地质岩芯钻探钻井液固相控制技术现场应用

冯美贵，王健策，高元宏，张 飞，张文龙，王鲁朝，张云龙，苏延鹤，翁 炜，朱迪斯，蒋 睿

（1.北京探矿工程研究所，北京100083；2.山东黄金地质矿产勘查有限公司,山东烟台2614004；3.青海省第二地质矿产勘查院，青海西宁810001；4.新疆地质矿产勘查开发局第九地质大队，新疆乌鲁木齐830000；5.青海煤炭地质一〇五勘探队,青海西宁810007；6.山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台264001；7.山东省第七地质矿产勘查院，山东临沂276006；8.中国地质调查局油气资源调查中芯，北京100083）

钻井液是钻探工程的“血液”，在钻探实施全过程中起着至关重要作用，对保证工程的安全顺利实施、提高钻进效率、降低钻探综合成本，最终实现提质增效、安全环保等具有重要意义。过去，地质钻探通常采用稀释、替换、自然沉淀、化学絮凝等传统方法维护钻井液性能；近年来，地质钻探工艺技术与装备不断进步[1]，钻探深度不断增加、钻遇地层愈来愈复杂，及绿色勘查要求[2-3]等对钻井液性能与废浆处理要求愈来愈高，倒逼地质钻探必须彻底改变传统固相控制方法，采用实践证明行之有效的机械净化清除法。

本文主要针对地质岩芯钻探钻井液固相控制技术特点，概述与之相适应常用的钻井液二级固相控制装备，重点介绍近来年钻井液固控技术在地质岩芯钻探现场应用效果，以此希望更多地勘单位认识到维护与管理好现场钻井液固控可实现优快钻探、可有效提质增效降本环保，以此重视现场钻井液固相控制重要性，加快推广地质钻探固相控制技术应用，提升地质钻探技术装备现代化整体水平[4-5]。

1 地质岩芯钻探钻井液固控技术特点

在石油钻井行业，钻井液固相控制装备应用非常广泛，已实现系列化、标准化和专用化。地质岩芯钻探通常采用金刚石小口径绳索取芯钻进技术，与石油钻井相比，一是钻探工艺、施工条件与钻遇地层等方面有较大区别，具有口径小、转速高、环空间隙小（钻杆与孔壁、内管与钻杆内壁的环状间隙都非常小，通常为1～3mm）、循环压力高、环空返速高（0.8～2m/s、多属于紊流状态，而石油钻井要求动塑比控制在0.36～0.48、多属于平板层流）、岩屑粒度小，取芯长且质量要求高等特点，及绳索取芯液动锤[6]、螺杆马达等孔底动力钻具等对钻井液性能[7-10]要求比较高[一般有用固相(如膨润土)含量不大于5%，相当于浆液密度不大于1.02～1.03g/cm3；钻井液中固相粒度80%～90%控制在15～20μm、泥饼厚度不大于0.5mm、含砂量小于1%，其中液动锤要求含砂量不大于0.1%；视粘度小于3～5mPa·s，屈服值小于0.05～0.1Pa，静切力IG/10G 都趋于零；具有一定的抑制水敏性地层能力，一般中压失水量不大于15mL/30min]，较低固相、极细分散、较低的粘度、切力可有效防止绳钻钻杆内壁结垢、环空压力过大及液动锤零件磨损等问题，因此钻井液体系设计和性能调控与石油钻井不同；二是深孔岩芯钻探钻遇复杂地层，出现严重的孔壁坍塌掉块、孔内漏失现象，处理事故过程中钻井液的固相含量会急剧增加，对施工造成较大的事故隐患，依靠传统的开挖泥浆池自然沉淀的处理方法已无法满足施工要求，更换新的钻井液又会造成生产成本增加、环境污染等一系列问题，因此钻井液固控技术是保证深孔钻进技术实施的关键之一，已成为直接影响安全、优质、快速钻进的重要因素；三是石油钻井固相控制装备质量大、处理量大、能耗高、不利于运移，不适用于小口径地质岩芯钻探。

