深部地质钻探钻井液使用的认识与思考.pptx

20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所一、一、引言引言二、二、深部地质钻探存在深部地质钻探存在 的问题与认识的问题与认识三、三、冲洗液技术取得的冲洗液技术取得的 成果与应用成果与应用四、结论四、结论1深部地质钻探冲洗液技术的认识与实践深部地质钻探冲洗液技术的认识与实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所2 20062006年年20102010年，年度钻探工作量分别为年，年度钻探工作量分别为865.01865.01万米、万米、11601160万米、万米、15551555万米、万米、1720.51720.5万米及万米及20982098万米。万米。钻探深度屡屡被刷新，从钻探深度屡屡被刷新，从20102010年安徽年安徽313313队队完成完成2706.682706.68米全国最深钻孔以来，已米全国最深钻孔以来，已有有多个多个3000m3000m以上的钻孔以上的钻孔完钻或正在施工，目前最深记录完钻或正在施工，目前最深记录已达到已达到36003600多米。多米。工作量飞跃发展，深度屡创新高工作量飞跃发展，深度屡创新高一、引一、引 言言20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所3 1.1.“国家深部探测计划国家深部探测计划”已经实施，有大量的深孔已经实施，有大量的深孔施工项目，正在规划的超万米科学钻探项目。施工项目，正在规划的超万米科学钻探项目。2.2.世界上最深的金矿钻孔是由加拿大一公司在南非世界上最深的金矿钻孔是由加拿大一公司在南非创造的，深度达到创造的，深度达到54245424米米；美国公司保持的钻美国公司保持的钻深纪录是深纪录是50715071米。米。3.3.机遇与挑战并存。大量深孔的出现，带来了施展机遇与挑战并存。大量深孔的出现，带来了施展技术的机会，同时也面临严峻的考验。技术的机会，同时也面临严峻的考验。更多深孔出现，面临机遇与挑战更多深孔出现，面临机遇与挑战一、引一、引 言言20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所4实实现现孔孔壁壁稳稳定定十十分分困困难难涌涌 水水、漏漏 失失坍坍 塌塌、掉掉 块块膨膨 胀胀 缩缩 径径电电解解质质污污染染 同同时时存存在在 交交替替出出现现2.12.1钻遇地层复杂多变，维护孔壁稳定加困难钻遇地层复杂多变，维护孔壁稳定加困难钻孔报废或达不到设计钻孔报废或达不到设计深度、成本急剧增加、施深度、成本急剧增加、施工效率低的情况屡见不鲜工效率低的情况屡见不鲜二、二、深部地质钻探深部地质钻探冲洗液冲洗液关键技术难题关键技术难题20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所5二、二、深部地质钻探深部地质钻探冲洗液冲洗液关键技术难题关键技术难题制约孔内复制约孔内复杂事故的处杂事故的处理和解决理和解决钻钻孔孔直直径径小小环环状状间间隙隙小小泥泥浆浆泵泵固固 控控 设设 备备2.22.2孔内复杂问题的处理和解决受到孔内复杂问题的处理和解决受到众多条件众多条件制约制约参数可调范围小参数可调范围小粗颗粒材料上返困难粗颗粒材料上返困难无法泵送堵漏材料无法泵送堵漏材料固相控制困难固相控制困难20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所6影响绳索取影响绳索取心钻进的使心钻进的使用效果，甚用效果，甚至无法使用至无法使用高高 应应 力力 地地 层层强强水水敏敏性性地地层层坍坍塌塌掉掉块块地地层层2.32.3复杂地层对冲洗液的要求，复杂地层对冲洗液的要求，影响影响绳索取心技术使用绳索取心技术使用比比重重高高、固固相相含含量量高高、粘粘度度高高钻钻杆杆内内壁壁结结泥泥皮皮，环环空空压压力力大大二、二、深部地质钻探深部地质钻探冲洗液冲洗液关键技术难题关键技术难题20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所7增加扭矩增加扭矩、增增加钻具磨损，加钻具磨损，易引起钻杆易引起钻杆折折断断等孔内事故等孔内事故2.42.4钻孔深度增加，斜孔大量出现，摩擦阻力显著增大钻孔深度增加，斜孔大量出现，摩擦阻力显著增大研究表明，摩擦阻力大小随钻研究表明，摩擦阻力大小随钻孔深度的增加而增加，斜孔的孔深度的增加而增加，斜孔的摩擦阻力增加更为突出摩擦阻力增加更为突出。