低固相钻井液在煤田钻探施工中的应用

张杰

（甘肃煤田地质局133队工程公司，甘肃白银730913）

低固相钻井液在煤田钻探施工中的应用

张杰

（甘肃煤田地质局133队工程公司，甘肃白银730913）

在新疆焉耆煤田塔什店勘探区的钻探施工中，存在着上覆地层坍塌严重，经常出现卡钻、埋钻事故；进入煤系后，由于煤层厚度较大，在使用煤碱剂、络制剂，Na—CMC做钻井液处理剂时，经常出现煤层部位孔壁无法维护好，多数钻孔出现煤层坍塌问题，导致无法顺利测井的问题。通过对该地区地层特性认真分析，积极吸取其他地区类似地层的施工经验，应用膨润土、纯碱NaOH、部分水解聚丙烯酰胺（PHP）、部分水解聚丙烯腈（PAN）作为钻井液处理剂，总结了一套低固相钻井液配比方案。结果表明：该种低固相钻井液具有护壁性能好，排粉能力强的特点，从而使孔内事故减少，钻探效率提高，取得了令人满意的经济效益。

复杂地层；低固相钻井液；配制；应用；新疆焉耆煤田

0概况

选用优质钻井液，是提高效率的主要途径，确保孔内安全的有效措施，降低成本的可靠保证。我们使用低固相钻井液两年多时间，曾分别与火碱剂、络制剂等钻井液进行分析对比，发现低固相钻井液最大的优点是优质、高效、安全、低耗，更重要的是能顺利钻穿复杂地层，预防孔内复杂情况的发生。

2013年以前，施工井队在新疆焉耆煤田塔什店勘探区，曾分别用煤碱剂、络制剂，Na—CMC做钻井液处理剂，虽收到一定效果，但弊端不少。主要表现在较复杂地层或700 m以上的深孔，很难顺利施工；其次是钻井效率低，孔内事故多，成本高，施工周期长。我队组织相关技术人员认真学习，研究他人经验，并结合所在地区特点，选择低固相钻井液，解决了长期以来该地区复杂地层钻进之难题，收到令人满意的效果。

1施工区地层及钻进难点

本区地层区划属南天山分区克孜勒塔格小区的西南缘，发育有元古代、古生代、中生代和新生代的地层。自下而上分述如下：元古界、古生界、中生界三迭系小泉沟群、中下侏罗统克拉苏群、中侏罗统七克台组、新生界古近系中新统—渐新统桃树园组、新近系上新统葡萄沟组、第四系下更新统西域组、中更新统乌苏群、上更新统新疆群、全新统。煤层赋存于侏罗系中统塔什店组及侏罗系下统哈满沟组。

在该勘查区内的钻进难点是：①覆盖层巨厚，上漏下坍；②钻遇绿色变质岩及不规则花岗岩和石英岩组成砾石层，砾石呈滚圆状，钻进中钻具易偏离，造成钻孔弯曲，可钻性8～9级；③部分砾石层易水化，滤失量控制不好会导致坍塌掉块而造成孔内事故；④煤层较厚，孔壁不容易维护。

2低固相钻井液的配制

针对施工区地层特性，对日常施工中常用的各种钻井液体系及各组分加量及性能进行深入研究，结合低固相钻井液对预防处理水敏性地层的缩径和破碎具有良好的效果，在配制钻井液时，我们首先要了解施工地层特点、孔深，根据具体条件，确定钻井液配方和性能标准。所选取的材料主要是：膨润土、纯碱NaOH、部分水解聚丙烯酰胺（PHP）、部分水解聚丙烯腈（PAN）。

钻井液配方和性能标准是随地层、孔内情况而定。在施工过程中随钻孔不断加深，大量岩粉侵入钻井液，钻井液性能时刻发生变化。只有及时掌握现场钻井液使用情况和地层变化，不断改变钻井液的配方和性能要求，在室内实验基础上方可批量生产。钻井液加土量有2.5%、3%、3.5%、4%和5%（质量比）。钻井液性能也随加土量大小而变，加土量2.5%～3%作为调整钻井液使用，加土量5%在特殊情况下用，并尽量避免直接向钻井液内加大量清水，杜绝大量顶换钻井液，使钻井液使用期大大延长。表1为钻井液配方及性能。

表1　钻井液配方及性能Table 1 Drilling fluid formulae and performances

在配制低固相钻井液时主要考虑：膨润土加量，PHP浓度。增大土粉量，钻井液失水量容易控制，粘度、切力大；反之加土量小，失水量不易控制，粘度较低，有利于提高钻速。通过一年多实践得出膨润土量一般控制在2.5%～4%，岩粉：膨润土为2∶1，密度在1.05～1.08 g/cm3，粘度基本保持在23 s以下，絮凝沉砂效果良好。若粘度超过25 s，钻井液性能很不稳定，沉砂效果就差。

PHP加量直接影响选择絮凝效果，同时也是配制使用好低固相钻井液的关键。在调整处理孔内钻井液时，根据钻井液性能和絮凝效果判断。钻井液受岩粉侵入程度影响，因岩粉侵入是一变量，那么PHP的消耗随岩粉絮凝多少而变化；岩粉多必然要吸附一定量的PHP，钻井液内的PHP浓度必然减少，当钻井液中一旦没有PHP，岩粉就会分散，密度，粘度迅速上升。当粘度，密度上升很高时，再加入PHP时不但选择性絮凝效果差，密度降不下来，而且粘度无限上升，所以要经常不断地向钻井液中补充PHP溶液。我们经过大量的实验测定：只要钻井液槽内有大量的絮凝沉淀物，粘度在23 s以内，密度在1.1 g/cm3以下就可加入PHP。另外，测定钻井液中的PHP浓度，可采用在钻井液中加入细岩粉搅拌静放测定容器内钻井液上下密度差，间接判断钻井液PHP的浓度。若上下密度差大，说明钻井液中有PHP，加入的岩粉被絮凝沉淀了；反之PHP量不够，应及时补充。总之，钻井液内要保持适量的PHP量，能在有效地控制密度前提下，稍高一些为好，以利絮凝岩粉、维护和强化孔壁。

