低固相鉆井液在煤田鉆探施工中的應(yīng)用

張杰

（甘肅煤田地質(zhì)局133隊(duì)工程公司，甘肅白銀730913）

低固相鉆井液在煤田鉆探施工中的應(yīng)用

張杰

（甘肅煤田地質(zhì)局133隊(duì)工程公司，甘肅白銀730913）

在新疆焉耆煤田塔什店勘探區(qū)的鉆探施工中，存在著上覆地層坍塌嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、埋鉆事故；進(jìn)入煤系后，由于煤層厚度較大，在使用煤堿劑、絡(luò)制劑，Na—CMC做鉆井液處理劑時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)煤層部位孔壁無法維護(hù)好，多數(shù)鉆孔出現(xiàn)煤層坍塌問題，導(dǎo)致無法順利測(cè)井的問題。通過對(duì)該地區(qū)地層特性認(rèn)真分析，積極吸取其他地區(qū)類似地層的施工經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用膨潤(rùn)土、純堿NaOH、部分水解聚丙烯酰胺（PHP）、部分水解聚丙烯腈（PAN）作為鉆井液處理劑，總結(jié)了一套低固相鉆井液配比方案。結(jié)果表明：該種低固相鉆井液具有護(hù)壁性能好，排粉能力強(qiáng)的特點(diǎn)，從而使孔內(nèi)事故減少，鉆探效率提高，取得了令人滿意的經(jīng)濟(jì)效益。

復(fù)雜地層；低固相鉆井液；配制；應(yīng)用；新疆焉耆煤田

0概況

選用優(yōu)質(zhì)鉆井液，是提高效率的主要途徑，確?？變?nèi)安全的有效措施，降低成本的可靠保證。我們使用低固相鉆井液兩年多時(shí)間，曾分別與火堿劑、絡(luò)制劑等鉆井液進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)低固相鉆井液最大的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)質(zhì)、高效、安全、低耗，更重要的是能順利鉆穿復(fù)雜地層，預(yù)防孔內(nèi)復(fù)雜情況的發(fā)生。

2013年以前，施工井隊(duì)在新疆焉耆煤田塔什店勘探區(qū)，曾分別用煤堿劑、絡(luò)制劑，Na—CMC做鉆井液處理劑，雖收到一定效果，但弊端不少。主要表現(xiàn)在較復(fù)雜地層或700 m以上的深孔，很難順利施工；其次是鉆井效率低，孔內(nèi)事故多，成本高，施工周期長(zhǎng)。我隊(duì)組織相關(guān)技術(shù)人員認(rèn)真學(xué)習(xí)，研究他人經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合所在地區(qū)特點(diǎn)，選擇低固相鉆井液，解決了長(zhǎng)期以來該地區(qū)復(fù)雜地層鉆進(jìn)之難題，收到令人滿意的效果。

1施工區(qū)地層及鉆進(jìn)難點(diǎn)

本區(qū)地層區(qū)劃屬南天山分區(qū)克孜勒塔格小區(qū)的西南緣，發(fā)育有元古代、古生代、中生代和新生代的地層。自下而上分述如下：元古界、古生界、中生界三迭系小泉溝群、中下侏羅統(tǒng)克拉蘇群、中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組、新生界古近系中新統(tǒng)—漸新統(tǒng)桃樹園組、新近系上新統(tǒng)葡萄溝組、第四系下更新統(tǒng)西域組、中更新統(tǒng)烏蘇群、上更新統(tǒng)新疆群、全新統(tǒng)。煤層賦存于侏羅系中統(tǒng)塔什店組及侏羅系下統(tǒng)哈滿溝組。

在該勘查區(qū)內(nèi)的鉆進(jìn)難點(diǎn)是：①覆蓋層巨厚，上漏下坍；②鉆遇綠色變質(zhì)巖及不規(guī)則花崗巖和石英巖組成礫石層，礫石呈滾圓狀，鉆進(jìn)中鉆具易偏離，造成鉆孔彎曲，可鉆性8～9級(jí)；③部分礫石層易水化，濾失量控制不好會(huì)導(dǎo)致坍塌掉塊而造成孔內(nèi)事故；④煤層較厚，孔壁不容易維護(hù)。

2低固相鉆井液的配制

針對(duì)施工區(qū)地層特性，對(duì)日常施工中常用的各種鉆井液體系及各組分加量及性能進(jìn)行深入研究，結(jié)合低固相鉆井液對(duì)預(yù)防處理水敏性地層的縮徑和破碎具有良好的效果，在配制鉆井液時(shí)，我們首先要了解施工地層特點(diǎn)、孔深，根據(jù)具體條件，確定鉆井液配方和性能標(biāo)準(zhǔn)。所選取的材料主要是：膨潤(rùn)土、純堿NaOH、部分水解聚丙烯酰胺（PHP）、部分水解聚丙烯腈（PAN）。

