三种冲洗液在不同地层岩心钻探中的应用探讨

周大伟，王志勇

吉林省水文地质调查所，吉林 长春 130012

0 引言

在岩心地质钻探施工中冲洗液的使用，要因地制宜，根据不同的地层情况选配不同的冲洗液。在同一钻孔中，往往会出现多种复杂的情况和地层，这时既要注意个性，又要考虑共性，适时调整冲洗液的配方。同时在一个钻孔施工时要尽量选用同一种主材料，以求成本最小化。在岩心地质钻探施工中，冲洗液起到携带及悬浮岩屑、清洁孔底、堵漏、保护孔壁、预防塌孔埋钻卡钻、冷却钻头和润滑减阻的作用[1]，所以在岩心钻探中，冲洗液就像人体里的血液一样重要。冲洗液的正确使用是保证岩心采取率和成孔的关键，并能大大降低钻探生产成本。

1 岩心地质钻探冲洗液的特点要求

目前金刚石岩心钻探的冲孔流体仍以液体为主，采用空气或空气泡沫钻进工艺的比较少。本文主要介绍冲洗液的应用。金刚石钻进的主要特点是岩粉颗粒细小、孔壁间隙小、钻具转速高和绳钻可能发生钻杆内壁结皮、提升内管卡死等，因此对冲洗液有以下几点要求。

(1)冲洗液应有很小的黏度和切力，以减小冲洗液在孔壁间隙内上返的流动阻力，并有利于细小岩粉的沉降和清除。

(2)用泥浆钻进时，为防止绳钻钻杆内壁结皮，应采用优质膨润土配浆，膨润土的加量要少，又要分散好。

(3)冲洗液的防坍塌性应满足在较大液压下，维护断层泥和蚀变带以及粉碎型破碎层等孔壁的稳定，失水性应小。

(4)冲洗液应具备润滑钻具的减阻和减磨性能。

2 冲洗液的作用

岩心钻探是施工难度较大的工作，要保证岩心钻探施工的质量必须正确地选择钻井冲洗液，冲洗液可以为岩心钻探施工安全质量提供充分的技术保障，将从以下几点谈谈钻探施工中冲洗液的作用。

2.1 携带岩屑的作用

岩心钻探施工中，钻头不断地切削岩石会生成大量的岩屑，岩屑若不及时清除，就会在钻孔底部聚集、堆积，导致钻头重复破碎，造成钻进进尺变慢，严重时发生埋钻事故。冲洗液具有携带岩屑的作用，能够保证孔底干净，进而解决由岩屑导致的问题。影响冲洗液携带能力的因素包括冲洗液的密度、黏度和流速，这三者相辅相成。

2.2 冲洗液具有冷却和润滑钻具的作用

岩心钻探施工中，钻头和钻具都高速转动，钻头线速度能达到3 m/s，钻头与岩石发生高速摩擦，产生大量的热量，如果钻头得不到充分冷却，热量大量聚集，会发生烧钻事故。使用绳索取心钻具，孔壁和钻杆外壁间隙很小(也叫满眼钻进)，钻具的阻力非常大，如果得不到及时很好的润滑，那么需要的动力功率就会成倍增大，钻具的强度需求加大，磨损变大，钻探成本也随之增大。所以选用正确配比的冲洗液能完美解决上述问题。

2.3 防塌堵漏的作用

岩心钻孔孔壁的规则稳定是实现钻探安全、优质、快速成孔，提高岩(矿)心采取率，防止孔斜的基本条件。性能良好的冲洗液能借助液相的滤失作用，在孔壁上形成一层薄而带韧性的泥皮，以稳固已钻穿的地层并阻止液相侵入孔壁地层，减弱水敏地层的膨胀和分散。与此同时，在钻进过程中还需要根据孔内情况的变化，不断调整冲洗液的参数使其密度随地层而变化，使液柱压力能够平衡地层压力，从而防止孔壁坍塌、冲洗液漏失或孔内涌水等复杂情况的发生[2]。还有的地层有细小的裂缝，通过调整冲洗液的成分，配成堵漏冲洗液，达到少漏失或不漏失。

