晋城柿庄地区煤层气地面钻井泥浆护壁工艺技术研究.pdf

2 0 1 2 年8 月 矿 业安 全 与环 保 第3 9 卷第4 期 晋城柿庄地区煤层气地面钻井泥浆护壁工艺技术研究 张海涛， 郭英海， 王燕 中国矿业大学 资源与地球 科学学院 ， 江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对晋城沁水盆地柿庄地 区煤 系地层的钻井孔壁失稳现象， 通过查 阅相关的地质资料并进行 实地考察， 在分析地层岩性特征的基础上， 找 出对钻探施工的不利地层 因素。选择合适 的泥浆处理剂种 类及水平， 设计室内泥浆实验 ， 对泥浆性能指标进行正交分析 ， 找 出最优泥浆配比； 对选 出的最优泥浆配 比进行浸泡实验 ， 验证 了泥浆对该区地层钻井具有 良好 的防塌护壁性能。 关键词 瓦斯； 抽采钻井； 煤系地层； 防塌护壁 ； 泥浆实验； 正交分析 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 - 4 4 9 5 2 0 1 2 0 4 - 0 0 1 4 - 0 4 在煤层中富存着大量瓦斯 即煤层气。煤层气 主 要吸附于微孔之中， 而煤层 中的裂缝是煤层气产出的 主要通道， 虽然煤层孔隙度只有 1 ％ ～2 ％ ， 但其对煤 层的渗透率有重要影响。在具有高度裂缝的煤层 中 钻进时， 如果用清水或常规钻进液 ， 则钻进液将无可 避免地侵入煤层的裂缝系统中， 此时井眼附近地层的 压力接近井底的压力 ， 导致钻进液对煤层的支撑力下 降， 致使煤岩脱落造成井壁坍塌。因此， 从井壁稳定 性方面来看 ， 煤层气钻进要选用合适的钻进液以防止 井壁坍塌。晋城地区煤炭资源主要集 中分布于二叠 系的山西组和石炭系的太原组 ， 在煤层 的顶 、 底板普 遍存在泥质含量高 的岩层。钻进该地层时， 孔壁坍 塌 、 掉块 、 缩径严重 ， 冲洗液漏失大、 下钻遇阻、 钻头包 泥的情形频繁发生 ， 甚至因此而导致孔内事故、 钻孔 工程报废等。为此 ， 寻求适合该类煤系地层钻进 的泥 浆来解决孔壁失稳问题已经迫在眉睫 。 通过对山西晋城沁水盆地柿庄地区煤系地层的 研究 ， 在室内进行泥浆的配比实验 ， 寻求有效 的防塌 防漏泥浆 ， 解决该区较为突出的孔壁失稳 问题 ， 并将 有效的方法和成果应用到省 内其他 钻探 区， 从而控 制该类地层对钻探工程 的影响。 1 研 究区的地 质条件分析 沁水盆地为一北北东 向复向斜构造 ， 构造相对 简单 ， 断层不发育 ， 南北翘起端为箕状斜坡 ， 东西两 翼基本对称； 沁水盆地含煤地层主要 为上石炭统太 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 1 0 ； 2 0 1 2 0 6 2 0修订 作者 简介 张海 涛 1 9 8 8 一 ， 男， 安 徽 淮北人 ， 硕 士研 究 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 煤 层 气 与 矿 井 瓦 斯。Em a i l z h a n g ha i t a 0 2 221 1 63． c o rn。 1 4 原组和下二叠统 山西组 ， 是在奥 陶系古风化壳之上 发育的一套近海海 陆交互相含煤沉积； 而本溪组和 下石盒子组均只含薄煤层或煤线 。 该地区第四系地层 为坡积红色或黄色黏土层 ， 夹有姜结石薄层 ， 底部砾石层与下伏 地层呈 不整合 接触 ， 该系地层钻井应注意防塌、 防漏。 二叠系上石盒子组 由砂岩 、 粉砂岩及泥岩组成 ， 底部 的 K 。 