低固相聚合物泥漿在復雜地層鉆進中的應用

秦國江

（白山市鑫地勘察設計有限公司，吉林白山134300）

低固相聚合物泥漿在復雜地層鉆進中的應用

秦國江*

（白山市鑫地勘察設計有限公司，吉林白山134300）

為了解決西川金礦鉆探施工過程中坍塌地層造成鉆探施工難度大事故頻發的問題，經過實驗室科學配制和施工現場反復實驗，研究推出新一代低固相聚合物泥漿配方，解決了西川金礦復雜地層鉆探施工的難題，為今后在不穩定地層鉆探施工打下了良好基礎。

西川金礦；低固相聚合物；羧甲基纖維素鈉鹽；植物膠；聚丙烯酰胺（PHP）；高效潤滑劑；廣譜護壁劑（GSP）

鉆探是地質找礦最重要的手段之一，隨著我國地質找礦的發展，鉆探被廣泛地應用在油田、煤炭、地熱、深海、有色、建材鉆井生產一線上，但在復雜地層中鉆進便是礦產鉆探的一道難題。在這類地層中進行鉆孔施工會使其原來天然狀態下相對穩定或平衡的狀態巖層被破壞，常見的現象是孔壁坍塌、掉塊、漏失、縮徑。由此帶來鉆進困難，鉆孔質量差，鉆進效率低，鉆進成本提高。嚴重的造成鉆孔各種事故，以致造成鉆孔報廢。

但是通過在西川金礦地區的鉆探施工，經實驗室和鉆探一線反復試驗，配制的低固相聚合物泥漿很好解決該地區復雜地層鉆進的各種問題，使鉆探生產步入正軌，同時對低固相泥漿使用在其它地區得到了推廣和應用。取得了良好的效果。

1　位置與自然地理

工作區隸屬吉林省白山市江源區灣溝鎮和臨江市鬧枝鎮所轄。位于松花江水系的湯河與鴨綠江水系的二道溝之間。距江源區東40km。地勢南東部相對較高，北西部低，最高標高955.90m，最低標高650m，相對高差255.9m，屬中低山區。區內山脈呈東西向展布。溪流甚多，北側溪流經湯河流入松花江南側溪流經二道溝河入鴨綠江。

2　區域地質

該區大地構造位置處于中朝準地臺（Ⅰ）遼東臺隆（Ⅱ）太子河渾江陷褶束（Ⅲ）老嶺斷塊（Ⅳ）與渾江上游陷褶斷束（Ⅳ）2個四級構造單元銜接部附近，興華—白頭山東西向殼斷裂中部。

2.1地層

區域內出露地層有：太古宙表殼巖、元古界、古生界及中生界地層。早元古界為老嶺群大栗子組、珍珠門組地層，分布在四平街—冰湖溝，四道湯河—石廟嶺一帶，巖性主要為二云母片巖、石英絹云母片巖、白云石大理巖等。

2.2構造

老嶺復背斜為區內主體構造，軸向近東西，核部為太古宙變質巖系，兩翼出露不完整，僅南翼有老嶺群地層分布。區域斷裂構造發育，以近東西向和北東向斷裂為主。東西向灣溝斷裂帶，為興華—白頭山天池東西向殼斷裂的組成部分。北東向冰湖溝—四平街斷裂帶是橫路嶺—荒溝山—四平街“S”型構造的組成部分。

3　鉆孔地質設計

（1）設計孔深：250～400m，方位角：250°，傾角：75°。

（2）測斜要求每50m測1次（其中開孔后25m測1次），井深驗證每百米測1次。鉆孔簡易水文觀測要求每3m測1次，終孔時測定終孔水位。巖芯采取率要求大于90%，礦心采取率要求大于95%。

