不同冲洗液对小口径岩心钻探性能的影响研究

摘 要：本研究旨在探讨不同冲洗液对小口径岩心钻探性能的影响，通过理论设计与实践验证等手段，分析不同冲洗液配比在钻探过程中的效果，以期提高钻探技术水平、保证施工质量、提高钻进效率。综合分析前期钻探施工中出现的问题，重点关注地层塌孔和缩颈问题，并进行了调查与研究。经过实验室测试可知，影响钻孔施工进度的主要问题是冲洗液使用混乱。针对该问题采取相应的措施，包括优化冲洗液配比、加强技术培训和改进计量措施等，钻进效率得到了显著提高，解决了塌孔缩颈的问题，施工效果良好。

关键词：岩心钻探；冲洗液；配比优化

中图分类号：P 634" " 文献标志码：A

在现代岩心钻探施工中，钻进效率和施工质量是至关重要的指标，有关研究对小口径岩心钻探、冲洗液影响等领域进行了分析。孙凯研究了小口径岩心钻探钻孔缩径处理[1]。向浩天等研究了无固相冲洗液的防塌性能及其强化试验[2]。赵家忠提出了基于光纤传感器的小口径岩心钻探施工质量控制方法[3]。张少林等研究了高原高寒地区复杂地层小口径岩心钻探冲洗液固控系统[4]。郑文龙等探讨了中国深部岩心钻探钻井液技术应用现状及研究方向[5]。蒋博等分析了小口径岩心钻探技术在陕南地1井施工中的应用实例[6]。许洁等描述了松科2井抗超高温钻井液技术[7]。陶士先等研究了强成膜性护壁冲洗液体系的研究与应用[8]。这些文献对小口径岩心钻探技术、钻井液技术和施工质量控制等方面进行了深入研究，为相关领域的发展和应用提供了参考。

针对内蒙古某矿业项目的特殊地质条件和复杂施工环境，本研究探讨了不同冲洗液对小口径岩心钻探性能的影响，以期提高施工效率、保证施工质量和满足项目的要求。

1 理论基础分析

1.1 基本概念

冲洗液在钻探过程中有很多作用，包括冷却钻头、清除钻屑和保持孔壁稳定等。不同冲洗液的配方会影响其性能，进而影响钻探过程和结果。液相性能参数是衡量冲洗液性能的关键指标，例如密度、黏度和滤失量等。液相参数直接影响冲洗液的流动性、清洁性和冷却效果。

流体力学理论可用于描述冲洗液在钻孔中的流动行为。纳维-斯托克斯方程可以用来模拟冲洗液在钻孔中的流动情况。如公式（1）所示。

rho·（∂v/∂t+v·Δv）=-Δp+μΔ²v+f （1）

式中：rho为冲洗液密度；v为速度场；p为压力场；μ为动力黏度；f为外力。

1.2 参数影响机制分析

冲洗液的黏度和流速会影响其清洁效果。可用流体动力学中的剪切应力分析清洁效果。剪切应力τ与黏度μ和速度梯度（∂v/∂z）成正比，如公式（2）所示。

τ=μ·（∂v/∂z）" " nbsp; （2）

冲洗液的密度和压力分布影响孔壁稳定性。孔壁稳定性可以通过流体静力学理论分析。孔壁稳定的一个条件是孔壁受到的静水压力大于地层内部的压力，如公式（3）所示。

pstaticgt;pformation" " " （3）

冲洗液中的颗粒会对钻头磨损产生影响。颗粒在流体中的输运过程可用输运方程描述，其中颗粒浓度c随时间和空间的变化满足扩散方程如公式（4）所示。

（∂c/∂t）=D·Δ²c" " " " （4）

式中：c为颗粒浓度；D为扩散系数。

2 现状调查与问题分析

2.1 现状调查

在内蒙古某矿业项目的实施过程中，项目涉及多个钻孔点，地质条件多样，包括孔深的变化、覆盖层的厚度以及复杂的地层情况，例如下部地层的缩颈现象。

由于地层的复杂性，因此孔内事故频发，影响钻孔施工质量和进度。在对前期施工钻探项目进行总结分析的基础上，对之前的施工项目地质情况、人员配置和施工前期进度等进行了调查。并对调查收集的相关数据进行统计、分类和分析。通过数据分析，发现影响钻孔施工进度的主要原因是钻孔事故，处理这些事故导致施工进度无法如期进行。为更彻底地解决塌孔问题，必须找出主要的影响因素，研究小组通过相关调查分析工作，提出相应对策并进行验证。

2.2 数据分析

对某矿业项目施工情况进行调查，研究小组发现在钻进过程中出现了塌孔和缩颈等问题，严重影响了施工进度和效率。将数据整理成表，见表1。

根据表1，可以对某矿业项目施工中出现的事故类型进行分析。其中，塌孔事故是最常见的事故类型，占所有事故的50%。缩颈卡钻事故占所有事故的23%。这类故障的占比较高，其他原因可能包括地质条件、钻头选择或维护不当、操作错误等。机械事故频次较低，为10%，埋钻事故为7%，环境影响事故频次更低，为3%，质量影响事故为3%，安全影响事故为3%，可能与施工设备的维护、操作规范和施工计划不合理等因素有关。

