抑制性泥漿在新疆淖毛湖煤田東部勘查區(qū)中的應(yīng)用

羅冠平

(福建省121地質(zhì)大隊，福建 龍巖 364021)

1 概況

新疆淖毛湖煤田東部勘查區(qū)行政隸屬哈密市伊吾縣淖毛湖鎮(zhèn)管轄，位于伊吾縣北部95 km，淖毛湖鎮(zhèn)東北約3 km處，區(qū)內(nèi)有一條國防公路通過，地形較平緩，多為風成沙地。區(qū)內(nèi)屬大陸性干旱氣候，雨水少，風沙大(4—9月為風季，最大風力可達12級)，夏天熱(最高氣溫43.5 ℃)，冬天冷(最低氣溫-40 ℃)。淖毛湖煤田按照煤層賦存特征及構(gòu)造形態(tài)分為東區(qū)、中區(qū)、西區(qū)3個區(qū)塊。我們施工的鉆孔主要位于東區(qū)DF1斷層北翼，含有可采煤層32層，其中下侏羅系三工河組含可采煤煤層5層，即Ⅱ3、Ⅱ4、Ⅱ7、Ⅱ8和Ⅱ10，下侏羅系八道灣組含可采煤層27層，Ⅲ1到Ⅲ15、Ⅲ18、Ⅲ20到Ⅲ30號煤層。該區(qū)地層構(gòu)造復(fù)雜，煤層的特點表現(xiàn)為煤層多且厚度大、結(jié)構(gòu)簡單—復(fù)雜。本文將主要結(jié)合ZK4509孔的實踐進行分析，該孔上部覆蓋少量第四系風化層，之后直接進入下侏羅系八道灣組(J1b)，揭露可采煤層18層，最厚達11.5 m，煤層間主要巖性為厚層灰色砂礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖(見圖1)、泥巖與砂礫巖互層、泥巖夾煤層、煤線等，鉆孔750 m以下出現(xiàn)多段破碎地層，巖心破碎(見圖2)。

圖1 孔深568～571 m孔段泥巖巖心圖片

圖2 孔深867～869 m孔段破碎巖心圖片

該孔施工中遇到的主要問題是：一是含泥巖地層水敏性強，遇水后易水化膨脹，造成鉆孔縮徑、坍塌，容易抱鉆；二是部分孔段巖心破碎，容易垮塌、掉塊，孔壁穩(wěn)定性較差，易發(fā)生卡鉆事故。所以，要保證鉆孔的順利，一是要根據(jù)泥巖的膨脹特性，要求鉆井泥漿具有水敏抑制性；二是針對破碎地層，要適當提高泥漿密度，以維護孔內(nèi)壓力平衡，實現(xiàn)平衡鉆進。泥漿的水敏抑制性，主要指對泥巖地層中的粘土顆粒具有抑制其水化、分散和膨脹的作用，要起到這種作用，泥漿必須具備抑制性化學環(huán)境，使粘土顆粒在此種化學環(huán)境中不易水化、分散和膨脹，以維持孔壁穩(wěn)定，避免出現(xiàn)縮徑。我們常用的抑制性泥漿歸納起來主要有以下3種。

(1)鉀基泥漿，利用K+對泥、頁巖的特殊抑制機理，以控制粘土的水化、膨脹，達到防塌目的。

(2)鈣處理泥漿，利用Ca2+取代粘土顆粒表面的Na+，將泥漿中的鈉土部分轉(zhuǎn)化鈣土，使粘土顆粒適度凝結(jié)，以降低井壁的分散性。

(3)高分子聚合物泥漿，利用具有絮凝及包被作用的高分子聚陽離子(例如CPAM)，使粘土地層的水敏性基本喪失，從而起到穩(wěn)定井壁的作用。

考慮到金剛石繩索取心鉆進需要開高轉(zhuǎn)速，要求泥漿具有高潤滑性，盡量為低固相、最好為無固相，因而我們選擇了高分子聚合物抑制性泥漿。主要以水解聚丙烯酰胺(PHP)、包被劑(BBJ)、LG植物膠、高粘-CMC等高分子聚合物為添加劑。

