低固相聚合物泥浆在复杂地层钻进中的应用

秦国江

（白山市鑫地勘察设计有限公司，吉林白山134300）

低固相聚合物泥浆在复杂地层钻进中的应用

秦国江*

（白山市鑫地勘察设计有限公司，吉林白山134300）

为了解决西川金矿钻探施工过程中坍塌地层造成钻探施工难度大事故频发的问题，经过实验室科学配制和施工现场反复实验，研究推出新一代低固相聚合物泥浆配方，解决了西川金矿复杂地层钻探施工的难题，为今后在不稳定地层钻探施工打下了良好基础。

西川金矿；低固相聚合物；羧甲基纤维素钠盐；植物胶；聚丙烯酰胺（PHP）；高效润滑剂；广谱护壁剂（GSP）

钻探是地质找矿最重要的手段之一，随着我国地质找矿的发展，钻探被广泛地应用在油田、煤炭、地热、深海、有色、建材钻井生产一线上，但在复杂地层中钻进便是矿产钻探的一道难题。在这类地层中进行钻孔施工会使其原来天然状态下相对稳定或平衡的状态岩层被破坏，常见的现象是孔壁坍塌、掉块、漏失、缩径。由此带来钻进困难，钻孔质量差，钻进效率低，钻进成本提高。严重的造成钻孔各种事故，以致造成钻孔报废。

但是通过在西川金矿地区的钻探施工，经实验室和钻探一线反复试验，配制的低固相聚合物泥浆很好解决该地区复杂地层钻进的各种问题，使钻探生产步入正轨，同时对低固相泥浆使用在其它地区得到了推广和应用。取得了良好的效果。

1　位置与自然地理

工作区隶属吉林省白山市江源区湾沟镇和临江市闹枝镇所辖。位于松花江水系的汤河与鸭绿江水系的二道沟之间。距江源区东40km。地势南东部相对较高，北西部低，最高标高955.90m，最低标高650m，相对高差255.9m，属中低山区。区内山脉呈东西向展布。溪流甚多，北侧溪流经汤河流入松花江南侧溪流经二道沟河入鸭绿江。

2　区域地质

该区大地构造位置处于中朝准地台（Ⅰ）辽东台隆（Ⅱ）太子河浑江陷褶束（Ⅲ）老岭断块（Ⅳ）与浑江上游陷褶断束（Ⅳ）2个四级构造单元衔接部附近，兴华—白头山东西向壳断裂中部。

2.1地层

区域内出露地层有：太古宙表壳岩、元古界、古生界及中生界地层。早元古界为老岭群大栗子组、珍珠门组地层，分布在四平街—冰湖沟，四道汤河—石庙岭一带，岩性主要为二云母片岩、石英绢云母片岩、白云石大理岩等。

2.2构造

老岭复背斜为区内主体构造，轴向近东西，核部为太古宙变质岩系，两翼出露不完整，仅南翼有老岭群地层分布。区域断裂构造发育，以近东西向和北东向断裂为主。东西向湾沟断裂带，为兴华—白头山天池东西向壳断裂的组成部分。北东向冰湖沟—四平街断裂带是横路岭—荒沟山—四平街“S”型构造的组成部分。

3　钻孔地质设计

（1）设计孔深：250～400m，方位角：250°，倾角：75°。

（2）测斜要求每50m测1次（其中开孔后25m测1次），井深验证每百米测1次。钻孔简易水文观测要求每3m测1次，终孔时测定终孔水位。岩芯采取率要求大于90%，矿心采取率要求大于95%。

4　钻进中的事故现象及岩层坍塌的原因分析

4.1孔壁不稳定地层因素

4.1.1碎破地层

地层破碎有风作用和地壳构造运动引起的，后者产生破碎带。

4.1.2水敏性地层

地层的孔壁遇水后，因膨胀而逐层剥落甚至缩径或因水的润湿而成块状、片状掉落等。

4.2加剧孔内地层复杂的工艺因素

（1）冲洗液上返流速，冲洗液性能和钻具环空堵水时水压增大，对地层的破坏作用。

（2）起下钻具产生的动压作用造成岩石破碎、坍塌、掉块。

（3）提钻时孔口回灌冲洗液不及时，孔内冲洗液面下降，孔内液柱压力减小，引发孔壁失稳。

（4）以上原因造成孔壁失稳、坍塌、掉块，孔内冲洗液中大量岩粉排不上来，下钻不到底，扫孔速度慢，发生憋泵无法钻进。这类岩层一般发生在孔深60～210m。ZK1401孔发生在60～120m处；ZK1402孔发生在130～210m。均在此类地层中出现憋泵，泵压升高，无法钻进等现象。严重时发生折钻杆、钻具至埋钻事故。

5　复杂地层钻进的解决方法

通过对钻孔孔壁失稳的机理进行分析，该地区的复杂地层有力学不稳定因素，也有遇水产生的化学反应等不稳定因素，解决方法应从以下方面入手：

（1）配制合理性指标的冲洗液进行护壁（全孔），由于破碎带厚度较大，所以应先调节冲洗液的比重和粘度，严格控制住抽吸现象以及冲洗液的泵送量，禁止使用性能低下的冲洗液润滑钻具，控制升降钻具的速度。

（2）选用合理的防塌材料，调整和维护好冲洗液的降失水性和胶结性，不许高压泵送冲洗液，打捞内管和提钻过程中应从孔口连续回灌冲洗液，保证冲洗液满孔，以免因为水位下降引起孔壁失稳或涌水。