某矿业项目施工中出现的事故类型多样，主要包括塌孔和缩颈卡钻两种情况。这些事故的成因可能涉及地质条件、施工设备、操作规范和工程计划等多个因素。为提高施工效率，需要详细调查每种事故的具体原因，并采取相应的预防和改进措施。此外，加强员工培训也是减少事故发生的关键因素。经过调研和数据分析，确定冲洗液使用不当是造成塌孔问题的主要原因，同时涉及钻具级配、钻井结构、钻压、钻速和机械性能等多个因素。问题统计结果见表2。

事故排列图如图1所示。

2.3 问题分析

现有数据包括不同因素对钻孔事故的影响频数、频率和累计频率，本文可以分析趋势与可能的成因。

冲洗液使用混乱是导致塌孔问题的主要因素。其高频数和频率说明该原因在钻孔事故中占据主导地位。可能的成因包括冲洗液成分不合理或混合不当，以此导致孔壁不稳定，引发塌孔，或冲洗液的流量、压力等参数控制不当，造成孔内泥浆流动不稳定，进而引发塌孔。

钻具级配不好在钻孔事故中频次相对较低，但仍然有一定影响。可能的成因主要为钻具磨损严重，无法达到预期的钻孔效果，影响施工质量和进度。钻井结构不合理在钻孔事故中出现的频次相对较低。成因可能为钻井结构参数调整不当，无法满足特定地层的钻进要求，从而导致事故发生。钻压、钻速和机械性能差在钻孔事故中的频次均为1次，这些因素对钻孔事故的影响相对较小。

综合分析表格，可以看出导致塌孔问题的主要因素是冲洗液使用混乱，其他因素虽然频次较低，但仍然需要重视，因为它们可能在特定地质条件下发挥重要作用。为减少钻孔事故的发生，需要加强冲洗液的使用规范和管理，同时在钻具、钻井结构、钻压、钻速和机械性能等方面做出合理优化和调整。

3 问题及对策

现有施工过程中面临的主要问题是钻孔时出现塌孔和缩颈等事故，这会导致施工进度滞后、成孔质量下降，甚至可能对施工安全造成威胁。这些问题的成因是地层复杂、地质情况多变，因此，需要研究造成塌孔和缩颈的主要因素，包括地层性质、冲洗液性能等。

3.1 塌孔和缩颈事故的成因分析

根据地层情况和施工数据，可以建立塌孔和缩颈事故的统计模型，探索它们与地层类型、孔深和施工参数等因素间的关系。

假设塌孔和缩颈的发生与地层的稳定性以及孔壁的承载力有关，可以使用以下模型进行分析，如公式（5）所示。

塌孔发生概率P=f（地层稳定性，孔壁承载力，施工参数）" " （5）

式中：P（塌孔）为塌孔事故的发生概率；ƒ（地层稳定性，孔壁承载力，施工参数）为一个函数，该函数将地层稳定性、孔壁承载力和施工参数作为输入，输出一个概率值。

根据对这些因素间关系的理解，可以采用不同的数学形式表达这个函数。例如，可以使用Logistic回归模型，如公式（6）所示。

P（塌孔）=1/（1+e（-z））" " " "（6）

式中：z为一个与地层稳定性、孔壁承载力和施工参数相关的线性组合，其计算过程如公式（7）所示。

z=β0+β1·地层稳定性+β2·孔壁承载力+β3·施工参数" " " （7）

式中：β0、β1、β2和β3为模型的参数，可以为统计分析或机器学习方法来估计，通过训练数据来拟合这个模型，以便确定参数的值，进而预测塌孔事故的概率。

3.2 优化冲洗液配方

需要考虑不同地层的特点，以此优化冲洗液的配方。可以建立基于地层参数的优化模型，找到最佳的冲洗液成分和比例。如公式（8）所示。

最优配方=arg成分比例min[f（黏度，密度，滤失控制）+g（润滑性）]" " " " " " " " " " " " （8）

式中：f和g分别为冲洗液性能指标和地层特性的函数。公式（8）的目标是最小化这两个函数的组合，以找到最适合特定地层的冲洗液配方。

具体来说，f（黏度，密度，滤失控制）为基于冲洗液的黏度、密度和滤失控制性能的函数。这些参数与冲洗液的流动性、承载能力和过滤效率相关。g（润滑性）为基于润滑性能的函数。润滑性对降低钻头磨损、提高钻进效率以及减少冲洗液与地层间的摩擦有重要影响。

优化模型的目标是通过调整不同冲洗液成分的比例，使综合性能达到最佳。这个模型可以通过使用优化算法，例如线性规划或非线性规划，来确定最佳配方的成分比例。通过建立优化模型，可以更精确地选择冲洗液的成分和比例，以满足不同地层的要求，从而提高钻井效率、降低成本，并减少地层对设备的损害。这种方法有助于优化冲洗液的配方，以满足不同地质条件下的钻井需求。