2 ZK4509孔施工簡況

2.1 簡介

ZK4509孔施工總周期為39 d，去除中間非生產(chǎn)性等待時間3 d，實際生產(chǎn)時間只有36 d，臺月效率高達780.67 m。該孔設(shè)計孔深是950 m，要求巖心采取率≮65%，煤心采取長度≮75%，質(zhì)量≮65%，鉆孔頂角要求每百米不超過1°，終孔直徑要求大于75 mm。實際終孔深度為936.80 m，終孔直徑為77 mm，全孔巖心采取率達95%以上，煤層采取率達到85%以上，終孔測得頂角為1.2°，鉆孔綜合質(zhì)量等級為甲級。

2.2 孔身結(jié)構(gòu)

該孔深度>900 m，設(shè)計采用?130 mm開孔，鉆至完整基巖后，下入?127 mm的孔口管；換S95+3金剛石繩索取心穿過較破碎上部地層,下入?89 mm套管；后采用S75+2繩索取心鉆具鉆進至終孔。具體見表1和圖3所示。

表1 孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)

注：預(yù)留?110/?108 mm作為備用口徑。

圖3 ZK4509孔孔身結(jié)構(gòu)

2.3 鉆具和主要設(shè)備

鉆桿：加強型S95A和S75A繩索取心鉆桿。

鉆頭：開孔采用?130 mm復(fù)合片單管取心鉆頭，繩索取心鉆進主要采用孕鑲金剛石鉆頭，根據(jù)地層特點，選擇鉆頭參數(shù)，粒度在46～80，HRC25～30，濃度100%。

主要設(shè)備：XY-5型鉆機，其?75 mm口徑施工能力為1500 m；BW-300/160型泥漿泵，并備用BW-250型泥漿泵1臺；GF-100濰柴發(fā)電機組；鉆塔選擇ZT-17A型，承載負荷達30 t以上。

3 泥漿性能要求分析

本孔地層處于構(gòu)造斷裂帶上，地層復(fù)雜，巖心破碎，又含有強水敏性泥巖地層，同時考慮到繩索取心工藝技術(shù)特性，要求泥漿具有低固相含量、良好的流變性和高潤滑性，同時具有降濾失性和水敏抑制性，以減少泥漿對地層的滲水，抑制泥巖水化分散。主要體現(xiàn)在以下幾點。

(1)水敏抑制性。抑制泥巖水化、分散和膨脹，增強井壁巖土的抗水敏性，在實踐中，即減弱泥巖地層中粘土的造漿性，增強孔壁的遇水穩(wěn)定性。

(2)低失水性。要求泥漿滲入地層的自由水少，以減少水分子對孔壁膠結(jié)能力的破碎和對泥巖地層的水化膨脹破壞。

(3)高潤滑性。泥漿具有強的潤滑性，可以有效降低鉆具磨損，便于開高轉(zhuǎn)速，同時也降低了泥漿的循環(huán)流動阻力，以減少設(shè)備功率消耗；高潤滑性還能有效預(yù)防粘附卡鉆事故的發(fā)生。

(4)良好的流變性。泥漿具有良好的流變性，可以有效降低泥漿的流動阻力，減少泥漿對井壁的“激動”壓力破壞，從而為開高轉(zhuǎn)速創(chuàng)造有利條件，同時良好的流變性能有利提高泥漿攜帶巖屑能力。