二、二、深部地质钻探深部地质钻探冲洗液冲洗液关键技术难题关键技术难题20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所82.62.6地质钻探现场试验手段落后，地质钻探现场试验手段落后，地层复杂多变，地层复杂多变，施工人员依地层变化配制和维护冲洗液性能十分困施工人员依地层变化配制和维护冲洗液性能十分困难。难。2.52.5 无无孔口节流等装置，处理孔内复杂情况效果差孔口节流等装置，处理孔内复杂情况效果差二、二、深部地质钻探深部地质钻探冲洗液冲洗液关键技术难题关键技术难题20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所3.13.1冲洗液冲洗液首先应满足孔壁稳定需要，当首先应满足孔壁稳定需要，当冲洗液冲洗液性性能与工艺方法相制约时，最好改变工艺方法能与工艺方法相制约时，最好改变工艺方法。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践9绳索取心钻探在易坍塌、掉块破碎地层、高地应力地层和强水敏性地层中的使用受到制约。在易坍塌、掉块的破碎地层或地应力较大的地层中钻进，由于孔壁稳定的需要，冲洗液的粘度和密度通常较高。冲洗液粘度越高，环空压力越大；粘度越高、密度越大，绳索取心钻杆内壁结泥皮越严重，直至无法使用。20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所10强水敏性地层，易膨胀缩径、分散造浆、粘附性强。一是由于地层膨胀缩径、粘附性强，绳钻钻杆较粗，极易发生抱钻、粘附卡钻事故，二是由于地层造浆增加泥浆的粘度和固相含量，引起钻杆内壁结泥皮而影响岩心管打捞。该类地层，如果冲洗液性能控制不好，风险很大。冲洗液的设计与使用，应首先保证钻孔安全，在此基础上尽可能与工艺方法相适应。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所3.23.2明确不同地层孔壁稳定机理，在此基础上设计明确不同地层孔壁稳定机理，在此基础上设计和灵活使用和灵活使用冲洗液冲洗液。11地地 应应 力力 高高孔孔隙隙压压力力高高缩缩径径、坍坍塌塌掉掉块块、涌涌水水（油油气气等等）提提高高冲冲洗洗液液 密密 度度加加 入入 加加重重 材材 料料孔孔隙隙压压力力低低冲冲洗洗液液漏漏失失降降低低冲冲洗洗液液 密密 度度降降低低固固相相充充 气气 等等压力地层压力平衡钻进调整冲洗液密度三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所12水敏性地层强抑制性冲洗液优质聚合物、防油基、油基冲洗液避免大量自由水进入地层提高冲洗液的抑制性能吸附、交联及包被作用123降低泥浆滤失量加入K+或NH4+加入高分子聚合物封堵孔壁毛细管通加入沥青类或溶胀型处理剂4三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所研制了聚合物冲洗液研制了聚合物冲洗液1m1m3 3水水 +20+2030Kg30Kg钠膨润土钠膨润土+2+23Kg3Kg包被剂包被剂+5+57Kg7Kg接枝接枝淀粉淀粉 +5+510Kg10Kg铵盐铵盐 +5+510Kg10Kg改性沥青改性沥青 +3+35Kg5Kg润滑剂润滑剂 性能：AV，15 mPa.s 漏斗粘度，24 s API FL，8 ml 相对膨胀降低率，80%岩屑回收率，91%粘附系数，0.0713三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所在在平山湖煤炭勘查项目中的应用平山湖煤炭勘查项目中的应用14三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所在天津王兰庄地热井施工中的应用解决斜井、造浆及砂岩地层相关问题，起喷射钻井作用，提高钻进效率。