青海鹽溶地層鉆探鹵水泥漿配方研制及應(yīng)用

徐培遠(yuǎn)，袁志堅(jiān)

(1.河南省煤田地質(zhì)局，河南 鄭州 450016；2.河南省能源鉆井技術(shù)中心，河南 鄭州 450016)

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青海鹽溶地層鉆探鹵水泥漿配方研制及應(yīng)用

徐培遠(yuǎn)1,2，袁志堅(jiān)1

(1.河南省煤田地質(zhì)局，河南 鄭州 450016；2.河南省能源鉆井技術(shù)中心，河南 鄭州 450016)

針對青海鹽溶地層在鉆進(jìn)過程中，上部泥頁巖吸水膨脹，鉆孔縮徑，下部鉀鹽礦物層溶蝕，導(dǎo)致鹽侵、擴(kuò)徑以及砂礫碎屑巖層膠結(jié)差，松散易坍塌、掉塊等施工難點(diǎn)，開展了鹵水泥漿的適巖性研究。在實(shí)驗(yàn)室選用正交實(shí)驗(yàn)法和現(xiàn)場實(shí)際配制，優(yōu)選了4組鹵水泥漿配方，通過生產(chǎn)應(yīng)用與使用普通低固相泥漿對比，平均機(jī)械鉆速由1.015 m/h提高至1.195 m/h，孔徑擴(kuò)大率由7.83%降低至4.36%，劃眼損失率由3.05%降低至1.41%，泥漿成本由731.3元/m3降低至503.8元/m3，取得了較好的效果。

鹽溶地層；鉆探；鹵水泥漿；正交實(shí)驗(yàn)

青海柴達(dá)木盆地，蘊(yùn)藏著極為豐富的鉀鹽類礦產(chǎn)資源。在勘查和開發(fā)過程中，必須選擇具有抗粘土、鹽侵性能的泥漿護(hù)壁，才能保證施工順利實(shí)施，否則泥漿失水或礦層溶蝕后，極易發(fā)生縮徑卡鉆、壓差粘鉆或大肚子孔壁造成鉆具折斷事故等。同時(shí)也無法保證礦心的采取率，影響鉆孔質(zhì)量。我們采用當(dāng)?shù)佧u水作為泥漿分散介質(zhì)，選擇國內(nèi)不同產(chǎn)地粘土以及近幾年研究的新泥漿材料作為分散相，通過實(shí)驗(yàn)室正交實(shí)驗(yàn)法，現(xiàn)場配制、生產(chǎn)試驗(yàn)，優(yōu)選了4個(gè)適巖鹵水泥漿配方，為該區(qū)安全、高效施工提供了技術(shù)保證。

1 地層巖性特點(diǎn)及對泥漿性能的要求

青海柴達(dá)木盆地鉀鹽類資源賦藏于新近系鹽湖沉積地層，該地層以石鹽、芒硝等鉀鹽類礦物沉積為主，鉀鹽類礦物主要具有可溶性、吸濕性等，其溶解速度受礦石品位、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、溫度、壓力、溶液濃度等因素的影響。該礦區(qū)地層結(jié)構(gòu)較為松散，孔隙、晶隙較為發(fā)育，厚度大，賦存有較豐富的高礦化度鹵水。從鉆探施工角度出發(fā)，礦區(qū)地層大致可分為2段。上段地層巖性主要為粉砂粘土、砂質(zhì)泥巖、含石膏的石巖粉砂、含石巖的芒硝層等。巖性特點(diǎn)松散、破碎、水敏性強(qiáng)，以鹽侵和粘土侵為主。鉆遇該段地層時(shí)，要求泥漿對粘土層和鉀鹽層具有抑制和抑溶作用，防止粘土礦物膨脹縮徑、分散造漿或鉀鹽類礦物溶解造成鉆孔超徑。下段(1000 m左右)為含礫中粗砂、砂礫石，局部夾粘土層，礦層為高鉀鹵水。巖性特點(diǎn)堅(jiān)硬破碎，可鉆性高，采取巖心困難。鉆遇該段地層時(shí)，要求泥漿具有抑制鉀鹽溶解，預(yù)防礦層污染，平衡地層壓力，保證孔壁穩(wěn)定等性能。

