定向钻施工中泥浆在流沙地层的运用Word文档格式.docx
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护壁要保证在流沙层和孔道间形成有很好粘附力、强度、韧性的泥皮,以阻止流动泥浆对它们的相互影响,防止沙层吸取泥浆中的水分,造成塌孔和膨胀缩孔。
携带能力是指泥浆对砂屑所表现的悬浮输送能力,如果泥浆没有良好的悬浮性能,停钻时流沙很容易沉淀堆积在孔底,当泥浆泵重新启动时,钻孔压力猛增,孔壁或周边地层存在被挤压裂开的可能,引起漏浆或渗漏;
输送能力通常用浆屑比表示,即泥浆对钻屑的携带比例。
笔者对市场现用的数十种膨润土,做了携沙性能的浆屑比对照,其中Mi-swaco膨润土在美国制造,它对细沙、粉砂浆屑比值为1:
1,即用1立方米泥浆携带1立方米沙;
其它膨润土泥浆的浆屑比值均为:
3~6:
1,即用3-6立方米的膨润土泥浆,有可能携带出1立方米流沙;
尚不考虑这类泥浆形成的泥皮对孔道的保护效果。
膨润土作为泥浆基材,它的性能是影响成孔效果和携带性能的重中之重,笔者对同一品种、不同批次的膨润土、不同来源的膨润土十几种样品测试得到一批结果:
实验条件:
膨润土:
25g,清水:
500ml(pH值7.5)低速搅拌10min,高速搅拌20min。
实验仪器:
马氏漏斗、API标准筛、范氏低温压滤机。
表1各膨润土泥浆测试参数
序号
膨润土名称
漏斗粘度S
与Mi高效土
比值
含砂量
滤失量
ml/30min
1
Mi-高效膨润土
151
3‰
5
2
合资土
71
2.13
5%
16.7
12
2.6
3
华东土A
61
2.48
14
2.8
4
西南土
52
2.9
8%
26.67
106
21.2
湖北土
46
9.2
6
华北土
50
3.02
22
4.4
7
新疆土B
48
3.15
9%
30
29
5.8
8
广东土
3.28
23
4.6
9
华东土B
44
3.43
6%
20
10
安徽土
43
3.51
11%
36.7
33
6.6
11
新疆土A
41
3.68
25
河南土
37
4.08
7.4
13
东北土
36
4.19
实验目的:
检测各膨润土相关参数用膨润土配泥浆,形成概念上解决流沙层的泥浆配方不难;
但要能切实保证在钻进时取得持续、稳定的携沙效果、不塌孔,没有性能好的膨润土和有针对性的添加剂那就会是困难的问题了。
从表一可以看出,泥浆粘度越高对穿越工程而言,膨润土需求量就越少;
含砂量高会致使泥浆密度升高,携带力弱,形成的泥皮无韧性和粘附力,易沉淀失水,降低机械钻速,诱发沉砂卡钻;
泥浆滤失量指泥浆在孔径内受压差的作用后,部分水渗入地层,这种现象称泥浆的失水性能或滤失特性,滤失量越大说明泥浆护壁性能差、携带能力弱。
易引起地层坍塌、泥浆沉淀、漏浆、冒浆等风险。
笔者在市场看到泥浆产品资料中,对造浆率、漏斗粘度、旋转粘度计粘度等参数的表述都未说明基本测试条件—膨润土和水用量,这极有可能出现资料表述的参数都符合使用要求,而实际使用时携沙能力弱,孔道易坍塌,因此让用户遇流沙工程时,因为对风险控制没有把握,尽量放弃这类工程,放弃不掉时,被迫用提高设备规格、过分加大膨润土和添加剂的用量等治表不治本的办法规避。
有效的办法是选择性能符合的膨润土和添加剂;
性能好的膨润土的基本特点:
天然纳基土。
最纯的蒙脱石(膨润土主要粘土成分)产生于初期的沉淀,美国怀俄明的膨润土蒙脱石含量不低于85%,基本取代钠、钙和镁离子。
虽然在全世界范围内已发现不同纯度含量的蒙脱石土,但是在纯度上还是和俄怀明膨润土差异很大。
很多价格低廉的膨润土蒙脱石含量很低,或者采用其他粘土矿物如:
高岭石、伊利石、海泡石、绿泥石等作为膨润土原料,这些虽属于粘土矿物,但在阳离子交换能力、水化膨胀、分散、流变性及滤失特性效果和天然钠基蒙脱石性能没有可比性,针对流沙层施工所需要的性能显然不适合。
比如:
膨润土吸附阳离子的总量,对膨润土的造浆率起很重要的影响:
以100g膨润土交换的阳离子当量表示基本交换容量(BEC),各种粘土矿物的交换能力如图1所示。
图1粘土矿物的基本置换容量(mg当量/100g干膨润土)
还必须说及钠化膨润土,这是现在市场使用最广泛的膨润土,很多风险的产生也是由它而起。
钠化膨润土是通过钙基膨润土(非蒙脱石粘土矿物)只是简单的添加了一些碱(烧碱-氢氧化钠(NaOH)、纯碱-碳酸钠(Na2CO3),能看到的效果是只提高了泥浆表面粘度;
而对携砂力、凝胶粘度、护壁性这三个流沙层风险控制非常重要的性能毫无帮助,还易发生分离沉淀,也许会带来更大的风险和施工难度,对钻机和泥浆泵及配套设备的寿命影响也很大。
我们看看国内主要使用的膨润土和来自怀俄明州Mi-swaco高效膨润土之间的区别和对比。
