大湖金礦區深厚覆蓋層適配鉆井液工藝研究

石雷雷，劉豪杰，李曼

(山西晉城市能源局，山西 晉城市 048000)

小秦嶺大湖金礦區位于小秦嶺山脈北麓山前基巖與黃土層的交接帶上，屬于山前黃土塬區的南側。地勢南高北低，南部最高山峰海拔標高+1100 m，北側河床最低高程為+640 m，相對高差460 m。地表溝谷發育，屬黃河水系。上部覆蓋層深度達到400～700 m，為第三系、第四系的沉積層。由于地層復雜鉆進過程中經常遇到孔壁坍塌、鉆井液漏失、卡鉆、鉆桿折斷等事故，給鉆進工作帶來了很多困難，造成了巨大的經濟損失?；谝陨蠁栴}，為了解決實際施工過程中遇到的問題，有效地指導生產，對該區域適用的鉆井工藝進行研究。

1 國內外研究現狀

覆蓋層形成于沉積過程，沉積物粒徑變化大，地層結構復雜多變，軟硬互層頻繁，鉆井過程中經常發生鉆孔坍塌、掉塊、地層漏失、縮徑以及卡鉆、鉆桿折斷等復雜事故。

在深厚覆蓋層鉆探中采用的技術路線有以下3 種。

（1）當覆蓋層的厚度處于20～50 m 之間時，鉆井過程中配備泥漿護壁鉆穿，進行套管支護。當遇到比較厚的覆蓋層時，在井身結構設計時采用多級套管，每級井眼下入不同套管，完全靠套管來維持井壁的穩定。但是隨著鉆孔的加深，套管使用量增加，成本升高，井身結構變得復雜。外國研發的同徑跟管鉆進技術具有一定的優越性，但由于鉆具壽命短、使用范圍狹窄等也使這項技術的推廣受到了限制。

（2）在遇到卵石層、坍塌破碎地層時，可以采用水泥封固的辦法，但是其操作復雜，不易控制。上述方法適用于覆蓋層厚度不太大，對取芯質量要求不高的地層[1]。國內外遇到的覆蓋層鉆探大多在300 m 以下[2-4]，對于大于400 m 的覆蓋層鉆探技術的研究還處于空白階段，這對于深部取芯探礦來說，由于覆蓋層厚、地層復雜，形成了新的技術挑戰。

（3）配制性能優越的泥漿，利用其對地層的保護原理中的壓力平衡，抑制水化作用保護井壁。

基于上述特點，本文旨在通過優化配制出適合該地層的鉆井液，減少鉆進事故率。

2 巖樣成分分析

2.1 選取樣品

為了對大湖金礦區上部覆蓋層有科學的認識，采集了部分巖心樣品（主要取自ZK20005 鉆孔），并對取自現場的巖樣進行了歸類，從中選取6 個樣品（見圖1）。

圖1 現場所取的6 個覆蓋層巖心樣品

2.2 XRD 衍射礦物成分分析

通過對采取的巖心樣品進行XRD 衍射礦物成分分析，確定覆蓋層主要礦物組成（見表1）。

表1 6 個樣品XRD 衍射分析結果

XRD 衍射礦物成分測試結果表明，上部覆蓋層的主要礦物組成均為石英、長石、蒙脫石、伊利石和綠泥石，樣品中黏土含量高達30%～40%，單單就蒙脫石一項的含量就達到15%～25%，極易在鉆井液濾液作用下水化，從而影響地層巖體強度，造成鉆井施工縮徑、孔壁坍塌等。

3 地層敏感性分析

3.1 膨脹量試驗

大湖金礦區地層為強水敏性，為評價該地層鉆孔水敏后是否會引起強烈的孔徑變化，在室內進行了膨脹量試驗。采用常規ZNP 型膨脹量儀，測試10 mm 高度的模擬巖樣，12 h 膨脹量達到0.058 mm。而實驗室其它常見巖石樣品的膨脹量很小（多數小于0.001 mm）。這是該地層含有的水敏性蒙脫石高含量（15%～25%）的外在表現，與XRD 試驗分析得出的強水敏結論相一致。

3.2 水敏性試驗

為了驗證大湖金礦區的水敏性，設計了兩組試驗。

3.2.1 巖樣浸泡試驗

第一組試驗分別取自來水（pH 值略大于7）、1%NaCl鹽水、15%鹽酸和15%NaOH堿水各50 mL，置于透明玻璃容器內，再將4 塊壓制的巖心樣品（使用35 g 土樣，在25 MPa 壓力下，壓制40 min 制成）分別放在4 種不同的溶液之中，觀察巖屑樣品的變化情況（見圖2）。

圖2 大湖金礦區巖樣第一組浸泡試驗（浸泡5 min 后的對比照片）

第二組試驗分別取自來水（pH 值略大于7）、1%NaCl鹽水、15%鹽酸和15%NaOH堿水各50 mL，置于透明玻璃容器內，再將4 塊相同大小巖心樣品（原樣）分別放在4 種不同的溶液之中，觀察巖屑樣品的變化情況（見圖3）。兩組巖樣浸泡對比見表2。

圖3 大湖金礦區巖樣第二組浸泡試驗（浸泡5 min 后的對比照片）

表2 大湖金礦區兩組巖樣浸泡對比

3.2.2 結果分析

通過第一、第二組巖心樣品浸泡試驗結果對比可知，巖心樣品主要是酸敏，其次是水敏、鹽敏、堿敏。這是由于該段巖心所含的礦物成分造成的，該段巖心所含的黏土量比較大，這是造成水敏的主要原因，由于所含的方解石、白云巖可以同酸產生化學反應，這是造成酸敏的主要原因。造成散樣時間不同的原因在于第一組試驗使用了壓制的巖心樣品，其膠結程度遠遠沒有天然巖樣的膠結性能好。