2 泥漿配方研究

水溶性地層鉆進(jìn)關(guān)鍵是護(hù)壁問題，主要技術(shù)手段就是選擇合適的抗鹽侵泥漿，通過在泥漿中加入與地層被溶物相同的物質(zhì)，降低泥漿對地層的溶蝕性，提高泥漿抗粘土侵和抑制泥頁巖水化膨脹的能力。常用抗鹽侵泥漿的配制有2種情況：(1)先用淡水配制分散泥漿，然后加鹽轉(zhuǎn)化為鹽水泥漿，相當(dāng)于鹽侵后泥漿的處理，容易配制；(2)直接用咸水或海水配制泥漿。由于該區(qū)鹵水資源豐富，費(fèi)用成本較低，所以，選用當(dāng)?shù)氐柠u水進(jìn)行配制泥漿(鹵水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1)。為了研究適巖鹵水泥漿配方，我們查閱參考了國內(nèi)鹽巖地層鉆探用泥漿相關(guān)資料，通過分析本地區(qū)地層特性，首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后通過生產(chǎn)試驗(yàn)，優(yōu)選適巖泥漿配方。

表1 鹵水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法確定

目前泥漿常用實(shí)驗(yàn)方法有全面實(shí)驗(yàn)法、簡單比較法、正交實(shí)驗(yàn)法。全面實(shí)驗(yàn)法需要進(jìn)行n次實(shí)驗(yàn)才能包含所有可能組合的性能,實(shí)驗(yàn)次數(shù)太多；簡單比較法實(shí)驗(yàn)次數(shù)少，反映問題不夠全面；正交實(shí)驗(yàn)法相對于全面實(shí)驗(yàn)法和簡單比較法有較大的優(yōu)點(diǎn)，在對實(shí)驗(yàn)的安排上能夠避免全面實(shí)驗(yàn)法和簡單比較法的缺點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合我們實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，選用了正交實(shí)驗(yàn)法。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

WT-2000C型高速變頻雙頭攪拌機(jī)、SD4B型四聯(lián)中壓濾失儀、ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、JY1002型電子天平、WT-NF-2型常溫粘附系數(shù)測定儀、NP-01型常溫膨脹量測定儀、WTG144-20型機(jī)臺(tái)配套泥漿儀器。

2.3 泥漿主要材料

粘土是水基泥漿的重要配漿材料，在泥漿中的主要作用在于提高體系的塑性粘度、靜切力和動(dòng)切力，以增強(qiáng)泥漿對巖屑的懸浮和攜帶能力，降低濾失量，形成致密泥餅，增強(qiáng)造壁性。該項(xiàng)目我們選擇了山東膨潤土、安徽凹凸棒石、陜西鈉基膨潤土、南陽海泡石、河北膨潤土等5個(gè)廠家的粘土樣品，分別按照粘土4%的比例進(jìn)行取樣、攪拌、配制成基漿。依次測量其表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力、動(dòng)塑比和濾失量，性能指標(biāo)見表2。由于山東和河北膨潤土配漿時(shí)，水土分層嚴(yán)重，我們選陜西鈉基膨潤土、安徽凹凸棒石和南陽海泡石作為配漿粘土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表2 測試各類配漿土性能

眾所周知，鹵水中Na+、Cl-、Mg2+等離子侵入泥漿后，泥漿穩(wěn)定性變差，為了增強(qiáng)泥漿攜帶巖粉和抗鹽侵能力，抑制鉆孔孔壁吸水膨脹，保持泥漿穩(wěn)定性能，需要在泥漿中添加一定比例的增粘劑、降濾失劑、稀釋劑等處理劑。通過查閱和參考國內(nèi)相關(guān)資料，選擇的增粘劑主要有羧甲基纖維素鈉鹽(HV-CMC)、抗鹽共聚物(GTQ)、包被劑(BBJ)；降濾失劑有聚陰離子低粘纖維素(PAC-LV)、降失水劑(GPNA)、羧甲基淀粉(CMS)以及泥漿多功能劑(MBM)等材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.4 鹵水泥漿配方實(shí)驗(yàn)優(yōu)選