取Mi-swaco高效膨润土14g,华北土37g,华东土A46g分别加清水(PH7.5)500ml,低速搅拌3min高速搅拌10min,配制出粘度均为60s的泥浆,之后添加细沙200g,低速搅拌3min后的情况,下面相对应的是静止一小时后的变化情况。
图2不同泥浆性能对比分析
我们可以发现膨润土性能的差别明显A:
未发生任何沉淀,砂屑均匀B:
泥水分离,砂屑大部分沉淀。
C,泥水严重分离,砂屑严重沉淀。
实验证明:
衡量一种泥浆的适用性不仅能仅仅看泥浆粘度,尤为不能忽略的是包裹携带能力和护壁性,这是确保成功的必要元素。
易沉淀说明泥浆护壁能力低,滤失量大,携带能力差。
泥浆中的水分易和地层发生水化作用,加速地层膨胀和坍塌,增加多余钻屑量。
泥浆另一个重要性能就是流变性,这个词语被很多人提及,但是真正了解的并不多,所谓流变性是指外力影响较大时泥浆粘度会下降,流动性变大,以增加钻进效率、降低泥浆泵的负荷。
在外作用减少时粘度会增加,不影响携带能力,不易造成停泵和停钻时钻屑沉淀孔径底部。
笔者对表1的膨润土做了塑性粘度及相对、绝对粘度测试;
检测不同膨润土泥浆各转速值,计算塑性粘度、动切力、静切力、绝对粘度。
实验器材:
ZNN-D6六速旋转粘度计、高速搅拌器、量杯、天枰。
实验步骤:
各膨润土20g加清水500ml,高速搅拌30min。
表2不同转速值下泥浆的粘度
实验参数\膨润土名称
MI-高效膨润土
合资土A
华东土A
600r/min
53Pa.s
34Pa.s
22Pa.s
300r/min
42Pa.s
24Pa.s
16Pa.s
200r/min
36Pa.s
20Pa.s
14Pa.s
100r/min
30Pa.s
15Pa.s
11Pa.s
6r/min
18Pa.s
7Pa.s
6Pa.s
3r/min
5Pa.s
所有钻进变量都是相互联系的,改变其中任何一个变量都会影响其它变量。
膨润土不能仅仅只保证工程完成,还要保证抵御所有施工风险,缩短施工周期和设备损耗。
再者添加剂的使用。
笔者与很多客户做过现场沟通,得到的印象是对添加剂性能和效果了解不够,转而关注添加剂的价格,而没有感觉到适合的添加剂,对一个风险难以控制的工程而言,能起到“救心丸”的效果;
在流沙层加了合适的添加剂,不仅可以提高施工的进度,还可以降低不同的施工风险,这里主要指降低泥浆滤失量、提高成孔稳定性和泥皮强度与韧性,保持管径畅通,无漏浆冒浆现象,返浆一致。
还可以减少膨润土消耗及资源的浪费,缩小施工成本。
目前市场添加剂功效的说法比较混乱,满足以上功能的主要有羧甲基纤维素(CMC),聚丙烯酰胺(PAM),正电胶等,这些都是在石油钻井中所经常使用的,在定向钻施工中虽有一定的作用,但不是最理想的,不具有专业的针对性,石油钻井面对的以岩石为主,而非开挖定向钻则以土、砂居多,定向钻施工中还要更多的考虑泥浆的润滑性和流变性。
流沙层如果选择了不适合的添加剂,将会造成孔径坍塌和缩径等现象致使出入土点返浆不一致,甚至不返浆和地表冒浆等危害性。
值得注意的是选用添加剂要充分了解所使用的膨润土参数及成分,不是所有添加剂都可以在任何膨润土泥浆中发挥作用。
下面是一个流沙层合理使用泥浆的实际案例。
工程位于南京市鼓楼区中山北路与大桥南路交叉口,距离长江仅两公里,工程分为五扩一洗两托。
根据现场地层调查,发现层位主要以流沙(细沙、粉砂)为主,根据现场采样测试:
地层含砂量78%,含水率16%,土质4%,其他杂质2%(小颗粒卵石)。
泥浆方案:
用PH>
7.5的清水,1m3水加25-30kgMi-swaco高效膨润土,0.3kg,Mi-swaco的添加剂:
白金派克(泥浆粘度为>60S)。
穿越长度80m,回扩至Φ1100mm,钻屑量:
约75m3,管径距离地仅约2~4m。
图3入土点返浆情况
图4出土点返浆情况
从图可以看到,返出的砂屑和泥浆形成的携带环,砂屑均匀的被泥浆所包裹,清理和携带能力充分;
两边返浆一致,管径非常畅通,未发生任何塌孔及漏失情况,也就是常说的形成了“活孔”,工程总共用时不足16小时。
无数成功和失败的定向钻施工经历反复的说明了以下条律:
(1)“好泥浆”并不仅仅是粘度;
(2)流沙工程中采用“大排量”、“高泵压”、“多加”膨润土等手段比较盲目,不能有效降低风险;
(3)不论是流沙层还是其它地层,一定要有“活孔”的概念,保持孔径畅通、稳定,钻屑和泥浆可以自由流动环形空间,还可以发挥钻机的最大性能,拉管会变的无风险和容易,完成更多的工作量,可以获得更大利润。
(4)没有相同的地层,就没有相同的泥浆配方。
任何泥浆配方都应根据地层、施工要求,结合设备、工具等一系列因素考虑到合适,不能简单的依葫芦画瓢。
(5)科学使用膨润土及添加剂,不可以滥用和混用及不用,对工程来说是增加风险、增加成本。
(6)使用质量好的膨润土和添加剂不是成本增长、而是成本的下降。
对工程而言可以说是事半功倍。
以上是笔
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