深部钻探泥浆护壁技术研究与应用

蔡正水，朱恒银

（安徽省地质矿产勘查局313地质队， 安徽六安 237010）

深部钻探泥浆护壁技术研究与应用

蔡正水，朱恒银

（安徽省地质矿产勘查局313地质队， 安徽六安 237010）

随着深部钻探工作的深入开展，孔内施工条件空前复杂，有了更多的不可预见性，施工风险大幅度增加。钻孔孔壁的稳定成了工作的重中之重。因此，各个施工单位和机台都把泥浆的使用和维护，作为施工的重要内容去抓。本文从钻遇不同的地层着手，探讨泥浆在各种地层情况下的配比、使用、维护和废浆处理。

泥浆体系；不同地层；泥浆性能；使用和维护

0　引言

泥浆与护壁技术的优劣是深部钻探成败的关键之一。近年来，我们根据深部钻探及科学钻探需要，针对不同岩矿层、钻孔类型、孔深和口径开展了泥浆与护壁技术研究，并取得可喜的成果。本文着重介绍其研究与应用情况。

1　不同地层的泥浆体系及应用效果

1.1松散软地层

松散软地层主要为黏土、淤泥、砂、砂砾石、砾卵石、泥岩、灰岩等。这类地层用泥浆护壁主要是增加孔壁地层颗粒之间的胶结力和孔壁地层的抑制性（黏土、淤泥层）。关键措施是选择细分散泥浆体系，通过增加泥浆中的黏土含量，加入有机或无机增黏剂等方法来提高泥浆黏度。体系中除黏土、Na2CO3和水外，往往加入提黏剂、降失水剂和稀释剂（或抑制剂）。

该泥浆体系的配方：膨润土10%～15%+CMC0.1%～0.5%（可选择低黏、中黏或高黏）+KHm（腐殖酸钾）2%～4%（或NaHm）。主要性能指标：密度1.10～1.15g/ c m3，黏度2 5～4 0 s，滤失量≤15ml/30min。

该泥浆体系曾用于安徽霍邱和阜阳地区铁矿区第四系覆盖层（厚200～ 600m）、上海市地面沉降监测标孔、三维地质取样孔（第四系黏土及粉砂质黏土、砂砾层厚300～400m）、北京市地面沉降监测标孔、三维地质取样孔（第四系黏土、砂、砾卵石层最高厚950m）以及环境科学钻探，解决了孔壁缩径、超径、坍塌问题，完全满足松散软地层护壁要求。应用地区的主要地层如表1所示。

表1　应用地区的主要地层Table 1 Major strata in the applied area

经验表明，用于松散软地层的细分散CMC+KHm（或NaHm）泥浆可在钻进过程中自然造浆，对第四纪地层的护壁和抑制孔壁膨胀性能较好。但泥浆抗侵污能力差，性能不够稳定，应针对不同类型的侵污特点对症添加抗侵处理剂，加强泥浆的地表净化（除泥、除砂），控制含砂量。

1.2水敏性地层

水敏性地层包括吸水膨胀（以蒙脱石为主的泥页岩）、吸水分散（蚀变凝灰岩、蚀变粗安斑岩、高岭土化、滑云母化岩石、泥质砂岩）和吸水剥落（泥质板岩、砂质页岩、石英石墨片岩）三类地层。水敏性地层主要选用高抑制性泥浆体系。主要措施是降低泥浆的滤失量，避免大量自由水进入地层；添加K+或NH4

+等成分，利用高分子聚合物的吸附、分子链交联及包被作用，提高泥浆的抑制性能；加入沥青类处理剂，对孔壁上的裂隙及毛细管道具封堵作用。

钾基高分子抑制性泥浆体系的配方：1 m3水+4 0 k g钠膨润土+40kg氯化钾+3kg聚丙烯酰胺+5kgCMC+10kg改性沥青+5kgGLUB（润滑剂）。主要性能指标：密度1.05～1.10g/cm3，黏度22～25s，滤失量≦14ml/30min，泥皮厚1mm，相对膨胀降低率80%，润滑系数0.22。

该泥浆体系中采用KCl、KOH或KHm等作为处理剂，提供K+离子，一是通过离子交换使K+进入蒙脱石晶层形成伊利石结构；二是因K+离子直径与黏土六方晶格大小相符，离子交换后起晶格固定封闭作用。同时体系中加入的高分子聚合物吸附于孔壁表面，形成高分子吸附膜封闭地层微裂隙及层理，增强胶结强度，减少地层膨胀性，增强泥浆体系对地层抑制能力和孔壁的润滑性能。

