炭質板巖鉆探施工工藝暨沖洗液的研究與應用

黃楊

摘要：2013年4月，我公司在甘肅舟曲金礦鉆探項目施工中遇到150多米的泥炭質沉積炭質板巖，該層巖心呈現破碎狀，細小顆粒狀，此層遇水后強度急劇下降并且伴隨著縮徑，掉塊，剝落等現象。金剛石繩索取芯鉆探工藝要求鉆孔環空間隙要小，這些孔內剝落巖屑更容易導致小口徑金剛石鉆進過程中出現高泵壓，憋車等孔內復雜情況，嚴重影響項目正常施工進度計劃。為此針對泥炭質炭質板巖易破碎，水敏剝落，弱膠結等一系列特點，據實驗室數據與現場應用效果不斷進行技術改進，最終通過低失水，強抑制性鉀基聚合物鉆孔沖洗液的使用。結合操作上低泵壓，低轉速，起下鉆以及打撈內管時回灌沖洗液等技術措施，提高了鉆探施工進度效率。

關鍵詞：泥炭質炭質板巖；抑制性沖洗液；鉆探工藝；水敏性剝落

1.引言

2013年4月，我公司在甘肅舟曲項目鉆探施工過程中遇到了巨大困難，該施工區主要以褐黃色至灰色的砂板巖、灰巖及黑色的碳質板巖為主。板巖是區域變質作用形成的巖石，是由粘土巖，粉砂巖或中酸性凝灰巖輕微變質變質作用而成的淺變質巖，具有明顯板狀構造，在板面上略顯絲絹光澤，根據顏色類別和雜質，分為黑色炭質板巖，灰綠色鈣質板巖[1]。碳質泥巖和泥炭質沉積不規律存在，此類地層普遍較軟，遇水后強度下降劇烈。在經過一段時間的探索后，認識到對于復雜地層的鉆探，需要鉆探工藝技術與鉆孔沖洗液工藝的共同配合，才能取得最優的鉆探效果。為此下文主要從這兩個方面進行了闡述。

2.鉆進工藝措施

1、鉆孔結構

此礦區，每層套管都應盡可能達到最大深度。采用PW、PQ、HQ、NQ。采用多套口徑以提高成功率。

2、鉆進方式

除開孔采用硬質合金鉆頭取芯鉆進外，均采用金剛石取芯鉆頭。遇到特殊難取芯層位，采用半合管取芯方式撈取巖芯。

3、保證鉆孔質量的技術措施

（1）控制回次進尺，鉆進十分破碎的碳質板巖、炭質泥巖、泥炭質沉積層位時，應對鉆進參數進行控制：控制轉速，控制鉆壓，控制泵量。地層出現軟硬突然變化時，適當減壓，鉆進02-05m后再逐漸加壓至最佳值。

（2）周期性進行短程起下鉆劃眼，規整孔壁，減少縮徑、掉塊抱死的風險。在碳質泥巖、碳質板巖、泥炭沉積層時盡量使用底噴鉆頭，并調整卡簧座與鉆頭內胎體至近于零間隙。

（3）對于完全松散的細粒層段，回次鉆進結束時可適當干鉆強行擠壓，保證巖心不脫落。提高采取率。

3.沖洗液護壁方案及措施

該礦區主要困難在于對含礦層炭質板巖的鉆探，隨著泥質成分的增加尤其以泥炭沉積層最為困難，呈現黑色顆粒狀，粗顆粒水化剝落，憋泵憋車，鉆進十分困難，孔內情況復雜。在這種復雜地層沖洗液的性能作用顯得尤為重要。

3.1鉆孔沖洗液體系選擇

此地層中存在著大量的粘土礦物，孔壁粘土接觸到鉆孔沖洗液中的水時，即發生粘土的吸水、膨脹、分散。對于水敏性剝落地層，應盡量減少沖洗液對地層的滲水，也就是降低沖洗液的失水量及增強孔壁巖土的抗水敏性，所以粘土的抑制與分散的控制是比較關鍵的問題[2]。而對于相對破碎松散地層則應提高泥皮質量，提高沖洗液的護壁性能。當泥炭質炭質板巖與聚合物水溶液接觸時，聚合物靠氫鍵或靜電吸力吸附到粘土顆粒上。若聚合物的相對分子質量足夠高，并具有較強的線型和合適的分子結構，則它不僅能夠吸附在一個粘土顆粒上，而且還能進一步連接到相鄰的粘土顆粒上，將多個粘土顆粒橋接在一起，阻止其分散，從而保持其完整性，促使孔壁穩定[3]。對于泥炭質炭質板巖的沖洗液必須具有良好的抑制性兼具良好的護壁性能，且流動性能好，泵壓低，排粉攜沙能力強，最終確定高聚物與鉀離子互配使用即鉀鹽聚合物沖洗液體系，以膨潤土，燒堿，碳酸鈣，纖維素（CMC），降失水劑S-1，水解聚丙烯酰胺，KCl，KPHP等為主體。這些材料中，纖維素（CMC）的長鏈大分子可與幾個粘土微粒相吸，有利于形成致密而滲透小的泥皮，使濾液更難滲透。水解聚丙烯酰胺（PHP）在沖洗液中主要起絮凝巖粉的。因為它也是一種線型高分子化合物，其長分子鏈上的吸附基（-CONH2）以氫鍵吸附的方式吸附巖粉。鉀鹽提供K+離子，其離子半徑為266×10-6米，與粘土六方的晶格空穴尺寸（288×10-6米）剛好適應。K+離子本身水化能力弱，故嵌入粘土的晶格空穴中，使粘土不易水化分散，從而防止粘土質地層的吸水膨脹，以維持孔壁穩定[5]。

