甘南陽(yáng)山金礦不穩(wěn)定地層聚合物防塌鉆井液實(shí)驗(yàn)研究

張 強(qiáng)

（武警黃金第三總隊(duì)，四川成都610036）

甘南陽(yáng)山金礦不穩(wěn)定地層聚合物防塌鉆井液實(shí)驗(yàn)研究

張 強(qiáng)*

（武警黃金第三總隊(duì)，四川成都610036）

甘南陽(yáng)山金礦以其豐富的黃金儲(chǔ)量受到我國(guó)政府高度重視，對(duì)其開(kāi)發(fā)予以了大力支持和幫助。由于該區(qū)存在大量的破碎帶，在勘探鉆井中經(jīng)常引起井壁垮塌等鉆井事故。立足于陽(yáng)山金礦不穩(wěn)定地層的特點(diǎn)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出一種適合該地區(qū)鉆井用的防塌鉆井液體系：水+5%膨潤(rùn)土+ 10%聚乙二醇+2%Na-CMC（羧甲基纖維素鈉）+5%SMP-2（磺甲基酚醛樹(shù)脂）+3%KCl（氯化鉀），并對(duì)其性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該鉆井液體系具有適中的密度、良好的流變性和泥頁(yè)巖水化抑制性，能夠長(zhǎng)時(shí)間有效抑制井壁附近地層中的泥頁(yè)巖水化分解，有利保障在該地區(qū)鉆井的順利實(shí)施。

甘南陽(yáng)山金礦；鉆探；不穩(wěn)定地層；井壁穩(wěn)定；鉆井液

1 概述

甘南陽(yáng)山金礦帶東起固鎮(zhèn)，西至堡子壩，全長(zhǎng)30km，分為6個(gè)礦段，即張家山、陽(yáng)山、高樓山、安壩、葛條灣和泥山礦段，共發(fā)現(xiàn)110條金礦脈，其中規(guī)模最大的305號(hào)、314號(hào)脈均位于安壩礦段[1-2]。前期鉆探資料表明，礦區(qū)地層以泥盆系三河口群為主，巖性主要有砂巖、泥質(zhì)千枚巖、泥板巖和中薄層灰?guī)r，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，含礦層以碎裂巖為主，該層極不穩(wěn)定[1-4]。在勘探鉆井過(guò)程中，由于鉆井液沖蝕、失水、鉆桿旋轉(zhuǎn)摩擦、起下鉆井內(nèi)液力激蕩等影響，經(jīng)常發(fā)生井壁失穩(wěn)，從而導(dǎo)致卡鉆、埋鉆、斷鉆、甚至井孔報(bào)廢等重大鉆井事故。由此可見(jiàn)，為保證礦區(qū)勘探鉆井順利實(shí)施，首先必須采用合理的鉆井液工藝以保證井壁穩(wěn)定，從而避免鉆井事故的發(fā)生，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中所使用的儀器主要有ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、鉆井液濾失儀、頁(yè)巖水化膨脹儀等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將配制好的鉆井液均勻攪拌30min，然后靜置10min。之后，通過(guò)比重計(jì)、ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、鉆井液濾失儀、頁(yè)巖膨脹儀等儀器分別測(cè)試鉆井液在20℃～30℃條件下的密度、流變性、濾失性和頁(yè)巖線性膨脹率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 鉆井液性能要求

（1）鉆井液應(yīng)具有適中的密度，根據(jù)前期鉆探經(jīng)驗(yàn)，鉆井密度應(yīng)控制在1.1～1.2g/cm3為宜；

（2）鉆井液應(yīng)具有良好的流變性，能夠有效懸排鉆屑、清潔井底、冷卻鉆頭、潤(rùn)滑鉆具；

（3）鉆井液應(yīng)具有良好的泥頁(yè)巖水化抑制性，能夠有效保持井壁穩(wěn)定，避免突發(fā)鉆井事故。

結(jié)合鉆井液性能的設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，最終獲得一種適合該地區(qū)鉆井用的防塌鉆井液體系：水+ 5%膨潤(rùn)土+10%聚乙二醇+2%Na-CMC+5%SMP-2+ 3%KCl。

