深部找矿复杂地层钻探冲洗液的研制

吴景华，谢俊革

（长春工程学院，长春130021）

0 引言

目前，随着资源勘探深度的增加和危机矿山深部找矿的工作量加大，经常遇到复杂地层。复杂地层存在4大难题：护壁、堵漏、取心、涌水。钻进复杂地层时，如措施不当，往往会造成孔内事故多，钻进效率低，钻孔质量差，钻进成本高。所以需要研制出性能更优良的冲洗液，并解决：（1）孔壁失稳，护壁困难；（2）回转阻力大，动力和材料消耗大，孔内事故多；（3）钻进效率低，成本高；（4）随着孔深增加，温度升高等问题。因此必须研制具有良好的护壁堵漏性能、能防止钻具结垢、具有良好的携带岩粉、清洗孔底和冷却钻头以及胶凝时间可控且抗一定温度的冲洗液。

1 深部找矿对可控护壁冲洗液的要求

1.1 深部地层特点

深部地层多为复杂地层，复杂地层的护壁堵漏是长期以来岩心钻探中存在的困难问题。复杂地层，也有的称它为难钻地层，广义的是从钻进、护孔、取心、孔斜等角度来说的。若单从钻孔冲洗和护孔角度来考虑，复杂地层则是指钻进时产生不同程度的钻孔坍塌、掉块、漏失、涌水或井喷、膨胀缩径等复杂情况的地层。钻进复杂地层时，如措施不当，往往会造成孔内事故多，钻进效率低，钻孔质量差，钻进成本高。甚至达到不能继续钻进和造成钻孔报废的严重后果。因此，必须认真研究与分析产生复杂情况的原因和复杂地层的特点，采取必要的测试手段，具体确定复杂地层的部位、复杂程度等地质要求以便顺利地完成深部找矿钻探任务。

1.2 深部找矿钻探工艺特点

（1）钻孔结构复杂。深孔钻探，由于钻遇的地层种类较多，地层相对复杂，因此，一般采取多级孔径设计，开孔及上部孔径加大。钻孔直径的增大会造成地层侧压力的增加，对于松散破碎且倾角陡斜的地层，孔壁的稳定性变差，不稳定的岩石就会向孔内滑落和坍塌，造成孔内坍塌掉块事故。

（2）深部找矿钻探技术最主要的特点是孔壁间隙小，应采用较低黏度和切力的冲洗液。

（3）深孔钻探，高转速，需要冲洗液有润滑性，同时还要求冲洗液中固相含量少，以防钻杆内壁结皮。

（4）护壁堵漏难。进行深部找矿钻探，区内大多裂隙发育，地层破碎，几乎所有的钻孔都要穿过断层和破碎带。硬、脆、碎、酥、漏是多数矿区地层的特点。多数钻孔是漏失、坍塌、掉块并存，多层位坍塌、掉块，给护壁带来困难，大量漏失又使冲洗液护壁难度加大，尤其是深孔、斜孔，施工周期长，地层被钻穿后裸露时间长，易造成孔壁失稳，护壁堵漏就更加困难。

（5）钻探效率低。

（6）防斜治斜难。

（7）操作难度大。

1.3 深部找矿对冲洗液的要求

对于复杂地层中所用冲洗液，常用低固相不分散泥浆，但因为泥浆护壁存在缺陷，常导致孔内事故，现以无固相冲洗液为主，复杂地层对无固相冲洗液的要求从性能上考虑要求其黏度低、低切力、浸泡岩样不散等，这样它的护壁防塌效果就好，如果冲洗液在一定时间里会絮凝，还可堵漏一些细小裂隙。

（1）冲洗液的流变性要求

冲洗液应有很低的黏度和切力，以减少冲洗液在孔壁间隙内上返的流动阻力，并有利于细小岩粉的沉降和清除。本次课题研制的无固相冲洗液的漏斗黏度要求在20～30s之间。

（2）冲洗液的失水量要求

冲洗液的失水性对钻井的有利影响是：初失水可以湿润岩土，使其强度降低，有利于钻头对其破碎，提高钻进速度。孔内冲洗液滤失过程控制不当，必然要产生失水量过大的问题。冲洗液循环时，失水量过大对于一些遇水易膨胀的地层容易形成钻孔扩大或缩小，会造成卡钻、钻杆折断等孔内事故。对于砂砾层、岩石破碎层等地层，滤液渗入钻孔周围地层，会破坏地层的原始平衡，加剧了孔壁的不稳定性，因此冲洗液的失水量是越小越好。

（3）冲洗液在高温下时间可控的要求

按照深部找矿钻孔深度估算，冲洗液应能抗80～90℃的温度而性能不变，冲洗液的漏斗黏度在20～30s之间，浸泡岩样不散，冲洗液胶凝时间可控，温度越高，冲洗液的胶凝时间越短。

