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在西南如四川地区主要产煤地层中,可钻性级别Ⅱ~Ⅹ级,除水敏性极强的粘土类岩石以外;还有裂隙、溶洞极发育的厚层状灰岩、燧石灰岩、硅化灰岩;摩擦性极强的致密的长石、石英砂岩;透水性很好的钙质粗砂岩;及富含天然气的煤层等地层。上述岩石分别层厚几米至数百米不等,在同一钻孔中交替出现。加上松散(胶结性差)的多层次的煤层。因而在使用各类地层的护孔和堵塞的工艺技术以外,还要提供切实可行的技术设计,本文着重从钻孔设计、护孔措施和综合防治等方面谈谈自己的看法。
九十年代后期,钻探新技术、新工艺的广泛应用,使煤田钻探技术水平有了较大的提高。尤其是以多品种的处理剂制成的低固相泥浆和多种堵漏工艺及材料应用。特别是使用以高造浆率的膨润土为基料,全面推广聚丙酰胺及其改性物作为添加剂,重视低固相泥浆性能的维护,研制推广除砂净化装置。因此,当前所应用的泥浆类型抑制水化的机能、平衡钻孔地层的范围,有效地堵塞某些漏失层位提供了一定的稳定期,可以使绝大部分钻孔缩小口径,采用金刚石绳索取心钻探技术。使钻孔能够安全钻进,简化钻孔结构。
一、主要技术问题和钻孔技术设计
对单一性质的煤田护孔技术,对多数复杂的钻孔是可以顺利通过的,据某矿区生产试验,采用“基浆+PHP+CMC”配方曾经穿过100米左右的水敏性很强的珍珠岩层,持续或停钻九十天,孔底仍保持清洁,这说明PHP的抑制水化或低水化速度是有相当显著效果的。对于-COONa电离为COO-及Na+而使链节伸开,-CONH2吸附于片状粘土表面,COO-吸附于片状粘土的端部。在有些情况下,采用HPAN以减少水的滤失量,效果也是好的,这足以说明,在岩心钻探完孔周期之内,可以相对保持孔壁的完整。在二迭系煤系中,使用PAM和腐值酸钾配制的泥浆,实践证明,更为稳定。根据实践,总结以下几个模式(按从孔口起至完孔时的顺序)
1、风化堆积土+(厚层)灰岩、灰质白云岩+厚层砂岩、泥砂岩、泥岩、页岩、夹薄煤层。其特性归结为:塌+漏+塌
2、长孔段灰岩+厚层煤系+灰岩、硅化灰岩。其特性为:漏+塌+漏
3、砂质页岩、泥质灰岩、页岩夹层位不稳定的煤层、厚层砂岩、灰岩;其特性为:塌+涌
4、泥质灰岩、白云质灰岩+泥岩、泥灰岩、粉砂岩+页岩、松软煤层夹黄铁矿结核+灰岩、玄武岩;
其特性为:漏(涌)+坍+坍、掉+漏(涌)
以上这些技术问题,我们在实践中按如下步骤解决:
1、分析坍塌、漏失、涌水的地质条件及成因,可能赋存的情况和实际经验的判断;
2、提出并试验各种单一复杂情况下的泥浆或护孔堵漏的方案及具体配方,进行试验;
3、提出各复杂孔的井段、井深以确定主要技术方法,并做好泥浆类型转换的准备;
4、最后提出全孔堵漏的设计,以经济效益做为全面衡量的标准。
根据上述原则,在所遇到的煤田钻探中按不同的孔深,地层(煤层)厚度,不稳定的性质类别,实际分别使用了:清水、不同失水、粘度、切力的低固相、无固相泥浆和加重泥浆,也使用了套管(某些情况下更经济有效)、水泥、惰性材料、絮凝等堵漏方法,收到了不同的效果。
二、护孔方法实例
1、沥鼻峡煤田:属二迭系隐伏煤田,平均钻孔深度为800米,最深孔达1100米,非煤层地系厚600~800米,地层岩石稳定,主要是长孔段的漏失,一般小至中漏,遇裂隙及溶岩连通时即发生大漏失;下部煤系为厚层的水敏性地层,泥岩、页岩遇水后膨胀、缩径、坍塌;煤层多又松软易剥离坍塌。在钻孔上部非煤系地层,遇有长孔段多点漏失时,水源条件允许的情况下,采用“清水漏失钻进”。钻进过程中岩粉被冲洗液携带至裂隙漏失通道,也起着充填、堵塞漏失作用。如果钻孔仅在煤系上部局部漏失,漏失层位准确,也可采用“遇漏就堵”。其主要原材料有:核桃壳、花生壳、棉籽壳、粘土粉及PAM。分孔分层堵漏成功率达95%以上。堵漏方法简单,基本上做到堵漏一次、成功一次。
