高分子聚合物無固相沖洗液在牛頭山深鉆CUSD3孔的應(yīng)用研究

李生海， 馬智躍， 鄧先明， 段志強(qiáng)， 韓園園， 劉曉陽(yáng)， 康 鑫

(核工業(yè)二七〇研究所，江西 南昌 330200； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074； 3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029)

高分子聚合物無固相沖洗液在牛頭山深鉆CUSD3孔的應(yīng)用研究

李生海1,2， 馬智躍1， 鄧先明1， 段志強(qiáng)1， 韓園園1， 劉曉陽(yáng)3， 康 鑫2

(核工業(yè)二七〇研究所，江西 南昌 330200； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074； 3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029)

牛頭山深鉆CUSD3孔是中核集團(tuán)龍燦工程“相山基礎(chǔ)地質(zhì)研究”項(xiàng)目實(shí)施的第二個(gè)科學(xué)深鉆鉆孔。該孔鉆遇的地層包括碎斑熔巖、流紋英安巖、片巖、板巖及千枚巖。地層裂隙發(fā)育、破碎、掉塊嚴(yán)重，孔壁穩(wěn)定性差。根據(jù)鉆進(jìn)施工中出現(xiàn)的難題，選用了高分子無固相沖洗液。應(yīng)用表明，該沖洗液具有護(hù)壁性好、流動(dòng)性好、減阻效果好等特點(diǎn)，取得了良好的效果，有效地保證該鉆孔的順利完工。

高分子聚合物；無固相沖洗液；護(hù)壁；減阻；牛頭山深鉆CUSD3孔

1 牛頭山深鉆CUSD3孔概況

相山鈾礦田牛頭山深鉆CUSD3孔屬于江西相山鈾礦田牛頭山勘查區(qū)深部鉆探工程施工項(xiàng)目，該項(xiàng)目來源于中核集團(tuán)“龍騰2020科技創(chuàng)新示范工程——龍燦工程”下屬子課題《相山基礎(chǔ)地質(zhì)研究》，承研單位為核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，鉆探施工單位為核工業(yè)二七〇研究所。

牛頭山深鉆CUSD3孔鉆探的目的是在深入研究相山大型鈾礦田牛頭山勘查區(qū)深部成礦環(huán)境，拓展鈾礦資源勘查的第二找礦空間，研究深部鈾多金屬成礦環(huán)境、成礦潛力、流體演化、控礦構(gòu)造等，為突破“攻深擴(kuò)圍”提供技術(shù)支撐。

該科研鉆孔設(shè)計(jì)直孔孔深1600 m，終孔孔徑≮75 mm，孔斜要求終孔頂角≯15°，全孔取心，巖心采取率平均達(dá)到90%以上(不含構(gòu)造破碎帶)，構(gòu)造破碎帶為65%以上。

牛頭山深鉆CUSD3孔于2015年7月18日開鉆，2015年12月4日終孔，達(dá)到地質(zhì)目的層位，孔深1616.18 m，終孔直徑122 mm，終孔頂角累計(jì)偏差為2.4°，全孔平均巖礦心采取率為98.9%(含構(gòu)造破碎帶)。施工現(xiàn)場(chǎng)采用的是高分子聚合物無固相沖洗液體系，配方成分主要為：聚丙稀酰胺、HV-CMC(纖維素)、改性磺化瀝青粉、特效潤(rùn)滑劑，該體系具有護(hù)壁性好、減阻效果好、潤(rùn)滑性好、滿足繩索沖擊回轉(zhuǎn)工藝要求的特點(diǎn)，通過在牛頭山深鉆CUSD3孔的應(yīng)用，取得了較好效果，有效地保證該科研鉆孔的順利完工。

2 地質(zhì)概況

牛頭山深鉆CUSD3孔位于火山巖型鈾礦田相山礦田的西部-牛頭山地區(qū)，海拔高度256.11 m，相對(duì)高差78～100 m。該鉆孔鉆遇地層主要有：

0～561.17 m；1090.17～1518.15 m碎斑熔巖。巖石具斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為?；Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。斑晶以石英、長(zhǎng)石為主。

561.57～1090.17 m流紋英安巖。巖石呈斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)為微晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