3.3 综合分析

综合考虑其解决方案，可以建立一个综合模型，根据地层和施工参数来指导冲洗液的选择和使用。该综合模型包括以上提到的成因分析模型和冲洗液配方优化模型。如公式（9）所示。

最优冲洗液配方=arg成分比例min​[f（地层稳定性，孔壁承载力，施工参数）+g（黏度，密度，滤失控制）+h（润滑性）]" " （9）

式中：f（地层稳定性，孔壁承载力，施工参数）为基于地层稳定性、孔壁承载力和施工参数的成因分析模型，用于评估塌孔和缩颈事故的概率；g（黏度，密度，滤失控制）为基于冲洗液的黏度、密度和滤失控制性能的函数，用于考虑冲洗液的物理性能；h（润滑性）为基于润滑性能的函数，用于评估冲洗液的润滑性能。

通过综合考虑这些因素，可以确定最适合不同地层情况和施工参数的冲洗液配方。该模型将利用实际数据和试验结果计算不同因素的权重，从而为钻孔操作提供指导。通过最小化上述目标函数，可以降低塌孔和缩颈事故的概率，提高钻孔质量，保证项目的顺利进行。这种数据驱动的综合方法有助于优化冲洗液的选择和使用，从而减少潜在的问题。

4 冲洗液配比与效果验证

4.1 基本配方

为解决塌孔和缩颈问题，需要从冲洗液的配比入手，对冲洗液进行优化，以达到保证成孔质量、稳定孔壁等目标。根据地层情况和现有工艺方案，设计了不同冲洗液的配比和使用方法，包括成膜剂冲洗液等。冲洗液的基本配方和处理添加剂如下。

基本配方：0.1%～0.2%烧碱+5%成膜体系A剂+0.1～0.2%包被剂+0.2%～0.6%抗盐共聚物+12%防塌润滑剂GFT其中，0.1%～0.2%烧碱可以用于调节冲洗液的碱性，有助于稳定孔壁和改善润滑性。添加5%成膜体系A剂可以形成薄膜，提高孔壁的稳定性，降低塌孔的风险。0.1%～0.2%包被剂的作用是包覆钻孔周围的地层，减少渗漏和滤失，从而强化冲洗液的效果。添加0.2%～0.6%抗盐共聚物有助于降低冲洗液在高盐度地层中的影响，提高稳定性。12%防塌润滑剂GFT的作用是提供必要的润滑性能，减少钻头磨损，提高钻进效率。

处理添加剂：12%封堵剂GFD-1（备用）+12%随钻堵漏剂（备用）GPC

其中，封堵剂GFD-1可以用于应对地层不稳定或渗透性较高的情况，以减少渗漏。

4.2 实施与效果检查

将基本配方应用于实际钻井项目中，监测钻进过程中的效果。包括是否发生塌孔、缩颈、钻进效率和孔壁稳定性的改善情况。通过以上步骤，可以验证基本配方的效果，并根据实际情况进行调整，保证冲洗液在钻进过程中的稳定性。

验证结果显示，经过培训和实施，钻进效率和施工质量得到了明显提高，实施效果见表3。

根据统计数据，采取措施后，平均台月效率明显提高，说明施工速度得到了提升。平均台月效率从活动前的322到583，提高约81%，塌孔缩颈事故率小于成孔数的10%。采取的措施包括优化冲洗液配比，保证合理使用各种材料，加强技术培训，提高泥浆工的技术水平，改进计量措施，保证泥浆配比的准确性。

4.3 其他效益

优化冲洗液的配方和改进施工流程，能更有效地被排除孔内钻屑，减少了施工现场的混乱和降低了污染。不仅改善了工作环境，还有助于降低环境对施工的影响，优化后的冲洗液可以保证施工过程平稳进行，降低了事故风险，符合文明施工的标准。施工现场更有序，工作人员的安全得到了更好地保障。

5 结论

本文通过研究某矿业项目的钻探问题，分析不同冲洗液对小口径岩心钻探性能的影响，并提出了相应的解决方案。通过优化冲洗液配比、加强技术培训等措施，在施工中取得了显著的成效。后续将探索更多的改进方法，进一步提高钻进效率、保证施工质量，以适应复杂多变的施工环境。

参考文献

[1]孙凯.小口径岩心钻探钻孔缩径处理研究[J].西部资源，2022（6）：17-18，30.

[2]向浩天，李之军，邱豪，等.无固相冲洗液的防塌性能及其强化实验[J].中国科技论文，2021，16（12）：1366-1371.

[3]赵家忠.基于光纤传感器的小口径岩心钻探施工质量控制方法[J].西安石油大学学报（自然科学版），2021，36（4）：98-103.

[4]张少林，苏延鹤，鲍海山，等.高原高寒地区复杂地层小口径岩心钻探冲洗液固控系统研究[J].中国煤炭地质，2020，32（2）：79-82.

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