把上述材料混合后做成泥球,由孔口或钻具送入孔内漏失井段,再用钻具捣实,同时从井口投入粗、细不等的惰性材料倒入孔内,边向井内投放,边用水冲,直到钻孔返水,再使用泥浆扫孔,清除惰性物。堵漏后,以泥浆钻进煤系地层。
泥浆配方为500kg水+2#粘土粉12.5kg+Na2CO30.7kg+CMC1kg+PHP(H%=30.分子量300-500万)该冲洗液浓度300-400PPM
其中CMC为低粘度做为降失水剂,PHP有粉剂及胶剂,水解度一般为30-40%,加入量换算浓度在泥浆中达300-400PPM在现场配制后,维护调整泥浆性能指标在:漏斗粘度20-25秒,比重1.02-1.09,失水量8-13毫升/30分,泥饼厚度0.5-1毫米,含砂量小于1%,PH8~9。
ZK17-1孔原设计600米,于孔深380米进入煤系地层换用上述泥浆后至孔深600米,煤系地层厚达220米,穿煤18层,最厚煤层达5米(假厚),地层倾角70°左右,煤系岩石有炭质、泥质页岩、细砂岩、粉砂岩和石英砂岩(可钻性8-9级),后因其它原因停止钻进,注入PHP低固相泥浆护孔。停钻97天之后透孔,当班恢复正常钻进,该孔于井深850.96米终孔,实际煤系地层厚达460米。注意现场维护,除补充新浆外,由于没有进行全部更换,经现场测定,除泥浆漏斗粘度增大到20秒外,其它性能指标未变。
2、珙长煤田:为二迭系煤田,属于漏+塌+漏的模式。煤系顶部和底部均为厚层灰岩、岩溶发育,溶洞长达数公尺至十多米,在钻进非煤系上部灰岩层时采用清水钻进。根据钻进判断属于小裂隙(封闭型)和岩溶时,采用惰性材料及地勘水泥进行堵漏是成功的。当遇有大型岩溶时,用清水钻进煤系地层后,即下套管隔绝上部灰岩漏失层。换用PHP低固相泥浆护孔,为了达到护孔、抑制水敏性地层的目的,在该矿区当钻进到松散与剥落的煤层(Y3)采用局部加浓的办法,将PHP的水解度提高到40%,浓度提高到800PPM以上。根据钻孔情况及漏失量大小,采用无固相冲洗液及低固相加浓泥浆(低比重、高粘度)缩小一级口径,限制泵量,钻进达到设计深度。
3、高原褐煤、泥炭煤系地层钻进:属于第三系地层,胶结性能差,整个煤系地层多为水敏性强、造浆性能好的地层,易吸水膨胀,缩径、坍塌,受污染严重。选择泥浆类型和配方的原则是:具有低粘度、低失水、泥皮薄、胶体率好、流动性好,减阻润滑性及剪切稀释作用好,能抑制水敏地层防止坍塌及污染能力。故选用“基浆+PAN+PHP”型低固相不分散泥浆体系。
其性能指标为:ηA5~7厘泊;ηP4~6厘泊;r-1.03~1.05;B〈10毫升/30分钟(7大气压);K〈0.5含米,含砂量〈1%,胶体率=100%,PH8~9。
由于粘土质泥页岩造浆性能强,随着钻孔的加深,粘性的固相物质加入泥浆粘度增高,岩粉不易下沉,使比重升高,失水量增大,护孔效果下降、泵压增大,因此,配有机械除砂即SCT-1型旋流除砂器,保证了泥浆性能符合要求,完成裸眼钻进孔深846米。
三、改善护孔技术的探讨
护孔堵漏,由于地质条件的千差万别,还不能够有一种任何条件下综合治理的模式。随着钻探新技术的发展和应用,需要进一步解决。
1、复杂地层分类,不仅要有定性的分类,必须要有相应的技术测试手段,才会使护孔堵漏技术工作规范化。
2、对于综合治理孔内坍塌、漏水、涌水等故障,有待于收集大量原始资料加以分析的基础上,进行最优化选择。不存在“万能”泥浆。
3、现有各类处理剂、粘土粉在岩心钻探的完孔周期内,实践证明绝大部分可以解决单层护壁的问题,因而应当选择有利于钻进和价廉的产品。
