聚合物泥浆在复杂地层钻探施工中的应用

唐军勇

[摘要]广西某矿区岩心钻探施工。构造地层钻进施工的泥浆选配，解决了相当一部分钻孔不稳定层段钻进施工的孔壁稳定与漏浆问题，为"攻深找盲"钻探施工提供护壁、堵漏经验。

[关键词]聚合物 泥浆 护壁 复杂地层治理

[中图分类号] F407.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-8-446-1

1工程概况

本施工区在地质条件方面有两个明显的特点：一是岩石强度变化大，正常岩石在不同地段、不同钻孔甚至同一钻孔不同部位其强度都有较大的差别，给钻头选型及施工带来一定的困难；二是构造带内岩石十分破碎、松散，上下盘次级带密集发育、破碎带范围大，可达数十米，钻进过程中易造成坍孔及冲洗液漏失。前期的钻探施工中，由于使用的泥浆不适应Φ60mm金刚石钻具和地层情况，造成内管投不到位、内管打捞不上；孔内掉块、卡钻、埋钻的孔内事故。

2地层情况

区内出露的岩石较为单一，主要为燕山早期第二阶段的豆乍山花岗岩体（r52-2），岩性为中细粒小斑状黑云母花岗岩和细粒小斑状二云母花岗岩。岩石主要矿物成分为长石、石英及云母等，结构致密；正常岩石属硬质岩石，可钻性为8—10级、中等研磨性，构造破碎带内的强硅化花岗岩为坚硬类岩石，可钻性可达10—12级、中等研磨性，距地表浅部岩石稍有风化，属软—中硬类岩石，可钻性为1—6级、弱研磨性，风化厚度一般为10m-15m。

矿区内构造带较发育，构造带内岩石破碎且多有硅化现象，在带内及其上、下盘附近裂隙发育，构造带走向为北北东向至近南北向，倾向南东至东，局部倾向东，倾角较陡达70°-85°。地下水以裂隙充水为主，主要矿体位于当地侵蚀基准面以上，地形条件有利于自然排水。地质构造简单，矿体有良好的隔水层，并已初步查清矿区充水的主要因素，对钻探施工不会产生不利的影响。矿床井田涌水量预测，1280中段开采水量为116.65吨/时。故矿床充水因素简单，强度不大，水文地质条件属于简单的矿床类型。

3钻进工艺

金刚石绳索取心钻探是当代地质钻探比较先进的方法，在我国地质行业发展比较迅速，以金刚石绳索取心为主体的金刚石钻探工艺方法，已成为地质钻探三大技术之一。

金刚石绳索取心钻进相对于其它地质钻探方法来说，具有？三高、两低、一优”的特点，即钻速及钻头寿命高、纯钻进时间利用率高、岩矿心采取率高，人员劳动强度低、钻探成本低、岩矿心品质优良、结构清晰、完整度好、纯洁性高。基于金刚石绳索取心钻进的这些优点，所以在本项目中我们采取金刚石绳索取心钻进方法进行施工。

3.1孔身结构

因施工地区除构造带外地层大多较完整、钻孔均为一般勘探孔且采用金刚石钻进，所以多采用三级孔身结构：Φ91mm—Φ75mm—Φ60mm。

3.2钻具选型

F800带F700带均采用绳索取芯金刚石钻进。钻杆外径为Φ55.5mm，扩孔器为Φ60.5mm，金刚石钻头直径为Φ60mm。

3.3金刚石钻头的选型

钻进岩层为花岗岩，为硬、中研磨性局部破碎地层，采用人造金刚石锯齿和交叉钻头，金刚石浓度为100%，粒度70目，胎体硬度为HRC25—30，实际施工根据岩性进行了适当的调整。

3.4钻进参数选择

（1）钻压：P=10Fp=10*3.14/（62-42） *5.5=863.5≈864Kg；

（2）转速：n=60*v/L=60*2.5/（3.14*0.06）=796r/min；

（3）泵量：Q=6VF=6*0.4*〔3.14/4*（6.52-5.52）〕=35.5L/min。

根据以上计算结果实际施工时钻进参数选择钻压以600～900kg；转速500～1100转/分；冲洗液量30～45升/分。

4钻孔的护壁与堵漏

4.1施工中的问题

2007年施工钻孔22个，施工采用的冲洗液多为：清水+PHP+乳化油+Na-CMC的无固相泥浆。构造带钻进护壁效果差，因而有时采用水泥分段进行固结。然而由于地下水的作用，孔内水泥凝固结石率差，导致钻具扫孔到底后又重复出现垮、掉现象。反复注浆、透孔，时间、人工、材料浪费很大。