鉆井液配方和性能標(biāo)準(zhǔn)是隨地層、孔內(nèi)情況而定。在施工過程中隨鉆孔不斷加深，大量巖粉侵入鉆井液，鉆井液性能時(shí)刻發(fā)生變化。只有及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)鉆井液使用情況和地層變化，不斷改變鉆井液的配方和性能要求，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上方可批量生產(chǎn)。鉆井液加土量有2.5%、3%、3.5%、4%和5%（質(zhì)量比）。鉆井液性能也隨加土量大小而變，加土量2.5%～3%作為調(diào)整鉆井液使用，加土量5%在特殊情況下用，并盡量避免直接向鉆井液內(nèi)加大量清水，杜絕大量頂換鉆井液，使鉆井液使用期大大延長(zhǎng)。表1為鉆井液配方及性能。

表1　鉆井液配方及性能Table 1 Drilling fluid formulae and performances

在配制低固相鉆井液時(shí)主要考慮：膨潤(rùn)土加量，PHP濃度。增大土粉量，鉆井液失水量容易控制，粘度、切力大；反之加土量小，失水量不易控制，粘度較低，有利于提高鉆速。通過一年多實(shí)踐得出膨潤(rùn)土量一般控制在2.5%～4%，巖粉：膨潤(rùn)土為2∶1，密度在1.05～1.08 g/cm3，粘度基本保持在23 s以下，絮凝沉砂效果良好。若粘度超過25 s，鉆井液性能很不穩(wěn)定，沉砂效果就差。

PHP加量直接影響選擇絮凝效果，同時(shí)也是配制使用好低固相鉆井液的關(guān)鍵。在調(diào)整處理孔內(nèi)鉆井液時(shí)，根據(jù)鉆井液性能和絮凝效果判斷。鉆井液受巖粉侵入程度影響，因巖粉侵入是一變量，那么PHP的消耗隨巖粉絮凝多少而變化；巖粉多必然要吸附一定量的PHP，鉆井液內(nèi)的PHP濃度必然減少，當(dāng)鉆井液中一旦沒有PHP，巖粉就會(huì)分散，密度，粘度迅速上升。當(dāng)粘度，密度上升很高時(shí)，再加入PHP時(shí)不但選擇性絮凝效果差，密度降不下來，而且粘度無限上升，所以要經(jīng)常不斷地向鉆井液中補(bǔ)充PHP溶液。我們經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定：只要鉆井液槽內(nèi)有大量的絮凝沉淀物，粘度在23 s以內(nèi)，密度在1.1 g/cm3以下就可加入PHP。另外，測(cè)定鉆井液中的PHP濃度，可采用在鉆井液中加入細(xì)巖粉攪拌靜放測(cè)定容器內(nèi)鉆井液上下密度差，間接判斷鉆井液PHP的濃度。若上下密度差大，說明鉆井液中有PHP，加入的巖粉被絮凝沉淀了；反之PHP量不夠，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充?？傊?，鉆井液內(nèi)要保持適量的PHP量，能在有效地控制密度前提下，稍高一些為好，以利絮凝巖粉、維護(hù)和強(qiáng)化孔壁。

3應(yīng)用

2013年以來，我們用低固相鉆井液完孔32個(gè)，進(jìn)尺15000 m左右，其中700 m以上深孔4個(gè)。各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，特別是孔內(nèi)事故率（塔什店勘探區(qū)，2012年事故率為10.7%，2013年使用低固相鉆井液孔內(nèi)事故率只有4%）明顯降低。從而說明該鉆井液比分散體系的煤堿劑、絡(luò)制劑、Na—CMC等處理鉆井液更為優(yōu)越。在施工中，我們發(fā)現(xiàn)，低固相鉆井液有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

（1）護(hù)壁性能好，排粉能力強(qiáng)。因低固相鉆井液加入PHP，而PHP主鍵又是強(qiáng)有利的碳鍵結(jié)構(gòu)，故性能十分穩(wěn)定，并經(jīng)得起清水稀釋，失水量低，泥皮薄，致密堅(jiān)韌，特別有高分子濾液滲透到孔壁中，增強(qiáng)了護(hù)壁能力，井徑規(guī)則，孔內(nèi)安全，上下鉆具順利，基本消除坍塌，掉塊，縮徑現(xiàn)象。

