炭質(zhì)板巖鉆探施工工藝暨沖洗液的研究與應(yīng)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(zhì)沉積炭質(zhì)板巖，該層巖心呈現(xiàn)破碎狀，細(xì)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(xiàn)象。金剛石繩索取芯鉆探工藝要求鉆孔環(huán)空間隙要小，這些孔內(nèi)剝落巖屑更容易導(dǎo)致小口徑金剛石鉆進過程中出現(xiàn)高泵壓，憋車等孔內(nèi)復(fù)雜情況，嚴(yán)重影響項目正常施工進度計劃。為此針對泥炭質(zhì)炭質(zhì)板巖易破碎，水敏剝落，弱膠結(jié)等一系列特點，據(jù)實驗室數(shù)據(jù)與現(xiàn)場應(yīng)用效果不斷進行技術(shù)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(jié)合操作上低泵壓，低轉(zhuǎn)速，起下鉆以及打撈內(nèi)管時回灌沖洗液等技術(shù)措施，提高了鉆探施工進度效率。

關(guān)鍵詞：泥炭質(zhì)炭質(zhì)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(qū)主要以褐黃色至灰色的砂板巖、灰?guī)r及黑色的碳質(zhì)板巖為主。板巖是區(qū)域變質(zhì)作用形成的巖石，是由粘土巖，粉砂巖或中酸性凝灰?guī)r輕微變質(zhì)變質(zhì)作用而成的淺變質(zhì)巖，具有明顯板狀構(gòu)造，在板面上略顯絲絹光澤，根據(jù)顏色類別和雜質(zhì)，分為黑色炭質(zhì)板巖，灰綠色鈣質(zhì)板巖[1]。碳質(zhì)泥巖和泥炭質(zhì)沉積不規(guī)律存在，此類地層普遍較軟，遇水后強度下降劇烈。在經(jīng)過一段時間的探索后，認(rèn)識到對于復(fù)雜地層的鉆探，需要鉆探工藝技術(shù)與鉆孔沖洗液工藝的共同配合，才能取得最優(yōu)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(jié)構(gòu)

此礦區(qū)，每層套管都應(yīng)盡可能達(dá)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(zhì)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(zhì)量的技術(shù)措施

（1）控制回次進尺，鉆進十分破碎的碳質(zhì)板巖、炭質(zhì)泥巖、泥炭質(zhì)沉積層位時，應(yīng)對鉆進參數(shù)進行控制：控制轉(zhuǎn)速，控制鉆壓，控制泵量。地層出現(xiàn)軟硬突然變化時，適當(dāng)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(guī)整孔壁，減少縮徑、掉塊抱死的風(fēng)險。在碳質(zhì)泥巖、碳質(zhì)板巖、泥炭沉積層時盡量使用底噴鉆頭，并調(diào)整卡簧座與鉆頭內(nèi)胎體至近于零間隙。

（3）對于完全松散的細(xì)粒層段，回次鉆進結(jié)束時可適當(dāng)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(qū)主要困難在于對含礦層炭質(zhì)板巖的鉆探，隨著泥質(zhì)成分的增加尤其以泥炭沉積層最為困難，呈現(xiàn)黑色顆粒狀，粗顆粒水化剝落，憋泵憋車，鉆進十分困難，孔內(nèi)情況復(fù)雜。在這種復(fù)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(fā)生粘土的吸水、膨脹、分散。對于水敏性剝落地層，應(yīng)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(guān)鍵的問題[2]。而對于相對破碎松散地層則應(yīng)提高泥皮質(zhì)量，提高沖洗液的護壁性能。當(dāng)泥炭質(zhì)炭質(zhì)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(zhì)量足夠高，并具有較強的線型和合適的分子結(jié)構(gòu)，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(wěn)定[3]。對于泥炭質(zhì)炭質(zhì)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(yīng)。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(zhì)地層的吸水膨脹，以維持孔壁穩(wěn)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(zhì)炭質(zhì)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(chǎn)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(zhì)成分的水化和剝落，起到穩(wěn)定孔壁的作用，且沖洗液性能穩(wěn)定，維護相對簡單，對泥炭質(zhì)炭質(zhì)板巖鉆進具有比較理想的效果。

3.2鉀鹽聚合物沖洗液現(xiàn)場實施要點

鉀基聚合物鉆孔沖洗液現(xiàn)場實施要點，由于地層難度較大，破碎帶，呈現(xiàn)連續(xù)顆粒狀態(tài)，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?；?guī)r組成，灰?guī)r以及變質(zhì)程度高的碳質(zhì)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(zhì)成分較高的炭質(zhì)板巖，使用一般鉆孔沖洗液中，由于破碎炭質(zhì)板巖容易掉塊，容易卡鉆，而泥炭質(zhì)炭質(zhì)板巖，強度遇水急劇下降，伴隨著泥質(zhì)層粉的吸水，膨脹，剝落，容易縮徑，容易出現(xiàn)高泵壓，破壞了井壁的穩(wěn)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(dāng)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(jù)地層情況與體系粘度要求適當(dāng)調(diào)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(fù)雜地層鉆進時一定要勤測沖洗液性能，一小時一次，根據(jù)變化及時調(diào)整。

4.結(jié)論

在甘肅舟曲羊里尾金礦鉆探項目中遇到大量泥炭質(zhì)炭質(zhì)板巖，該層段隨著泥質(zhì)成分的變化，巖心呈現(xiàn)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(guī)則段厚度在100-200米之間，此段巖層極為復(fù)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(huán)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(wěn)定，容易包鉆卡鉆，直到不能合車，造成嚴(yán)重鉆探事故。

針對以上情況，工藝上要控制進尺，控制轉(zhuǎn)速，控制泵量，起下鉆以及打撈內(nèi)管時要慢，并回灌鉆孔沖洗液，減少抽吸作用對地層穩(wěn)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(zhì)成分的水化分散剝落，提高孔壁的穩(wěn)定性，其次要有良好的流動性，避免出現(xiàn)高泵壓，以適當(dāng)?shù)谋戎貙崿F(xiàn)平衡壓力鉆進。并且根據(jù)現(xiàn)場要求，沖洗液性能必須相對穩(wěn)定，方便現(xiàn)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(jié)合現(xiàn)場操作工藝的配合使用，在泥質(zhì)炭質(zhì)板巖破碎段，剝落段等復(fù)雜地層，取得了比較理想的效果。并且根據(jù)具體情況還在不斷的進行優(yōu)化處理中。研究應(yīng)用表明目前最優(yōu)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(jù)地層與體系要求選用。其性能參數(shù)如表2所示。

參考文獻(xiàn)：

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