煤田地质钻探中水敏性地层护壁问题及解决办法

【摘 要】 在煤炭地质钻探中，面对水敏性复杂地层，钻探工程将变得更加困难，这就要求在煤炭钻探中做好水敏性地层护壁问题，采用有效的解决办法，确保钻探工艺性能，以保证钻探施工到位。

【关键词】 煤炭钻探 水敏性地层 护壁问题 解决办法

随着社会主义市场经济的发展，社会企业对能源的消耗需求越来越大，同时也对煤炭钻探提出了更高的要求，本文分析了煤田地质钻探中复杂地层及形成的原因，并对复杂地层中的钻进工艺进行研究。

1 煤田地质钻探中复杂地层

在煤田地质钻探中，复杂地层产生的原因有很多种。一方面，主要是因力学不稳定性地层中构造受力不平衡而导致钻探失去原有的平衡状态，并且加上地层上部覆盖层的重力作用而导致孔壁发生垮塌、掉块等事故；另一方面，主要是因水敏性地层在冲洗液和钻具的作用下发生掉块的事故，水敏性地层如页岩、泥岩等，在泥岩成分偏高的情况下，在钻进过程中，水敏性地层会造成孔壁膨胀缩径和剥落超径等现象，因此，煤田地质钻探中常见的失稳地层有：地应力不平衡地层、页岩地层和水敏性地层。

泥页岩地层即为水敏性地层，主要表现为缩径、造浆、分散，其主要以蒙脱石为主，采用高抑制性泥浆体系，根据当前地理学上的研究，在该对应岩层上我们可以探知其蒙脱石的对应含量在30%左右，是属于极其有特点的造浆泥岩。这种地质在钻探中的主要特性就表现在容易出现膨胀反应、直径降低缩小、掉块和卡住钻头的结果。至于产生这种膨胀的因素我们可以通过两个方面进行研究和分析。首先可能出现的情况就是其表面产生了水化行为，然后还有一种可能就是其内部进行了渗透水化的行为。由于产生了巨大的的水压，因此随着埋藏深度的增加，其表面水化力呈现出正相关上升趋势。而当泥浆中的含盐成分指数呈现出上升趋势时，则渗透水化的速度加快，水分向泥浆运动速度加快。针对这两种情况，我们的主要措施有几下几个方面：第一，通过降低泥浆的滤失量来避免大量自由水进入地层；第二，向泥浆中加入K+，提高泥浆的抑制性能；第三，充分利用高分子聚合物的吸附、交联及包被作用；第四，加入沥青类产品封堵孔壁上的毛细管通道。然而，K+有两种作用，一是离子交换，K+离子进入蒙脱石晶层中，形成伊利石结构；二是晶格固定，K+离子直径与粘土六方晶格大小相符，离子交换后嵌入晶格，起封闭作用。

2 复杂地层成因分析

由于复杂地层产生失稳的原因有很多，尤其是针对地层破碎产生的卡钻问题，若技术人员盲目加大泥浆混合比重和加大泥浆粘度，地层破碎产生的卡钻问题并不能得到有效解决。一般情况下，复杂地层成因主要包括地质因素和钻进工艺技术，其中，地质因素属于内因，钻进工艺技术属于外因，其中，地质因素起主导作用。例如淮南潘集矿区，其地层底部602.84m及下部岩性，其主要为红棕色含砾砂岩、砂砾岩互层、细粒含钙砂岩、褐红色粉砂质泥岩等，然而，该地层的上部为细粒砂岩、褐红色粉砂质泥岩和含砾砂岩等，砾石直径为0.3～4.5cm，由于岩石中含有大量的粘土矿物，在钻进过程中，这些粘土矿物将会遇水膨胀，并且不同成分的粘土矿物遇水的膨胀系数有所不一样，因此，采用增加泥浆比重和加强粘土及利用水泥胶结等常见的钻进方法是不能有效解决复杂地层所产生的失稳现象。

3 复杂地层中钻进工艺研究

针对煤田地质中简单的地层，在钻进过程中，一般技术人员都有一套完善的钻进工艺，同时也有一套完善的泥浆配方方案、孔内事故处理措施等。但是，对于复杂地层的钻进施工，由于采用常规的钻进方法不能有效解决这些复杂地层的钻进，如增加泥浆比重、加强粘土，采用水泥胶结等措。采用这些常规的方法，不仅会延长施工周期，增加施工成本，可能会适得其反，甚至可能会造成钻孔报废等事故，其主要原因是在钻进过程中遇到复杂地层时不能对复杂地层的成因分析清楚，力学不稳定地层主要是因地层构造应力不平衡而阻碍了钻进工程的顺利开展，该地层的岩层容易破碎和松散，并且地层侧压力也比较大，若想要防止岩层垮塌事故的发生，则需要注重泥浆比重的配置，适当增加泥浆比重来平衡岩层的侧压力，利用高分子化合物来提高泥浆粘度，并将高聚物作为岩层的覆盖剂，有效防止岩层垮塌事故的发生。

由于水敏性地层主要表现为表面水化、渗透水化，在水敏性地层的钻进过程中，容易造成孔壁膨胀收缩及孔壁剥落超径等现象。因此，在钻进过程中，充分掌握了水化机理后，在泥浆配置上，应充分考虑低失水、适当增加泥浆比重及粘度等因素。然而，在实际操作中，当真正遇到垮塌、埋钻等事故时，则需要正确判断出造成这种事故发生的因素是地质因素还是钻进工艺技术，只有分析清楚复杂地层的成因，才能有效解决孔内问题。分析钻孔漏失的因素，其主要包括地质因素和钻进工艺技术因素，第一，地质因素，其主要是因地质构造运动而造成断层、裂缝等事故，这就给钻孔漏失提供了良好的条件；第二，钻进工艺，其主要表现在泥浆流动性变化大、孔内应力不平衡及升降钻具所造成的压力等方面。因此，为了顺利进行钻进工程，一方面，应注重钻孔漏失的抑制，通过实现孔内压力平衡，并采用低比重泥浆的钻进方法。另一方面，应注重粘土膨胀性的抑制，若采用水泥胶结常规性钻进方法解决这些地层，往往会造成水泥不凝固、水泥凝固后在扫孔过程中找不到原眼的现象。因此，针对淮南潘集矿区，在地下350m～450m处，其属于水敏性地层，在水敏性地层中，通过减少泥浆失水量来增加泥浆比重，并加入K+，使水敏性地层的孔壁形成一层比较紧密的泥皮来抑制粘土的吸水膨胀，主要原因是K+稳定页岩地层不仅可以有效降低粘度和滤失的作用，还可以防止井壁坍塌事故的发生。同时，在降滤失的作用下，其可以形成薄而致密的泥饼，这样就可以有效减少压差卡钻。

4 结语

在钻进工程中，影响地质钻探的因素有很多，尤其是复杂地层对钻进的影响，因此，在钻探工程中注重泥浆的配置，采用先进的钻进工艺技术，从而有效解决复杂地层的护壁问题。

参考文献：

[1]郑克清.复杂地层钻探护壁堵漏工艺研究与应用[D].中南大学，2012.

[2]胡继良.复杂地层地质钻探冲洗液研究与应用[D].中国地质大学（北京），2012.