砂层定向钻施工过程中如何处理坍塌
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砂层水平定向钻进泥浆技术
作者:秦磊
0简介
水平定向钻井(HDD)是利用安装在地面上的钻井设备，以相对于地面的小入射角钻入地层，形成导向孔，然后将导向孔扩大到所需尺寸，铺设管道(线)的技术。在施工中具有跟踪和导向功能。该技术解决了在城区或大型自然障碍物下无法用开挖法铺设地下管线的问题。
钻具穿过地层形成孔洞，孔洞在空间上几乎是水平的。当孔内被砂土等松散地层包围时，孔内容易发生事故或质量问题。
1砂层对穿越施工的不利影响
由于砂粒间的粘结力较弱或无粘结力，钻孔后地层原有的应力状态被打破，砂层定性穿越施工中最容易发生塌孔事故。如果钻孔过程中出现塌孔，直接后果是钻具被埋，造成埋钻和卡钻施工；如果在回拉过程中发生塌孔，可能导致拉管阻力过大甚至失败。在砂层中，井塌的主要原因如下:
(1)地层胶结较少，一旦暴露，就失去原有的平衡而坍塌；
(2)泥浆冲蚀，钻进过程中，泥浆从喷嘴高速喷出，对砂层产生强烈冲击，造成坍塌；
③划眼(铺管)过快，开泵过猛，造成孔内压力激大；
(4)钻具不断碰撞挤压孔壁；
⑤过高的泥浆压力会压裂地层，造成井塌。
2泥浆体系的选择
2.1泥浆的基本作用泥浆技术是HDD工程的重要组成部分。随着HDD施工难度的增加，该技术在保证安全、优质、快速施工方面发挥着越来越重要的作用。泥浆的最基本功能如下:
①携带和悬浮钻屑。
泥浆首要的也是最基本的作用是通过自身的循环将孔内的钻屑携带到地面，从而保持孔内清洁，使进给和拖动畅通无阻，保证钻头始终接触和破碎孔内的新地层，避免重复切削，保持安全快速钻进。当钻杆卸载或因故停泵时，泥浆能使其中的岩屑保持稳定悬浮，防止岩屑大量沉积在井眼中。
②稳定孔壁，平衡地层压力。
孔壁稳定和钻进规律是实现安全、优质、快速施工的基本条件。性能好的泥浆能在一定程度上胶结疏松地层，防止泥浆不断漏入地层，减弱泥页岩的水化膨胀和分散，增加孔壁的稳定性。同时，泥浆的液柱压力可以平衡部分地层压力，降低井壁坍塌的风险。
③冷却和润滑钻头和钻具。
在钻孔过程中，钻头旋转并打破岩层，产生大量热量。同时，钻具也不断地与井壁摩擦，产生热量。正是通过泥浆的不断循环，热量被及时吸收，然后带到地面，释放到大气中，从而起到冷却钻头和钻具，延长其使用寿命的作用。由于泥浆的存在，钻头和钻具都在液体中旋转，大大降低了摩擦阻力，起到了很好的润滑作用。
(4)传递水动力。
泥浆在钻头的喷嘴处以非常高的速度冲击钻孔，从而提高钻孔速度和岩石破碎效率。此外，循环过程中的泥浆可为孔内动力钻具如螺杆、液压冲击器等提供驱动力，满足孔内复合钻井或马达钻井的需要。
2.2泥浆的主要性能指标
对于HDD泥浆，需要注意的泥浆指标主要有:比重、漏斗粘度、塑性粘度、动态剪切力、静态剪切力、API滤失量、PH值、含砂量、固相含量。
2.3泥浆性能指标的选择
①密度:泥浆要有一定的密度。第一密度是给地层一个回压，保持地层稳定不坍塌。
如果井眼在地表以下20m左右，地层水也有2kg/cm2的压力，那么泥浆的密度就是1.02g/cm3，在同样深度可以产生2.04kg/cm2的压力，也就是说给地层增加了0.04kg/cm2的压力，某种意义上减少了地层坍塌的几率。当然密度也不能太高，否则会压裂地层，造成井漏。因此，当穿越深度为20m-30m时，泥浆密度为1.02g/cm2-1.04g/cm2。此时泥浆中掺入6% ~ 8%的膨润土即可达到上述密度，因此必须保持一定量的膨润土。
②粘度:泥浆要有合适的粘度。粘度的本质是液体、液体和固体的内摩擦，可以调节流变性，有助于携带岩屑和清洁井眼。