1518.15～1616.18 m片巖、板巖及千枚巖。巖石主要由石英、長(zhǎng)石、黑云母等礦物組成，片狀構(gòu)造。

地層裂隙發(fā)育、膠結(jié)性差、破碎嚴(yán)重(見圖1)，在鉆進(jìn)過程中由于地層破碎，易發(fā)生掉塊卡鉆現(xiàn)象，造成孔內(nèi)事故的發(fā)生。

圖1 牛頭山深鉆CUSD3孔取出的部分破碎巖心

3 牛頭山深鉆CUSD3孔鉆孔結(jié)構(gòu)

在施工過程中，結(jié)合XY-8DB型鉆機(jī)的設(shè)備能力、巖層情況，牛頭山深鉆CUSD3孔實(shí)際終孔孔身結(jié)構(gòu)圖和套管情況如圖2、表1所示。

圖2 牛頭山深鉆CUSD3孔實(shí)際孔身結(jié)構(gòu)

4 施工中存在的主要問題及原因

牛頭山深鉆CUSD3孔在施工中出現(xiàn)的主要問題有以下2個(gè)。

表1 實(shí)際下入孔內(nèi)套管情況一覽表

(1)巖石破碎，孔壁失穩(wěn)，掉塊現(xiàn)象明顯。原因是在地質(zhì)成因、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用下形成的破碎帶及節(jié)理、裂隙發(fā)育的地層，松散不穩(wěn)定、膠結(jié)性差，在鉆進(jìn)過程中，泥漿的沖刷和動(dòng)壓力作用下，上覆蓋層壓力、水平地應(yīng)力及孔隙壓力的平衡狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致孔壁不穩(wěn)定。

(2)鉆進(jìn)過程中摩擦阻力大，回轉(zhuǎn)扭矩偏高。原因是使用的S122繩索取心鉆桿，在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，巖石破碎有掉塊現(xiàn)象，鉆桿與孔壁產(chǎn)生的摩擦阻力會(huì)增大，回轉(zhuǎn)扭矩會(huì)隨著孔深的增加而偏高。

5 高分子聚合物無固相沖洗液配方

5.1 高分子聚合物無固相沖洗液配方設(shè)計(jì)

(1)巖心完整地層。采用的是無固相沖洗液，其配方為：1 m3水+5～6 kg聚丙稀酰胺+15～16 kg特效潤(rùn)滑劑。基本性能參數(shù)為：密度1.008 g/cm3，漏斗粘度18～20 s，API濾失量16 mL/30 min，pH值8，潤(rùn)滑系數(shù)0.18。

(2)巖心破碎地層。采用的是高分子聚合物類無固相沖洗液，具有低粘度、低密度、低切力的特點(diǎn)，其配方為：1 m3水+5～6 kg聚丙稀酰胺+3～5 kg HV-CMC(纖維素)+10～12 kg磺化瀝青粉+15～16 kg特效潤(rùn)滑劑?；拘阅軈?shù)為：密度1.01～1.02 g/cm3，漏斗粘度24～26 s，API濾失量12 mL/30 min，pH值8，潤(rùn)滑系數(shù)0.20。

5.2 高分子聚合物無固相沖洗液作用效果

(1)具有高粘度和彈性的吸附水化層起到堵漏作用。能有效防止水分子向孔壁上的微小裂縫滲入，減少剝蝕掉塊。

(2)具有較好的護(hù)壁防塌效果。能在孔壁上形成低滲透率、柔韌、薄而致密的濾餅，降低沖洗液的濾失量，從而減少因沖洗液失水引起的縮徑、崩塌現(xiàn)象。

(3)潤(rùn)滑性能好。選用的特效潤(rùn)滑劑由脂酸鈉、龜化油、硬脂酸等經(jīng)特殊工藝提煉而成，具有降低表面張力，降低摩擦阻力的作用。

(4)具有抗溫性能。隨著孔深的增加，地層溫度逐步上升，在高溫條件下，沖洗液中的高分子會(huì)發(fā)生降解作用，導(dǎo)致沖洗液失水量上升，從而破壞流動(dòng)性，使沖洗液粘度下降。磺化瀝青的分子鏈主要以-C-C-、-C-S鍵，鍵能相對(duì)較強(qiáng)，能抗高溫180 ℃。

