植物胶泡沫钻井液在裂隙岩溶地层中的应用研究

摘要

泡沫流体钻进工艺应用已经较为广泛，尤其是在干旱缺水地区或破碎地层钻进时，更是成为一种常见的施工工艺，这方面的应用研究也进行了很多。但本论文研究的总体思路是在湘中南地区富含水的岩溶裂隙地层区域，结合泡沫流体钻进工艺的特点，提出植物胶泡沫钻井液介质的概念，对该类植物胶泡沫介质的配制及其钻进工艺方法进行研究，并在工程应用方面进行了现场实践，取得了良好的效果。
　　 论文对湘中南地区裂隙岩溶地层的基本特征及其形成机理进行了分析，归纳出裂隙型地层、洞穴型地层和破碎与坍塌型地层三大类，并对影响地层渗漏通道形成的张开度、间距、粗糙度、连通性和充填物等五大主要因素进行了阐述，对该类地层易产生松散、溶胀、剥落、溶蚀等井壁失稳和钻井液的漏失等钻探特征进行了描述。在岩溶发育特点研究方面得出岩溶塌陷的发育过程具有阶段性、同步性、持续性、周期性和重复性等特征，它的形成机理主要表现为:机械潜蚀作用致塌、重力作用致塌、真空吸蚀作用致塌、气爆作用致塌和化学溶蚀作用致塌。
　　 它的钻探特征主要表现为钻井液的漏失或被稀释、孔壁易坍塌、易发生孔内钻探事故。本文较为全面地探讨了裂隙岩溶地层的钻进工艺技术和护壁堵漏技术。结合该类地层的特征，对“卡、埋、烧钻”、“钻具折断、脱落及跑钻”和“套管”等事故的预防与处置技术进行了描述。
　　 通过室内实验和野外工程实践，建立了植物胶泡沫液介质的基本模型，并得出配方为:植物胶体积含量比例为2.5％～3％，发泡剂十二烷基苯磺酸钠(ABS)体积含量比例为0.2％，水解聚丙烯酰胺体积含量比例为0.05％～0.08％之间，气态相与液态相的体积含量比例控制在20∶1范围内。通过实践检验及具体分析后认为它的护壁堵漏特征主要表现为:植物胶泡沫泥皮防塌、网状结构防漏、低失水性、粘弹性与低密度防漏以及低速塞流与岩屑聚结堵漏。(1)植物胶泡沫泥皮防塌特征主要表现在两个方面:一方面，泡沫流体本身就具有较强疏水的特征，它易于吸附在钻井的井壁上而形成了疏水的泡沫壁;另一方面，钻井液中的高分子聚合物具有长链架桥结构特点，使得钻井液介质形成了致密的群体空间网状结构，且具有较强的结构粘度，对井壁表面介质的水化起到了明显的抑制作用。(2)网状结构防漏作用主要表现为:当钻进至漏失地层段时，在钻井压力的作用下，植物胶泡沫钻井液介质渗入到井壁四周漏失裂隙中，与钻渣或裂隙中的残留物相互粘结并迅速地聚集形成群体聚结状态。首先，它在漏失通道内保持着较低的剪切速率，较好地降低了钻井液在通道内的流动能量;其次，随着这种网状结构的堆积叠加，使得已经聚集成的泡沫流体的网状结构以曲面弹性变形的方式黏结吸附后来的钻井液介质三相体，较好地延缓了钻井液的流动冲击，进一步减缓了它的剪切速率，伴随着井壁漏失裂隙通道不断地被这种泡沫流体的网状结构所填充、堆塞，逐渐地形成了良好的疏水泡沫流体屏障，起到了减弱甚至阻碍了钻井液渗漏的作用。(3)低失水性特征主要表现为:一是，植物胶泡沫钻井液介质的结构粘度比一般低固相钻井液要高得多，更有利于群体网状结构的形成，且具有致密性的结构特点，有效地抑制了自由水的流动，它的固相颗粒组分增大植物胶泡沫钻井液的流动阻力，有效地减少了钻井液介质水分子的损失;二是，植物胶泡沫钻井液介质表面是一种混合膜的结构体，因其粘度比钻井液中的自由水的粘度高，在钻井液的流动过程中一方面促使各分子间形成一种相互吸引的牵引力，在这种牵引力的作用下较好地抑制了自由水流动，另一方同时在低静液柱压力、循环密度和井壁内部压力的共同作用下，在井壁地层中形成一层较为坚固的防水薄膜层，较好地阻止了水介质与井壁之间的接触，减缓了地层的水化作用，起到了预防井壁坍塌作用。(4)粘弹性与低密度防漏特征主要表现为:在植物胶泡沫钻井液介质中的木质素或半纤维素的氢键、酯键或醚键的化学作用下，不仅增强了钻井液介质的结构强度，而且还使得钻井液介质具备一定的可压缩性和膨胀性，粘弹性特征明显，有效地减缓了钻井液的抽吸负压及钻进冲压对井壁的冲刷作用，起到了较好的防塌作用。(5)低速塞流与岩屑聚结堵漏特征主要表现为:植物胶泡沫流体的悬浮和吸附能力不是依靠钻探工艺本身较高的上返速度，而是取决于植物胶泡沫流体所形成的相互叠加的网状结构体本身，钻井液介质表现为低速塞流特征，较好地减弱了钻井液本身对井壁的扰动和冲刷作用。在上述的基础上，论文对植物胶泡沫介质的实际应用工艺进行了改良设计，对应用效果进行了现场检验及评价，得出了其应用价值及推广意义。
　　 最后，论文结合野外试验中发现了制约工艺推广应用的技术性问题，通过反复试验和研究，提出了具有针对性的解决办法，取得了很好的应用效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的提出