3.2 鉆井液流變性能評(píng)價(jià)

根據(jù)前期鉆探資料，在甘南陽(yáng)山金礦區(qū)鉆井時(shí)，井內(nèi)鉆井液循環(huán)溫度通常介于20℃～30℃范圍內(nèi)。因此，本實(shí)驗(yàn)選定在20℃～30℃溫度范圍內(nèi)測(cè)試所研制的鉆井液的常規(guī)性能，以評(píng)價(jià)該鉆井液在變化的溫度條件下性能的變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先將配制好的鉆井液放置在帶水浴槽的攪拌器中進(jìn)行恒溫水浴攪拌，通過(guò)電子溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井液溫度變化，當(dāng)鉆井液溫度達(dá)到所需溫度點(diǎn)并恒溫水浴30min之后進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、圖1和圖2所示。

表1 鉆井液在不同溫度下的常規(guī)性能參數(shù)

圖1 鉆井液在不同溫度下的動(dòng)塑比

圖2 鉆井液在不同溫度下的觸變性

由表1可見(jiàn)，隨著溫度的升高，鉆井液的密度、塑性粘度、切力和濾失量都有增大的趨勢(shì)，但是變化幅度不大，說(shuō)明在此溫度范圍內(nèi)鉆井液的低溫流變性能比較穩(wěn)定，在鉆井過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榫畠?nèi)溫度的局部變化而產(chǎn)生較大的波動(dòng)。多年鉆井實(shí)踐表明，鉆井液的動(dòng)塑比對(duì)于鉆井液懸浮和排出巖屑具有重要意義，是評(píng)價(jià)鉆井液性能好壞的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。動(dòng)塑比越高，鉆井液的剪切稀釋性就越強(qiáng)，就越有利于攜帶和排出巖屑及清潔井底，能夠有效避免巖屑在井底沉降導(dǎo)致重復(fù)破碎，有利于延長(zhǎng)鉆頭使用壽命和提高鉆進(jìn)效率。為了保證鉆井液在較高剪切速率和較低剪切速率下均能有效攜帶和排出巖屑，鉆井液的動(dòng)塑比應(yīng)控制在0.36～0.48之間為宜。由圖1可見(jiàn)，在20℃～30℃范圍內(nèi)，所研制的納米SiO2鉆井液的動(dòng)塑比介于0.44～0.464，說(shuō)明該鉆井液在該地區(qū)地溫條件下具有良好的剪切稀釋性，能夠較好地滿足懸浮和排出巖屑的要求。

評(píng)價(jià)鉆井液裹挾巖屑能力，不僅要看動(dòng)塑比，還需注意觸變性。所謂鉆井液觸變性，是指攪拌后鉆井液變稀、靜置后又變稠的性質(zhì)，反映鉆井液空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的恢復(fù)能力，通常用終止靜切力與初始靜切力之差來(lái)表示鉆井液觸變性的強(qiáng)弱。由圖2可見(jiàn)，在20℃～30℃范圍內(nèi)，所研制鉆井液的觸變性隨著溫度升高而逐漸增大。當(dāng)溫度高于24℃時(shí)，該鉆井液的觸變性明顯增大，但是當(dāng)溫度介于24℃～30℃之間卻基本上不變，說(shuō)明該鉆井液在低溫條件下具有良好的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力，有利于攜帶巖屑。

此外，由表1不難發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，所研制納米鉆井液的密度和濾失量出現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但是變化較平緩，沒(méi)有出現(xiàn)較大幅度的性能波動(dòng)，說(shuō)明該鉆井液在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，能夠在井內(nèi)持續(xù)提供較為穩(wěn)定的液柱壓力并降低鉆井液對(duì)井壁附近地層的滲透，有助于維護(hù)井壁穩(wěn)定和保障鉆井安全。

由此可見(jiàn)，所研制的鉆井液具有適中的密度、良好的流變性和較低的濾失量，濾餅厚度適中且韌性好，有利于合理控制井內(nèi)的溫度和壓力，從而維護(hù)井壁穩(wěn)定。

