炭质板岩钻探施工工艺暨冲洗液的研究与应用

黄杨

摘要：2013年4月，我公司在甘肃舟曲金矿钻探项目施工中遇到150多米的泥炭质沉积炭质板岩，该层岩心呈现破碎状，细小颗粒状，此层遇水后强度急剧下降并且伴随着缩径，掉块，剥落等现象。金刚石绳索取芯钻探工艺要求钻孔环空间隙要小，这些孔内剥落岩屑更容易导致小口径金刚石钻进过程中出现高泵压，憋车等孔内复杂情况，严重影响项目正常施工进度计划。为此针对泥炭质炭质板岩易破碎，水敏剥落，弱胶结等一系列特点，据实验室数据与现场应用效果不断进行技术改进，最终通过低失水，强抑制性钾基聚合物钻孔冲洗液的使用。结合操作上低泵压，低转速，起下钻以及打捞内管时回灌冲洗液等技术措施，提高了钻探施工进度效率。

关键词：泥炭质炭质板岩；抑制性冲洗液；钻探工艺；水敏性剥落

1.引言

2013年4月，我公司在甘肃舟曲项目钻探施工过程中遇到了巨大困难，该施工区主要以褐黄色至灰色的砂板岩、灰岩及黑色的碳质板岩为主。板岩是区域变质作用形成的岩石，是由粘土岩，粉砂岩或中酸性凝灰岩轻微变质变质作用而成的浅变质岩，具有明显板状构造，在板面上略显丝绢光泽，根据颜色类别和杂质，分为黑色炭质板岩，灰绿色钙质板岩[1]。碳质泥岩和泥炭质沉积不规律存在，此类地层普遍较软，遇水后强度下降剧烈。在经过一段时间的探索后，认识到对于复杂地层的钻探，需要钻探工艺技术与钻孔冲洗液工艺的共同配合，才能取得最优的钻探效果。为此下文主要从这两个方面进行了阐述。

2.钻进工艺措施

1、钻孔结构

此礦区，每层套管都应尽可能达到最大深度。采用PW、PQ、HQ、NQ。采用多套口径以提高成功率。

2、钻进方式

除开孔采用硬质合金钻头取芯钻进外，均采用金刚石取芯钻头。遇到特殊难取芯层位，采用半合管取芯方式捞取岩芯。

3、保证钻孔质量的技术措施

（1）控制回次进尺，钻进十分破碎的碳质板岩、炭质泥岩、泥炭质沉积层位时，应对钻进参数进行控制：控制转速，控制钻压，控制泵量。地层出现软硬突然变化时，适当减压，钻进02-05m后再逐渐加压至最佳值。

（2）周期性进行短程起下钻划眼，规整孔壁，减少缩径、掉块抱死的风险。在碳质泥岩、碳质板岩、泥炭沉积层时尽量使用底喷钻头，并调整卡簧座与钻头内胎体至近于零间隙。

（3）对于完全松散的细粒层段，回次钻进结束时可适当干钻强行挤压，保证岩心不脱落。提高采取率。

3.冲洗液护壁方案及措施

该矿区主要困难在于对含矿层炭质板岩的钻探，随着泥质成分的增加尤其以泥炭沉积层最为困难，呈现黑色颗粒状，粗颗粒水化剥落，憋泵憋车，钻进十分困难，孔内情况复杂。在这种复杂地层冲洗液的性能作用显得尤为重要。

3.1钻孔冲洗液体系选择

此地层中存在着大量的粘土矿物，孔壁粘土接触到钻孔冲洗液中的水时，即发生粘土的吸水、膨胀、分散。对于水敏性剥落地层，应尽量减少冲洗液对地层的渗水，也就是降低冲洗液的失水量及增强孔壁岩土的抗水敏性，所以粘土的抑制与分散的控制是比较关键的问题[2]。而对于相对破碎松散地层则应提高泥皮质量，提高冲洗液的护壁性能。当泥炭质炭质板岩与聚合物水溶液接触时，聚合物靠氢键或静电吸力吸附到粘土颗粒上。若聚合物的相对分子质量足够高，并具有较强的线型和合适的分子结构，则它不仅能够吸附在一个粘土颗粒上，而且还能进一步连接到相邻的粘土颗粒上，将多个粘土颗粒桥接在一起，阻止其分散，从而保持其完整性，促使孔壁稳定[3]。对于泥炭质炭质板岩的冲洗液必须具有良好的抑制性兼具良好的护壁性能，且流动性能好，泵压低，排粉携沙能力强，最终确定高聚物与钾离子互配使用即钾盐聚合物冲洗液体系，以膨润土，烧碱，碳酸钙，纤维素（CMC），降失水剂S-1，水解聚丙烯酰胺，KCl，KPHP等为主体。这些材料中，纤维素（CMC）的长链大分子可与几个粘土微粒相吸，有利于形成致密而渗透小的泥皮，使滤液更难渗透。水解聚丙烯酰胺（PHP）在冲洗液中主要起絮凝岩粉的。因为它也是一种线型高分子化合物，其长分子链上的吸附基（-CONH2）以氢键吸附的方式吸附岩粉。钾盐提供K+离子，其离子半径为266×10-6米，与粘土六方的晶格空穴尺寸（288×10-6米）刚好适应。K+离子本身水化能力弱，故嵌入粘土的晶格空穴中，使粘土不易水化分散，从而防止粘土质地层的吸水膨胀，以维持孔壁稳定[5]。