1．2 钻探工艺概述

1．3 泡沫钻井液研究概况

1．3．1 国外研究概况

1．3．2 国内研究概况

1．4 研究内容及其技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 裂隙岩溶地层特征及其钻进工艺

2．1 裂隙岩溶地层特征

2．1．1 基本内涵与属性

2．1．2 岩溶塌陷作用因素

2．1．3 漏失通道成因分析

2．2 裂隙岩溶地层钻进工艺技术

2．2．1 常规钻进工艺

2．2．2 钻探事故处理

2．2．3 护壁堵漏技术

2．3 本章小结

第三章 植物胶泡沫钻井液室内实验

3．1 植物胶泡沫及其性能

3．1．1 植物胶泡沫的提出

3．1．2 植物胶的有关性能及特征

3．1．3 泡沫的有关性能及特征

3．1．4 植物胶泡沫的有关性能及特征

3．2 实验研究

3．2．1 实验内容及设计

3．2．2 实验结果及其性能分析

3．2．3 植物胶泡沫有关机理探讨

3．3 本章小结

第四章 植物胶泡沫钻井液野外试验

4．1 项目概况

4．1．1 地质概况

4．1．2 施工难题

4．2 野外试验前期准备工作

4．2．1 回路设计

4．2．2 泡沫发生器

4．2．3 其他有关准备工作

4．3 植物胶泡沫钻进工艺

4．3．1 植物胶泡沫钻进流程

4．3．2 植物胶泡沫灌注方法

4．3．3 植物胶泡沫消泡方法

4．4 现场配方试验及分析

4．4．1 植物胶泡沫钻井液的配制

4．4．2 结果评估和影响实用化的要素

4．5 本章小结

第五章 工程应用分析

5．1 勘探区地质概况与漏失通道分析

5．1．1 勘探区地质概况

5．1．2 漏失地层分析

5．2 影响工程化使用要素的处置

5．3 植物胶泡沫液应用效果评估

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文的研究成果

6．2 下一步研究方向

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果