臺江鉛鋅礦區(qū)鉆井液應(yīng)用技術(shù)

朱斗圣，張承飛，鄧少東，江　松，謝海洋

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局112地質(zhì)大隊，貴州安順561000）

臺江鉛鋅礦區(qū)鉆井液應(yīng)用技術(shù)

朱斗圣*，張承飛，鄧少東，江松，謝海洋

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局112地質(zhì)大隊，貴州安順561000）

臺江鉛鋅礦區(qū)鉆遇地層復(fù)雜，巖石破碎，特別是白云巖風(fēng)化嚴(yán)重，遇水溶解，取芯非常困難；孔壁坍塌嚴(yán)重，鉆進(jìn)艱難，風(fēng)險大。針對該礦區(qū)鉆進(jìn)施工中存在的技術(shù)難題，開展了一系列的技術(shù)攻關(guān)，確定了鉆進(jìn)工藝和鉆井液技術(shù)方法，形成了一整套鉆井液技術(shù)措施。實踐表明，該套鉆井液技術(shù)解決了該礦區(qū)鉆進(jìn)中出現(xiàn)的各種難題，減小了孔內(nèi)事故的發(fā)生，提高了鉆進(jìn)速度和巖芯采取率，為下一步的鉆進(jìn)施工提供了鉆井液技術(shù)保證。

鉆井液；聚丙烯酸鉀；三套管

1　概述

1.1礦區(qū)簡介

臺江鉛鋅礦礦區(qū)位于黔東南州凱里市與臺江縣之間，山勢陡峭，水源條件一般，施工用水要從山下的河流里用泵抽取，送水距離較遠(yuǎn)。交通條件一般，雖然有鄉(xiāng)村公路，但是設(shè)備搬遷主要還是人工。礦區(qū)巖石整體由白云巖組成。該礦區(qū)處于一個大的斷裂帶上，巖石非常破碎，鉆井液漏失嚴(yán)重；地表以下數(shù)十米完全風(fēng)化成細(xì)砂，遇水即溶，給鉆進(jìn)、護(hù)壁和取芯工作帶來極大困難。

從2003年開始，在該礦區(qū)斷斷續(xù)續(xù)進(jìn)行過多次鉆探作業(yè)，但是，由于孔內(nèi)坍塌、漏失嚴(yán)重，鉆進(jìn)困難，沒有一個鉆孔達(dá)到地質(zhì)目的，均為報廢鉆孔，而且?guī)r芯采取率低，只能達(dá)到65%。

1.2區(qū)域地質(zhì)背景

臺江鉛鋅礦帶位于揚子準(zhǔn)地臺與華南褶皺帶過渡帶的保靖—銅仁—玉屏—凱里—三都深大斷裂帶上，北東向（湖南）花垣—（貴州）都勻鉛鋅成礦帶的中段。臺江—施洞口深斷層從礦區(qū)南東通過，兩側(cè)有基性—超基性巖出露，沉積蓋層相變明顯，顯示出典型深大斷裂特征。分布于該礦區(qū)南東側(cè)的施洞口—龍井街?jǐn)鄬樱瑸樯鲜錾畲髷嗔褞г谠搮^(qū)的淺部表現(xiàn)。礦化帶南西起于凱里柏松，止于北東的龍井街，長大于10km。礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖層主要為寒武系中下統(tǒng)白云巖、泥質(zhì)白云巖、粉砂質(zhì)白云巖及白云質(zhì)粘土巖。

1.3鉆探任務(wù)情況簡介

由于以往的鉆孔都沒有成功完鉆，而且?guī)r芯采取率只有65%，但是此次鉆探任務(wù)卻要求巖芯采取率必須達(dá)到75%以上。在該礦區(qū)，這樣的要求是比較高的。所以此次鉆探任務(wù)前期先布置5個鉆孔，根據(jù)鉆孔施工情況，再確定布置后續(xù)鉆孔事宜。為此，必須采取先進(jìn)的鉆進(jìn)工藝和鉆井液技術(shù)確保鉆探施工順利進(jìn)行。因此選擇首先施工的鉆孔ZK1201進(jìn)行鉆井液實驗。實驗成功以后再在第二個鉆孔ZK1202中進(jìn)行鉆井液應(yīng)用實驗。如果應(yīng)用試驗成功，就能夠在該礦區(qū)進(jìn)行推廣使用，為后續(xù)鉆探提供技術(shù)保證。