该体系泥浆在安徽寿县正阳关铁矿异常验证ZK01、ZK04孔和安徽明光苏巷石盐钾盐矿异常查证ZK012孔中应用，平均钻孔深度1717m，最深达2001m，累计钻探工作量5153m。钻孔主要穿过地层见表2所示。

表2　钻孔主要穿过地层Table 2 Major drilled strata

在上述钻孔中的使用结果表明，钾基高分子抑制性泥浆对水敏性地层具有较强的抑制作用，钻进过程中自造浆能力减弱，流变性较好，携带岩粉、悬浮岩粉能力较强，钻孔孔壁较完整，超径、缩径现象不明显。同时有良好的抗侵污能力，减少了孔内事故，平均岩芯采取率达90%以上。寿县正阳关ZK01孔和ZK04孔均采用H、N系列口径绳索取心钻进，内管起下顺利，满足了水敏性地层绳索取心钻进对泥浆性能的要求。

1.3破碎及压力地层

破碎地层是指在地质成因、构造运动及风化、地下水侵蚀等作用下形成的断层、破碎带及岩石节理、片理、裂隙发育的地层。破碎地层往往松散不稳定、胶结性差、强度低，而且其中常夹有压力地层。地层深部的岩石在未被钻开前其受到的上覆岩层压力、水平地应力及孔隙压力处于平衡状态；钻开后原有平衡被破坏，应力释放或重新分布造成孔壁失稳（孔壁缩径、坍塌或破裂），这类地层称为压力地层。在钻进过程中，泥浆的冲刷和动压力作用将加剧孔壁不稳定。这类地层应采用压力平衡（亦称平衡地压）钻进，通过调节泥浆密度使钻进中钻孔环空外压力始终等于或接近于地层孔隙压力，而又不超过地层压裂（压漏）压力极限，使之保持一定的平衡关系。压力平衡钻进的数学表达式：

式中：PD、PH、PK分别代表地层压裂压力、环空压力和地层孔隙压力。

表3　聚合物加重泥浆体系性能参数Table 3 Polyester strengthening slurry system performance parameters

用于破碎地层的高分子聚合物低固相泥浆体系配方：1m3水+50kg钠膨润土+2kgCMC+1kgPHP+2kg皂化油（或GLUB）。主要性能指标：密度1.05g/cm3，黏度20～25s，滤失量≦14ml/30min，泥皮厚0.5mm，润滑系数0.21。

如果所钻破碎地层的地层压力不明显，一般采用密度1.05～1.10的高分子聚合物泥浆即可达到护壁要求。在安徽霍邱铁矿深部钻探试验ZK1725孔、华东庐枞盆地科学钻探选址预研究LZSD-1孔和华南于都-赣县矿集区科学钻探选址预研究NLSD-1孔破碎带孔段使用的低固相高分子聚合物泥浆，完全满足护壁和绳索取心钻进要求。

四川汶川地震断裂带科学钻探WFSD-3孔布置在龙门山断裂上，钻遇的地层主要为：侏罗系粉砂岩含砾砂岩、泥岩互层，三叠系岩屑砂岩、碳质页岩或煤线、泥灰岩、煤层、断层泥等。该地层经过历史上多次强烈地震，全孔破碎地层占80%以上，地层应力很大，钻孔缩径、坍塌严重并伴有涌水漏失等罕见复杂情况。采用压力平衡钻进技术，以高黏度、高密度、高分子聚合物加重泥浆来解决该类破碎地层的孔壁失稳问题。聚合物加重泥浆体系配方：1m3水+8%～10%膨润土+5%纯碱（膨润土重量）+0.5%～0.8%CMC+1%NH4-HPAN+2%SAS+0.5% K-PAM +1% KHm+ BaSO4（根据地层情况计算加量）+1%GLUB。性能参数见表3所示。

重泥浆体系的最大特点是滤失量低、密度高、流变性好，对强破碎地层具有良好的护壁和保护岩芯性能。在汶川地震科学钻探WFSD-3孔复杂地层中平衡地应力钻进取得了非常满意的效果，取出的岩芯如图1、图2所示。