(5)低固相含量。不含或少含固相，以防鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢。

4 泥漿配比

結(jié)合以往施工經(jīng)驗和本礦區(qū)的地層特點，本礦區(qū)中主要選用抑制性泥漿，其類型為高分子聚合物抑制性泥漿，主要選用LG植物膠、PHP、BBJ、高粘-CMC等高分子聚合物為添加劑?，F(xiàn)場分層段采用2種配方的抑制性泥漿進行護壁，在上部較穩(wěn)定孔段選用無固相抑制性泥漿，以便開高轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)快速鉆進；下部(750 m以深)易掉塊、垮塌孔段選用低固相抑制性泥漿，以平衡地層壓力，維護孔壁穩(wěn)定。

4.1 無固相抑制性泥漿

4.1.1 特點

不含固相，具有良好的流變性能和高潤滑性好，以滿足金剛石繩索取心鉆進開高轉(zhuǎn)速的要求，以提高鉆效。

4.1.2 配比

1 m3清水+1 kg PHP+2.5 kg LG植物膠+1.5 kg防塌劑+0.5 kg高粘-CMC+2.5 kg潤滑劑。

4.1.3 性能參數(shù)

密度1.005 g/cm3，粘度15～17 s，潤滑系數(shù)0.09，考慮到無固相泥漿不易形成泥皮，真實的API濾失量難以測得，所以，我們采用衡量無固相泥漿濾失量常用的推薦方法，測得在標準條件下，一個大氣壓下的濾失量為9 mL/30 min。

4.2 低固相抑制性泥漿

4.2.1 特點

具有較高的粘度和密度，形成的液柱壓力比無固相泥漿大，攜帶巖粉的能力強于無固相泥漿，潤滑性能好，濾失量很小，護壁效果好，保證孔壁穩(wěn)定性。

4.2.2 配方

1 m3清水+40 kg膨潤土+2.4 kg純堿+0.5 kg包被劑+1.5 kg LG植物膠+0.5 kg高粘-CMC+1.5 kg防塌劑。

注：實踐證明，在低固相泥漿中用包被劑替代PHP，配伍性更好。

4.2.3 性能指標

密度1.050 g/cm3，粘度23～26 s，pH值8.5，API濾失量7 mL/30 min，潤滑系數(shù)0.11，泥皮厚度0.1 mm。

5 護壁機理分析

本文中所采用的泥漿配方，主要利用的是LG植物膠、PHP(或BBJ)、高粘-CMC 3種高分子聚合物在泥漿循環(huán)過程中對泥巖水化、粘土顆粒分散所能起到抑制性作用。高分子聚合物的抑制性主要表現(xiàn)在兩個方面：一是LG植物膠、PHP(或BBJ)、高粘-CMC等高分子聚合物中含有許多不同種類的吸附基和水化基，高分子吸附基間相互橋接，在鉆井液發(fā)生濾失時，會在井壁上形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的吸附膜，這些吸附膜有一定的強度，其滲透性很低，從而起到阻止水分子向地層中滲透的作用；聚合物中所含水化基則能對水分子起到束縛作用，水化基越多，則能夠束縛的水分子越多，從而降低了水分子的自由性，所以，高分子聚合物有很好的降濾失作用，對粘土礦物的水化起到抑制效果，有效防止了泥頁巖地層的縮徑、垮塌，維護了孔壁的穩(wěn)定性，確保鉆孔施工安全。二是LG植物膠所含的多糖高分子和可溶性纖維素，在固態(tài)時分子鏈為卷曲狀態(tài)，在水中浸泡以后，其分子鏈上的-OH基和水分子形成氫鍵吸附，提高了水分子之間的內(nèi)摩擦力，從而表現(xiàn)出一定的粘性，起到降濾失的效果。

低固相泥漿由于有較高的密度和粘度，能夠在孔壁上形成致密的泥皮，形成的液柱壓力也較大，在破碎地層鉆進時，能夠較好地維護孔壁穩(wěn)定，確保鉆孔安全，雖然相比較于無固相泥漿，其鉆效較低，但犧牲一定程度的鉆效而確保了孔內(nèi)的安全，完全是值得的。