2　實驗鉆孔ZK1201地層特點和鉆井液技術(shù)難點

2.1地層及巖性情況（見表1）

由表1可以看出，本礦區(qū)的地層主要是白云巖。地表以下數(shù)十米完全強風(fēng)化成細(xì)砂，遇水即溶。強風(fēng)化層以下巖層非常破碎，易垮塌和掉塊，全孔取芯困難。

2.2鉆井液技術(shù)難點

由表1和巖芯圖片可見鉆井液技術(shù)難點主要表現(xiàn)在以下幾點：

（1）地表以下幾十米的白云巖完全強風(fēng)化成細(xì)砂，松散，沒有膠結(jié)力，鉆進(jìn)過程中極易坍塌，遇水即溶，要保證巖芯采取率很困難。

（2）強風(fēng)化層下部巖石裂隙發(fā)育程度高，巖石破碎，極易掉塊卡鉆，從取出的巖芯可以看到，巖芯全部呈碎塊狀。鉆井液主要沿著巖石裂隙面漏失，而且裂隙需要大量的鉆井液進(jìn)行充填，鉆井液消耗量很大。

表1　ZK1201鉆孔巖性情況

（3）由于礦區(qū)是處于一條大的斷裂帶上，鉆遇地層有較厚的斷層角礫，遇水容易吸水膨脹、崩塌，經(jīng)常造成孔壁坍塌、縮徑、埋鉆等事故，鉆具通過困難。

（4）根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求，對鉆孔質(zhì)量要求高，全孔段巖礦芯采取率必須大于75%，也就是單個回次巖芯采取率都必須大于75%。讓鉆孔施工的難度大大增加。

2.3鉆井液選擇原則

保持孔壁穩(wěn)定是安全鉆進(jìn)的重要條件，選擇合適該地層條件的鉆井液材料，增加鉆井液的護(hù)壁能力，降低鉆井液的濾失量，確保鉆井液有優(yōu)良的流變特性，滿足攜砂要求，保持鉆孔清潔；形成薄而致密的泥餅，還要有良好的潤滑性能，確?？妆诜€(wěn)定。

針對以上地層特點，鉆井液必須滿足以下原則：

（1）有很強的膠結(jié)能力。由于該地層上部數(shù)十米是完全砂化，此孔段地層松散，遇水即溶，垮塌嚴(yán)重。鉆井液必須具有較強的膠結(jié)力才能保證巖芯采取率，否則難以滿足地質(zhì)要求。

（2）要有很強的排砂能力和護(hù)壁堵漏功能。嚴(yán)格控制鉆井液的濾失量，確保形成致密光滑的泥皮，預(yù)防孔內(nèi)事故的發(fā)生。

（3）保持良好的流變性。鉆井液保持低粘度、低切力、流變性好的性能，為局部反循環(huán)鉆進(jìn)制造有利條件。

（4）有良好的潤滑防卡和防塌功能。

（5）有良好的抑制水敏性地層水化膨脹能力。

具體的井身結(jié)構(gòu)根據(jù)鉆探實際情況進(jìn)行調(diào)整。初步確定在0～100m孔段選擇局部反循環(huán)鉆進(jìn)工藝，100m以下孔段選擇PQ、HQ3、NQ3繩索取芯鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)至終孔。

3　鉆井液室內(nèi)實驗

3.1選擇鉆井液技術(shù)思路

在對以往鉆遇地層進(jìn)行仔細(xì)分析、認(rèn)真研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)地層巖石特性和其它礦區(qū)的經(jīng)驗，在室內(nèi)進(jìn)行鉆井液對比實驗，確定采用低密度、低失水、低滲透性的抑制性鉆井液體系。

對聚合物降失水機理的研究表明，高分子鏈與粘土顆粒的交聯(lián)作用，在鉆井液體系內(nèi)部形成比較穩(wěn)定的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，粘土顆粒更加細(xì)化均勻分散，泥餅結(jié)構(gòu)更加致密，從而有效地降低了鉆井液的失水量。有效地抑制了斷層角礫巖地層因水化膨脹而導(dǎo)致的鉆孔縮徑。為此，專門采用了幾種降失水劑和頁巖抑制劑做過實驗，最后選定一個鉆井液體系配方。