按照正交實(shí)驗(yàn)方法，在參考國內(nèi)鹽水泥漿相關(guān)配方的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)不同比例配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以鈉基膨潤土低固相鹵水泥漿配方為例介紹實(shí)驗(yàn)優(yōu)選過程：設(shè)計(jì)鈉基膨潤土加量2%、3%、4%；抗鹽共聚物(GTQ)加量0.8%、1%、1.2%；降失水劑(GPNA)加量0.8%、1%、1.2%；包被劑(BBJ)加量0.2%、0.3%、0.4%，4種泥漿添加劑按照四因素三水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素與水平見表3。9組泥漿配方處理劑加量見表4。

表3 鈉基膨潤土低固相鹵水泥漿體系因素水平

表4 鈉基膨潤土低固相鹵水泥漿配方設(shè)計(jì)

按照API標(biāo)準(zhǔn)對泥漿的性能進(jìn)行測定，在常溫25 ℃條件下，按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的處理規(guī)則，對表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力和濾失量進(jìn)行處理，計(jì)算出四因素、三水平中幾個(gè)測定結(jié)果的總值、平均值、極差(數(shù)據(jù)表略)。得出處理劑對表觀粘度的影響程度順序：GTQ>膨潤土>BBJ>GPNA；處理劑對塑性粘度的影響程度順序：GTQ>膨潤土>BBJ>GPNA；處理劑對動(dòng)切力的影響程度順序：GTQ>GPNA>膨潤土>BBJ；處理劑對濾失量的影響程度順序：膨潤土>GTQ>BBJ>GPNA。根據(jù)表觀粘度、塑性粘度和濾失量適中較小和動(dòng)切力越大越好的原則，鈉基膨潤土低固相鹵水泥漿配方A3B2C2D2為優(yōu)選配方(鹵水+4%鈉基膨潤土+1%GTQ+1%GPNA+0.3%BBJ)。同理，我們分別通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出海泡石低固相鹵水泥漿、凹凸棒石低固相鹵水泥漿、MBM多功能劑低固相鹵水泥漿、羧甲基淀粉CMS低固相鹵水泥漿、抗鹽共聚物(GTQ)鹵水泥漿配方，見表5。

表5 優(yōu)選6組泥漿配方性能及適用地層

3 泥漿的配制及應(yīng)用效果

3.1 泥漿的配制

現(xiàn)場配制鹵水泥漿需要按照規(guī)定的程序和要求配制，否則泥漿性能達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

(1)加入鹵水前，鈉基膨潤土必須進(jìn)行預(yù)水化處理，使粘土顆粒充分水化分散，建立起較厚的雙電層。粘土含量應(yīng)控制在4%～5%的范圍，Na2CO3加量為粘土質(zhì)量的5%～6%。

(2)加入鹵水后進(jìn)行護(hù)膠處理，嚴(yán)格按照泥漿處理劑添加順序和配方比例要求配制泥漿，即：預(yù)水化粘土→鹵水→抗鹽增粘劑→降失水劑→火堿→重晶石粉→潤滑消泡劑，泥漿pH值在9～10之間。

(3)鉆遇砂礫巖未膠結(jié)的松散層時(shí)，要添加重晶石粉，提高泥漿液柱對孔壁的支撐力。添加重晶石粉前需調(diào)整好泥漿的固相含量、粘度、失水量、pH值等技術(shù)指標(biāo)，原則上泥漿每循環(huán)一周，泥漿密度增加0.03～0.05 g/cm3為宜。

(4)鹵水泥漿在循環(huán)流動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生泡沫，為了消除泡沫，減少鉆具回轉(zhuǎn)阻力，適量加入潤滑減阻劑。

(5)做好泥漿維護(hù)，現(xiàn)場每班(按8 h計(jì))必須測一次泥漿全套性能(粘度、密度、濾失量、含砂量、pH值)，發(fā)現(xiàn)泥漿性能指標(biāo)不符合設(shè)計(jì)要求，及時(shí)補(bǔ)充處理劑，確保泥漿性能穩(wěn)定。

(6)加強(qiáng)循環(huán)系統(tǒng)的凈化工作，保證循環(huán)槽長度20～25 m，并增設(shè)沉淀池1～2個(gè)。有條件時(shí)配備除砂器、離心機(jī)，嚴(yán)格控制無用固相的含量。

