【干貨】非開(kāi)挖管道定向鉆穿越的工程地質(zhì)特點(diǎn)
一、定向鉆穿越地層的特點(diǎn)
非開(kāi)挖管道采用定向鉆穿越地層較為復雜,有卵石層、粘土層、粉砂層、淤泥層、流砂層,巖性多為疏松、含水飽和度高的沙、泥及混合物,屬未成巖地層,易塌、易竄漏、少數地區含姜結石,部分穿越泥巖、沙巖和花崗巖等,強度可達200Mpa。穿越深度一般為25m以?xún)?,可達80m以上,這是非開(kāi)挖管道定向鉆穿越的地質(zhì)特點(diǎn)。
非開(kāi)挖管道定向鉆穿越的有關(guān)泥漿工藝的工程特點(diǎn)表現在:泥漿在井孔內流量??;環(huán)空間隙大;連續配漿作業(yè),由于時(shí)間的局限,泥漿配制過(guò)程水化不易充分。主要涉及的泥漿關(guān)鍵技術(shù)是泥漿潤滑技術(shù)、未成巖地層防塌技術(shù)、特大井孔超低流速下泥漿攜砂技術(shù)以及巖石地層的防漏和冷卻技術(shù)。
二、主要存在的技術(shù)難題
主要技術(shù)難題機理分析如下:
1、特大井孔、超低流速、高巖屑濃度下的攜砂。
由于穿越井孔用9?英寸鉆頭鉆導向孔,按6英寸的擴孔級別逐級增加到48英寸或52英寸,而鉆桿為5英寸,環(huán)空間隙特大;擴眼速度較快,約1~2m/s,產(chǎn)生的鉆屑量大;泥漿泵排量小,僅16~20L/s,這必將形成特大井孔、超低流速、高巖屑濃度下的攜砂難題。
表 4—1 不同井眼下環(huán)空泥漿流速和巖屑濃度
井眼尺寸(in) | 鉆桿尺寸(in) | 排量(L/s) | 鉆速(m/h) | 環(huán)空泥漿流速(m/s) | 產(chǎn)屑量(m3/h) | 環(huán)空巖屑濃度(體積比%) | 出口泥漿密度(g/cm3) |
9.5 | 5 | 17 | 40 | 0.513 | 1.829 | 2.99 | 1.08 |
24 | 5 | 17 | 40 | 0.061 | 9.845 | 16.09 | 1.25 |
30 | 5 | 17 | 40 | 0.038 | 6.567 | 10.73 | 1.18 |
36 | 5 | 17 | 40 | 0.026 | 8.026 | 13.11 | 1.21 |
42 | 5 | 17 | 40 | 0.019 | 9.485 | 15.50 | 1.24 |
48 | 5 | 17 | 40 | 0.015 | 10.945 | 17.88 | 1.27 |
52 | 5 | 17 | 40 | 0.012 | 8.107 | 13.25 | 1.21 |
備注:表中數據均為理論計算,計算出口泥漿密度可能比實(shí)際偏高。
由于所鉆地層一部分為地表浮土或沙泥巖地層,未成巖,大部分鉆屑呈細粒狀分散在泥漿中,很少呈大顆粒(姜結石)狀。從巖屑在環(huán)空受力來(lái)看,因重力的作用,巖屑靠向下井壁的趨勢始終存在,故下井壁方巖屑濃度大于上井壁方巖屑濃度。大粒巖屑很容易到達環(huán)空的底邊,逐步堆積起來(lái)形成“巖屑床”或砂橋,導致孔眼上方泥漿易流動(dòng),下方泥漿因固相含量高,流動(dòng)阻力大,難流動(dòng)。擴眼過(guò)程中因其井孔大,環(huán)空泥漿流速很低,造成因砂橋或粘附阻力的加大,造成回拖的擴孔器或管道被卡。只有要求泥漿具有強的懸浮能力,弱凝膠強度,易流動(dòng),才能使環(huán)空泥漿及鉆屑混合物整體緩慢向外輸送。
2、未成巖地層的防塌和防竄漏問(wèn)題
穿越地層大部為地表15~25米深浮土層,主要巖性為沙、泥巖地層,疏松,未成巖,一旦鉆開(kāi),鉆孔周?chē)ブ?,很容易導致塌孔和泥漿竄漏,要求泥漿具有良好的封堵膠結能力,提高近井壁強度。部分鉆孔在巖石中,由于巖石的裂隙,可能造成泥漿的漏失。
3、潤滑問(wèn)題
環(huán)空間隙大,回拖管段時(shí)受拖拉力作用,管段與井壁接觸面積小,有發(fā)生粘附卡鉆的可能性。又由于泥漿中固相含量大,切割刀在切屑過(guò)程中受拉、擠、扭、切割力的作用,若泥漿潤滑系數偏大,會(huì )導致拖拉力大。因此,要求泥漿具有良好的潤滑性是相當必要的。
4、鉆頭、鉆柱的冷卻潤滑問(wèn)題
在鉆井過(guò)程中,鉆頭和鉆具與砂層與巖石地層摩擦產(chǎn)生大量的熱,對于鉆頭和鉆桿柱的摩擦損失較大,為了延長(cháng)鉆頭與鉆桿柱的使用壽命,要求泥漿有良好的冷卻與潤滑作用。
針對非開(kāi)挖管道定向鉆穿越攜砂、防塌、潤滑等技術(shù)難題,主要要解決“強懸浮、弱凝膠,嚴封堵及良好的配漿性”的問(wèn)題。
強懸浮、弱凝膠——足夠的懸浮能力(較高的靜切力),有效控制形成巖屑床,減少截面上、下密度差;弱的凝膠特性,確保泥漿在低流速下,有良好的整體流動(dòng)性能。
嚴封堵——泥漿封堵能力要強,減少泥漿及泥漿濾液進(jìn)入地層,在近井壁形成嚴密的“屏蔽帶”(內泥餅),從而提高近井壁強度,不僅起到了支撐井壁的作用,也防止了泥漿的竄漏。
良好的配漿性——無(wú)論在低溫(冬天),還是在較高溫度(夏天)下,所選用的泥漿配方均易于配制。無(wú)論加入添加劑的順序怎樣,或是連續加入各種添加劑,均不影響配漿。