青海五龙沟矿区破碎地层钻探技术探究

刘 文，叶发晖，赵 珽

(1.青海省第二地质勘查院，青海 西宁 810000；2.青海省第三地质勘查院，青海 西宁 810008)

0 引 言

泥岩、页岩等破碎性地层，在受地下水、积水冲击后很容易发生膨胀、松散现象，在地质钻探过程中就极易发生钻孔坍塌或缩孔问题，同时黏土对钻头的粘黏作用也会影响到钻头扭矩以及破岩效率，影响到岩芯采取过程。五龙沟矿区矿产资源丰富，已堪明金矿床众多，同时区域泥岩地层规模庞大，文章通过研究泥岩破碎地层等敏感性地层下的钻探冲洗液，为矿区内高精度、高效钻探作业提供解决办法。

1 地质条件分析

五龙沟矿区中的泥岩地层多为水敏型地层，见图1。该地层钻探取芯施工极其困难，经常出现坍塌、缩孔问题，因此为研发适用于破碎地层的钻探冲洗液，用于稳固地层提高破碎地层强度，对该泥岩地层岩样进行结构组分分析，用于冲洗液成分配置，观测分析方式主要包括形貌仪、X射线衍射2种形式。

图1 五龙沟矿区区域地质图Fig.1 Regional Geological Map of Wulonggou Mining Area

1.1 X射线衍射

该观测手段对粘性矿物的结构分析较为精确，可以对岩样组分进行定性定量分析，具体分析结果见表1。可以看出五龙沟矿区泥岩地层中粘土成分高达38 %～57 %，其中伊利石含量在30 %左右，因此可以判定五龙沟矿区地层破碎，容易受积水、地下水的影响，从而影响到取芯率。

表1 五龙沟泥岩地层X射线衍射结果分析/%Tab.1 Analysis of X-ray Diffraction Results of Wulonggou Mudstone Stratum

1.2 形貌仪观测

通过三维表面形貌仪对钻孔取出的泥岩岩芯进行拍照观测，发现泥岩地层微裂隙构造发育，而且在取芯过程中冲洗液会进入微裂隙中，进一步软化泥岩降低结构强度。通过上述分析可以看出，优化冲洗液成分，通过冲洗液封堵松散破碎泥岩地层，降低渗水量以及钻孔膨胀缩孔情况，是进行冲洗液配方设计的关键。

2 钻探冲洗基液配比设计

通过上述地质条件分析可以看出，配置冲洗液的关键在于降低冲洗液自身在破碎泥岩地层中的渗漏性，同时减缓泥岩膨胀降低钻孔孔壁受冲洗液的影响。本文设计1种高粘聚阴离子纤维素HV-PAC材料来增强冲洗液粘度，同时在冲洗液中添加低粘纳羧甲基纤维素、无荧光防塌润滑剂来降低冲洗液渗漏，通过配置正电胶抑制剂来缓解泥岩膨胀，通过配置白油润滑剂来缓解钻探过程中对泥岩孔壁造成的摩擦。

2.1 防渗漏材料配比分析

由于在冲洗液中添加的传统防渗漏材料可以降低失水量，但自身粘度不高，因此通过配置上述材料添加剂增强冲洗液的粘度，具体配方为5 %的膨润土、0.05 %～0.2 %的HV-PAC高粘聚阴离子纤维素，2 %的碳酸钠，0.3 %～0.5 %的低粘纳羧甲基纤维素LV-CMC以及1.5 %的磺甲基酚醛树脂SMP-1。通过多次试验发现，上述材料中低粘纳羧甲基纤维素对冲洗液使用过程中失水量的影响最大，因此在实际钻探作业过程中，可以通过调整配方含量中该组分的含量，来增强冲洗液粘性，降低冲洗液冲洗钻孔过程中在破碎泥岩地层中的渗漏。在冲洗液成分配置中，除了要考虑钻探过程中因冲洗液在钻孔微裂隙孔隙的渗漏造成的失水影响外，还应考虑冲洗液对泥岩钻孔膨胀造成的影响，也就是膨胀抑制剂材料的添加。

2.2 抑制剂材料配比分析

膨胀抑制剂材料是避免泥岩钻孔膨胀失稳的关键，冲洗液中的抑制剂主要是正电胶材料，组分为混合金属层状氢氧化物MMH，该材料自身呈正电性，由于钻探过程中在泥岩粘土中加入冲洗液，粘土成分在处理剂中呈现负电性，导致钻孔孔壁稳定性下降，钻屑松散，将上述抑制剂加入冲洗液中，可以通过正电性材料进行抑制，缓解钻孔孔壁松散现象，对固结钻屑提高孔壁稳定性有着显著作用。其中通过分析加入抑制剂后，五龙沟泥岩岩样的膨胀程度变化情况进行了研究，其变化规律见表2[1]。

