冻土层用冲洗液体系在玉树多彩乡查涌矿区钻探施应用

2015-12-11鲁生彪严志财胡国军董升普纪卫军

地质装备 2015年3期

鲁生彪，严志财，胡国军，董升普，纪卫军

（1.青海齐鑫地质矿产勘查股份有限公司，青海 810003；2.北京探矿工程研究所，北京 100083）

查涌工区位于青海省南部玉树藏族自治州治多县，行政区划隶属于青海省治多县多彩乡管辖，距西宁市约1065km，距尕龙格玛西矿区约15km，治多县至多彩乡有三级公路相通（19km），多彩乡至工作区南有简易公路相连，交通尚属便利。

工区地势西南高、北东低，海拔一般为4500～5200m，高差一般500m左右，接近现代雪线，属侵蚀高山亚区，因此工区冻土层发育丰富。区内水系发育，主要为查涌、日啊日曲等，属长江水系。年最高气温24℃，最低气温－30℃，年均气温0℃以下，昼夜温差大，冰冻期长；全年除六至八月份外，基本都为冰冻期。

工区人口稀少，世居民族为藏族，常年以放牧为生，随草逐流的游牧生活，无农业生产和工矿企业，社会经济比较落后，生产和生活物资大多由西宁运抵。野外生产生活用电须自备燃油发电机，通讯需配备无线电台或卫星电话。

1 地质概况

工作区位于通天河印支期铜、铅、锌成矿亚带。区内出露地层主要为三叠世巴塘群碎屑岩段，第三纪曲果组；岩性以石英砂岩、粉砂岩、粉砂质板岩、泥质板岩、灰岩为主；工作区内岩浆岩多为燕山期石英闪长岩，与其北部巴塘群碎屑岩段呈断层接触关系。此外，辉长岩脉广泛出露；区内以北西向断裂构造为主，其次级的近东西向的构造与成矿关系密切。

2 钻探施工中存在的施工难题

工区平均海拔在4500m以上，由于受强烈的地质构造作用，断裂和节理裂隙十分发育，岩层破碎严重，地表裸露部分多为强风化层，呈沙粒及碎石状。地层软硬不均，岩层变化极快，多数钻孔存在冻土层。施工极为困难，主要遇到的问题如下：

（1）岩层破碎严重，断裂和节理裂隙十分发育，容易发生掉块、坍塌、漏失等情况，地层破碎情况见图1。

图1 地表裸露的地层情况及取出的破碎地层岩心

（2）多数钻孔存在冻土层，且室外平均气温较低，冲洗液特别容易冻结，之前采用普通冲洗液体系施工冻土层时，经常发生冻卡现象；冻土层地层软硬不均，变层极快，并且其受温度影响较大，当冲洗液温度较高时，冲洗液与冻土层之间的热交换相对较快，冻土层中的冰层容易融化，导致取心率较低，同时上覆岩层失去支撑后容易发生掉块、坍塌等不稳定现象。

以上问题要求钻探过程中使用的冲洗液首先能够耐低温，即在较低的温度下依然能够保持良好的流变性能；其次需要具备很好的防塌性能，能够满足破碎地层防塌护壁的需要。

3 冻土层冲洗液体系的组成及性能

3.1 体系材料组成及主要作用

针对以上问题项目组设计了一种冰点为－19℃的抗低温冲洗液体系，该体系能够在低温环境下保持良好的流变性能，同时具有很强的防塌护壁性能，其材料组成及主要作用如下：

（1）复合盐水：由无机盐和有机盐组成，其作用：①降低冲洗液冰点；②提高冲洗液密度，能够对孔壁起到支撑作用，达到维护孔壁稳定的效果；③提高冲洗液体系的抑制性，抑制泥页岩、风化层、泥质胶结物等水敏性较强的岩层的水化分散。

（2）钠膨润土：造浆材料，具有造浆和胶结孔壁的作用。

（3）包被剂（BBJ）：提高体系抑制性，具有包被和适度絮凝作用。

（4）增黏剂（GTQ）：抗盐效果好，具有提高黏切、降低失水的作用。

（5）降失水剂（CMS）：淀粉类降失水剂，具有降低失水的作用。

（6）防塌减阻剂（GFT）：乳液状沥青防塌材料，抗盐效果好，降低失水，能够通过封堵和粘接起到防塌护壁的作用。

（7）极压润滑剂（GLUB）：提高体系润滑性能，对冲洗液其他性能无影响。

3.2 体系配方

20%复合盐水＋3.5%钠膨润土＋0.2%BBJ＋0.6%GTQ＋0.7%CMS＋1.5%GFT＋1.5%GLUB

3.3 体系性能

体系性能见表1。

表1 优化配方常规性能

4 现场应用情况

2014年5月18日开始，先后在查涌工区的四个钻孔zk1－2、zk4－1、zk10－1、zk8－1进行冻土层冲洗液体系现场试验，具体情况如下：

4.1 设备概况及孔身结构

钻机主要使用XY—44钻机，泥浆泵为BW—250型，现场配有1m3搅拌机。钻孔设计孔深分别为500m、300m、300m、580m，均以φ127口径开孔，φ75口径终孔。