6 高分子聚合物無固相沖洗液在牛頭山深鉆CUSD3孔的應(yīng)用

6.1 高分子聚合物無固相沖洗液現(xiàn)場(chǎng)使用配方

牛頭山深鉆CUSD3孔在孔深1168.22 m遇到巖石破碎、裂隙發(fā)育，我們及時(shí)調(diào)整沖洗液配方，具體配方：1 m3水+5～6 kg聚丙稀酰胺+5～8 kg HV-CMC(纖維素)+10～12 kg磺化瀝青粉+18～20 kg特效潤(rùn)滑劑。

6.2 現(xiàn)場(chǎng)泥漿循環(huán)系統(tǒng)及性能測(cè)試

6.2.1 現(xiàn)場(chǎng)泥漿循環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)深孔施工沖洗液要求和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，對(duì)泥漿循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行布置和設(shè)置了5個(gè)取漿點(diǎn)(見圖3)。

圖3 泥漿循環(huán)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖及取漿設(shè)置點(diǎn)

6.2.2 性能測(cè)試

為了方便施工現(xiàn)場(chǎng)沖洗液性能測(cè)試，配置了1套泥漿性能測(cè)試儀器,有ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、ZLN-1A型漏斗粘度計(jì)、XYM-1型液體密度計(jì)、ZNS-2A型中壓濾失儀、D90-A型電動(dòng)攪拌機(jī)、EP-2型極壓潤(rùn)滑儀。

對(duì)5個(gè)取漿點(diǎn)進(jìn)行了性能測(cè)試(見表2)。

表2 高分子聚合物無固相沖洗液性能參數(shù)表

6.3 高分子聚合物無固相沖洗液現(xiàn)場(chǎng)使用效果

高分子聚合物無固相沖洗液在孔深1168.22 m開始使用，至1616.18 m終孔，取得了理想的應(yīng)用效果。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)具有穩(wěn)定性和觸變性、抗溫性能強(qiáng)。根據(jù)測(cè)井資料得知，該孔平均溫度梯度為3.10 ℃/100 m，即使溫度在100 ℃以上仍能降低失水?？妆诜€(wěn)定，掉塊現(xiàn)象明顯減少，未出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，同時(shí)減小了鉆具、泥漿泵缸套和活塞的磨損。

(2)具有良好的流變性。流動(dòng)時(shí)和靜止后粘度均較低，起下鉆和開泵時(shí)沒有出現(xiàn)較大的壓力波動(dòng)，從未出現(xiàn)憋泵狀況。泵量泵壓與孔深關(guān)系變化見圖4。

圖4 泵量泵壓與孔深關(guān)系變化

(3)減阻效果好。隨著孔深的增加，回轉(zhuǎn)扭矩變化穩(wěn)定。扭矩與孔深關(guān)系變化見圖5。

圖5 扭矩與孔深關(guān)系變化

(4)打撈巖心順利。該沖洗液具有良好的絮凝和吸附巖屑的作用，凈化能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，不易在繩索取心鉆桿內(nèi)結(jié)泥皮。

(5)液動(dòng)沖擊器在孔內(nèi)工作情況穩(wěn)定、良好。該沖洗液具有良好的攜砂性能和自我凈化能力。使用的PQ液動(dòng)沖擊器共投入655回次，正常工作648回次，使用成功率達(dá)到98.9%。

(6)鉆頭使用壽命長(zhǎng)。鉆進(jìn)過程中金剛石鉆頭出刃良好，最高使用壽命達(dá)226.52 m。使用后的金剛石鉆頭及出刃效果見圖6。

圖6 使用后的?122 mm金剛石鉆頭及出刃效果

6.4 高分子聚合物無固相沖洗液性能現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)