2 深部找矿可控护壁冲洗液的研制

2.1 可控护壁冲洗液配方初选

根据冲洗液研制程序与经验，结合深部找矿地层和工艺特点，以及对冲洗液性能要求，拟选如下产品作为初选配方产品。

（1）羧甲基纤维素钠

羧甲基纤维素钠作为冲洗液的主要成分之一，主要起防坍塌的作用，附带增黏的作用，具有黏合、增稠、增强、乳化、保水、悬浮等作用。

（2）80A51

产品具有有效地调节流型，良好的抗污染性和抗温性，可以显著地改善冲洗液的触变性和携屑能力。

（3）氯化铁

氯化铁主要是交联作用，交联冲洗液中的80A51。

（4）水玻璃

水玻璃在冲洗液中起护壁防坍及胶凝的作用。水玻璃溶液加入酸和铵盐等，会引起片状二氧化硅微粒链接成网状结构，形成不流动的冻胶体，可用于堵漏。

（5）硫酸铵

硫酸铵可作为絮凝剂，起絮凝作用，主要与冲洗液中的水玻璃发生反应，使冲洗液胶凝。

初选配方组成是：羧甲基纤维素钠，80A51，氯化铁，水玻璃，硫酸铵。

2.2 可控护壁冲洗液正交试验及结果分析

2.2.1 可控护壁冲洗液的正交试验

初选配方采用“五因素、四水平”的L16（45）正交试验方法（见表1），试验温度在80℃条件下进行。

表1 初选配方材料及加量

初选配方正交试验表见表2。

表2 正交试验表

2.2.2 正交试验结果分析

冲洗液性能评价指标主要从岩样浸泡、失水量、漏斗黏度综合考虑，考虑具体原则有以下2点：（1）冲洗液岩样浸泡未散的情况下，主要看冲洗液的漏斗黏度和失水量这2个指标；（2）漏斗黏度在20～30s之间，主要以失水量为冲洗液性能评价指标，理论上冲洗液的失水量越小冲洗液越好。正交试验结果及性能指标分析见表3。

表3 冲洗液的正交试验及其试验结果

综合考虑在黏度合适情况下，失水量优先，最终确定优选配方为配方，见表4。

表4 优选配方

2.3 各组分的加量对冲洗液性能指标的影响

在5种组分中，调整一种组分的加量，进行实验研究，以分析该组分对冲洗液主要性能的影响，以便对冲洗液性能进行调整。具体如图1～5。

从图1可得出结论，随着羧甲基纤维素钠的加量增加，冲洗液的失水量先下降后上升然后再下降，说明羧甲基纤维素钠的加量对冲洗液失水量的影响较大，因羧甲基纤维素钠有增黏的作用，所以羧甲基纤维素钠的用量不宜过大，需要根据实际需要添加羧甲基纤维素钠的用量。

图1 80℃时羧甲基纤维素钠的加量对冲洗液失水量的影响

图2 80℃时80A51的加量对冲洗液失水量的影响

从图2可得出结论，随着80A51加量的增加，冲洗液的失水量逐渐变小。

图3 80℃时氯化铁的加量对冲洗液失水量的影响

从图3可得出结论，氯化铁的加量逐渐增大时，冲洗液的失水量逐渐变大，当冲洗液的加量达到0.2%时，冲洗液的失水量较大，氯化铁加量继续增大时，冲洗液的失水量逐渐变小，但氯化铁的加量不能超过0.5%，超过0.5%的加量后会过度交联。

图4 80℃时水玻璃的加量对冲洗液失水量的影响

从图4可以看出，随着水玻璃加量的增加，冲洗液的失水量逐渐变小，但失水量变小的范围不大，说明水玻璃的加量对冲洗液失水量的影响较小。

图5 80℃时硫酸铵加量对冲洗液胶凝时间的影响

从图5中可得出，当硫酸铵的加量逐渐增大时，冲洗液的胶凝时间缩短。冲洗液的胶凝时间不仅与硫酸铵的加量有很大关系，且与温度也有关，当温度升高时，冲洗液的胶凝时间会继续缩短，在实际工程应用中，可以根据实际需要添加硫酸铵的加量。

2.4 可控护壁冲洗液优选配方性能的测定

在优选配方和80℃温度下，研制的深部找矿复杂地层钻探冲洗液主要性能参数见表5。

表5 优选配方80℃高温条件下的性能指标

3 结语

随着深部找矿工作量的加大，孔越来越深，温度升高，地层越来越复杂，针对这些特点，通过大量实验，最终确定了冲洗液的最终配方：0.2%羧甲基纤维素钠＋0.2%80A51＋0.01%氯化铁＋12%水玻璃＋0.8%硫酸铵。

此冲洗液在80℃高温条件下有如下优点：（1）冲洗液具有低黏度，低切力，泵压阻力小，有利于保护孔壁的优点；（2）长期浸泡岩样不散，具有较好的护壁防塌性；（3）此冲洗液胶凝时间可控，能堵漏地层中细小裂隙；（4）冲洗液具有较好的流变性，紊流减阻；（5）冲洗液的材料易采购，配制简单，环保，成本较低；（6）此冲洗液能满足3 000m深孔钻进，具有良好的发展前景。

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