4.2 冲洗液配制及维护

开孔一般采用细分散膨润土体系，下完表层套管后更换为冻土层用冲洗液体系，具体配方如下：

20%复合盐水＋3%～4%钠膨润土＋0.5%～0.7%增黏剂＋0.6%～0.8%降失水剂＋1%～2%高效防塌剂＋0.1%～0.3%包被剂＋1.5%极压润滑剂。

配制方法：在泥浆搅拌机中放入清水，然后加入复合盐搅拌2～5min，待其充分溶解后加入膨润土搅拌5～10min，然后按照配方顺序依次加入抗盐共聚物、降失水剂、高效防塌剂搅拌5～10min，然后再加入包被剂、润滑剂搅拌10～20min后即可使用。

冲洗液性能：漏斗黏度19～30s；比重1.18～1.25g／cm3；API滤失量5～10mL；泥皮≤0.5mm，有韧性；pH值8。

冲洗液维护方法：

（1）前期换浆时严格按配方配制冲洗液，在冲洗液循环使用中，需经常测试冲洗液性能。补浆时可根据性能，参考配方，结合各处理剂作用调整冲洗液性能。

（2）由于现场机台没有配固控设备，所以需要人工及时清理沉淀坑中的岩粉，如果清理不及时，岩粉混入冲洗液中容易造成冲洗液黏度上升、固相含量升高、钻杆内壁结垢等问题，这时就需采用排出部分旧浆、补充新浆的办法来调整冲洗液性能。

4.3 冲洗液应用情况统计

冲洗液应用情况统计见表2。

表2 冲洗液应用情况统计表

4.4 应用效果

截止目前，查涌工区采用冻土层用冲洗液体系共完成钻探工作量1695.99m，取得了很好的效果，具体表现如下：

（1）该体系冰点较低（－19℃），能够在很低的温度下保持很好的流动性能。工区整体气候环境恶劣，经常下雨下雪，夜间温度较低，约－10～20℃，以往在此施工钻遇冻土层时，取心时必须非常小心，需要把钻具提离冻层后再下打捞器打捞岩心，取完芯后再下钻扫冰，即使这样也发生多次冻卡事故。本次试验的四个钻孔皆钻遇冻土层，其中ZK1－2位于孔深161.00～188.50m之间，ZK4－1位于孔深178.80～239.50m 之间，zk10－2位于孔深126～148m之间，zk10－2位于孔深136～158m之间，但是冲洗液依旧可以保持很好的流动性，取心时可以把钻具直接放在井底，取完心后无需扫孔即可进尺生产，不仅节省了扫孔的时间，同时也降低了冻卡的风险。

（2）具有很好的护壁性能。该体系失水量较低，在孔壁上能够形成薄韧的泥皮，防塌性能优越，所以护壁效果好。查涌工区地质条件复杂，破碎地层较多。以往在此施工时使用的水＋钠土＋植物胶＋羧甲基纤维素＋腐植酸钾＋聚丙烯酰胺＋NaCl体系，冲洗液静止时经常发生水土分离现象，胶体稳定率较低，所以护壁效果较差，施工中经常发生掉块现象，并有四次引起了卡钻事故，2014年使用冻土层用冲洗液体系后，很少有掉块现象发生，起下钻非常畅通。

（3）护心效果好，提高了取心率和取心效果。以往在此施工，平均取心率80%，冻层取心率只有40%，并且取上来的岩心有明显的融化痕迹，直径比正常岩心小一圈，本年度使用冻土层用冲洗液体系后，平均取心率达92%，冻层取心率88%，取上来的岩心非常完整，无融化痕迹。

（4）降低了事故率，提高了钻探经济效益。由于使用了低温冲洗液体系，孔壁稳定性较好，事故率较以往大幅下降。

（5）润滑效果好，钻具磨损小。在孔深200m后，加入了油基润滑剂GLUB，钻机扭矩明显下降，配电箱电流从50A下降到43A，效果非常显著。