4、对于金刚石绳索取心钻探,由于人为地造成孔壁环应力的集中,如钻具结构原因,操作原因等等,会出现坍塌。所以如何改进钻头,增大环状间隙,扩大液流通道,及时补充孔内冲洗液,特别是净化泥浆装置的普遍使用,更具有现实意义。
九十年代后期,钻探新技术、新工艺的广泛应用,使煤田钻探技术水平有了较大的提高。尤其是以多品种的处理剂制成的低固相泥浆和多种堵漏工艺及材料应用。特别是使用以高造浆率的膨润土为基料,全面推广聚丙酰胺及其改性物作为添加剂,重视低固相泥浆性能的维护,研制推广除砂净化装置。因此,当前所应用的泥浆类型抑制水化的机能、平衡钻孔地层的范围,有效地堵塞某些漏失层位提供了一定的稳定期,可以使绝大部分钻孔缩小口径,采用金刚石绳索取心钻探技术。使钻孔能够安全钻进,简化钻孔结构。
一、主要技术问题和钻孔技术设计
对单一性质的煤田护孔技术,对多数复杂的钻孔是可以顺利通过的,据某矿区生产试验,采用“基浆+PHP+CMC”配方曾经穿过100米左右的水敏性很强的珍珠岩层,持续或停钻九十天,孔底仍保持清洁,这说明PHP的抑制水化或低水化速度是有相当显著效果的。对于-COONa电离为COO-及Na+而使链节伸开,-CONH2吸附于片状粘土表面,COO-吸附于片状粘土的端部。在有些情况下,采用HPAN以减少水的滤失量,效果也是好的,这足以说明,在岩心钻探完孔周期之内,可以相对保持孔壁的完整。在二迭系煤系中,使用PAM和腐值酸钾配制的泥浆,实践证明,更为稳定。根据实践,总结以下几个模式(按从孔口起至完孔时的顺序)
1、风化堆积土+(厚层)灰岩、灰质白云岩+厚层砂岩、泥砂岩、泥岩、页岩、夹薄煤层。其特性归结为:塌+漏+塌
2、长孔段灰岩+厚层煤系+灰岩、硅化灰岩。其特性为:漏+塌+漏
3、砂质页岩、泥质灰岩、页岩夹层位不稳定的煤层、厚层砂岩、灰岩;其特性为:塌+涌
4、泥质灰岩、白云质灰岩+泥岩、泥灰岩、粉砂岩+页岩、松软煤层夹黄铁矿结核+灰岩、玄武岩;
其特性为:漏(涌)+坍+坍、掉+漏(涌)
以上这些技术问题,我们在实践中按如下步骤解决:
1、分析坍塌、漏失、涌水的地质条件及成因,可能赋存的情况和实际经验的判断;
2、提出并试验各种单一复杂情况下的泥浆或护孔堵漏的方案及具体配方,进行试验;
3、提出各复杂孔的井段、井深以确定主要技术方法,并做好泥浆类型转换的准备;
4、最后提出全孔堵漏的设计,以经济效益做为全面衡量的标准。
根据上述原则,在所遇到的煤田钻探中按不同的孔深,地层(煤层)厚度,不稳定的性质类别,实际分别使用了:清水、不同失水、粘度、切力的低固相、无固相泥浆和加重泥浆,也使用了套管(某些情况下更经济有效)、水泥、惰性材料、絮凝等堵漏方法,收到了不同的效果。
二、护孔方法实例
1、沥鼻峡煤田:属二迭系隐伏煤田,平均钻孔深度为800米,最深孔达1100米,非煤层地系厚600~800米,地层岩石稳定,主要是长孔段的漏失,一般小至中漏,遇裂隙及溶岩连通时即发生大漏失;下部煤系为厚层的水敏性地层,泥岩、页岩遇水后膨胀、缩径、坍塌;煤层多又松软易剥离坍塌。在钻孔上部非煤系地层,遇有长孔段多点漏失时,水源条件允许的情况下,采用“清水漏失钻进”。钻进过程中岩粉被冲洗液携带至裂隙漏失通道,也起着充填、堵塞漏失作用。如果钻孔仅在煤系上部局部漏失,漏失层位准确,也可采用“遇漏就堵”。其主要原材料有:核桃壳、花生壳、棉籽壳、粘土粉及PAM。分孔分层堵漏成功率达95%以上。堵漏方法简单,基本上做到堵漏一次、成功一次。