若地层孔隙压力低（如钻孔漏失、地下水位较低）可采用低密度泥浆，如充气泥浆或可循环微泡沫泥浆等进行压力平衡钻进。

图1　破碎松散岩芯Fig. 1 Broken loose core

图2　强膨胀黏滞性岩芯Fig. 2 Strongly expansive viscous core

1.4易溶性地层

易溶性地层主要为遇水溶蚀的盐膏层、芒硝、钾盐、岩盐等，极易造成钻孔超径、地层剥落、坍塌现象。这类地层护壁主要从降失水、降低泥浆对地层的溶蚀性两方面入手。在泥浆中加入与被溶物相同的物质使其达到饱和，可有效抑制其溶解。

在广东东莞中堂盐矿及广东龙归盐矿两矿区施工的10口探采结合食盐井采用的饱和盐水聚合物泥浆体系配方：1m3饱和盐水（NaCl 加量至饱和程度，测滤液波美度为25～26度）+5%膨润土+0.4% Na2CO3+0.2%CMC+3%～5% SMC +0.5% K-PAM+1%KHm+2% KCl+1% Na2SO4。性能指标：密度1.05～1.10g/cm3；黏度25s；滤失量15ml/30min；泥皮厚1mm。

广东两盐矿区的应用表明：在现场采用盐矿山卤水加适量工业盐配置饱和盐水（波美度25～26度）的抗盐、抗钙能力强，对岩盐、膏盐、芒硝层的抑制性好，滤失量低，泥皮质量较好，孔壁超径现象不明显，所取的盐矿心基本不溶蚀，完全满足易溶性地层护壁及钻进要求。

1.5较完整微裂隙地层

深部钻探一般都下入套管隔离复杂地层。钻进较完整微裂隙地层时钻孔的润滑条件、泥浆携带岩粉和悬浮岩粉的能力成为主要问题，而泥浆护壁变为次要问题。钻进较完整微裂隙地层常用的高分子低固相泥浆体系和无固相泥浆体系的典型配方性能参数见表4。

该泥浆体系润滑性能好，悬浮及携带岩粉能力强（孔内断钻杆后处理数十小时未出现埋钻现象），绳索取心钻杆内壁结垢少，抗温性好，钻进3000m深孔（孔底温度90～100℃）未发现泥浆降解现象。在安徽霍邱铁矿、金寨沙坪沟钼矿、寿县正阳关铁矿异常查证矿区及华南于都-赣县矿集区科学钻探NLSD-1孔和华东庐枞盆地科学钻探LZSD-1孔中套管以下较完整地层中使用，取得了良好效果。

表4　低固相及无固相泥浆体系典型配方及性能参数Table 4 Typical composition and performance parameters for low-solid phase and non-solid phase slurry systems

2　泥浆固相含量控制与清除

泥浆中的固相可分为有用固相和无用固相，膨润土、加重材料及非水溶性或油溶性化学处理剂都属于有用固相，而钻屑、劣质黏土和砂粒等则属于无用固相。无用固相过多将破坏泥浆性能，给钻进带来隐患。泥浆固相控制就是在保存适量有用固相的前提下尽可能清除无用固相，是实现优化钻进的重要手段之一。有效控制固相含量可降低钻进扭矩和摩阻，减小环空抽吸压力波动，减少压差卡钻的可能性，提高钻速，延长钻头寿命，改善下套管条件，增强孔壁稳定性，降低泥浆成本。常用化学絮凝沉淀和机械清除两种方法来控制泥浆固相。

2.1化学絮凝沉淀法

在泥浆中加入化学絮凝剂，使固相絮凝胶结沉淀而去除固相。化学絮凝剂有全絮凝和选择性絮凝两种，前者是将泥浆中有用和无用固相统统絮凝掉，如未水解的PAM和明矾等都属于全絮凝剂。后者是保留泥浆中有用固相，絮凝掉岩粉等无用固相，一般水解度30%的选择絮凝剂PHP效果最佳。对金刚石地质岩芯钻探而言，由于岩粉颗粒细，絮凝物呈絮状团块，密度小，沉降时间长，部分絮凝块可能又被送入孔内循环，难以完全达到清除固相的效果。所以选择性絮凝需要地表较完善的沉淀系统，辅助人工及时捞取才能提高清除固相效果。

2.2机械清除法

机械清除泥浆固相主要设备有振动筛，旋流除砂（泥）器和离心机。根据分离颗粒的尺寸，旋流分离器又可分为除砂器、除泥器和超级旋流器等三种，机械清除泥浆固相的使用范围如图3所示。