粗砂岩全区稳定 ， 为下石盒子组分界标志 层， 与下伏地层呈整合接触； 下石盒子组为灰绿色、 灰色泥岩 ， 夹浅灰色砂岩 ， 顶部为杂色铝质泥岩 ， 俗 称“ 桃花泥岩” ， 其 中含 大量菱铁矿结核。该段地层 钻井应注意防斜 、 防垮、 防漏。 二叠系山西组 由砂 岩、 粉 砂及泥 岩组成 ， 含煤 4层 ， 3 煤较厚 ， 为 目的煤层 ， 厚度约 6 m； 石 炭系太 原组以砂岩 、 粉砂岩、 泥岩及炭质泥岩为主， 含多层 煤 。该段地层钻井应注意防垮 、 防漏。 2 实验设计 和实验测试 内容 2 ． 1 实验方法及原理 目前 ， 方差分析和正交 实验方法在 国内外 已被 广泛应用 ， 对多因素 的实验 ， 正确运用正交实验法 ， 将实验数据进行方差分析 ， 以寻求最优方案。而正 交表是正交实验的基本工具 ， 在正交实验设计 中， 安 排实验 ， 对实验结果进行计算分析 ， 均在正交表上进 行。借助正交表可以选出具有代表性的实验， 以较 少 的实验次数所取得 的数据进行统计分析 ， 而能得 到较好的检验结果。该实验 中有 4个 因素 ， 每个 因 素有 3个水平 ， 因此要构造一个 4因素 3水平的正 交表 ， 简单记为 L 3 正交表。记录正交表 中实验 的结果并进行统计分析。本次正交实验的统计分析 2 0 1 2年8月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 9 卷第4期 采用直观分析 通过对实验结果直接观察 ， 寻求各 因 素水平 的最好搭配 J 。 2 ． 2泥浆 配方 优选 2 ． 2 ． 1 造浆膨润土 钻井施工 中， 应选取水化性能好 ， 造浆率高 的黏 土即膨润土。由此配成 的泥浆具有较小 的密度 ， 较 好 的流变特性 ， 携 带岩屑 清洗井 眼能力强 ， 失水量 小 ， 确保提高钻井速度 ， 保持井眼稳定 。 2 ． 2 ． 2 水 工程施工 中用 的大多是江河 中的水或 自来水 ， 水中含有较多的 c a 及其他杂质 ， 在实验过程 中会 给实验结果带来一定 的影响和误差 。 2 ． 2 ． 3处理剂 根据研究区地层情况 ， 为更好地钻进 ， 防止泥浆 漏失 、 钻孔坍塌 ， 该泥浆 的处理剂选择 了植物胶 、 润 滑剂 、 降失水剂和防塌剂 4种 J 。 2 ． 3 实验步骤及测试 内容 2 ． 3 ． 1 造浆率实验 造浆率是指配得视黏度 表观黏度 为 1 5 M P a s 的泥浆对每吨黏土造浆 的立方米数 ， 是造浆膨润土 优劣的主要评价指标 J 。 用六速旋转黏度计测量 ， 计算出各 自的表观黏 度 。在坐标系中画出表观黏度随黏土添加量变化 曲 线图 ， 在 曲线上找出黏度 为 1 5 MP a S时所对应 的 黏土添加量为 8 2 g 。再根据公式 造浆率 1 ／ w 1 0 0 0 求得黏土的造浆率为 1 2 ． 2 m ／ t 。 2 ． 3 ． 2 钙膨润土的纯碱处理 天然产出的钙膨 润土 ， 黏土层 间吸附的主要是 c a ， 会导致 黏 土 的造 浆性 能下 降。加入 纯碱后 ， N a 逐渐把吸附在黏土颗粒表面的可交换性 C a 交 换下来。但若 N a 浓度高 ， 黏土颗粒会 由分 散逐渐 转化为凝聚 ， 因此 ， 必须有适当的加碱量 。 称取 3 0 g黏土 5份 ， 分别加入 5个泥浆杯 中， 编 号 l 一5 ， 称取无水 N a 2 C O 3 0 ． 6， 1 ． 2 ， 1 ． 8 ， 2 ． 4， 3 ． 