2.4 冲洗液传递动力

在液动冲击回转钻进、射流反循环、螺杆钻进等特殊钻探方法中，通过冲洗液传递动力，可以提高钻探效率及钻探质量。

3 冲洗液的类型及适用范围

现阶段钻探冲洗液主要分为三大类，即清水加润滑剂类、无固相聚合物类和固相泥浆类。

3.1 清水加润滑剂类

这种冲洗液适用于特别完整的岩矿层，使用清水钻进时必须加入润滑剂，主要常用的为皂化油，能提高转速，降低磨擦系数，缺点是随着钻孔深度的增加，清携带岩屑的能力变差，容易发生埋钻事故。

3.2 无固相聚合物类

无固相聚合物类冲洗液选用高分子聚合物配制，分为一般复杂地层的常用配方和特殊复杂地层研究配制的商品类聚合物。无固相聚合物冲洗液具有絮凝、包被的作用，可以有效地防止岩屑分散、岩屑沉降。目前被广泛应用在地质岩心钻探中，取得了很好的效果。

3.3 固相泥浆类

固相泥浆冲洗液分为不分散低固相泥浆、细分散泥浆和粗分散泥浆。

不分散低固相泥浆选用优质膨润土和高分子处理剂组成，它具有选择性絮凝、包被作用于水敏性地层，在岩心钻探施工中可以有效解决黏、附、卡的问题，从而提高钻进效率。细分散泥浆由淡水、黏土和一般处理剂配置而成，在泥浆发展初期广泛使用，一般用于松散、胶结性较差的地层和破碎层。粗分散泥浆加入了钙、钠、钾等无机盐絮凝剂，可以使泥浆分散的颗粒变粗，主要用于水敏性、水溶性的地层。

总之每一种岩心钻探冲洗液都具有自身的优点和缺点，在岩心钻探施工中，必须根据岩层的情况合理的选择最佳的冲洗液，使钻探冲洗液能够完全发挥出自身的优势，为钻探施工安全提供充分的保障。

4 岩心钻探冲洗液的实际应用

4.1 岩层概况

施工地点位于临江市西北侧，距离市区约20 km花山镇，我单位于2019年6月受勘查单位委托施工老岭成矿带勘查钻孔，该矿区岩石自上而下为白云石大理岩，厚度为1～140 m，140～160 m为矿化体及蚀变带，160～250 m为白云石大理岩，250～270 m为矿化体及蚀变带，270 m至终孔仍为白云石大理岩，进入完整大理岩20 m达到地质要求可终孔。

4.2 钻探设备及器具选择

我单位依据现有设备及本工程的特点，钻机选用无锡探矿厂生产的钻机Y-4型1台，该机操作简单，性能可靠，能够满足本次勘探的要求[3]；泥浆泵采用衡阳探矿厂生产的BW-250型1台，该泵泵量压力可调范围大，且维护简单方便；钻塔选用张家口探矿厂生产的直斜两用HCH-13型钻塔，该塔安全性高，起拔能力强，适用范围广；钻杆为Φ71 mm普通绳索取心钻杆，以及相互配套的钻具、钻头。

4.3 冲洗液的应用

4.3.1 开孔

地表岩层为风化破碎层，厚约10 m，采用普通钻具，开孔用直径Φ110 mm的金刚石钻头，冲洗液采用不分散低固相类泥浆，基本配方[4]为：

冲洗液 1 000 L

膨润土粉 5% 50 kg

火碱 0.15% 1.5 kg

Na-CMC 0.2% 2.0 kg

取2%Na-CMC溶液=2/2×100=100 L

PHP 0.08% 0.8 kg

取1%PHP溶液=0.8/1×100=80 L

皂化油 0.2% 2 L

水=1 000 L-50/2.5-100 L-80 L-2 L=798 L

施工中结合现场实际情况略做了调整，因为孔浅没有放皂化油，地层轻微漏失，膨润土粉适当增加了5 kg，充分搅拌后，测得漏斗黏度为27 s，失水量为15 mL/30 min，施工中不断补充冲洗液维持其性能，用时4个台班钻到完整地层，孔深12 m，下入Φ108 mm套管，为下部正常钻进打下了坚实的基础。