6 現(xiàn)場使用效果

6.1 現(xiàn)場配制與維護

(1)對泥漿材料的采購要嚴格把關(guān)，確保質(zhì)量合格，以避免部分劣質(zhì)材料影響泥漿性能，導(dǎo)致按配方配置的泥漿性能不達標，影響了使用效果。

(2)潤滑劑、LG植物膠、PHP、BBJ、CMC等處理劑材料使用前應(yīng)按要求進行預(yù)浸泡，使有機高分子長鏈充分展開，再按照先無機后有機，分子量由小到大的順序添加，并充分攪拌。

(3)可以在泥漿中加入0.1%～0.5%的甲醛作防腐劑，防止LG植物膠因發(fā)酵而變質(zhì)，以維持泥漿性能的穩(wěn)定。

(4)在鉆進過程中，產(chǎn)生的大量的巖粉懸浮在泥漿中變成無用固相，會影響泥漿性能，因此，要充分利用泥漿循環(huán)系統(tǒng)中的地表循環(huán)槽和沉淀池，勤撈巖粉(一個回次撈一次)，勤清理泥漿池。

(5)定時測定泥漿性能指標(每天不少于3次)，確保泥漿性能指標達到規(guī)定要求，泥漿性能出現(xiàn)大幅度變化時，應(yīng)及時更換泥漿。

(6)提、下鉆過程中，要平穩(wěn)、要控制速度，提鉆時要回灌泥漿，平衡孔內(nèi)壓力，以減少抽吸和“激動”壓力對孔壁的破壞。

6.2 使用效果分析

(1)水敏抑制效果好，在整個鉆孔施工過程中，未發(fā)生因鉆孔縮徑而導(dǎo)致的抱鉆事故，鉆進過程中，沒有出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，泵壓維持在合理范圍，這表明該泥漿能有效地抑制泥巖地層的水化、膨脹和分散。

(2)在破碎地層鉆進過程中，低固相泥漿維持了孔內(nèi)壓力的平衡，減少了掉塊，有效地避免了卡鉆事故的發(fā)生，提、下鉆過程順利，沒有出現(xiàn)卡、阻現(xiàn)象。

(3)無固相抑制性泥漿具有密度小，循環(huán)泵壓低，“激動”壓力小等特點，有利于繩索取心鉆進開高轉(zhuǎn)速、提高鉆效；同時，其對泥頁巖地層有較強的水化抑制效果，有利于維護孔壁穩(wěn)定；再者，采用無固相泥漿，鉆進過程中鉆桿內(nèi)壁不會結(jié)泥皮，不影響內(nèi)管的投放、打撈，有利于純鉆進時間利用率的提高。

(4)如表2所示，使用抑制性泥漿，綜合經(jīng)濟效益好，由于該泥漿的使用，提高了鉆進效率，確保了孔內(nèi)安全，臺月效率高，因此，取得了較好的綜合經(jīng)濟效益。

表2 鉆孔施工效果分析

7 結(jié)語

(1)抑制性泥漿有效抑制了泥巖地層中粘土的水化、分散和膨脹，并在孔壁上形成了一層致密的吸附膜，降低了濾失量，適合于水敏性強、易水化膨脹縮徑的泥頁巖地層護壁鉆進；該泥漿固相含量低、流變性好、潤滑減阻效果好，可滿足水敏性地層繩索取心鉆進的需要。

(2)由于巖粉懸浮泥漿之中，不易沉淀清除，現(xiàn)場又沒有配備合適的固控設(shè)備，使得泥漿更換頻繁，造成泥漿浪費很大，故應(yīng)加強固控工作，節(jié)約生產(chǎn)成本。

(3)抑制性泥漿在淖毛湖煤田東部勘查區(qū)的實踐應(yīng)用，不僅護壁效果良好，而且保證了鉆孔安全，提高了鉆效，降低了施工周期，提高了綜合經(jīng)濟效益，可以在類似水敏性地層中推廣應(yīng)用。

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