3.2鉆井液處理劑的選擇

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計、現(xiàn)場地層條件和鉆進(jìn)工藝，對市場上的鉆井液處理劑進(jìn)行篩選，選擇了聚丙烯酸鉀、水解聚丙烯腈胺鹽（NH4-HPAN）、氯化鉀、羧甲基纖維素鈉（Na-CMC）、KL防塌護(hù)壁劑、磺化瀝青防塌護(hù)壁劑、803堵漏劑等5種泥漿處理劑。原因是：①聚丙烯酸鉀具有降濾失和抑制頁巖分散的作用。而水解聚丙烯腈胺鹽（NH4-HPAN）在以前的實驗和應(yīng)用中都已經(jīng)試驗成功。②高粘羧甲基纖維素鈉（HV-CMC）具有降濾失和增粘的作用。在泥漿中含量較高時，亦具有一定的抑制頁巖水化膨脹能力。③KL防塌護(hù)壁劑和磺化瀝青防塌護(hù)壁劑具有良好的冷水分散性能，能夠有效地抑制頁巖膨脹和防止井壁坍塌；優(yōu)良的降失水性能，泥皮致密堅韌；良好的潤滑性能，可更好地防止粘附卡鉆和一定的防垮塌作用。④803堵漏劑具有較好的隨鉆堵漏效果。⑤氯化鉀。鉀離子對水敏性地層的膨脹縮徑也有一定的抑制作用。

3.3低固相鉆井液的特點

針對鉆孔上部細(xì)砂遇水溶解、下部掉塊、斷層角礫遇水膨脹縮徑問題，根據(jù)在鎮(zhèn)隆鎮(zhèn)煤礦區(qū)鉆井液實驗情況，此次仍然采用低固相鉆井液，其主要特點是鉆井液體系中固相含量不大于4%，且以摻加不同的高分子聚合物維持鉆井液性能。低固相鉆井液是小口徑金剛石鉆進(jìn)中最常用、最有效的鉆井液體系，它既有無固相鉆井液體系的高鉆速，又有良好的攜帶懸浮巖屑能力和防塌性能。

根據(jù)室內(nèi)實驗，參考了其它類似地層鉆井液使用情況，最終選擇了聚丙烯酸鉀鉆井液。最主要的是聚丙烯酸鉀鉆井液具有較強的抑制水化膨脹的功能。

聚丙烯酸鉀鉆井液具有以下優(yōu)點：（1）提高鉆進(jìn)速度；（2）鉆井液潤滑性能良好；（3）護(hù)壁性能良好，抑制水化膨脹的能力強，減少了縮徑卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故，能夠保證鉆具順利通過；（4）降低了鉆探成本，減小環(huán)境污染；（5）有良好的流變性，能夠滿足局部反循環(huán)鉆進(jìn)工藝要求。

4　現(xiàn)場應(yīng)用試驗

4.1ZK1201鉆孔試驗

ZK1201鉆孔設(shè)計深度550m，鉆孔類型為取芯、直孔。實際鉆深500.21m。采用CDM1800全液壓巖芯鉆機。

根據(jù)對該礦區(qū)以往鉆探失敗經(jīng)驗的分析總結(jié)，對礦區(qū)地層地質(zhì)情況和鉆井液技術(shù)難點的分析，確定井身結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2　ZK1201鉆孔結(jié)構(gòu)

在5～60m（具體深度根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定）孔段采用局部反循環(huán)鉆進(jìn)工藝。其余孔段采用三套管PQ—HQ3—NQ3繩索取芯鉆進(jìn)工藝，確保巖芯采取率達(dá)到地質(zhì)要求。

在5～60m孔段，根據(jù)地表出露的巖石和以往所取巖芯，并根據(jù)鉆井液室內(nèi)實驗，確定選用鉆井液配比如表3所示。

表3　鉆井液配比

經(jīng)過試驗，該孔段應(yīng)用效果良好，孔內(nèi)坍塌、縮徑、塑性變形都受到抑制，孔內(nèi)事故得到控制，巖芯采取率大于96%，鉆進(jìn)順利。鉆穿強風(fēng)化層以后，下套管護(hù)壁，換徑鉆進(jìn)。

60m至終孔孔段，巖石非常破碎，鉆井液漏失嚴(yán)重，添加了高粘堵漏劑和803隨鉆堵漏劑，高粘防塌護(hù)壁劑等。鉆進(jìn)工藝方面，為了保證巖芯采取率，使用三套管：HQ3、NQ3工藝。