图3　泥浆固相机械分离设备的使用范围Fig. 3Range of use of mechanical separating equipment for slurry solid phase

固相控制处理过程是：泥浆在沉淀池初步沉淀后，送入水力旋流除砂器清除大部分粗颗粒岩屑（主要由全面钻进、扩孔钻进和井壁坍塌产生），再经离心机分离出较细的岩粉，达到二级净化的目的。经旋流除砂器和离心机处理后的泥浆继续循环使用。泥浆循环及固控系统布置如图4所示。安徽省地矿局313质队施工2000m以深的钻孔均采用该泥浆循环及固控系统。

图4　泥浆循环及固控系统示意图Fig. 4 Slurry circulation and solid-control system

泥浆固相清除控制方法及设备的选择与配置应根据钻探现场情况、孔深、孔径、钻进方法合理组合，不要盲目布置过多的固相系统造成浪费。小口径金刚石钻探因用泥浆量较少，应尽量选择体积、功率小的固控设备。

3　泥浆性能调节与维护

3.1泥浆性能的调节

钻探现场应根据所施工地层及上返泥浆性能的变化情况调整泥浆性能。

3.1.1泥浆黏度与切力的调节

泥浆的黏度与切力有着密切关系，一般调节黏度可控制泥浆的切力。调节泥浆黏度的基本原则是：增加黏土含量和分散度，加入高分子增黏剂，增大黏土颗粒间的絮凝强度等可提高泥浆黏度；反之，降低固相含量和分散度，加入稀释剂以削弱或拆散网架结构等可降低泥浆黏度。

针对孔壁坍塌，轻微漏失造成起下钻遇阻，下钻不到底等复杂情况，可采取以下措施适当提高泥浆的黏度和切力。

①采用有机高分子增黏剂来提高泥浆的塑性黏度，如CMC、 HPH、天然植物胶（魔芋、田箐胶、瓜尔胶、黄原胶）等高分子聚合物和生物聚合物；②适当增加黏土粉含量，并用无机处理剂（如Na2CO3和NaOH）增加泥浆中黏土的分散度，以提高泥浆的塑性黏度和结构黏度；③对粗分散泥浆加入絮凝剂（如Ca（OH）2、CaSO4、CaO和NaCl等无机盐类）以提高泥浆的结构黏度。

当钻进泥岩、泥质页岩、黏土层造成黏土侵，或者泥浆受到可溶性盐污染及岩粉侵入导致泥浆黏度、切力上升时需要降低黏度和切力。一般情况下，可加水稀释泥浆或加入FCLS（铁铬盐）、SMT（单宁）、SMK（栲胶）、烯酰胺或丙烯酸类聚合物及NaHm（腐殖酸钠）、KHm（腐殖酸钾）、SPNH（磺化褐煤树脂）等降黏剂，同时，加强地表泥浆的固相控制和清除来降低泥浆的黏度和切力。

3.1.2泥浆滤失量的调节

针对吸水膨胀或易坍塌、渗透性好的地层，需严格控制滤失量和泥皮厚度，当盐侵造成滤失量过大时也要降滤失量。

常用的降滤失剂有：有机高分子降滤失剂、有机腐殖酸盐及其衍生物、纤维素衍生物、聚丙烯酸衍生物类和野生植物胶类的碱液等，如Na-PAM、Na-CMC、HPH、SPNH、SMC、KHm、K-PAM等。

3.1.3泥浆密度的调节

钻进高压、涌水地层或地应力大引起的破碎坍塌、缩径地层时，需及时提高泥浆的密度。可向泥浆中加入一定数量的惰性粉末，如重晶石粉，黏土粉或含砂量少分散性差的劣质黄土。同时注意做好泥浆净化和防沉淀卡钻工作。

钻进漏失或较完整地层时，应降低泥浆密度，以减轻泥浆漏失和提高钻速。可用机械或化学絮凝方法降低泥浆中固相（尤其是无用固相）含量，以降低泥浆密度。尽量采用不分散低固相泥浆、无固相泥浆及乳化或充气泥浆。

3.1.4泥浆酸碱度（pH值）的调节

各类泥浆都有它适合的酸碱度（pH值）范围，在此范围内泥浆性能就稳定，否则就不稳定，加入的处理剂也不能有效地发挥作用。在测定泥浆滤液pH值的基础上，需提高pH值时，可在泥浆体系中加入Na2CO3和NaOH；需降低pH值时，可加入五倍子粉、栲胶粉、褐煤粉，使其与泥浆中多余的NaOH作用生成中性的单宁酸钠或腐殖酸钠盐，另外在泥浆中加水和黏土粉亦可使pH值下降。