4 鉆井液性能指標設計

根據地層特點、巖樣XRD 礦物成分分析、敏感性試驗以及現場施工需要，設計鉆井液的性能指標必須要達到：濾失量≤12 mL（30 min），漏斗黏度控制在20～35 s 之間。

4.1 鉆井液配方優選

為滿足鉆井現場鉆井液配制的工藝流程簡單、配置材料價格便宜等要求，我們使用常見的7 種鉆井液添加劑（聚丙烯酰胺（PAM）、磺化瀝青粉、纖維素、腐殖酸鉀、植物膠、聚丙烯酸鉀、防塌劑）設計了3 種鉆井液配方[5]，使用清水+5%鈉土粉（各種處理劑加量按水質量的百分比確定）充分水化后作為基漿，利用正交試驗的方法確定各處理劑的最佳添加量，并通過觀測濾失量泥餅情況分析鉆井液優劣（見圖4）。

圖4 1，2，3 號漿泥餅（從左到右）

4.1.1 第一種鉆井液

（1）配方：水+5%鈉土粉+0.1%纖維素+0.1%防塌劑+1%腐殖酸鉀。

（2）配置工藝：水+5%鈉土粉，使其充分水化30 min 以上，邊攪拌邊按順序加入纖維素、防塌劑、腐殖酸鉀，充分攪拌后使用。

（3）泥餅：厚度為1.38 mm，顆粒較粗，不夠致密，含水量較多，在空氣中暴露一段時間泥皮含水依然良好。

4.1.2 第二種鉆井液

（1）配方：水+5%鈉土粉+0.3%植物膠+0.05%聚丙烯酸鉀+0.75%腐殖酸鉀。

（2）配置工藝：水+5%鈉土粉，使其充分水化30 min 以上，邊攪拌邊加入植物膠，之后加入聚丙烯酸鉀，最后加腐殖酸鉀。充分攪拌后使用。

（3）泥餅：厚度為1.08 mm，較細顆粒均勻致密分布，含水量較少，有一定彈性，在空氣中暴露一段時間后含水量銳減。

4.1.3 第三種鉆井液

（1）配方：水+5%鈉土粉+1%磺化瀝青+0.01%聚丙烯酰胺+1%腐殖酸鉀。

（2）配置工藝：水+5%鈉土粉，使其充分水化30 min 以上，在基漿中加入磺化瀝青和腐殖酸鉀，最后邊攪拌邊加聚丙烯酰胺，充分攪拌后使用。

（3）泥餅：厚度為1.10 mm，較細顆粒均勻致密分布，偶見粗顆粒，泥餅無彈性，含水量較多，在空氣中暴露一段時間仍然有很好的含水性。

4.2 鉆井液性能評價

為驗證鉆井液配方的適用性，設計了浸泡試驗：分別取自來水（pH 值略大于7）、1 號漿、2號漿和3 號漿各50 mL，置于透明玻璃容器內，再將4 塊大小類似的巖心樣品分別放在4 種不同的溶液之中，觀察巖屑樣品隨時間的變化情況（見圖5）。

圖5 巖樣浸泡試驗過程照片

通過觀察分析4 塊巖心樣品放入不同溶液的變化情況。

（1）巖樣浸泡于自來水中。放入后立即有氣泡冒出，30 s 后開始掉屑。5 min 后掉塊加速，15 min后基本停止，巖樣完全坍塌。

（2）巖樣浸泡于1 號漿中。巖樣下沉緩慢，之后無明顯現象，偶見氣泡冒出。浸泡1 h 后仍完好。15 h 后可以觀察到水化膨脹，且變軟，但膠結仍然良好。

（3）巖樣浸泡于2 號漿中。巖樣下沉迅速，之后無明顯現象，無氣泡冒出。浸泡1 h 后仍完好。15 h 后可以觀察到水化膨脹，有一定程度變軟，軟化程度輕微。

（4）巖樣浸泡于3 號漿中。巖樣下沉迅速，45 s 后有少量氣泡冒出，150 s 后有微量小氣泡冒出，時間很短，10 min 后再無明顯現象。浸泡1h后仍完好，15 h 后松散，分析原因與投入的巖樣有關。

5 結論

（1）對大湖金礦區深厚覆蓋層典型巖樣礦物成分進行XRD 分析，獲得了大湖金礦區深厚覆蓋層的完整信息，由分析結果可以知道，大湖覆蓋層中蒙脫石含量高達15%～25%，屬于強水敏地層，鉆進過程中對鉆井液濾失量要求高。

（2）對大湖金礦區深厚覆蓋層敏感性分析可知，敏感程度由強到弱依次為酸敏、水敏、鹽敏、堿敏。

（3）大湖金礦區深厚覆蓋層鉆井液性能控制指標為：濾失量≤12 mL（30 min），漏斗黏度控制在20～35 s 之間。

（4）優化選取了3 種性能優良的適用泥漿配方：①水+5%鈉土粉+0.1%纖維素+0.1%防塌劑+1%腐殖酸鉀；②水+5%鈉土粉+0.3%植物膠+0.05%聚丙烯酸鉀+0.75%腐殖酸鉀；③水+5%鈉土粉+1%磺化瀝青+0.01%聚丙烯酰胺+1%腐殖酸鉀。利用現場所取的樣品對鉆井液和地層的匹配性進行了測試，試驗結果表明：優選的鉆井液配方性能優越，在降低失水量、保護井壁穩定方面取得了很好的效果。