表2 添加抑制剂后泥岩岩芯膨胀变化情况Tab.2 Expansion of Mudstone Core After the Addition of Inhibitors

为便于研究表中数据变化趋势，绘制出添加抑制剂后泥岩岩芯膨胀变化曲线，见图2。可以看出，当抑制剂含量低于0.4 %时，随着膨胀剂含量的提高，冲洗剂对泥岩膨胀变化的抑制效果较好，在0.4 %时抑制性达到最大值；在抑制剂于冲洗剂中的含量继续提高时，可以看出泥岩岩芯膨胀率又开始增大，也就是说冲洗液中抑制剂浓度过高，反而无法起到对泥岩很好的抑制效果，抑制性能开始减弱。因此，除去上述防渗漏材料配比后，在冲洗剂配方中加入0.4 %浓度的抑制剂，完成冲洗液配置[2]。所以通过上述配比分析，最终冲洗液组分配比为：5 %膨润土，2 %碳酸钠，0.05 %高粘聚阴离子纤维素，0.4 %低粘纳羧甲基纤维素，0.4 %正电胶抑制剂等主要成分，该配方对破碎松散泥岩的抑制效果较好，可以显著缓解泥岩钻孔的水化膨胀。为分析优化配比后的钻探冲洗液效果，现进行膨胀量测试以及浸泡试验测试，对冲洗液在五龙沟矿区泥岩中的实际应用效果进行测试评价。

图2 添加抑制剂后泥岩岩芯膨胀变化曲线Fig.2 Expansion Curve of Mudstone Core After the Addition of Inhibitors

3 冲洗液效果测试

完成上述冲洗液成分配置后，进行效果浸泡测试试验，将五龙沟矿区钻探泥岩岩芯磨粉处理后，重新压制成25 mm直径、30 mm高度的椭圆形试样，分别置入清水中以及冲洗液中进行浸泡，对比分析在浸泡24 h后两者的形态变化。经过对比测试发现，经过浸泡测试后，位于清水中的椭圆试样已完全松散坍塌，在浸泡容器中呈无规则散落分布，而冲洗液中的椭圆试样则主体没有发生坍塌，仅部分发生溶解[3]。

同时，为进一步分析实际五龙沟矿区内泥岩岩芯在冲洗液中的膨胀程度，对所取岩芯进行膨胀量变化分析，所取椭圆形岩芯直径25 mm，高度12.6 mm，分别浸入清水中以及冲洗液中对比分析膨胀量，测试结果见表3。试验仅记录前3 h膨胀数据变化，可以看出清水中泥岩岩芯膨胀速率很快，而冲洗液中膨胀率缓慢，通过后续测试发现，五龙沟矿区泥岩膨胀率在清水中可达20 %以上，而在冲洗液中仅为3 %左右，可以看出该冲洗液对泥岩有着显著的抑制效果。

表3 五龙沟泥岩试样膨胀量对比测试Tab.3 Comparison Test on Expansion of Wulonggou Mudstone Samples

因此，通过上述浸泡试验测试以及膨胀率测试可以看出冲洗液配置结果基本可以满足五龙沟矿区特殊地质构造需要，通过优化冲洗液成分配比，可以很好的对五龙沟钻探泥岩的破碎松散结构起到保护作用，同时冲洗液配方中成分较少，制成工艺简便，材料成本也很低，适用性较强，可以满足多种地层地质钻探需要。

4 结 语

(1)通过分析五龙沟矿区泥岩地质构造，同时基于矿区钻探作业中易发生的钻孔坍塌、缩孔现象，影响取芯率的问题，可以判断出主要原因是因为区域内泥岩粘土含量高成分高达38 %～57 %，造成钻孔吸水膨胀、微裂隙发育，因此设计冲洗液的要求就是起到封堵作用，对粘土水化膨胀现象进行抑制。

(2)通过对冲洗液进行膨胀测试以及浸泡试验对比，发现最终冲洗液组分配比为：5 %膨润土，2 %碳酸钠，0.05 %高粘聚阴离子纤维素，0.4 %低粘纳羧甲基纤维素，0.4 %正电胶抑制剂等主要成分，该配方对破碎松散泥岩的抑制效果较好，可以显著缓解泥岩钻孔的水化膨胀，同时制成工艺简单成本较低，有很好的适用性。