（3）对于钻孔上部及事故多发岩层有效合理的方式下入套管进行隔离，较破碎地层用凝固材料使孔壁岩层增加胶结性以达到稳固孔壁的目的。

根据地层结构，钻孔设计为3层套管：Ø146mm套管宜下到9～15m，Ø127mm套管宜下到20～30m，然后配属Ø95mmB绳索取芯钻具，钻过复杂地层，提上弹卡总成。内管用Ø89mm钻杆做套管。配属Ø75mm绳索取索钻具一径到底，其中变径处进行导正。

6　复杂地层金刚石钻进中冲洗液的选用及配方

通过总结前期钻孔的施工情况和地层情况，并对该施工区的岩性和地层进行分析，首先要解决的是找到适合该地层冲洗液的比重和粘度。冲洗液的防坍性能应能满足在较大的液压下，维护断层和蚀变的粘土矿物以及粉碎型破碎层等孔壁的稳定，调整冲洗液中优质膨润土的含量，同时加入高聚物和植物胶，发挥其多点吸附加固井壁作用。为防止绳钻钻杆内壁结皮，通过现场取样到室内试验，再经过现场的配制和钻孔内实验调整，为了控制冲洗液的各种性能指标，使用了以下材料：

（1）优质的钠膨润土：要使用以蒙脱石矿物为主的粘土，矿物晶体属于层状的硅铝酸盐，矿物晶体薄片表面呈负电性，晶片重叠形成颗粒晶片间夹吸的阳离子以钠离子为主。钠膨润土分散性好，确保配制出具有较好的流变特性和失水特性及造壁性的原浆，控制泥浆比重以保证井内压力的平衡。

（2）烧碱（NaOH）∶调节膨润土的水化能力和冲洗液的pH值，同时抑制和防止可溶性岩层的溶解，保持井径规则。

（3）多效天然植物胶SD-2∶具有较强的携带各种岩屑的能力，含高分子聚合物，能迅速分散在自然水中，经过搅伴形成胶粘网状。流动性能好，吸水性强，改变泥浆的动切力和静切力，起到护壁、防塌降失水、降滤失、润滑堵漏的作用。

（4）广谱护壁剂（GSP）：有良好的抗温、抗盐、抗钙性能，主要用于抑制水敏地层的井壁水化膨胀，起到护壁、固壁、井壁修补的作用，可降低扭矩，防止粘附卡钻。

（5）水解聚丙烯酰胺（分子量1200百万）水解度20%～40%：有絮凝显著的增粘作用，PHP大分子吸附到孔壁表面和岩土孔隙和缝隙内，对孔壁有一定的胶结保护作用。由PHP处理的低固相泥浆属于不分散型泥浆。它使那些在水中能分散造浆的岩屑进入这泥浆中不能分散造浆，并被絮凝清除。

（6）羧甲基纤维素（Na-CMC）中粘度：具有优良的提粘切，降滤失能力，防塌和耐温，提高冲洗液的聚结稳定性。适用于各种类型水基钻井液体系。有一定的抗钙能力。

（7）润滑剂（皂化油）：具有润滑的作用，减少钻杆的磨损性。通过现场和实验室实验配制出冲洗液，主要性能指标如下：

密度：1.02～1.03g/cm3，漏斗粘度20～28s，表观粘度4～8mPa·S。低压失水小于等于10mL/30min，pH 值8～8.5。

膨润土4%～6%每100升泥浆中含干土粉4～6kg。

纯碱0.1%～0.2%，钠膨润土不加或少加。

多效天然植物胶SD-2 1%～3%。

广谱护壁防塌剂1%～2%。

羧甲基纤维素（Na-CMC）中粘0.2%～0.3%。

水解聚丙稀酰胺（PHP）0.05%～0.1%。

皂化油0.2%～0.3%。

7　现场配制和技术要求

在机场现场配制时，要求机长、班长、技工必须严格按照要求进行将冲洗液的配制使用情况和孔内的效果及时记录和反馈。在每次配方前首先根据搅拌桶的容积准确地计算出所需要以上材料重量。将冲洗液材料预先溶解。聚丙烯酰胺的溶解，根据现场情况一般采用沸腾煮法（水温不超过60°C和常温法2种方式）。羧甲基纤维素钠（中粘）和多效天然植物胶SD-2的溶解采用沸腾煮法进行溶解效果最好。广谱护壁防塌剂采用常温法。膨润土粉经筛网漏入水中，边加边搅，用多点连续投加方式，最后加入碱，制成原浆静置。

配制时，严格控制各种冲洗液材料的加入顺序，先取膨润土静置原浆，然后按计算好的数据加入羧甲纤维素钠（中粘）溶液，充分搅拌后，再加入聚丙稀酰胺溶液（事先溶成1%的水溶液），再加入多效天然植物胶SD-2煮沸后的溶液进行搅拌，再加入广谱护壁防塌剂进行搅拌，最后加入润滑剂（皂化油）进行搅拌，静置2h后，开始进行性能参数检测和调整，直到各项指标符合要求为止，最后再充分的搅拌静置待用。

8　总结

我们配制的低固相聚合物泥浆通过在ZK1401、ZK1402、ZK1403、ZK3201号钻孔的试用及调整，以及在西川金矿其它钻孔的成功使用。使我们更充分了解到上述钻井液助剂在西川金矿地区配合使用的比例和方法，也更加充分了解了它们各种的性能及配制的使用情况。同时也给以后钻探施工中遇到类似或者相同的复杂地层钻进提供了宝贵的经验。本次钻探施工通过运用低固相聚合物泥浆，不但解决了复杂地层无法钻进的问题，时也确保了西川金矿钻探施工的质量和工期，本次施工共完成13个钻孔，总进尺4282.06m。实践证明低固相聚合物泥浆在复杂地层钻探的施工中，将会发挥越来越重要的作用。

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1004-5716（2016）01-0077-03

2015-01-23

秦国江（1963-），男（汉族），河北昌黎人，工程师，现从事岩土工程勘察技术工作。