2 地质岩芯钻探常用钻井液二级固控装备

2.1 TGLW系列钻井液离心机

轻便高效TGLW 系列钻井液离心机采用单电机双皮带轮、上下分体式、轻便模块化结构设计，具有小型化、轻型化、低能耗、易搬迁等优点，尤其适合高原高寒、车辆难进入地区，作业空间狭小机场优势尤为明显；匹配远程变频控制系统可实现远程或现场无级调速，适应性强，可清除2μm 及以上固相颗粒，满足不同地层特性和钻探工艺需求。作为最后一级固控设备，也是最关键的一级，主要参数见表1。

2.2 QJQ系列泥浆清洁器

表1 TGLW系列钻井液离心机主要参数

小型QJQ 系列泥浆清洁器，水力旋流器（除泥器/除砂器）与振动筛的有机结合，可有效地清除悬浮在钻井液中的20～74μm 固相，具有小型化、轻型化、模块化，安装拆卸方便、便于搬迁等优点。根据地层特性、钻探工艺与钻井液体系，通过调节激振力、匹配40～325 目筛网，可清除较大颗粒固相，用于地质钻探开孔阶段或全面钻进阶段；高G 超细目亦可清除较小颗粒固相，用于地质钻探取芯阶段；与离心机组成二级固控，可减轻离心机的负载和磨损。作为第二级或一级固控设备，是稳定、调节钻井液技术指标不可缺少的重要设备之一，主要参数见表2。

3 现场应用

表2 QJQ系列泥浆清洁器主要参数

该技术成果已广泛应用于地矿、煤田、有色、核工业和原武警黄金等70余家地勘单位实施的钻探工程和科学钻探工程，尤其在特殊地区，如青海五龙沟矿区（海拔3800m）、木里煤矿江仓矿区（海拔3840m）等高原、高寒冻土区、缺水及机动车难进入（路况差）、作业空间狭小机场等钻探现场更彰显其优越性；支撑服务汶川地震断裂带科学钻探工程WFSD-2孔、山东金青顶矿区危矿专项ZK43-1钻探工程、山东莱州三山岛海上金矿勘查工程、青海五龙沟整装勘查工程、青海木里地区煤炭勘查工程、青海缺煤地区煤及煤层气预查钻探工程、甘肃文县阳山金矿区、新疆准东煤田勘查工程、核工业庆阳勘探工程、苏皖赣油气战略选区调查钻探工程等。以下重点介绍该技术成果在四个地质岩芯钻探现场应用情况。

3.1 山东三山岛矿区钻探现场

（1）现场概况。山东莱州三山岛矿区ZK112-2 钻孔为当时国内最深的斜孔、钻孔倾角77°、终孔深2515.48m，井身结构为∅146mm、∅114mm 及∅89mm三级套管，终孔∅77mm。现场采用绳索取芯钻进工艺，环状间隙狭小、循环压降比常规的金刚石取芯钻进大得多，随着钻井液中固相含量的增加，钻井液的切力增大，进一步加大了循环压降，使得钻进无法维持，甚至有压漏地层的风险；另外地层坚硬、破碎且为斜孔，钻探施工难度较大，对钻井液性能也提出较高的要求。在钻孔进尺1350m 时，地层主要是花岗岩及石英化岩，坚硬致密，石英含量高，可钻性在7～9级；无固相聚合物钻井液体系主要加入PHP 及PAC-141、PHP加量在0.1%～0.2%、PAC-141加量为0.05%～0.1%，钻井液粘度为22s，密度为1.05g/cm3，API失水为24mL。