3.1.5泥浆润滑性的调节

泥浆的润滑性能可通过测定泥饼的黏滞性和润滑系数来获取。野外以观察钻机回转扭矩和钻具磨损情况来判断。提高泥浆润滑性的措施：降低泥浆含砂量及固相含量；加入皂化油、太古油、沥青、GLUB等润滑剂或脂肪酸皂、磺化蓖麻油、吐温60、吐温80等乳化剂。不过在含钙质及硬水地层，尽量不选用皂化油、太古油等阴离子型润滑剂，因阴离子型润滑剂抗钙侵能力差，易产生破乳现象。

3.2现场泥浆管理与维护

深孔钻探泥浆的用量大，对泥浆性能要求高。泥浆现场管理与维护相对烦琐，如果管理与维护不力，泥浆性能无法保证，易造成泥浆护壁成本增加和孔内事故。深孔钻探施工中，现场泥浆管理与维护应做好以下几点：

（1）要配专人管理维护泥浆性能，做到“三勤”（勤观察、勤测试、勤调整）并建立泥浆技术档案；

（2）配齐常规泥浆测试仪器，建立现场简易泥浆试验室；

（3）强化泥浆的固相控制，利用地表固控系统及时清除泥浆固相颗粒，并定期清理沉淀池池底的沉渣；

（4）考虑到处理剂之间的质量及性能差异，配制新浆时应以实际泥浆性能符合要求为准，不能拘泥于理论配方的用量；

（5）在转换泥浆体系或换浆时，必须先做小型试验，再确定实际加量；

（6）在搅拌新浆或加入处理剂调浆时，必须充分搅拌再排入泥浆池内循环；

（7）钻孔替浆时要从上至下逐步替换，不能自下而上一次性替完，以免造成孔壁失稳事故；

（8）禁止用清水直接向孔内替浆和稀释泥浆，以免破坏泥浆体系性能而造成孔内事故；

（9）泥浆池、沉淀池上必须有遮雨设施，避免雨水流入破坏泥浆性能；要防止打扫卫生、冲洗场地的水流入池中。

（10）现场泥浆材料及堵漏材料要标注名称，分类堆放，并有防湿措施。

4　结语

众所周知，泥浆是钻探的血液。在钻探施工中，特别是在深孔、地质情况复杂的钻孔，以及发生孔内事故的钻孔、对泥浆性能和成分有特殊要求的钻孔，必须特别重视泥浆的使用与维护。根据钻孔施工的阶段和具体情况及时调整泥浆的性能和组分，以适应施工的需要，保证施工的顺利和孔内安全。

［1］朱恒银，王强，杨凯华，等.深部岩芯钻探技术与管理［M］.北京：地质出版社，2014.

［2］朱恒银，蔡正水，张文生，等.深部矿体勘探钻探技术方法研究综述［J］.安徽地质，2012（增刊）：119～123.

［3］朱恒银，蔡正水，王强，等.赣州科学钻探NLSD-1孔施工技术研究与实践［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（6）：1～7.

［4］乌效鸣，胡郁乐，贺冰新，等.钻井液与岩土工程浆液［M］.武汉：中国地质大学出版社，2002.

［5］王建学，万建仓，沈慧.钻井工程［M］.北京：石油工业出版社，2008.

［6］刘广志.金刚石钻探手册［M］.北京：地质出版社，1991.

STUDY AND APPLICATION OF SLURRY SUPPORTING TECHNIQUE IN DEEP DRILLING

CAI Zheng-shui， ZHU Heng-yin
（No.313 Unit， Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province， Lu'an， Anhui 237010， China）

With further going of deep drilling， downhole construction conditions become unprecedentedly complicated， more unexpected things and constructions risks arise. Borehole wall stability is the priority of all. Each construction unit pays great attention to the use and maintaining of slurry. This paper discussed the composition， use， maintaining and waste slurry treatment against different strata to be drilled into.

slurry system； different strata； slurry performance； use and maintaining

1005－6157（2016）03－0212－5

P634.62

A

2016-04-25

蔡正水（1974－ ），男，安徽濉溪人，工程师，主要从事工程地质勘查及钻探工作。