綜合來看鉀基聚合物鉆孔沖洗液：有很強的抑制泥炭質炭質板巖巖的分散效果，具有控制地層造漿的作用并兼有降失水、改善流型及增加潤滑性等功能。它能改善鉆孔沖洗液的流變性并能有效地包被由于孔壁水化剝落產生的大量鉆屑，抑制地層造漿，同時鉀離子的存在，在一定程度上抑制了地層中泥質成分的水化和剝落，起到穩定孔壁的作用，且沖洗液性能穩定，維護相對簡單，對泥炭質炭質板巖鉆進具有比較理想的效果。

3.2鉀鹽聚合物沖洗液現場實施要點

鉀基聚合物鉆孔沖洗液現場實施要點，由于地層難度較大，破碎帶，呈現連續顆粒狀態，為此有針對性的對不同地層使用不同的鉆孔沖洗液體系。具體方案如表1所示。

表土層主要是黃土與顆粒灰巖組成，灰巖以及變質程度高的碳質板巖等層段相對簡單，巖層單一，使用一般低固相鉆孔沖洗液即可。

施工的難點和必須保證采取率的重點，是看似完整卻強度極低的含泥質成分較高的炭質板巖，使用一般鉆孔沖洗液中，由于破碎炭質板巖容易掉塊，容易卡鉆，而泥炭質炭質板巖，強度遇水急劇下降，伴隨著泥質層粉的吸水，膨脹，剝落，容易縮徑，容易出現高泵壓，破壞了井壁的穩定性，沖洗液的具體配置方案為：

（1）基漿

基漿由膨潤土、燒堿、純堿、適當碳酸鈣組成，基漿使用前盡量水化，用完及時配制。

a、膨潤土含量15%

b、燒堿使用量使基漿PH保持在9個左右

c、純堿加量為膨潤土的5%左右

d、碳酸鈣加量為1%左右

（2）處理劑部分

膠液處理劑部分，可分開配置作膠液使用以便于及時補充。使用主要藥劑有：腐植酸鉀、瀝青、聚丙烯酸鉀、水解聚丙烯晴鉀鹽、纖維素、S-1等。配制膠液時先配易溶解的，再配難溶的。配方為：15%S-1+05%KCl+02%KPHP+1%SP+（05%x-1）+（05%EZ）其中X-1與EZ為選用，根據地層情況與體系粘度要求適當調整時使用。

3.3.沖洗液維護

由于地層中水敏性剝落層段較厚，巖粉量比平時更大。為保持孔內干凈，維護沖洗液性能，必須對沖洗液進行固相控制。本項目施工過程中采用探礦工程研究所生產的除泥除砂一體機進行固相控制。此外沖洗液在使用過程中必須時刻維護，保持其性能：在鉆進中如果返水，則用膠液不斷向沖洗液槽內補充，補充量盡量等于消耗量，或稍大于消耗量，以便抵消清除沉砂時所消耗沖洗液。復雜地層鉆進時一定要勤測沖洗液性能，一小時一次，根據變化及時調整。

4.結論

在甘肅舟曲羊里尾金礦鉆探項目中遇到大量泥炭質炭質板巖，該層段隨著泥質成分的變化，巖心呈現破碎顆粒狀，破碎狀，或看似完整強度極低，用手稍加用力，便散開，把巖心放到水中做浸泡實驗，很快便水化分散，軟硬互層且不規則段厚度在100-200米之間，此段巖層極為復雜，縮徑，掉塊，遇水強度急劇降低，剝落下來的巖粉粗顆粒較多，容易造成憋泵，憋車，一旦剝落巖粉通不過擴孔器周圍狹小的環狀間隙，就容易造成送水不通，泵壓升高，憋泵又進一步破壞地層穩定，容易包鉆卡鉆，直到不能合車，造成嚴重鉆探事故。

針對以上情況，工藝上要控制進尺，控制轉速，控制泵量，起下鉆以及打撈內管時要慢，并回灌鉆孔沖洗液，減少抽吸作用對地層穩定性的影響。沖洗液方面，首先沖洗液必須具備強抑制性且低失水的性能，這樣才能抑制泥質成分的水化分散剝落，提高孔壁的穩定性，其次要有良好的流動性，避免出現高泵壓，以適當的比重實現平衡壓力鉆進。并且根據現場要求，沖洗液性能必須相對穩定，方便現場配置使用維護，實用性要強。最終選取了鉀基聚合物鉆孔沖洗液體系，結合現場操作工藝的配合使用，在泥質炭質板巖破碎段，剝落段等復雜地層，取得了比較理想的效果。并且根據具體情況還在不斷的進行優化處理中。研究應用表明目前最優鉆孔沖洗液為：15%NV-1+02%NaOH+1%CaCO3+1%CMC+15%S-1+05%KCl+003%KPHP+1%SP1+（05%x-1，EZ），x-1與EZ根據地層與體系要求選用。其性能參數如表2所示。

參考文獻：

[1]宋青春，邱維理，張振春.地質學基礎[M].高等教育出版社，2009，148-148.

[2]吳隆杰.楊風霞.沖洗液處理劑膠體化學原理[M].成都科技大學出社，1992.6-7.

[3]鄢捷年.石油大學出版社沖洗液工藝學[M].石油大學出社，200612.178-179.

[4]陳偉，李允哲，李文斌.PAB無固相沖洗液在綠泥石化破碎地層中的護壁鉆進效果[J].吉林地質，2010，12.

[5]胡忠鯁等.現代化學基礎[M].高等教育出版社，2006，25-25.