如南2-2號(hào)孔，孔深693.21 m時(shí)，將128 m鉆具連同提引器掉入孔內(nèi)。處理提引器12 d后，鉆具對(duì)上頭，連根拔起。

又如2-5、3-4兩孔，斷管子、脫扣54次之多，基本打撈成功。特別是2-5號(hào)孔，在530 m處有一層膠結(jié)很差，遇水就溶的砂礫巖（俗稱“豆腐渣”）。在鉆到該層位時(shí)，出現(xiàn)2回次鉆具差3 m不到底，通過調(diào)整鉆井液性能，加大PAN、PHP量，提高粘度、切力，順利通過該層，直至849.91 m終孔，再未發(fā)現(xiàn)鉆具不到底現(xiàn)象。終孔等電測(cè)2 d，鉆具仍然一下到底，電測(cè)16 h，從未遇阻。而在相隔400 m的2-4號(hào)孔（2011年施工），使用普通鉆井液，在同層位因孔內(nèi)坍塌，無法施工，未達(dá)地質(zhì)目的，被迫終孔，從而說明低固相鉆井液護(hù)壁，防坍塌效果確實(shí)不錯(cuò)。

（2）提高鉆進(jìn)效率，減少孔內(nèi)事故。低固相鉆井液粘度低，密度低，固相含量少，潤(rùn)滑性能好；鉆具回轉(zhuǎn)阻力小，有利提高轉(zhuǎn)數(shù)，鉆壓全部傳達(dá)到孔底，增加了切削功，有利提高鉆進(jìn)效率。同類地層，兩種鉆井液，效果大不一樣，使用低固相鉆井液效率成倍提高，創(chuàng)同類地區(qū)最好水平，使用普通鉆井液，效率低，事故多（表2）。

2013年我隊(duì)使用低固相鉆井液以來，孔內(nèi)事故由2012年的10.7%降低到4%。1號(hào)（XY-5）鉆機(jī)全年完成鉆孔7個(gè)，進(jìn)尺3024.72 m，孔內(nèi)事故率為0.5%。2號(hào)（XY-5）鉆機(jī)完孔8個(gè)，進(jìn)尺3206.24 m，孔內(nèi)事故率1.1%。3號(hào)（XY-5）鉆機(jī)完孔5個(gè)，進(jìn)尺2828.40 m，孔內(nèi)事故率為1.5%。

表2　不同鉆井液應(yīng)用情況對(duì)比Table 2 Comparison of different drilling fluid applied conditions

以上數(shù)據(jù)表明，優(yōu)質(zhì)的鉆井液是提高效率，保證孔內(nèi)安全，減少孔內(nèi)事故的可靠保證。

4存在問題及建議

4.1存在問題

該套低固相鉆井液體系的最大問題是鉆井液密度太低，對(duì)于巖粉顆粒較大的流砂、膠結(jié)太差的礫石具有較大的局限性，因?yàn)檩^低的鉆井液密度對(duì)此種地層所產(chǎn)生的粗大巖粉顆粒排出比較乏力。所以在這些地層中施工時(shí)，必須增加的土粉的加量，調(diào)整鉆井液密度已達(dá)到順利排出巖粉的效果。

4.2建議

在使用該套鉆井液體系時(shí)，巖粉的清理是該鉆井液體系使用的關(guān)鍵，因?yàn)榈凸滔嚆@井液中利用PHP、絮凝巖粉，使其成為不分散狀態(tài)，這僅僅是為凈化鉆井液提供一個(gè)條件，而巖粉是否能被清除掉還是靠地面凈化設(shè)施。如果凈化不良，絮凝物重新進(jìn)入孔內(nèi)重新分散，鉆井液的密度就無法控制。所以，在使用低固相鉆井液時(shí)建議配備旋流除砂器和加長(zhǎng)槽、大池絮凝沉淀巖粉。一方面節(jié)約鉆井液用量，減少水泵易損件的磨損，更主要是穩(wěn)定鉆井液性能。

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Application of Low Solid Drilling Fluid in Coalfield Drilling

Zhang Jie
（No.133 Engineering Company，Gansu Bureau of Coal Geological Exploration，Baiyin，Gansu 730913）

During the borehole drilling in Tashidian exploration area，Yanqi coalfield，Xinjiang，the severe collapse of overlying strata can cause drill rod sticking and burying very often.While in coal measures，since in the thick coal seams should use coal-alkali reagent，complexes and Na—CMC as drilling fluid finishing agents，often occurring borehole wall in coal seam part cannot be well maintained，most boreholes have coal seam collapses and caused smooth logging unable.Through detailed analysis of strata in the area，actively learning experiences from similar strata in other areas，using bentonite，Na2CO3，NaOH，partial hydrolysis PHP and partial hydrolysis PAN as drilling fluid finishing agents and summarized a set of low solid drilling fluid proportioning scheme.The result has shown that this low solid drilling fluid has good wall protecting performance，and strong cuttings discharging capacity，accordingly reduced drilling accidents，improved drilling efficiency and archived satisfactory economic benefits.

complex strata；low solid drilling fluid；proportioning；application；Yanqi coalfield，Xinjiang

P634.6

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.15

1674-1803（2016）09-0070-03

張杰（1968—），男，河南滎陽人，高級(jí)工程師，從事鉆探技術(shù)研究與工程項(xiàng)目管理工作。

2016-03-19

責(zé)任編輯：樊小舟