（2）使用效果。为保障钻探工程顺利实施，现场采用我所研制的离心机维护钻井液性能。TGLW350 离心机安装在ZK112-2 钻孔井场废浆池上，分离出的固相直接排到废浆池中，分离后的浆液通过管路返回到循环槽。利用Mastersizer2000型激光粒度分析仪对离心机处理前后的浆液进行了粒度分析，得出钻井液中固相的峰值通过离心机净化处理后从20～100μm下降到3～10μm，20μm 以粗的岩屑基本被清除，固相中占50%的粒度从39μm 降到 5μm，可清除5μm 的细微颗粒；现场使用12h 后，从图1 离心机排出固相情况前后看出，排渣流畅且量多、排出固相含液率低，可减轻现场人员处理废浆的劳动强度。

图1 TGLW350离心机山东莱州三山岛矿区钻探现场

3.2 青海五龙沟矿区钻探现场

（1）现场概况。五龙沟整装勘查矿区位于东昆仑重要成矿带之中，地处青藏高原腹地都兰县境内。区内地形复杂，深切割、山势陡峭险峻、植被稀疏、高寒少雨。HLZK5101 孔设计孔深为1100m、直孔/终孔为∅75mm，采用绳索取芯钻进工艺与无固相钻井液体系，使用XY-5型立轴钻机与BW-250泥浆泵。

场地狭小且地表即为基岩，地表循环槽不足6m、沉淀坑面积约0.25m3，岩粉自然沉淀效果差、循环过程大量岩粉进入孔底反复研磨，导致钻头寿命降低、钻进泵压升高、钻井液失水量增大与粘度下降，孔壁稳定性下降等；且高海拔、高寒、缺水及机动车难进入（路况差）等地域特点，现场用生产水和材料供应保障面临严峻考验。

（2）使用效果。NQ 钻进时，360～450m 使用了TGLW220 离心机（见图2），而450～500m 未使用。其中两段所用钻头、泵量等工艺参数基本相同，均采用配方为PHP0.1%+KHm1%+GLUB(无荧光润滑剂)2%的无固相钻井液体系；地层特性基本相近，大部分为凝灰质板岩、硅质板岩，在使用固控的钻孔上段有少量含炭断层泥，而未采用固控的钻孔下段有部分黑云石英片岩、绢云石英片岩。从表3钻进施工效果得出，使用固控的孔段，钻进过程中降低了钻进扭矩和摩阻，减小环空抽吸的压力波动，泵压降低约26%、钻头寿命提高约139%、钻速提高约31%，废浆重复利用、钻井液消耗降低约54%；同时该区大部分钻孔存在压力漏失现象且供水较为困难，使用离心机后供水压力明显降低。

图2 TGLW220离心机青海五龙沟钻探现场

3.3 甘肃阳山金矿区钻探现场

（1）现场概况。ZK1330钻孔位于甘肃省文县阳山金矿区，设计孔深1500m、倾角90°，采用绳索取芯钻进工艺，钻井液采用两种体系：①完整地层选用无固相冲洗液、基本配方为淡水+0.3%PHP+0.1%NaOH、添加润滑剂，②较完整地层选用钾石灰泥浆、基本配方为4%土+0.2%纯碱+1%～1.5%CMC+1%～3%SMC+1%～3%SMP-1+1%～3%SEB，添加KCl、石灰、超细碳酸钙、重晶石、T型润滑剂等。

表3 钻进施工对比

（2）使用效果。现场钻井液净化循环流程示意如图3所示，机台侧方布置一个泥浆池及两个沉淀池，新配好的钻井液注入泥浆池中，通过泥浆泵泵入孔内进行循环。孔口返回的钻井液通过循环槽流入到1号沉淀池，1号沉淀池中的钻井液通过QJQ100型泥浆清洁器净化处理后进入2 号沉淀池，2 号沉淀池中的钻井液通过TGLW3500离心机净化处理后进入泥浆池继续循环使用。通过QJQ100型泥浆清洁器和TGLW350离心机分离处理后的钻屑进入废浆池，形成闭环处理系统。

