景谷凹陷钾盐调查JG-2 井饱和氯化镁盐水钻井液技术

易强忠，熊正强，周兴华，汪 林

（1.云南地质工程第二勘察院有限公司，云南 昆明 650200；2.北京探矿工程研究所，北京 100083；3.中国地质调查局昆明自然资源调查中心，云南 昆明 650100）

0 引言

云南景谷地区尚未发现工业钾盐矿，但存在相对较好的钾矿化特征［1-3］。为进一步扩大文卡盐矿区的钾盐找矿成果，力争钻穿勐野井组（厚度57～1124 m），确立文卡矿区钾盐成矿模式，中国地质科学院矿产资源研究所在云南省思茅盆地西区中部景谷凹陷部署了一口钾盐地质调查井——JG-2 井。JG-2 井目的含盐层位主要是下白垩统勐野井组，盐层矿石类型主要为含泥砾石盐岩、泥砾质石盐岩，盐层矿物组份主要为石盐，其次有钾石盐、硬石膏等。

以往在JG-2 井附近完成的可借鉴钻孔有2 个。其中，ZK-15 孔于1967 年12 月施工完钻，位于JG-2井井口的北东东向，孔深96.59～550.87 m 均为含盐地层，但限于当时的施工设备能力，550.87 m 深度即终孔，更深部的含盐、含钾地层未被揭露。

部署在景谷地区某钾盐地质调查井，采用氯化钠盐水钻井液施工，由于氯化钠加量不足及钻井液性能较差，局部盐矿心采取率＜50%。后期通过提高氯化钠加量至饱和以及改善盐水钻井液性能，盐矿心采取率达到98%，但含盐岩心均存在不同程度地溶蚀问题，导致盐矿心直径与质量未满足要求（见图1）。通过技术总结与分析，造成景谷地区钾盐调查盐矿心溶蚀、采取质量差等问题的原因主要是采用的钻井液体系不合理以及钻井液性能维护不当。

图1 以往钻孔采用氯化钠盐水钻井液获取的盐矿心Fig.1 The rock core obtained by sodium chloride drilling fluid

目前钾盐钻探工程主要采用卤水钻井液［4-6］、饱和氯化镁盐水钻井液［7-9］、复合性饱和盐水钻井液［10-11］、镁基钻井液［12］和油基钻井液［13-14］。例如，新疆罗布泊盐湖深部钾盐地质科学钻探LDK02 孔采用卤水钻井液［6］施工，解决了地层坍塌严重、卤水配浆胶体稳定性差等难题。云南江城钾盐MK-1 井、MK-2 井和MK-3 井的盐岩层段均采用饱和氯化镁盐水钻井液［7-9］施工，解决了钾盐等盐岩易溶蚀、取心质量差等问题，盐矿心采取率均达95%以上。老挝甘蒙省钾盐钻探工程在钾石盐和光卤石矿层段采用由“饱和氯化钠+约30%氯化镁”溶液配制的复合性饱和盐水钻井液［10］施工，盐矿心采取率达90%以上。老挝农波矿区南部钾盐钻探工程采用多功能剂配制的盐水钻井液和镁基钻井液［12］施工，光卤石岩心采取率达90%以上。

1 JG-2 井概况与施工难点

1.1 JG-2 井概况

JG-2 井设计井深1800 m。2022 年7 月8 日开钻，2022 年12 月9 日完钻，完钻井深1829.44 m。JG-2 井钻遇地层为第四系、白垩系曼宽河组、白垩系勐野井组与景星组，地层岩性主要为棕红色泥砾岩、青灰色泥岩与粉砂岩等，具体详见表1。

表1 JG-2 井钻遇地层表Table 1 Drilling strata by Well JG-2

采用XY-9B 型钻机施工，配备BW300/16 型泥浆泵、QJQ200 型泥浆清洁器和TGLW350N 型离心机，采用三开井身结构及绳索取心钻进工艺，井身结构见图2。导管0～31.05 m：先采用Ø152 mm 复合片钻头无水或微水无泵反循环钻进取心，然后采用Ø 311 mm 钻头扩孔再下入Ø245 mm 套管至井深31.05 m；一开31.05～201.17 m：采用Ø152 mm 金刚石绳索取心钻进工艺取心，然后采用Ø215.9 mm 钻头扩孔，再下入Ø194 mm 套管至井深201.17 m；二开201.17～470.67 m：采用Ø152 mm 金刚石绳索取心钻进工艺取心，然后采用Ø171 mm 钻头扩孔，再下入Ø 146 mm 套管至井深468 m；三开470.67～1829.44 m：采用CHD Ø127 mm 钻头口径增大外径至Ø133 mm的金刚石绳索取心钻进工艺取心，裸眼完钻。