15三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所16三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践新疆新疆尼勒克吉伦台尼勒克吉伦台-塘坝煤炭矿区塘坝煤炭矿区解决解决粘附粘附卡钻问题卡钻问题20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所体系名称表观粘度(mPa.s)漏斗粘度(s)滤失量(ml/30min)泥皮(mm)相对膨胀降低率（%）粘附系数成膜体系1732110.1760.071m3水+4-5Kg包被剂1020Kg接枝淀粉-2+30 50Kg成膜剂+1020Kg润滑剂（GLUB）适用于吸水易剥落及松散、破碎地层适用于吸水易剥落及松散、破碎地层17三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践研制了成膜冲洗液研制了成膜冲洗液20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所成膜冲洗液成膜冲洗液浸泡浸泡96h，又清水浸泡，又清水浸泡10分钟分钟18吉吉林林红红旗旗岭岭易易分分散散岩岩样样清水清水浸泡浸泡1分钟分钟三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所19松散破碎地层快速胶结和有效封堵松散、破 碎裂 缝常有地应力技术措施增加胶结、快速造壁；封堵裂缝，降低渗透。提高液柱支撑力膨润土、低失水、坚韧泥皮封堵材料适当密度实现压力平衡松散破碎地层特点三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所LBMLBMGLAGLA冲洗液体系，冲洗液体系，在在汶川地震科学钻探（汶川地震科学钻探（WFSD-2WFSD-2）孔施工孔施工中取得较好应用中取得较好应用体系名称表观表观粘度粘度漏斗漏斗粘度粘度API FLAPI FLmlml膨膨 胀胀 降降低率低率%润滑润滑系数系数水水4 4LBM-1LBM-18 82020111177770.130.13水水4 4LBM-1LBM-12%GLA2%GLA7 720208 889890.130.13水水4 4LBM-1LBM-12%GLA2%GLA3%GPC3%GPC8 822226 6/0.130.13水水4 4LBMLBM1 12%GLA2%GLA3%GPC3%GPC0.5%gLUB0.5%gLUB8 822226 6/0.070.0720三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所 2040目石英砂 LBMGLA体系封堵后的砂层4%钠膨润土浆封堵后的砂层21三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所22三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所1301.981304.901260.531262.84WFSD-2岩心23三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所WFSD-2岩心24三、三、冲洗液技术取得的成果与应用冲洗液技术取得的成果与应用20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所25溶蚀性地层抑制溶解 盐水冲洗液和油基冲洗液溶蚀性地层是指遇水发生溶解的地层，因此要抑制地层中水溶性矿物的溶解，就必须加入具有抑制地层中水溶性矿物溶解的泥浆处理剂。最普遍的做法就是向泥浆中加入相同成分的材料使其达到饱和，就可以抑制地层中同类矿物的溶解。如盐膏层钻探采用的饱和盐水泥浆，利用的就是这个原理。但对于像溢晶石等溶解度超高的地层，最好采用油基冲洗液。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所研制了用于高溶解性矿体钻探的新型研制了用于高溶解性矿体钻探的新型GHBKGHBK冲洗液体系，冲洗液体系，并成功应用于猛钾并成功应用于猛钾MK-1MK-1井及井及MK-2MK-2井井。