0 g 按黏土加量的 2 ％ ， 4 ％ ， 6 ％， 8 ％ ， 1 0 ％称取 ， 分别 加入泥浆杯中 ， 然后在每个泥浆杯 中加入 1 0 0 0 m L 水 ， 充分搅拌 ， 静置 2 4 h ， 高速搅拌5 m i n ， 待其稳定 后用六速旋转黏度计测定所配 泥浆 的黏度 ， 用失水 仪测泥浆失水量 。实验结果见表 1 。 根据表 1可得 ， 加碱量为黏土加量的 6 ％ 时， 泥 浆表观黏度最大 ， 动塑比最大 ， 失水量最小。 2 ． 3 ． 3 泥浆最优配比实验 1 基浆 的配制 取 9只容积为 1 L的泥浆杯 ， 用天平称取膨润 表 1 黏土最优加碱量的确定实验数据 土各 3 0 g ， 分别加入 9只量杯 中， 再称取黏土加量的 6 ％的无水碳 酸钠依次加入泥浆杯 中， 并做好标记 ， 然后加水至 1 0 0 0 m L， 用玻璃棒或搅拌机充分搅拌 后静置 2 4 h 。 2 泥浆 的配制 在基浆配制好 2 4 h后 ， 根据 已确定 的处理剂加 量的水平 ， 利用 4因素 3水平的 L 。 3 正交表制订 出各组泥浆实验处理剂加量方案 ， 各组处理剂的加 量见表 2 。 表 2 各组处理剂 的加量 实验组号A ／ g B ／ g C ／ g D ／ g 1 0 5 3 5 ② 1 0 1 0 5 1 0 ③ l O 1 5 7 1 5 ④ 2 0 5 5 1 5 ⑤ 2 O l O 7 5 ⑥ 2 0 1 5 3 1 0 ⑦ 3 0 5 7 1 0 ⑧ 3 0 1 0 3 1 5 ⑨ 3 0 1 5 5 5 注 A为植物胶 ； B为润滑剂 ； c为降失水剂 ； D为防塌剂 。 根据表 2 ， 用天平称取所需处理剂 的加量 ， 按顺 序分别放入 已经 配制好 的 9杯基浆 中， 并高速搅拌 均匀 ， 静置一段时间， 待泥浆稳定后再进行泥浆性能 的测量 。 3 实验结果 采用各种仪器依次测量各组泥浆 的漏 斗黏度 、 泥皮厚度、 失水量 、 p H值和旋转黏度等 ， 结果见表 3 。 2 ． 4实验 结果分 析 2 ． 4 ． 1 泥浆性能指标软件分析过程 运用正交设计 助手 I I V 3 ． 1软件对实验结果数 据进行直观分析 ， 实验结果列表见图 1 。 2 ． 4 ． 2 泥浆性能直观分析 根据表 4可知， 植物胶、 润滑剂对失水量影响显 著 ； 防塌剂对失水量有一定影响， 降失水剂影响最小。 ． 】 5 2 0 1 2 年8 月 矿 业安 全 与环保 第3 9 卷第4 期 图 1 直观分析表 表 4 失水量 直观 分析 同理 ， 根据其他的直观分析表分析， 可得植物胶 对漏斗黏度的影响显著 ， 其他处理剂对其也有影 响 但不明显 ；植物胶对塑性黏度 的影响非常显著 ， 其 他处理剂的影 响均不 明显 ； 植物胶对动切力的影 响 l 6 最大 ， 防塌剂次之 ， 其他处理剂对动切力也有影响 ， 但不明显 ； 植物胶对动塑 比的影响最大 ， 防塌剂 、 润 滑剂次之 ， 降失水剂对动塑比的影响最小 ， 但彼此都 相差不大。 根据以上对实验泥浆性能参数的直观分 析 ， 可 以得出各因素对不同指标影 响的主次关系 见表 5 和显著性分析 见表 6 。 表 5 直观分析结果 注 表不该因素对 某指标呈高度显著性 ； }表不 该 因素对呆 指标呈一般显著性。 2 ． 5确定 泥浆最 优配 方 A因素对以上 5个实验指标均 高度 显著 ， 以低 失水量 、 流变参数适 中为原则综合考虑 ， 应 选 A 水 平 见表 2 。 B因素 ， 以低失水量 、 低动切力 、 高动塑 比为原 则综合考虑 ， 应选 B 水平 见表 2 。 C因素对动切力有一定影响 ， 以低失水量 、 低动 切力 、 流变参数适 中为原则综合考虑 ， 应选 C 水平 见表 2 。 