图2 JG-2 井井身结构Fig.2 Well structure diagram of Well JG-2

1.2 JG-2 井施工难点

（1）299.22 m 以深钻遇地层主要为棕红色泥岩或泥砾岩，这些泥岩岩粉悬浮在钻井液中，导致钻井液的固相含量增加及发生钻头泥包等问题，影响钻进效率；而砂岩井段裂隙发育、松散破碎易造成井壁坍塌、掉块。

（2）勐野井组顶板富钾杂卤石岩心及盐岩层段岩心遇水溶蚀，易出现岩心采取质量差、井径扩大等问题。

（3）三开Ø133 mm 绳索取心钻探工艺要求盐水钻井液在滤失量与粘度控制方面保持协调平衡，即实现较低的粘度与良好的护壁性能［15］。

（4）三开井段裸眼时间长，且破碎带较多、裂隙发育严重，给钻孔护壁、岩屑携带、岩心保护带来新的问题与挑战。

（5）石盐岩屑颗粒粗、易沉砂，对钻井液的悬浮与携带能力有较高的要求。

（6）盐矿心采取质量要求高，全井盐岩段及盐岩段顶、底板的盐矿心取心率＞90%，且不能使用含钾离子的盐水钻井液施工。

因此，针对JG-2 井上述施工难点问题，并满足绳索取心钻进工艺，要求使用的盐水钻井液必须具备优良的抑制钾石盐和石盐溶解能力、优良的护壁护心性能、较低的固相含量和较低的黏度。

2 钻井液选择

JG-2 井钻井设计要求钻井液处理剂不得含钾元素，以避免影响岩心样品成分分析。而前期景谷地区某钾盐地质调查井使用饱和氯化钠盐水钻井液施工，仍存在盐矿心溶蚀、岩心直径与质量未满足要求等问题。因此，通过总结分析现有钾盐钻探钻井液应用等资料，采用高溶解度盐抑制低溶解度盐溶解的原理，最终选用北京探矿工程研究所研制的饱和氯化镁盐水钻井液技术施工。该钻井液具有优良的抑制钾卤石等盐矿溶解能力和泥岩水化分散性能以及良好的流变性能等特点，主要材料有氯化镁、钠膨润土、抑溶剂、接枝淀粉GSTP、降失水剂GPNA、增粘剂GTQ、包被剂GBBJ、稀释剂及润滑剂等。饱和氯化镁盐水钻井液中各处理剂的主要作用见表2。

表2 处理剂名称及其作用Table 2 Names and functions of additives

推荐使用的饱和氯化镁盐水钻井液为：氯化镁饱和溶液+0.2%～1% 抑溶剂+0～1% 钠膨润土+0.3%～0.5% GPNA+0.3%～0.5% GSTP+0.3%～1% GTQ+0.1%～0.2% GBBJ。以配方“氯化镁饱和溶液+0.3%抑溶剂+1%钠膨润土+0.5% GPNA+0.5% GSTP+0.5% GTQ+0.1% GBBJ”为例，室内对其进行性能测试评价，结果见表3。

表3 饱和氯化镁盐水钻井液性能测试结果Table 3 Performance test results of saturated magnesium chloride brine drilling fluid

从表3 可看出，新配制的饱和氯化镁盐水钻井液具有良好的流变性、抑制性以及较低的滤失量。而室温陈化16 h 后钻井液的粘度与静切力均增加，但是钻井液仍具有较低的粘度，满足绳索取心钻进工艺要求。这是因为饱和氯化镁溶液中水的活度低，加入的聚合物处理剂在饱和氯化镁溶液中溶胀分散速度慢，使得新配制的饱和氯化镁盐水钻井液黏度较低。但是，当在室温陈化16 h 后，聚合物处理剂在饱和氯化镁溶液中已充分地分散，使得陈化后的饱和氯化镁盐水钻井液黏度增加。因此，现场应用时要注意此问题，避免新配制的饱和氯化镁盐水钻井液在循环几周后出现黏度大幅地增加，导致泵压增加进而影响钻进效率。