体系名称体系名称表表观观粘度粘度mPa.s漏斗漏斗粘度粘度sAPI滤失量滤失量ml泥泥皮皮厚度厚度mm膨膨 胀胀降低率降低率%岩屑岩屑回收率回收率%MgCI2溶溶解速度解速度%/hMgCI基液基液4.019.0全失全失/57.868.3100GHBK体系体系15.022.03.00.0398.096626三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践比重比重1.29-1.3220121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所27云南江城钾盐井钻探ZK-1ZK-1：绳索取心钻探（1700-2563）三、三、冲洗液技术取得的成果与应用冲洗液技术取得的成果与应用20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所云南江城钾盐井钻探ZK-2(ZK-2(设计设计3000m3000m-2417-2417，取心直径取心直径100mm100mm）三、三、冲洗液技术取得的成果与应用冲洗液技术取得的成果与应用20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所3.33.3对于复杂地层，除正确选择对于复杂地层，除正确选择冲洗液冲洗液体系外，还体系外，还要重视要重视冲洗液冲洗液参数调整。参数调整。29压力地层：如果冲洗液液柱压力无法平衡地层压力，使用再好的泥浆材料也没有意义。松散破碎地层：提高冲洗液的粘度，可提高胶结性，降低冲刷，降低发生孔内事故的风险；适当提高冲洗液的密度，有利于孔壁的稳定。强造浆地层：冲洗液粘度高，会在孔壁形成虚厚泥皮，增加粘附卡钻的风险。实践证明，在该类地层中，采用较低粘度的冲洗液，发生粘附卡钻的几率大大降低。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所3.43.4尽可能缩短孔内裸眼时间，预防孔内事故的发生尽可能缩短孔内裸眼时间，预防孔内事故的发生30初始钻开后孔壁稳定，而经过一段时间之后，会发生缩径、坍塌及掉块现象，多者几十天，少者几天（甚至几小时），这就是孔壁的稳定周期。孔内裸眼孔段地层的强度随着被浸泡时间的延长而越来越低，发生坍塌等风险越来越大。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所3.53.5降低摩擦阻力，需从钻孔轨迹、降低摩擦阻力，需从钻孔轨迹、冲洗液冲洗液质量上下质量上下工夫工夫31冲洗液对摩擦阻力的影响更多体现在冲洗液在孔壁所形成的泥皮质量，它是影响摩擦阻力大小的重要因素。泥皮质量好坏，是由冲洗液滤失量、固相含量、固相颗粒特性及泥浆材料特性等因素决定的。对深孔来说，摩擦阻力可能更多来源于钻孔深度、钻孔倾角对深孔来说，摩擦阻力可能更多来源于钻孔深度、钻孔倾角和钻孔轨迹的影响和钻孔轨迹的影响，但钻井液的影响不可忽视，但钻井液的影响不可忽视。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所32钻孔越深，钻杆与孔壁之间的接触面积越大；钻孔倾角越大，由于重力作用，钻杆越容易与孔壁接触；钻孔轨迹不规则，会大幅度增加附加压力，造成摩擦阻力的大幅度增加。钻孔越深，钻孔轨迹控制越困难。前苏联的研究表明，前苏联的研究表明，随着井深的增加，摩擦阻力越来越大，钻杆与孔壁的接触随着井深的增加，摩擦阻力越来越大，钻杆与孔壁的接触对摩擦阻力的贡献所占的比例占总摩擦阻力的对摩擦阻力的贡献所占的比例占总摩擦阻力的70%以上。以上。降低摩擦阻力，应从钻孔轨迹控制、泥浆滤失量控制、固降低摩擦阻力，应从钻孔轨迹控制、泥浆滤失量控制、固相控制及高效能润滑材料加入等方面综合治理相控制及高效能润滑材料加入等方面综合治理。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所3.63.6孔口节流装置（或孔口密封装置）对孔内复杂情孔口节流装置（或孔口密封装置）对孔内复杂情况处理尤为重要况处理尤为重要孔口密封装置（或节流装置）的重要性主要体现在堵漏作业、孔口密封装置（或节流装置）的重要性主要体现在堵漏作业、涌水地层压涌作业及复杂地层水泥护壁作业。涌水地层压涌作业及复杂地层水泥护壁作业。堵漏作业中，只有通过蹩压，将堵漏材料挤入通道内，形成强度较高的封堵层，才能有效封堵通道，避免二次漏失。涌水地层压涌和地下水丰富的地层水泥护壁，如果在孔口安装节流装置，通过调节泥浆流量控制环控压力，可以防止涌水作业时重泥浆被稀释，可快速完成压涌作业；对于水泥护壁来说，只有将地下水压住，才能防止水泥浆被稀释，实现有效固化。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所3.73.7转变观念，果断作为，综合评价施工效益。依据转变观念，果断作为，综合评价施工效益。