4.3.2 绳索取心完整地层钻进

表层Φ108 mm套管下完并固定好，先用Φ95 mm的金刚石钻头钻进20 cm导正孔，后换用Φ75 mm绳索取心钻具，结合以前在该地区的施工经验，岩层的水敏性、水溶性强，并结合本工程的特点，我们配制了无固相聚合物冲洗液，其基本配方[4]为：

冲洗液 1 000 L

PHP 0.3% PHP干粉3 000 g，取1%PHP 300 L

水玻璃 8% 取水玻璃80 L

水=1 000 L-300 L-80 L=620 L

虽然此冲洗液具有一定的润滑效果，但是因为是绳索满眼钻进，为了保证润滑性，在此基础上适当添加了润滑剂皂化油，提高润滑效果，用此冲洗液在完整白云石大理岩中，每台班进尺平均在20 m以上。

4.3.3 绳索取心复杂地层钻进

在钻进到矿化体及蚀变带时，因破碎塌孔严重，取心困难，来回几个回次都无法施工进尺。经过分析研究，结合以前钻探技术培训，及时咨询了吉林省工程学院的老师，最后采用PAB无固相聚合物冲洗液解决钻进难题。此冲洗液是吉林省工程学院王文臣教授发明的高聚合物包被型冲洗液，它是由PA、PB两种高聚物组成的，能在孔壁表面吸附成膜，膜致密隔水性和胶结性好，适用于金刚石绳索取心钻进断层带，蚀变带等极易坍塌地层。其配方[4]用量为：

PA主剂 白色粉粒状 用量0.5%～0.8%，需事先溶成4%溶液

PB助剂 白色粒状 用量0.15%～0.2%用时现溶

溶剂 水

润滑剂 孔浅时可不加。

结合本矿区岩层的特点，适配了PAB无固相聚合物冲洗液，按照配方的要求进行了溶解配比，刚下孔钻进时，先用该冲洗液充分循环，使孔内破碎体吸附成膜，胶结在一起，慢转轻放，为了保证采取率，回次进尺控制在1 m左右。该冲洗液防塌效果非常明显，钻进顺利穿过矿化蚀变带，且岩心采取率满足地质要求。钻进时设专人监测冲洗液的性能变化，随时调整，时刻保证冲洗液达到最佳效能，最终顺利穿过两个矿化蚀变带，满足地质要求，并顺利终孔。

4.3.4 三种冲洗液的对比

经实地工作鉴定，三种冲洗液的性能对比见表1。

表1 三种冲洗液的性能对比表

不分散低固相冲洗液取材方便简单，价格低廉，现场配制方便，适合用于开孔地层中，具有一定的防塌堵漏的作用。PHP聚合物自配冲洗液价格相对低，各种材料购买方便，虽然现场配制复杂，但是在相对稳定的地层中应用，具有一定的润滑和防塌的作用。PAB无固相聚合物冲洗液，价格相对来说较贵，现场配制简单，具有良好的防塌效果，适用于破碎坍塌取心困难地层。

5 总结

综上所述，随着社会经济的迅速发展，对矿产资源的需求越来越大，不断优化和提升钻井技术，为我国的能源安全提供有力的保障。通过岩心地质钻探生产实践，我们体会到优质的钻井冲洗液的重要性，在施工生产中要灵活应用，根据地层和钻进方法进行适当的选择，钻进中并不断的调整冲洗液的参数，以求达到效率最大化，最大的降低生产成本，提高经济效益。