图3 钻井液净化循环流程

使用二级固控设备（图4）前，现场钻杆内壁结泥皮非常严重、泥皮厚而且疏松；使用该净化设备后，钻杆内壁泥皮薄而致密，且具有一定韧性，有利于保护孔壁，防止发生孔内事故。使用二级固控设备前后钻杆内壁泥皮质量如图5所示。

图4 二级固控设备甘肃阳山矿区钻探现场

对二级固控设备处理后浆液进行了固相含量测试，处理前固相含量为39%，处理后固控含量为10.8%，固相清除率为72.3%；利用Horiba LA950型激光粒度分析仪对处理前后的浆液进行了粒度分析，得出浆液中细颗粒的峰值11μm降到9μm，从频度变化可以看出浆液中固相颗粒中径（小于中径的固相颗粒占50%）从33μm降到10μm，清除了有害固相，维护了钻井液性能。

3.4 新疆准东煤田勘查钻探现场

（1）现场概况。ZKJ1701、ZKJ1702、ZKJ1703 与ZKJ1704是位于新疆准东煤田勘查钻探现场同一工区一条勘探线上的4个钻孔,其中前2个钻孔使用GK-15型地质岩芯钻探泥浆固控装置、后2个钻孔未使用；但这4 个钻孔的地层情况基本相同、终孔孔深900～940m、终孔均∅85mm，均采用NQ 系列绳索取芯钻进工艺与水基腐植酸钾钻井液体系、使用XY-5 型立轴钻机与BW-250泥浆泵。

（2）使用效果。GK-15 型地质岩芯钻探泥浆固控装置选用离心机为我所研制的TGLW350-692T 型离心机（图6），取得比较好的应用效果，具体如下：

①技术效益评价：

a.提高钻探效率，台月效率提高约20%；

b.维护钻井液性能，粘度降低17s、降幅达50%，含砂量从4.5%降至0.5%、清除率约88.9%、满足地质岩芯钻探泥浆含砂量小于1%的要求；

c.改善泥皮质量，失水量从7.0mL/30min 降至6.0mL/30min、泥皮平均厚度由1.1mm 降至0.4mm，形成了薄而致密的泥皮，具有一定韧性，有利于保护孔壁，防止发生孔内事故；

d.清除无用固相，固相粒度分析和成分测试：清除的固相样品粒度峰值在7～12μm 和20～35μm、中径12.5μm、平均粒度23μm，清除的固相主要为石英、斜长石、微斜长石、伊利石、绿泥石和高岭石等以岩粉为主的无用固相，膨润土等有用固相没有被清除。

图5 使用二级固控设备前后钻杆内壁泥皮质量

图6 TGLW350离心机新疆准东煤田勘查钻探现场

②经济效益评价：降低原材料成本，泥浆重复利用，材料费用从16.38元/m降至6.55元/m、降低成本约60%。

③生态效益评价：减少废浆排放和环境污染，不需要挖泥浆池和大的排污池，对工区生态破坏小；基本可以实现废浆“零”排放，实现了环保施工。

4 结论与建议

现场应用效果表明，地质岩芯钻探钻井液固相控制技术可有效清除钻井液中的有害固相、改善钻井液性能，防止绳索取芯钻杆内壁结垢、维护井壁安全、减少孔内事故发生，提高岩芯采取率和钻探效率，延长钻具和钻头使用寿命，钻井液循环利用、节约生产用水，减少废浆排放和环境污染，降低钻井液材料费和钻探综合成本，提升绿色勘查技术水平，确保钻探工程安全、优质、高效、环保实施，具有较好的经济、社会和生态效益。

建议，加强地质岩芯钻探钻井液固控技术培训与交流，强化现场钻井液固控技术维护与管理的技术重要与经济环境效能意识；研发新型多功能一体化智能化钻井液利用环保处理技术装备，开展示范应用与技术服务；提升地质钻探技术装备现代化整体水平。