依据地层变化，采取地层变化，采取冲洗液冲洗液护壁与其它护壁手段向结合。护壁与其它护壁手段向结合。34孔深的增加，钻遇的复杂地层越来越多。依目前依目前冲洗液冲洗液技术技术现状及施工工艺条件等限制，仅靠现状及施工工艺条件等限制，仅靠冲洗液冲洗液无法完全满足孔壁无法完全满足孔壁稳定问题；即使是能够解决，在施工效率及施工成本上所付稳定问题；即使是能够解决，在施工效率及施工成本上所付出的代价也未必是最少的。出的代价也未必是最少的。正确认识冲洗液的作用。正确认识冲洗液的作用。理论上足够高的冲洗液密度可以维持孔壁稳定，但高密度带来泥浆流变性、泵送、施工工艺限制等众多问题，在目前的技术条件下恐无法解决。因此在冲洗液上做过多的纠缠，会浪费更多的时间和成本。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所35适当加大钻孔直径适当加大钻孔直径。深孔地层杂多变，一旦普通方法无法解决，可能会由于套管程序限制，而无法继续施工。因此深孔应适当加大钻孔尺寸，为处理孔内复杂情况留有空间。水泥护壁或化学护壁水泥护壁或化学护壁套管护壁。套管护壁。钻孔越深，施工时间越长。复杂孔段如果长期裸眼，会给后续施工带来很大的困难和风险。一旦问题发生，处理时间少则几天，多则十几天，甚至更长。由此产生的成本或对施工效率的影响是很大的。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所3.83.8现场试验手段落后，多功能现场试验手段落后，多功能“方便面方便面”式材料，式材料，适合我国目前施工现状的需要。适合我国目前施工现状的需要。36多功能材料应具备的特性：多功能材料应具备的特性：多功能，对地层适应性强；通过简单加量增减，实现性能调整。只需再加入随钻堵漏剂、加重材料及润滑剂等满足封堵、冲洗液加重及润滑等特殊情况需要。配制与维护方便、快捷。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践研制了配制淡水冲洗液的研制了配制淡水冲洗液的LBM和盐水冲洗液的和盐水冲洗液的MBM20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所37南海某海域钻探-海水泥浆三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所38现场泥浆配制：1m3海水+1Kg纯碱+38Kg多功能剂MBM山东莱州北海矿区金矿钻探三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所39现场泥浆配制：1m3饱和MgCI 2溶液+25Kg多功能复合剂老老 挝挝 钾钾 盐盐 矿矿 区区三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所3.93.9正确的操作程序有利于保护孔壁，减少（或避免）正确的操作程序有利于保护孔壁，减少（或避免）孔内事故的发生。孔内事故的发生。40冲洗液对孔壁的保护作用不是刚性的，因此复杂地层的孔壁依然十分薄弱，任何的操作不当，都可能引起复杂的孔内事故。孔壁薄弱孔段，长时间定点循环泥浆，冲刷孔壁；提钻速度过快，由于抽吸作用造成孔壁坍塌、掉块；强水敏性地层长时间、长孔段钻进不扫孔，造成卡钻；提钻遇阻强行提拉等，都会引起复杂孔内事故。因此需要制定完善的操作程序，并加以严格执行。三、冲洗液三、冲洗液使用的几点认识与使用的几点认识与实践实践20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所41四、结四、结 论与建议论与建议钻井液应在满足孔内安全的条件下，尽可能适应施工工艺要求。依据地层合理选择冲洗液体系，并重视性能参数调整对孔壁稳定的作用。保持井眼规则、钻井液维持低密度、低粘度、高润滑性有利于降低扭矩、较少钻具磨损。20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所42四、结四、结 论与建议论与建议为保证孔内安全，尽可能避免孔内长时间裸眼。实施堵漏作业时，采取措施适当蹩压，可提高堵漏成功率、提高堵漏效果。加快适合地质钻探使用的固控设备及孔口节流装置等的研制。受各种条件限制，钻井液非万能，复杂地层需综合治理。20121020北京探矿工程研究所北京探矿工程研究所 43敬请批评指正敬请批评指正