如果钻粘土层，粘度可以低一些，30s-50s。如果钻砾石层，粘度可以更高，70s-80s。为了提高粘度，可以增加膨润土的用量，也可以加入高粘度CMC、聚阴离子纤维素、变性淀粉等增粘剂。
③滤失量:泥浆要有较低的滤失量，这表示泥浆中游离水的多少。滤失量大说明泥浆中游离水多，胶体性能差；滤失量小说明泥浆中结合水多，胶体性能好。穿越深度为20m-30m时，泥浆滤失量控制在8ml-10ml即可满足要求。可加入中低粘度CMC、变性淀粉、水解聚丙烯酸铵盐(NH4-HPAN)等降滤失剂来降低滤失量。
④pH值:泥浆要有合适的pH值，代表泥浆的pH值。
泥浆是膨润土分散悬浮在水中的胶体，pH值一般在8以上，即呈碱性。水基泥浆的pH值要求为9，但考虑到地层中的粘土会吸附氢氧根离子(OH-)，有时地层中还有钙盐和镁盐，穿越20m-30m或更深地层时，泥浆的pH值应控制在9-10。一般用苛性钠来调节泥浆中的pH值。考虑到地层中有钙盐和镁盐，穿越时泥浆中烧碱和纯碱一起使用，各占50%。特别是大直径扩孔时，pH值调整到10-11，有利于地层稳定和泥浆稳定。
3砂泥系统设计
3.1泥浆设计原则是基于砂层的特性。在水平定向穿越施工过程中，主要难点有:
①砂粒间无胶结，结构松散。一旦地层平衡被打破，施工时就容易发生井塌；
②砂率大，颗粒粗，浆体在悬浮状态下难以运动；
(3)砂层一般含有地下水，在钻进过程中，由于地下水的渗入，存在泥浆被稀释的风险。泥浆一旦稀释，将无法在孔壁附近形成致密的泥饼环，孔内压力与地层压力相互沟通，泥浆无法维持孔壁稳定，塌孔风险大。
基于以上困难，泥浆设计应注意以下几个方面:
①砂层尽量使用聚合物泥浆体系，使用过程中性能稳定。通过聚合物聚合提高泥浆粘度，可以大大增强泥浆对砂粒的胶结作用，在孔壁周围迅速形成厚度小、韧性好的泥饼环，迅速建立孔内外正压差，从而对孔壁形成良好的支撑作用。
此外，聚合物浆液不易被地下水入侵稀释，更好地维护了工程安全；
②尽量使用高粘度、高屈服值的泥浆。
由于砂粒粗、比重大，泥浆本身的悬浮性能必须足以排出井外；此外，由于砂层中富含地下水，切下的岩屑中也含有大量水分，会大大稀释泥浆。
因此，在设计泥浆时，应详细查明砂层的含水量，并结合扩孔直径、扩孔级配、泥浆排量、扩孔速度等设计参数，预先估算出单位时间内进入泥浆的水量占该时间段内泵入泥浆量的比例。在地面试验过程中，要保证设计的泥浆在掺入这个比例的清水后仍有足够的悬浮性能，即在设计泥浆指标时要充分考虑水的稀释作用；
③合理控制泥浆排量，既能保证钻屑的及时清除，又能避免对孔壁的过度冲刷；另外，在拖回的过程中，可以添加润滑剂，有助于降低拖回阻力。
3.2预防措施
在砂层穿越施工中，往往缺乏真实详细的地质资料。因此，泥浆性能指标不能完全按照实验室确定的指标执行；在施工过程中，应将返出泥浆中的钻屑含量作为泥浆指标是否合格的重要依据。如果返出泥浆中的钻屑含量较低，则应继续提高粘度和静切力等主要指标，直至返出泥浆中的钻屑含量与理论值相当。
其次，由于前面引入的地下水的不利影响，泥浆在穿越砂层时受钻速的影响最为明显。钻井速度越快，相同时间内产生的钻屑越多，进入泥浆的地下水越多，泥浆的稀释越明显。
因此，在砂层钻进时，应设计好每一阶段扩孔的泥浆排量和钻进速度；在整个施工过程中，扩孔速度不应高于设计值，最好保持相同的钻进速度，以保持孔内泥浆的相对均匀。
表1是西气东输干线第二次穿越使用的泥浆参数指标。
由于地下水丰富，采用高粘度泥浆，每扩孔一级，泥浆指标都有一定程度的提高，保证了工程的顺利实施。
其中，在施工过程中，最明显的一点就是回收泥浆的粘度一般只有50 ~ 70s，不到新泥浆粘度的1/3，足以说明如何有效防止泥浆被地下水稀释是整个工程成败的关键。
参考资料:
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