4　鉆進中的事故現象及巖層坍塌的原因分析

4.1孔壁不穩定地層因素

4.1.1碎破地層

地層破碎有風作用和地殼構造運動引起的，后者產生破碎帶。

4.1.2水敏性地層

地層的孔壁遇水后，因膨脹而逐層剝落甚至縮徑或因水的潤濕而成塊狀、片狀掉落等。

4.2加劇孔內地層復雜的工藝因素

（1）沖洗液上返流速，沖洗液性能和鉆具環空堵水時水壓增大，對地層的破壞作用。

（2）起下鉆具產生的動壓作用造成巖石破碎、坍塌、掉塊。

（3）提鉆時孔口回灌沖洗液不及時，孔內沖洗液面下降，孔內液柱壓力減小，引發孔壁失穩。

（4）以上原因造成孔壁失穩、坍塌、掉塊，孔內沖洗液中大量巖粉排不上來，下鉆不到底，掃孔速度慢，發生憋泵無法鉆進。這類巖層一般發生在孔深60～210m。ZK1401孔發生在60～120m處；ZK1402孔發生在130～210m。均在此類地層中出現憋泵，泵壓升高，無法鉆進等現象。嚴重時發生折鉆桿、鉆具至埋鉆事故。

5　復雜地層鉆進的解決方法

通過對鉆孔孔壁失穩的機理進行分析，該地區的復雜地層有力學不穩定因素，也有遇水產生的化學反應等不穩定因素，解決方法應從以下方面入手：

（1）配制合理性指標的沖洗液進行護壁（全孔），由于破碎帶厚度較大，所以應先調節沖洗液的比重和粘度，嚴格控制住抽吸現象以及沖洗液的泵送量，禁止使用性能低下的沖洗液潤滑鉆具，控制升降鉆具的速度。

（2）選用合理的防塌材料，調整和維護好沖洗液的降失水性和膠結性，不許高壓泵送沖洗液，打撈內管和提鉆過程中應從孔口連續回灌沖洗液，保證沖洗液滿孔，以免因為水位下降引起孔壁失穩或涌水。

（3）對于鉆孔上部及事故多發巖層有效合理的方式下入套管進行隔離，較破碎地層用凝固材料使孔壁巖層增加膠結性以達到穩固孔壁的目的。

根據地層結構，鉆孔設計為3層套管：?146mm套管宜下到9～15m，?127mm套管宜下到20～30m，然后配屬?95mmB繩索取芯鉆具，鉆過復雜地層，提上彈卡總成。內管用?89mm鉆桿做套管。配屬?75mm繩索取索鉆具一徑到底，其中變徑處進行導正。

6　復雜地層金剛石鉆進中沖洗液的選用及配方

通過總結前期鉆孔的施工情況和地層情況，并對該施工區的巖性和地層進行分析，首先要解決的是找到適合該地層沖洗液的比重和粘度。沖洗液的防坍性能應能滿足在較大的液壓下，維護斷層和蝕變的粘土礦物以及粉碎型破碎層等孔壁的穩定，調整沖洗液中優質膨潤土的含量，同時加入高聚物和植物膠，發揮其多點吸附加固井壁作用。為防止繩鉆鉆桿內壁結皮，通過現場取樣到室內試驗，再經過現場的配制和鉆孔內實驗調整，為了控制沖洗液的各種性能指標，使用了以下材料：

（1）優質的鈉膨潤土：要使用以蒙脫石礦物為主的粘土，礦物晶體屬于層狀的硅鋁酸鹽，礦物晶體薄片表面呈負電性，晶片重疊形成顆粒晶片間夾吸的陽離子以鈉離子為主。鈉膨潤土分散性好，確保配制出具有較好的流變特性和失水特性及造壁性的原漿，控制泥漿比重以保證井內壓力的平衡。

（2）燒堿（NaOH）∶調節膨潤土的水化能力和沖洗液的pH值，同時抑制和防止可溶性巖層的溶解，保持井徑規則。

（3）多效天然植物膠SD-2∶具有較強的攜帶各種巖屑的能力，含高分子聚合物，能迅速分散在自然水中，經過攪伴形成膠粘網狀。流動性能好，吸水性強，改變泥漿的動切力和靜切力，起到護壁、防塌降失水、降濾失、潤滑堵漏的作用。