3.2 鉆井液的泥頁(yè)巖水化抑制性評(píng)價(jià)

由于井壁附近地層中含有大段泥頁(yè)巖等不穩(wěn)定地層，在鉆井過(guò)程中很容易水化膨脹，導(dǎo)致井眼縮徑，甚至是井壁失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)卡鉆、埋鉆、鉆具斷裂等嚴(yán)重鉆井事故。由此可見(jiàn)，在鉆井液設(shè)計(jì)之初即需考慮泥頁(yè)巖水化抑制性的要求并進(jìn)行預(yù)先評(píng)價(jià)。由于泥頁(yè)巖水化膨脹與鉆井液濾失量具有密切關(guān)聯(lián)，而所研制的鉆井液在20℃～30℃范圍內(nèi)濾失量變化很小，為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)工作量和時(shí)間，取溫度范圍上限，將實(shí)驗(yàn)溫度定為30℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分別將鉆井液和泥頁(yè)巖膨脹測(cè)定儀置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)升溫至30℃，然后恒溫水浴半小時(shí)。待溫度完全穩(wěn)定之后，測(cè)試頁(yè)巖的線膨脹率，實(shí)驗(yàn)持續(xù)16h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和圖3所示。

表2 頁(yè)巖膨脹試驗(yàn)

圖3 頁(yè)巖在清水和鉆井液中線性膨脹變化趨勢(shì)圖

由表2可見(jiàn)，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分別浸泡在清水和所研制鉆井液中的泥頁(yè)巖水化膨脹效果從實(shí)驗(yàn)之初就出現(xiàn)了明顯的差異，而圖3則更直觀地描述了頁(yè)巖在清水和鉆井液中線性膨脹的發(fā)展趨勢(shì)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)鉆井液浸泡的泥頁(yè)巖線膨脹率明顯小于在清水中的線膨脹率，而且這種差異隨著時(shí)間的增加而愈發(fā)明顯。在初始2h和終止時(shí)（16h）經(jīng)鉆井液浸泡的泥頁(yè)巖線膨脹率分別為3.5%和11.8%，比經(jīng)清水浸泡的相應(yīng)值減少了48.53%和70.86%。此外，由圖3可直接發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，清水中的泥頁(yè)巖線膨脹率趨向于大幅度增長(zhǎng)，而鉆井液中的泥頁(yè)巖線膨脹率卻逐漸趨于不變，尤其是在10h之后變化很小，而在14h到16h之間則變化甚微，可以認(rèn)為泥頁(yè)巖的水化膨脹近于停止。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的鉆井液具有良好的泥頁(yè)巖水化膨脹抑制性，能夠較好地維護(hù)井壁穩(wěn)定。

4 結(jié)論與建議

（1）所研制的聚合物防塌鉆井液在20℃～30℃條件下具有適中的密度、低濾失性、良好的流變性和泥頁(yè)巖水化膨脹抑制性，有利于在井內(nèi)形成合理的鉆井液流型和液柱壓力，能夠長(zhǎng)時(shí)間抑制井壁地層中泥頁(yè)巖的水化膨脹，保持井壁穩(wěn)定和井內(nèi)鉆進(jìn)安全，能夠滿足甘南陽(yáng)山金礦不穩(wěn)定地層鉆井的工藝要求。

（2）在今后的研究中，應(yīng)重點(diǎn)研究聚合物在鉆井液中的作用機(jī)理，尤其是研究聚合物材料對(duì)鉆井液空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響，以便更合理地設(shè)計(jì)金礦區(qū)不穩(wěn)定地層鉆井液。

[1]孫樹(shù)浩,文國(guó)林.微細(xì)浸染型聯(lián)合村式金礦的地質(zhì)和地球化學(xué)特征[J].地質(zhì)找礦論叢,1993,8(4):9-22.

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TE249

A

1004-5716(2015)10-0020-03

2015-05-16

2015-05-18

張強(qiáng)（1976-），男（漢族），四川三臺(tái)人，工程師，現(xiàn)從事固體礦勘探和地質(zhì)勘查工作。