出现上述现象的原因主要是：第一，所使用的“清水+乳化油+PHP +Na-CMC+Na2O·nSiO2 ”泥浆，对于轻微破碎和漏失的地层有一定的抑制作用，由于这种泥浆的成膜性能不高，胶结性能不稳定，很难护住孔壁，因此孔内常出现掉块、垮孔。第二，水泥灌浆固结护壁，虽然有一些效果，但由于孔内垮孔段岩层系含水层，水泥浆非高压灌注，水泥浆扩散渗透距离短、岩缝中有残留泥浆，所以形成的稳定孔壁薄且水泥胶结强度不高，这就造成了钻具施工的振动，能轻易地对所形成的稳定孔壁产生破坏，导致孔内掉块、垮孔。水泥凝结强度好的地段，则由于钻进介质的软硬不匀，极易造成偏孔。

采用低固相泥浆（粘土+Na-CO3+ Na-CMC+PHP）施工，由于钻具的高速旋转，钻杆内易形成一层泥皮，阻碍内管的自由上下运动，造成内管投送不到位、打捞内管取芯困难。所以增加了起下钻次数，加大了工人的劳动强度，消耗了宝贵的正常生产时间，影响了施工工期。

4.2解决问题措施

为了针对性解决护壁、堵漏问题，我们反复查阅相关资料，在室内、生产中进行了试验，对泥浆材料、性能、护壁机理进行分析对比，最后选择了相应的造浆材料，按“植物胶 + PHP + Na-CMC + 80堵漏剂 + 磺化沥青护壁剂”配制的复合无固相泥浆进行施工，情况有了很大的改善，施工效率较已往有了明显的提高。

泥浆护壁机理：植物胶、PHP、Na-CMC，三种高分子聚合物一起合成的无固相泥浆，这些高聚物的分子具有多种吸附基的水化基，分子间通过吸附基联接成网状结构，并且众多的吸附基在孔壁表面上产生多点网膜吸附，在孔避表面上形成韧性良好的吸附膜，减慢了水对岩层的渗透速度。高聚物众多的水化基缚住了大量的自由水，降低了泥浆的失水量，从而有效地防止和减少了岩石的水化分散与膨胀，有效地防止水敏松散等不稳定地段的井壁坍塌、掉块，从而起到了护壁作用。由于PAM是长链高分子化合物，能与植物胶、Na-CMC产生多点吸附，相互形成网架结构，使泥浆粘度增高，流动阻力增大，更进一步加强了與孔壁的吸附力，渗透到岩石的裂隙中，提高了吸附膜的强度，阻止了孔内冲洗液的漏失。

泥浆配比按以下四组方案进行实验，见表2。

按上表配方配制四组泥浆，并对它们分别进行了主要技术指标测定，数据参数如下表3。

同时将四组泥浆配制于现场，取现场松散岩样分别放入泥浆中进行浸泡。方案一中样品24分钟后开始膨胀、分散、崩块，方案二、三中岩样分别在2小时47分钟、6小时25分钟后开始分化瓦解，方案四中岩样经24小时后只有些膨胀，但并没有分散解体。

按第四种方案配制的泥浆，在本矿区及另一个矿区进行实际使用，效果显著。例如在本矿区施工的ZK6-11号钻孔，设计深度为730m，钻进施工中，分别在73.60m～75.00m，127.00m～130.60m，320.5m～337.00m，510.00m～530.80m，680.20m～707.70m，均遇见到浅肉红色碎裂花岗岩构造带，最厚层接近30m，破碎，松散。使用新泥浆钻进施工后，孔内未发生掉块、垮孔现象，顺利终孔，孔深744.00米。在另一矿区，ZK37-29号钻孔，钻进到693.40m，穿过构造泥，进入破碎砂岩后，孔内出现掉块、垮孔、缩径情况，钻具在孔内蹩车，蹩泵，负荷大，施工困难。改用新泥浆进行排碴、清孔护壁，最后得以顺利施工钻进至726.60米终孔。

新泥漿在实际钻进施工中存在一些问题，在今后的生产中应避免：第一，不按规章操作，浆料不按顺序加放，搅拌时间太短，导致浆液中有小团块；第二，在孔内出现较大漏失的情况下，个别班组直接往泥浆池中加注清水；第三，新泥浆成本略高，有的机台、班组不情愿使用或搅拌时少放料；第四，不重视泥浆的维护，换浆。

5结语

复杂地层的钻进施工，除对设备、钻进参数、工艺方法、操作经验有更高的要求外，还必须要有真对性好的泥浆进行护壁。在本矿区中使用的新配制泥浆，比以往使用的泥浆护壁效果有明显提高：（1）孔内事故减少，钻杆内不再结垢泥皮；（2）携岩屑能力强，孔内干净：（3）施工中转速、钻速比以往有所提高；（4）起下钻次数比以往减少1/4，相对增加了正常钻进时间，提高了效益，降低了员工的劳动强度。这种新配制的无固相泥浆，作为小口径金刚石绳索取心钻进方法的冲洗液，能够有效地起到护壁防塌的作用，提高钻进效率。施工中遇到的问题及解决方法，为以后施工类似地层提供了参考。

参考文献

[1]刘海斌，广西沙子江矿床深部及外围铀矿普查钻探施工技术.探矿工程（岩土钻掘工程）.2011.38（4）：25-27.