把上述材料混合后做成泥球,由孔口或钻具送入孔内漏失井段,再用钻具捣实,同时从井口投入粗、细不等的惰性材料倒入孔内,边向井内投放,边用水冲,直到钻孔返水,再使用泥浆扫孔,清除惰性物。堵漏后,以泥浆钻进煤系地层。
泥浆配方为500kg水+2#粘土粉12.5kg+Na2CO30.7kg+CMC1kg+PHP(H%=30.分子量300-500万)该冲洗液浓度300-400PPM
其中CMC为低粘度做为降失水剂,PHP有粉剂及胶剂,水解度一般为30-40%,加入量换算浓度在泥浆中达300-400PPM在现场配制后,维护调整泥浆性能指标在:漏斗粘度20-25秒,比重1.02-1.09,失水量8-13毫升/30分,泥饼厚度0.5-1毫米,含砂量小于1%,PH8~9。
ZK17-1孔原设计600米,于孔深380米进入煤系地层换用上述泥浆后至孔深600米,煤系地层厚达220米,穿煤18层,最厚煤层达5米(假厚),地层倾角70°左右,煤系岩石有炭质、泥质页岩、细砂岩、粉砂岩和石英砂岩(可钻性8-9级),后因其它原因停止钻进,注入PHP低固相泥浆护孔。停钻97天之后透孔,当班恢复正常钻进,该孔于井深850.96米终孔,实际煤系地层厚达460米。注意现场维护,除补充新浆外,由于没有进行全部更换,经现场测定,除泥浆漏斗粘度增大到20秒外,其它性能指标未变。
2、珙长煤田:为二迭系煤田,属于漏+塌+漏的模式。煤系顶部和底部均为厚层灰岩、岩溶发育,溶洞长达数公尺至十多米,在钻进非煤系上部灰岩层时采用清水钻进。根据钻进判断属于小裂隙(封闭型)和岩溶时,采用惰性材料及地勘水泥进行堵漏是成功的。当遇有大型岩溶时,用清水钻进煤系地层后,即下套管隔绝上部灰岩漏失层。换用PHP低固相泥浆护孔,为了达到护孔、抑制水敏性地层的目的,在该矿区当钻进到松散与剥落的煤层(Y3)采用局部加浓的办法,将PHP的水解度提高到40%,浓度提高到800PPM以上。根据钻孔情况及漏失量大小,采用无固相冲洗液及低固相加浓泥浆(低比重、高粘度)缩小一级口径,限制泵量,钻进达到设计深度。
3、高原褐煤、泥炭煤系地层钻进:属于第三系地层,胶结性能差,整个煤系地层多为水敏性强、造浆性能好的地层,易吸水膨胀,缩径、坍塌,受污染严重。选择泥浆类型和配方的原则是:具有低粘度、低失水、泥皮薄、胶体率好、流动性好,减阻润滑性及剪切稀释作用好,能抑制水敏地层防止坍塌及污染能力。故选用“基浆+PAN+PHP”型低固相不分散泥浆体系。
其性能指标为:ηA5~7厘泊;ηP4~6厘泊;r-1.03~1.05;B〈10毫升/30分钟(7大气压);K〈0.5含米,含砂量〈1%,胶体率=100%,PH8~9。
由于粘土质泥页岩造浆性能强,随着钻孔的加深,粘性的固相物质加入泥浆粘度增高,岩粉不易下沉,使比重升高,失水量增大,护孔效果下降、泵压增大,因此,配有机械除砂即SCT-1型旋流除砂器,保证了泥浆性能符合要求,完成裸眼钻进孔深846米。
三、改善护孔技术的探讨
护孔堵漏,由于地质条件的千差万别,还不能够有一种任何条件下综合治理的模式。随着钻探新技术的发展和应用,需要进一步解决。
1、复杂地层分类,不仅要有定性的分类,必须要有相应的技术测试手段,才会使护孔堵漏技术工作规范化。
2、对于综合治理孔内坍塌、漏水、涌水等故障,有待于收集大量原始资料加以分析的基础上,进行最优化选择。不存在“万能”泥浆。
3、现有各类处理剂、粘土粉在岩心钻探的完孔周期内,实践证明绝大部分可以解决单层护壁的问题,因而应当选择有利于钻进和价廉的产品。
4、对于金刚石绳索取心钻探,由于人为地造成孔壁环应力的集中,如钻具结构原因,操作原因等等,会出现坍塌。所以如何改进钻头,增大环状间隙,扩大液流通道,及时补充孔内冲洗液,特别是净化泥浆装置的普遍使用,更具有现实意义。