3应用

2013年以来，我们用低固相钻井液完孔32个，进尺15000 m左右，其中700 m以上深孔4个。各项经济指标均达到标准，特别是孔内事故率（塔什店勘探区，2012年事故率为10.7%，2013年使用低固相钻井液孔内事故率只有4%）明显降低。从而说明该钻井液比分散体系的煤碱剂、络制剂、Na—CMC等处理钻井液更为优越。在施工中，我们发现，低固相钻井液有两个显著特点：

（1）护壁性能好，排粉能力强。因低固相钻井液加入PHP，而PHP主键又是强有利的碳键结构，故性能十分稳定，并经得起清水稀释，失水量低，泥皮薄，致密坚韧，特别有高分子滤液渗透到孔壁中，增强了护壁能力，井径规则，孔内安全，上下钻具顺利，基本消除坍塌，掉块，缩径现象。

如南2-2号孔，孔深693.21 m时，将128 m钻具连同提引器掉入孔内。处理提引器12 d后，钻具对上头，连根拔起。

又如2-5、3-4两孔，断管子、脱扣54次之多，基本打捞成功。特别是2-5号孔，在530 m处有一层胶结很差，遇水就溶的砂砾岩（俗称“豆腐渣”）。在钻到该层位时，出现2回次钻具差3 m不到底，通过调整钻井液性能，加大PAN、PHP量，提高粘度、切力，顺利通过该层，直至849.91 m终孔，再未发现钻具不到底现象。终孔等电测2 d，钻具仍然一下到底，电测16 h，从未遇阻。而在相隔400 m的2-4号孔（2011年施工），使用普通钻井液，在同层位因孔内坍塌，无法施工，未达地质目的，被迫终孔，从而说明低固相钻井液护壁，防坍塌效果确实不错。

（2）提高钻进效率，减少孔内事故。低固相钻井液粘度低，密度低，固相含量少，润滑性能好；钻具回转阻力小，有利提高转数，钻压全部传达到孔底，增加了切削功，有利提高钻进效率。同类地层，两种钻井液，效果大不一样，使用低固相钻井液效率成倍提高，创同类地区最好水平，使用普通钻井液，效率低，事故多（表2）。

2013年我队使用低固相钻井液以来，孔内事故由2012年的10.7%降低到4%。1号（XY-5）钻机全年完成钻孔7个，进尺3024.72 m，孔内事故率为0.5%。2号（XY-5）钻机完孔8个，进尺3206.24 m，孔内事故率1.1%。3号（XY-5）钻机完孔5个，进尺2828.40 m，孔内事故率为1.5%。

表2　不同钻井液应用情况对比Table 2 Comparison of different drilling fluid applied conditions

以上数据表明，优质的钻井液是提高效率，保证孔内安全，减少孔内事故的可靠保证。

4存在问题及建议

4.1存在问题

该套低固相钻井液体系的最大问题是钻井液密度太低，对于岩粉颗粒较大的流砂、胶结太差的砾石具有较大的局限性，因为较低的钻井液密度对此种地层所产生的粗大岩粉颗粒排出比较乏力。所以在这些地层中施工时，必须增加的土粉的加量，调整钻井液密度已达到顺利排出岩粉的效果。

4.2建议

在使用该套钻井液体系时，岩粉的清理是该钻井液体系使用的关键，因为低固相钻井液中利用PHP、絮凝岩粉，使其成为不分散状态，这仅仅是为净化钻井液提供一个条件，而岩粉是否能被清除掉还是靠地面净化设施。如果净化不良，絮凝物重新进入孔内重新分散，钻井液的密度就无法控制。所以，在使用低固相钻井液时建议配备旋流除砂器和加长槽、大池絮凝沉淀岩粉。一方面节约钻井液用量，减少水泵易损件的磨损，更主要是稳定钻井液性能。

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Application of Low Solid Drilling Fluid in Coalfield Drilling

Zhang Jie
（No.133 Engineering Company，Gansu Bureau of Coal Geological Exploration，Baiyin，Gansu 730913）

During the borehole drilling in Tashidian exploration area，Yanqi coalfield，Xinjiang，the severe collapse of overlying strata can cause drill rod sticking and burying very often.While in coal measures，since in the thick coal seams should use coal-alkali reagent，complexes and Na—CMC as drilling fluid finishing agents，often occurring borehole wall in coal seam part cannot be well maintained，most boreholes have coal seam collapses and caused smooth logging unable.Through detailed analysis of strata in the area，actively learning experiences from similar strata in other areas，using bentonite，Na2CO3，NaOH，partial hydrolysis PHP and partial hydrolysis PAN as drilling fluid finishing agents and summarized a set of low solid drilling fluid proportioning scheme.The result has shown that this low solid drilling fluid has good wall protecting performance，and strong cuttings discharging capacity，accordingly reduced drilling accidents，improved drilling efficiency and archived satisfactory economic benefits.

complex strata；low solid drilling fluid；proportioning；application；Yanqi coalfield，Xinjiang

P634.6

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.15

1674-1803（2016）09-0070-03

张杰（1968—），男，河南荥阳人，高级工程师，从事钻探技术研究与工程项目管理工作。

2016-03-19

责任编辑：樊小舟