综合来看钾基聚合物钻孔冲洗液：有很强的抑制泥炭质炭质板岩岩的分散效果，具有控制地层造浆的作用并兼有降失水、改善流型及增加润滑性等功能。它能改善钻孔冲洗液的流变性并能有效地包被由于孔壁水化剥落产生的大量钻屑，抑制地层造浆，同时钾离子的存在，在一定程度上抑制了地层中泥质成分的水化和剥落，起到稳定孔壁的作用，且冲洗液性能稳定，维护相对简单，对泥炭质炭质板岩钻进具有比较理想的效果。

3.2钾盐聚合物冲洗液现场实施要点

钾基聚合物钻孔冲洗液现场实施要点，由于地层难度较大，破碎带，呈现连续颗粒状态，为此有针对性的对不同地层使用不同的钻孔冲洗液体系。具体方案如表1所示。

表土层主要是黄土与颗粒灰岩组成，灰岩以及变质程度高的碳质板岩等层段相对简单，岩层单一，使用一般低固相钻孔冲洗液即可。

施工的难点和必须保证采取率的重点，是看似完整却强度极低的含泥质成分较高的炭质板岩，使用一般钻孔冲洗液中，由于破碎炭质板岩容易掉块，容易卡钻，而泥炭质炭质板岩，强度遇水急剧下降，伴随着泥质层粉的吸水，膨胀，剥落，容易缩径，容易出现高泵压，破坏了井壁的稳定性，冲洗液的具体配置方案为：

（1）基浆

基浆由膨润土、烧碱、纯碱、适当碳酸钙组成，基浆使用前尽量水化，用完及时配制。

a、膨润土含量15%

b、烧碱使用量使基浆PH保持在9个左右

c、纯碱加量为膨润土的5%左右

d、碳酸钙加量为1%左右

（2）处理剂部分

胶液处理剂部分，可分开配置作胶液使用以便于及时补充。使用主要药剂有：腐植酸钾、沥青、聚丙烯酸钾、水解聚丙烯晴钾盐、纤维素、S-1等。配制胶液时先配易溶解的，再配难溶的。配方为：15%S-1+05%KCl+02%KPHP+1%SP+（05%x-1）+（05%EZ）其中X-1与EZ为选用，根据地层情况与体系粘度要求适当调整时使用。

3.3.冲洗液维护

由于地层中水敏性剥落层段较厚，岩粉量比平时更大。为保持孔内干净，维护冲洗液性能，必须对冲洗液进行固相控制。本项目施工过程中采用探矿工程研究所生产的除泥除砂一体机进行固相控制。此外冲洗液在使用过程中必须时刻维护，保持其性能：在钻进中如果返水，则用胶液不断向冲洗液槽内补充，补充量尽量等于消耗量，或稍大于消耗量，以便抵消清除沉砂时所消耗冲洗液。复杂地层钻进时一定要勤测冲洗液性能，一小时一次，根据变化及时调整。

4.结论

在甘肃舟曲羊里尾金矿钻探项目中遇到大量泥炭质炭质板岩，该层段随着泥质成分的变化，岩心呈现破碎颗粒状，破碎状，或看似完整强度极低，用手稍加用力，便散开，把岩心放到水中做浸泡实验，很快便水化分散，软硬互层且不规则段厚度在100-200米之间，此段岩层极为复杂，缩径，掉块，遇水强度急剧降低，剥落下来的岩粉粗颗粒较多，容易造成憋泵，憋车，一旦剥落岩粉通不过扩孔器周围狭小的环状间隙，就容易造成送水不通，泵压升高，憋泵又进一步破坏地层稳定，容易包钻卡钻，直到不能合车，造成严重钻探事故。

针对以上情况，工艺上要控制进尺，控制转速，控制泵量，起下钻以及打捞内管时要慢，并回灌钻孔冲洗液，减少抽吸作用对地层稳定性的影响。冲洗液方面，首先冲洗液必须具备强抑制性且低失水的性能，这样才能抑制泥质成分的水化分散剥落，提高孔壁的稳定性，其次要有良好的流动性，避免出现高泵压，以适当的比重实现平衡压力钻进。并且根据现场要求，冲洗液性能必须相对稳定，方便现场配置使用维护，实用性要强。最终选取了钾基聚合物钻孔冲洗液体系，结合现场操作工艺的配合使用，在泥质炭质板岩破碎段，剥落段等复杂地层，取得了比较理想的效果。并且根据具体情况还在不断的进行优化处理中。研究应用表明目前最优钻孔冲洗液为：15%NV-1+02%NaOH+1%CaCO3+1%CMC+15%S-1+05%KCl+003%KPHP+1%SP1+（05%x-1，EZ），x-1与EZ根据地层与体系要求选用。其性能参数如表2所示。

参考文献：

[1]宋青春，邱维理，张振春.地质学基础[M].高等教育出版社，2009，148-148.

[2]吴隆杰.杨风霞.冲洗液处理剂胶体化学原理[M].成都科技大学出社，1992.6-7.

[3]鄢捷年.石油大学出版社冲洗液工艺学[M].石油大學出社，200612.178-179.

[4]陈伟，李允哲，李文斌.PAB无固相冲洗液在绿泥石化破碎地层中的护壁钻进效果[J].吉林地质，2010，12.

[5]胡忠鲠等.现代化学基础[M].高等教育出版社，2006，25-25.