进行破坏。当花岗岩被地下水水化并溶解时, 原本坚硬的花岗岩中的碳酸钾在水中溶解并被带走, 无法溶于水的石英粒与高岭土的混合体, 在钻进岩石时就容易发生坍塌。碳酸 (气) 变成碳酸氢钙, 形成平时见到的溶洞, 容易发生漏水、涌水等问题[2]。
1.6 岩性自身导致的复杂地层
各种类型的粘土层和泥页岩地层都会在钻具和冲洗液的碰撞和冲蚀作用下, 容易出现裂隙、破碎或断裂, 当泥质含量较高时, 泥质会遇水膨胀, 导致孔壁十分不稳定。
2 钻探工程在复杂地层中钻进技术的对策探讨
在上文中提到的六种复杂地层中, 根据其形成原因, 结合相关理论研究与实践经验, 提出以下建议。
2.1 矿物岩石、风化与流水作用导致的地层的钻进技术对策
对于矿物岩石构成、风化作用与流水作用下形成的三种复杂地层, 地层本身就是弱胶结的地层, 岩石颗粒的粘结性较低, 在这种复杂地形中的钻进对策是:用钻具起下钻时, 必须控制好起下钻的位置与速度, 避免因为压力激增导致的孔壁断裂或掉块。在使用冲洗液时, 应该增强冲洗液的粘度, 就可以将孔壁破碎的岩石颗粒连接起来, 增强岩石的粘结力度。此外, 还需要控制好泥浆泵的排出量, 防止因为返速太高而导致孔壁破坏、坍塌。另外, 还需要减小泥浆失水量, 将失水量控制在每半小时十五毫升之内, 对蒙脱石成分较多的泥页岩地层应将失水量控制在每半小时八毫升到十毫升之内, 避免泥页岩地层吸水膨胀而发生缩颈、漏失、掉块或坍塌。在钻入如盐膏层等含盐量很高的地层, 需要使用含盐度很高的钻井泥浆, 避免地层盐岩经过溶蚀作用而进入泥浆中, 令钻孔直径扩大。
在破碎程度较大的地层中进行钻进时, 可以使用具有胶结或堵塞作用的物质注入到地层中, 将破碎、松散的岩石凝固胶结在一起, 来提高钻孔表面岩石的稳定程度, 在岩石具有一定强度后再重新钻进该地层。另外, 还可以使用套管直接将破碎的岩石段封住, 或者改用泡沫泥浆钻进。
2.2 地质运动导致的复杂地层的钻进技术对策
由地质运动导致的复杂地层带给钻进工作的难点就是断层泥的出现。断层泥的孔段钻探主要有三个问题:一是断裂地段的岩层经常处于高地应力状态, 在钻孔形成之后, 岩层内的应力平衡状态会遭到破坏, 在应力的作用下, 断层泥就会出现塑性流动, 从而出现缩颈而卡钻;二是断层泥中往往带有黏土矿物, 这种黏土矿物多为蒙脱石, 容易吸水膨胀, 也会出现缩颈卡钻;三是断层泥表面较大, 粘制性很强, 遇水后就会很快将钻杆粘住, 使得起拔钻杆十分困难。在此类地层中钻进时, 必须控制好钻井液的稠密度、润滑性以及失水量。其中, 失水量应该控制在半个小时八毫升到十毫升之间, 还可以在泥浆中加入浓度为6%到10%的植物油, 来增强泥浆的润滑度。
2.3 溶蚀作用导致的复杂地层的钻进技术对策
钻进溶蚀作用导致的喀斯特地层时面临的主要问题是泥浆的漏失量过大, 不能返浆。钻进时, 如果发现泥浆返浆量很少, 说明此钻井层段中可能出现了一定的裂隙, 泥浆会沿着这些裂隙进入底层深入。对于较小的缝隙或裂痕, 可以在泥浆汇总加入细微颗粒或者纤维物质, 例如石母片、超细碳酸钙、石棉粉等;对于较大的缝隙或断裂, 可以使用膨胀性堵剂或贝壳渣等胶结剂。对于溶蚀作用导致的裂隙或断裂, 可以向钻孔内投入碎石、粗砂或水泥球等, 这样有助于井下封隔的进行。在水泥球中加入大约3%的固化剂, 还可以有效缩短同结时间。
结语
复杂地层的形成原因主要包括矿物岩石构成、风化作用、流水作用、地质运动作用、溶蚀作用与岩性自身特点等内外部因素。针对六种不同的复杂地形可以采取不同的钻进技术, 通过钻进泥浆排出量、胶结度、失水度与润滑度的控制, 来减少岩层破碎的可能性, 降低钻进的难度, 保证钻探工作的效率与质量。
参考文献
[1]朱祥富.钻探工程中的复杂地层钻进技术探讨[J].科技与企业, 2012-03-18.
[2]张益飞, 王国平, 王建, 何成阳, 朱卫东.复杂地层工程勘察取心钻进技术应用实践[J].能源技术与管理, 201403-06.