3 饱和氯化镁盐水钻井液现场应用

3.1 现场不同井段钻井液使用配方

一开井段使用聚合物钻井液钻进至66.40 m，岩心出现石膏脉盐层标志。为确保顺利采取盐矿层顶板岩心，将钻井液转换为无固相的饱和氯化镁盐水钻井液。一开、二开钻井液使用配方为：1 m3饱和氯化镁盐水+1～5 kg 抑溶剂+5 kg GSTP+5 kg GPNA+5～10 kg GTQ+1 kg GBBJ+3～5 kg 润 滑剂+3～5 kg 消泡剂。

随着三开深度增加，为了提高盐水钻井液的悬浮及携带石盐钻屑颗粒的能力，在饱和氯化镁盐水钻井液中适当加入了低粘增效粉（LBM）或钠膨润土。并且，添加了磺化沥青以增加钻井液对微裂缝封堵、防止坍塌的能力。为解决陈化后的黏度增升偏大问题，减少膨润土加量，并加入少量的稀释剂GSY。三开井段钻井液使用配方为：1 m3饱和氯化镁盐水+1～5 kg 抑溶剂+1～3 kg LBM 或钠膨润土+5 kg GSTP+5 kg GPNA+5 kg GTQ+5 kg 磺化沥青+1 kg GBBJ+0～1 kg 稀释剂GSY+3～5 kg 润滑剂+3～5 kg 消泡剂。

不同井段钻井液实测性能见表4。

表4 钻井液分段性能Table 4 Drilling fluid performance table of different sections

3.2 饱和氯化镁盐水钻井液配制与维护

3.2.1 配制方法

以一开、二开井段钻井液为例，三开井段钻井液配制类似，均在抑溶剂加入饱和氯化镁溶液之后。具体配制过程为：向体积1.2 m3配浆罐中泵入1 m3已冷却至室温的饱和氯化镁溶液，然后加入1～5 kg抑溶剂，搅拌5 min。再依次加入5 kg GSTP、5 kg GPNA、3～5 kg 润滑剂，搅拌20～30 min。最后再加入5～10 kg GTQ、1 kg GBBJ、3～5 kg 消泡剂，搅拌20～30 min 后即可使用。

现场配制饱和氯化镁溶液时，由于无水氯化镁与水接触后水化放热，溶液温度上升较快且产生高温。为避免给人员安全、环境保护带来较大的危害与影响，专门配置了由柴油罐改装的罐（容积3.6 m3）用于配制饱和氯化镁溶液，具体见图3。

图3 配制氯化镁饱和溶液的罐Fig.3 Canister for preparing saturated solution of magnesium chloride

3.2.2 维护措施

（1）严格按照钻井液配方配制，若钻井液性能需要较大调整时必须进行小样试验，确保调整后的钻井液性能满足井内安全需求。当钻井液的黏度偏高时，配制适量稀胶液与加入少量的稀释剂以降低黏度；当钻井液的黏度偏低时，可适当增加增粘剂和包被剂的加量，聚合物处理剂预先配制成胶液以便使用时减少分散时间。

（2）每个小班测试井口返出钻井液的性能，包括密度、苏氏漏斗黏度、中压滤失量、泥饼厚度、含砂量等。并观察与鉴别地层岩心岩性及层位，结合井内钻进参数和地层情况的变化及时调整钻井液性能。

（3）进入目的层加密测试氯离子与镁离子的含量，确保钻井液中氯化镁达到饱和状态，并采用浸泡实验评价钻井液抑制石盐、钾石盐等溶解的性能。

采用莫尔银量法和Cl-快速检测试剂监测钻井液中氯离子含量。66.40～330.39 m 井段共测试8次；井深330.39 m 出现石盐地层后加密监控，330.39～1520 m 井段共计测试63 次，Cl-含量均大于352100 mg/L。

采用Mg2+快速检测试剂与普瑞森镁离子控制器监测钻井液中镁离子含量，盐岩矿层井段共计测试67 次镁离子含量，均＞120000 mg/L。

为确保钻井液能抑制钾石盐矿等溶解性能，进入盐层前采用浸泡实验评价石盐岩心（见图4）和NaCl、KCl 试剂样品（见图5）在饱和氯化镁盐水钻井液中是否溶解。

图4 石盐岩心浸泡实验Fig.4 Soaking experiment of halite core

图5 NaCl 与KCl 试剂样品在不同介质浸泡实验Fig.5 Soaking experiment of NaCl and KCl reagent samples in different medium