(7)防止淡污水和雨水流入循環(huán)系統(tǒng)。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

針對地層特性，按照優(yōu)選的6個(gè)配方分別配制了鹵水泥漿，在配制過程中，發(fā)現(xiàn)2號海泡石和3號凹凸棒石抗鹽土鹵水泥漿性能與實(shí)驗(yàn)指標(biāo)差異較大，沒有進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。其它1號、4號、5號、6號4組配方配制的泥漿進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用。從應(yīng)用效果來看，均能滿足巖鹽地層泥頁巖縮徑膨脹、鉀鹽礦層溶蝕、砂礫巖松散破碎、坍塌和掉塊等護(hù)壁需要。4組鹵水泥漿配方適巖性見表6，應(yīng)用效果見表7。

表6 優(yōu)選4組鹵水泥漿配方及適巖性

注：為了保證泥漿穩(wěn)定性能，添加NaOH使pH值控制在9～10。

表7 應(yīng)用前后效果對比

4 結(jié)論及存在問題

研究的鹵水泥漿配方，利用鹵水鉀鹽同離子效應(yīng)抑制鉀鹽類礦物的溶解；較低濾失量減少泥漿自由水侵入孔壁，解決了孔壁膨脹縮徑現(xiàn)象；泥漿密度調(diào)節(jié)范圍大，能滿足平衡地層壓力需要；具有良好流變性，懸浮和攜帶巖粉能力強(qiáng)；選用泥漿處理劑種類少，配制方便簡單；鹵水可就地取材，成本費(fèi)用低。通過工程實(shí)際應(yīng)用，能滿足青海鹽溶地層鉆探需要，工程質(zhì)量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，取得較好效果。但是，在應(yīng)用中存在一些問題需要進(jìn)一步研究和探索。

(1)現(xiàn)場配制海泡石和凹凸棒石鹵水泥漿與實(shí)驗(yàn)室配制泥漿小樣性能指標(biāo)兩者差異較大，除現(xiàn)場與實(shí)驗(yàn)室使用的抗鹽土不是一個(gè)批次外，有無其它因素影響需進(jìn)一步研究分析。

(2)泥漿性能調(diào)整或轉(zhuǎn)換作業(yè)時(shí)，因現(xiàn)場未配置固控凈化設(shè)備，泥漿重復(fù)利用率低，造成泥漿材料的浪費(fèi)。

(3)針對鹽溶地層開展適巖性泥漿研究，對于我們是一個(gè)新課題，研究思路、方法謬誤之處，望批評指正。

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Development and Application of Brine Mud Formula in Salt Soluble Formation in Qinghai/

XUPei-yuan1,2,YUANZhi-jian1

(1.Coalfield Geology of Henan Province, Zhengzhou Henan 450016, China; 2.Henan Provincial Energy Drilling Engineering Technological Research Center, Zhengzhou Henan 450016, China)

In the drilling process in salt soluble formation of Qinghai, the upper shale water swelling with borehole shrinkage, the lower potasium salt mineral layer corrosion lead salt intrusion and borehole diameter expanding; gravel clastic rock with poor cementation, collapsing and block falling, according to these construction difficulties, the study was carried out on the brine mud adaptability to lithology. By orthogonal experiment method in the laboratory and practical preparation in the field, 4 groups of brine mud formulas were optimized. Compared with the ordinary low solid mud in the application, the average penetration rate increased from 1.015m/h to 1.195m/h, borehole diameter expansion rate decreased from 7.83% to 4.36%, hole backreaming loss decreased from 3.05% to 1.41%, the mud cost decreased from 731.3 yuan /m3to 503.8 yuan/m3.

salt soluble formation; drilling; brine mud; orthogonal experiment

2016-08-26

徐培遠(yuǎn)，男，漢族，1964年生，河南省能源鉆井技術(shù)中心主任，河南豫中地質(zhì)勘察工程公司總經(jīng)理，高級工程師，探礦工程專業(yè)，從事煤田、石油、煤層氣鉆探工作，河南省鄭州市鄭東新區(qū)商鼎路70號；袁志堅(jiān)，男，漢族，1965年生，高級工程師，探礦工程專業(yè)，yzj371@163.com。

P634.6

A

1672-7428(2017)06-0041-04