(1)泥漿配方中的部分高分子材料，需要進(jìn)行預(yù)水化的，一定要提前進(jìn)行水化，不得直接加入干粉。

(2)配制好的泥漿要在儲(chǔ)漿池中靜置8 h后，方可加入泥漿循環(huán)池中。

(3)經(jīng)常測(cè)試鉆進(jìn)使用的沖洗液性能，根據(jù)其性能，及時(shí)補(bǔ)充新鮮的沖洗液；鉆孔換漿要從上至下逐步替換，不能一次性替完，以免造成孔壁失穩(wěn)事故的發(fā)生。

(4)嚴(yán)格控制沖洗液固相含量，利用好固控設(shè)施，及時(shí)清理循環(huán)槽和沉淀池中的巖粉。

(5)泥漿池、沉淀池要做遮雨設(shè)施，防止雨水流入破壞泥漿性能，也要防止沖洗場(chǎng)地的水流入池中。

(6)現(xiàn)場(chǎng)要配專人負(fù)責(zé)泥漿性能的維護(hù)，做好泥漿技術(shù)檔案；現(xiàn)場(chǎng)泥漿材料要做好標(biāo)注，并做好分類存放及防潮措施。

6.5 高分子聚合物無固相沖洗液成本分析

高分子聚合物無固相沖洗液在牛頭山深鉆CUSD3孔的應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，降低了沖洗液成本。具體見表3。

表3 高分子聚合物無固相沖洗液成本分析

7 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)不同的地層，優(yōu)選泥漿材料和處理劑，進(jìn)行沖洗液配方室內(nèi)試驗(yàn)，確定沖洗液性能參數(shù)，合理選擇配置泥漿固控設(shè)備和凈化系統(tǒng)，做好泥漿日常維護(hù)措施，才能保證鉆探施工的順利進(jìn)行。

(2)高分子聚合物無固相沖洗液具有良好的潤(rùn)滑性及適當(dāng)?shù)恼扯?，能顯著地降低回轉(zhuǎn)扭矩；能增加孔壁顆粒之間的膠結(jié)力，增加孔壁的穩(wěn)定性，在孔壁上形成一層很薄的泥皮，降低沖洗液的失水量；具有良好的巖粉攜帶性，減少鉆頭的重復(fù)破碎，提高鉆頭的壽命，適用于完整穩(wěn)定的地層。

(3)高分子聚合物無固相沖洗液配制簡(jiǎn)便、維護(hù)方便，減少現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高班組時(shí)間利用率，有利于提高鉆探效率。

(4)高分子聚合物無固相沖洗液在該地區(qū)牛頭山深鉆CUSD3孔的成功應(yīng)用，對(duì)該地區(qū)其他機(jī)臺(tái)施工沖洗液的選用具有一定的指導(dǎo)意義。

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Research and Application of High-molecular Polymers Solid-free Drilling Fluid in Niutoushan Deep Drilling Hole CUSD3/

LISheng-hai1,2,MAZhi-yue1,DENGXian-ming1,DUANZhi-qiang1,HANYuan-yuan1,LIUXiao-yang3,KANGXin2

Niutoushan deep drilling CUSD3 belongs to the longcan engineering of china national nuclear corporation, which is second deep drilling of xiangshan fundamental geological research project. Drilling strata includes porphyroclastic lava, rhyolitic dacite, schist, slate and phyllite. The Strata is broken, fracture developed, and severe sloughing, resulting in poor stability of hole wall. According to the problems in drilling construction, select the Polymeric solid free drilling fluid, which has the characteristics of good wall protection, good fluidity, and high efficiency of reducing obstacle. The application in Niutoushan deep drilling CUSD3 achieved good effect, and effectively ensure the scientific drilling successfully completed.

high-molecular polymers； solid-free flushing fluid； borehole wall； drag reduction; Niutoushan deep drilling hole CUSD3

2016-06-02；

2016-10-13

李生海，男，漢族，1985年生，副經(jīng)理，工程師,中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)在讀碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，從事鉆探技術(shù)和生產(chǎn)管理工作,江西省南昌縣蓮西路508號(hào)，66425120@qq.com。

P634.6

A

1672-7428(2017)01-0029-04

(1.Research Institute No.270, CNNC, Nanchang Jiangxi 330200, China; 2.China University of Geosciences, Wuhan Hubei 430074, China; 3.CNNC Beijing Research Institute of Uranium Geology, Beijing 100029, China)