从图4 可看出，石盐岩心浸泡7 天后无明显潮解溶蚀现象，岩心表面保持完整，无溶蚀。

从图5 可看出，NaCl、KCl 试剂样品在饱和氯化镁盐水钻井液中浸泡长达96 h 后仍未出现潮解溶蚀现象，而在清水浸泡10 min 后发生明显潮解溶蚀。图4、图5 浸泡实验结果充分表明该钻井液对钾石盐等矿层具有优良的抑溶性能，能达到保护盐层岩心的效果。

（4）泥岩、泥砾岩井段钻进产生的泥岩岩粉掺入钻井液中，导致钻井液固相含量和密度增加、泥饼虚厚，而且钻头与卡簧泥包和堵心问题均较为突出。通过配备离心机及时清除有害固相、加入润滑剂改变钻头表面亲水性从而预防钻头泥包、起钻前循环与倒杆间隙时间大排量（≥300 L/min）冲洗钻头水道与井底等措施，有效解决了泥岩和泥砾岩地层钻头泥包和卡簧抱心的危害（见图6）。

图6 采取措施前后钻头与卡簧泥包情况对比Fig.6 Comparison of bit and circlip balling before and after taking measures

（5）石盐岩粉在温差变化下产生盐析重结晶形成粗颗粒沉砂，而绳索取心钻具环空间隙小，饱和氯化镁钻井液切力不足导致粗颗粒石盐大多聚集于150～500 m 井段。经过现场室内试验与现场测试对比，在钻井液中适当加入低粘增效粉或钠膨润土，可达到较好悬浮、携带石盐颗粒的效果。

3.3 饱和氯化镁盐水钻井液应用效果

JG-2 井采用饱和氯化镁盐水钻井液施工，优质地完成了取心任务，盐矿心采取率与岩心直径均超过工程设计要求，并保障工程顺利完钻。具体应用效果主要有：

（1）钻井液具有优良的抑溶效果和护心性能。井深330.39 m 揭露盐岩层顶板，井深1348.02 m 时钻穿盐岩层底板，均顺利取出了完整的石盐岩、钾石盐岩岩心样品，全井平均岩（矿）心采取率97.51%。取出的含钾石盐岩、石盐岩等盐矿心表面光滑，未发生溶蚀（见图7、图8）。

图7 取出的含盐层顶板、底板及石盐岩心Fig.7 The photo of roof and floor strata and halite core

图8 取出的盐层岩心Fig.8 The photo of core containing salt

（2）钻井液具有良好的护壁性能。三开470.67～1829.44 m 井段主要为泥岩、石盐岩、泥砾岩、粉砂质泥岩等地层，地层岩性变化较快。施工裸眼时间长达94 d。但是，施工过程中井眼较为顺畅，井壁完整性较好，未发生坍塌卡钻或埋钻事故。二开井径扩大率为14.03%，三开全井段平均井径为149.8 mm，平均井径扩大率为12.2%。

（3）钻井液具有良好的携带性能。钻进过程中没有出现提下钻遇阻现象，提下钻顺畅，完钻后测井顺利。

4 结论

（1）针对云南景谷凹陷钾盐调查JG-2 井地层特点及施工难题，优选并成功应用了饱和氯化镁盐水钻井液技术，具体钻井液配方为：氯化镁饱和溶液+0.1%～0.5%抑溶剂+0～1%低粘增效粉或钠膨润土+0.5% GPNA+0.5% GSTP+0.5%～1%GTQ+0.1% GBBJ+0.3%～0.5% 润滑剂+0～0.5%磺化沥青+0～0.1%稀释剂GSY。

（2）JG-2 井66.40～1829.44 m 井段采用饱和氯化镁盐水钻井液施工顺利，井壁稳定性好，二开井段平均井径扩大率为14.03%，三开井段平均井径扩大率为12.2%；钾石盐岩等盐矿心表面未发生溶蚀，岩心采取质量高，平均岩心采取率达97.5%。现场应用结果充分表明，饱和氯化镁钻井液具有优良的抑制钾石盐和石盐等溶解能力、良好的流变性和悬浮携带能力、良好的护壁和护心效果，可为类似钾盐钻探工程提供借鉴和参考，在云南钾盐钻探工程中应用前景广阔。