通過試驗，效果良好，全孔巖芯采取率達(dá)到了94%，完全滿足了地質(zhì)要求。

4.2鉆井液在ZK1202鉆孔中的試驗情況

鉆孔ZK1202設(shè)計孔深300m，實際終孔深度為530m。該鉆孔強風(fēng)化層比較薄，只有大約7m，所以強風(fēng)化層采用?130mm口徑開孔，采用普通無泵鉆進(jìn)至7.6m，下入?127mm套管進(jìn)行護(hù)壁，然后換PQ—HQ3—NQ3繩索取芯鉆進(jìn)。

該鉆孔地層比ZK1201更加破碎，很少有呈柱狀的巖芯。孔內(nèi)鉆井液漏失嚴(yán)重，添加各種堵漏劑均無效果，所以采用頂漏鉆進(jìn)。

鉆井液仍然采用ZK1201鉆孔的配比，只是略加改動。順利完成鉆孔施工，終孔深度為530m，全孔巖芯采取率得達(dá)到93%。

經(jīng)過上面2個鉆孔的探索試驗，所采用的聚丙烯酸鉀鉆井液完全能夠滿足該礦區(qū)鉆探施工要求，為后續(xù)鉆探提供了良好的借鑒作用。

5　現(xiàn)場鉆井液維護(hù)

現(xiàn)場配備：一臺攪拌機，使鈉膨潤土粉能充分水化分散；配備加藥桶，將待加入的處理劑預(yù)先分散、水化、溶解；配備鉆井液比重稱、馬氏漏斗粘度計、含砂量測定儀、API濾失儀和pH試紙以便測量鉆井液性能指標(biāo)；泥漿池、沉淀池、循環(huán)槽用水泥砂漿修筑，以免混入雜物污染鉆井液。每班測量一次鉆井液性能指標(biāo)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)加入相應(yīng)處理劑調(diào)節(jié)以保持鉆井液性能基本不變；停鉆時除盡沉淀池、循環(huán)槽內(nèi)的沉砂以保證鉆井液較小的含砂量。鉆井液性能指標(biāo)與最初鉆井液性能指標(biāo)相差較大時換漿。

6　取得的效果

通過對這2個鉆孔的試驗實踐證明，所使用的聚丙烯酸鉀鉆井液性能穩(wěn)定，孔內(nèi)鉆進(jìn)平穩(wěn)，孔壁保持穩(wěn)定，取芯比較順利，順利完鉆。說明這種低固相聚丙烯酸鉀鉆井液完全滿足該礦區(qū)地層的鉆進(jìn)要求。該2個鉆孔的技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4　試驗鉆孔的技術(shù)指標(biāo)對比表

7　結(jié)論與建議

經(jīng)過ZK1201和ZK1202兩個鉆孔的鉆井液探索試驗表明，所選用的低固相聚丙烯酸鉀鉆井液對該礦區(qū)地層具有良好的潤滑減阻和護(hù)壁效果，能夠很好地抑制斷層角礫巖和強風(fēng)化白云巖地層的水化、膨脹，并兼有地層微裂隙堵漏效果。對破碎地層有良好的護(hù)壁功能。上述鉆井液配方正在為該礦區(qū)后續(xù)鉆探提供技術(shù)支撐。不同的地層鉆井液配方并不是一成不變的，應(yīng)該根據(jù)不同的地層和水質(zhì)等具體情況，對鉆井液的配方進(jìn)行調(diào)整，才能滿足鉆孔施工需要。此外，鉆井液性能的現(xiàn)場維護(hù)是十分重要的，在水敏性地層中施工鉆孔，一般要求鉆井液具有低密度、低濾失量、抑制性能良好、泥餅薄而韌性好、堵漏效果明顯，就可以起到較好護(hù)壁作用。此外，還應(yīng)該根據(jù)不同的地層和取芯要求，采用不同的鉆進(jìn)工藝，特別是HQ3和NQ3的應(yīng)用，對提高巖芯采取率有非常大的幫助。

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1004-5716（2016）08-0088-04

2016-03-31

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貴州省科技廳社會發(fā)展科技攻關(guān)項目“貴州復(fù)雜地層深井鉆探工藝應(yīng)用研究”（黔科合SY字［2015］3002）；貴州省地礦局地質(zhì)科研資金資助項目“地?zé)徙@井泥漿技術(shù)的研究應(yīng)用”（黔地礦科合［2014］01）。

朱斗圣（1968-），男（漢族），貴州遵義人，高級工程師，現(xiàn)從事鉆探工程技術(shù)工作。