2 0 1 2年8月 矿 业 安 全 与 环 保 第3 9 卷第4期 D因素对动塑比有一定影 响， 以低动切力 、 高动 塑比为原则综合考虑 ， 应选 D 水平 见表 2 。 因此 ， 最优水平组合应为 A B C D 。 。排 除人为 的明显实验误差 ， 其动塑 比在 0 ． 1 1 80 ． 6 8 0区间变 化 ， 可以确定流体为宾汉流体 。 通过实验及 分析， 可确定适合晋城地 区煤系地 层定 向钻进泥浆 的最优配方是 基浆 2 0 g ／ L植 物 胶 1 5 g ／ L 润滑剂 5 L降失水 0 1 5 g ／ L防塌剂。 2 ． 6最优配比泥浆的浸泡实验 2 ． 6 ． 1 实验步骤 土样的制 作 把 现场采集 的土 样捣碎 ， 加 一些 水 ， 和成泥 巴， 用 内径约 3 7 ． 6 m m 的 P V C管装满泥 巴， 然后压实 ， 取 出后 放一天 晾干。土样 尺寸 为高 6 0 0 m m、 直径 3 7 ． 6 m m， 共制作 3个土样。 具体步骤 将土样分别浸泡在选 出的泥浆和一 杯清水 、 一杯基浆中 ， 观察其变化情况 。在清水中的 土样 一 开始 就 出现 剥落 、 坍 塌； 基 浆 中 的土 样 在 2 5 mi n时出现膨胀 、 剥落 、 裂缝 ； 而在所 选的泥浆 中 的土样 2 h后均未 出现膨胀 、 剥落。1 d后实验停 止 ， 再观察 ， 清水 中的土样已经完全坍塌 、 沉淀 ； 基浆 中的土样完全膨胀 、 松软； 而泥浆中的土样基本保持 完整 ， 稍有膨胀 ， 没有剥落 、 裂缝 。 2 ． 6 ． 2 实验结果 选 出的最优配 比的泥浆在 1 d的浸泡实验中未 出现垮塌 ， 的确具有 良好 的防塌性能。 3 现场 使用效果 将所得的实验泥浆应用 于钻孔 中， 顺利通过第 四系地层 ， 孔底清洁 ， 孔 壁稳定 ， 未 出现卡钻缩径等 不 良现象， 钻进效果好 。由于泥浆 中钻屑不易 自动 沉淀， 需要在现场使用振动筛清除泥浆中的钻屑。 如果使用的是直接 由黏土制 成的基浆或清水 ， 就不能有效护壁 ， 从而导致钻孔的坍塌 ， 而且会有卡 钻和缩径的现象 。 4 结论 1 通过对晋城柿庄地 区地层的研究 ， 发现该地 层第 四系主要 以黏土和砾石 为主， 二叠系和石炭系 主要以泥岩 、 砂岩和粉砂岩为主， 在该类性质的地层 中钻进易出现坍塌 、 掉块、 缩径 、 漏失等情况。 2 根据对孔壁稳定性影响因素的分析 ， 总结出 该类地层钻进用泥浆所应具备的性能有 合理 控制 钻进液的密度 ； 封堵 孔隙， 防止高渗透孔 隙； 降低滤 失量 ； 较好 的润滑性 ； 防止大块的坍塌。 3 针对该类地层钻进用泥浆应具备的性能 ， 设 计了室内泥浆实验 ， 其得 出的泥浆性能指标借助 于 正交分析软件进行分析 ， 确定 了适合该类地层钻进 的最优泥浆配方 基浆 2 0 g ／ L植物胶 1 5 L润滑 剂 5 g ／ L 降失水 0 1 5 g ／ L防塌剂。 4对选 出的最优泥浆配方进行了 1 d的浸泡实 验 ，其结果显示 ， 土样 只稍有膨 胀 ， 并 没有 出现 掉 块 、 裂缝等现象 ， 具有 良好的防塌护壁性能。 5 选取的优选泥浆配方运用于实际工程 ， 所选 泥浆在现场的使用均很成功 ， 起到 了较好 的护壁效 果 ， 保证了工程顺 利、 安全的进 行 ， 同时节 约了工程 成本 、 缩短了工期。 参考文献 [ 1 ]郭丙政． 定向羽状水平井在晋南沁水盆地煤层气开发应 用中存在的问题[ J ] ． 地质通报， 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