（4）廣譜護壁劑（GSP）：有良好的抗溫、抗鹽、抗鈣性能，主要用于抑制水敏地層的井壁水化膨脹，起到護壁、固壁、井壁修補的作用，可降低扭矩，防止粘附卡鉆。

（5）水解聚丙烯酰胺（分子量1200百萬）水解度20%～40%：有絮凝顯著的增粘作用，PHP大分子吸附到孔壁表面和巖土孔隙和縫隙內，對孔壁有一定的膠結保護作用。由PHP處理的低固相泥漿屬于不分散型泥漿。它使那些在水中能分散造漿的巖屑進入這泥漿中不能分散造漿，并被絮凝清除。

（6）羧甲基纖維素（Na-CMC）中粘度：具有優良的提粘切，降濾失能力，防塌和耐溫，提高沖洗液的聚結穩定性。適用于各種類型水基鉆井液體系。有一定的抗鈣能力。

（7）潤滑劑（皂化油）：具有潤滑的作用，減少鉆桿的磨損性。通過現場和實驗室實驗配制出沖洗液，主要性能指標如下：

密度：1.02～1.03g/cm3，漏斗粘度20～28s，表觀粘度4～8mPa·S。低壓失水小于等于10mL/30min，pH 值8～8.5。

膨潤土4%～6%每100升泥漿中含干土粉4～6kg。

純堿0.1%～0.2%，鈉膨潤土不加或少加。

多效天然植物膠SD-2 1%～3%。

廣譜護壁防塌劑1%～2%。

羧甲基纖維素（Na-CMC）中粘0.2%～0.3%。

水解聚丙稀酰胺（PHP）0.05%～0.1%。

皂化油0.2%～0.3%。

7　現場配制和技術要求

在機場現場配制時，要求機長、班長、技工必須嚴格按照要求進行將沖洗液的配制使用情況和孔內的效果及時記錄和反饋。在每次配方前首先根據攪拌桶的容積準確地計算出所需要以上材料重量。將沖洗液材料預先溶解。聚丙烯酰胺的溶解，根據現場情況一般采用沸騰煮法（水溫不超過60°C和常溫法2種方式）。羧甲基纖維素鈉（中粘）和多效天然植物膠SD-2的溶解采用沸騰煮法進行溶解效果最好。廣譜護壁防塌劑采用常溫法。膨潤土粉經篩網漏入水中，邊加邊攪，用多點連續投加方式，最后加入堿，制成原漿靜置。

配制時，嚴格控制各種沖洗液材料的加入順序，先取膨潤土靜置原漿，然后按計算好的數據加入羧甲纖維素鈉（中粘）溶液，充分攪拌后，再加入聚丙稀酰胺溶液（事先溶成1%的水溶液），再加入多效天然植物膠SD-2煮沸后的溶液進行攪拌，再加入廣譜護壁防塌劑進行攪拌，最后加入潤滑劑（皂化油）進行攪拌，靜置2h后，開始進行性能參數檢測和調整，直到各項指標符合要求為止，最后再充分的攪拌靜置待用。

8　總結

我們配制的低固相聚合物泥漿通過在ZK1401、ZK1402、ZK1403、ZK3201號鉆孔的試用及調整，以及在西川金礦其它鉆孔的成功使用。使我們更充分了解到上述鉆井液助劑在西川金礦地區配合使用的比例和方法，也更加充分了解了它們各種的性能及配制的使用情況。同時也給以后鉆探施工中遇到類似或者相同的復雜地層鉆進提供了寶貴的經驗。本次鉆探施工通過運用低固相聚合物泥漿，不但解決了復雜地層無法鉆進的問題，時也確保了西川金礦鉆探施工的質量和工期，本次施工共完成13個鉆孔，總進尺4282.06m。實踐證明低固相聚合物泥漿在復雜地層鉆探的施工中，將會發揮越來越重要的作用。

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1004-5716（2016）01-0077-03

2015-01-23

秦國江（1963-），男（漢族），河北昌黎人，工程師，現從事巖土工程勘察技術工作。