防塌泥漿在朱溪礦區(qū)ZK1013孔煤系地層鉆探施工中的應(yīng)用

王 盛， 潘振泉， 黃忠高， 宋國(guó)清， 魏從華

(江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一二大隊(duì)，江西 鷹潭 335001)

1 工程概況

江西省浮梁縣朱溪鎢銅多金屬礦，位于江西省東北部景德鎮(zhèn)與樂平交界處。礦區(qū)勘查項(xiàng)目由江西省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局九一二大隊(duì)實(shí)施，自2010年開始啟動(dòng)，累計(jì)完成工作量6萬多米，探明WO3資源量(333+334)286萬t，一舉成為世界最大的鎢礦。

礦區(qū)位于欽杭接合帶江西萍樂凹陷帶之北緣、江南造山帶東南部、贛東北深大斷裂北西側(cè)、宜豐-景德鎮(zhèn)深斷裂帶南側(cè)、塔前-賦春推覆構(gòu)造帶從礦區(qū)中部呈北東向通過。區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了多期次多階段的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，中元古代褶皺造山作用強(qiáng)烈，加里東期褶皺疊加和韌性變形，印之-燕山期構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈而廣泛，推覆構(gòu)造發(fā)育，伴隨中酸性巖漿的侵入，構(gòu)造十分復(fù)雜。

2 鉆進(jìn)工藝及使用復(fù)合泥漿前施工情況

ZK1013孔設(shè)計(jì)孔深2300 m，垂直孔。

鉆孔施工設(shè)備采用連云港黃海機(jī)械生產(chǎn)的HXY-6B型立軸式鉆機(jī)，配BW320-8型泥漿泵，鉆進(jìn)施工主要采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝為主。采用鉆進(jìn)效率高的無固相沖洗液進(jìn)行施工，沖洗液配比：1 m3清水+3 kg聚丙烯酰胺+8 kg特效潤(rùn)滑劑+8 kg磺化瀝青+5 kg防塌護(hù)壁劑。此套無固相泥漿體系能滿足朱溪礦區(qū)前期鉆孔鉆進(jìn)施工性能要求。

(1)第四系土層厚度23.72 m，采用170 mm口徑單管取心鉆進(jìn)，下入?168 mm套管。

(2)下部23.72～388.03 m之間出現(xiàn)多段極其破碎的炭質(zhì)頁巖、含炭粉砂巖的不穩(wěn)定地層，施工過程出現(xiàn)多次掉塊卡鉆，采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝通過并下入?150、114 mm套管進(jìn)行隔離。

(3)388.03 m下部以96 mm口徑施工，388.03～908 m都是以炭質(zhì)頁巖、含炭質(zhì)粉砂巖為主的連續(xù)性破碎地層，其中在施工至711 m處起鉆換鉆頭過程中,470～490、630～650、703～709 m三段出現(xiàn)嚴(yán)重垮孔、抱鉆、泥包鉆頭，下鉆遇阻，孔內(nèi)出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)25 cm長(zhǎng)的大掉塊。鉆孔巖心十分破碎(見圖1)，巖心極易被風(fēng)化或水解成粉末狀。在掃孔過程中出現(xiàn)憋泵、卡鉆、無法加桿等現(xiàn)象導(dǎo)致無法穿過坍塌段。先后經(jīng)過4次水泥固孔、歷時(shí)半個(gè)月都未收到十分理想的效果。基于此，經(jīng)我方領(lǐng)導(dǎo)與技術(shù)人員及相關(guān)施工人員多次開會(huì)后達(dá)成一致意見，無固相泥漿無法起到穩(wěn)定此類破碎坍塌地層的作用，應(yīng)當(dāng)以低固相泥漿代替無固相泥漿進(jìn)行掃孔和鉆進(jìn)施工。

圖1 ZK1013孔部分巖心

3 孔壁不穩(wěn)定的原因分析

3.1 地層原因

含炭質(zhì)的煤系地層節(jié)理、裂隙發(fā)育明顯，產(chǎn)狀很陡，層理與節(jié)理之間膠結(jié)差。沉積形成的煤系地層巖石主要以形狀不定、顆粒大小不均勻的礦物和巖石碎屑膠結(jié)而成的，填充其中間的膠結(jié)物以粘土質(zhì)和泥質(zhì)成分為主，膠結(jié)強(qiáng)度較低，其中的粘土成分遇水極易水化和吸水膨脹而造成孔壁坍塌、埋鉆、起下鉆遇阻、無法加桿、封堵憋泵、縮徑、套管下不到位、沖洗液漏失等一系列問題，給鉆探施工造成巨大的困難。

3.2 壓力平衡問題

根據(jù)孔壁穩(wěn)定理論分析，地層被鉆開后，致使原始地層應(yīng)力發(fā)生改變，孔壁應(yīng)力重新分布，當(dāng)孔壁巖石所受到的應(yīng)力大于巖石本身的強(qiáng)度后即會(huì)出現(xiàn)孔壁垮塌、縮徑。在ZK1013孔所遇地層中，不穩(wěn)定的地層主要以膠結(jié)強(qiáng)度低、強(qiáng)水敏性的炭質(zhì)頁巖和炭質(zhì)砂巖為主。炭質(zhì)頁巖的節(jié)理、層理中間填充的粘土質(zhì)成分、泥質(zhì)成分的膠結(jié)物在鉆進(jìn)過程中遇水水化，應(yīng)力急速降低而無法達(dá)到壓力平衡出現(xiàn)鉆孔坍塌。

3.3 施工操作及技術(shù)措施問題

(1)在下大鉆過程中因下鉆速度過快產(chǎn)生的“激動(dòng)”壓力，起大鉆、打撈巖心過程快速提拉鉆桿和內(nèi)管總成產(chǎn)生的抽吸壓力，是導(dǎo)致孔內(nèi)壓力失衡出現(xiàn)垮塌的重要原因。

(2)起鉆過程不及時(shí)回灌泥漿，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)孔內(nèi)液柱壓力減小，無法平衡孔壁應(yīng)力也是產(chǎn)生孔內(nèi)坍塌的一大因素。

(3)鉆進(jìn)過程中鉆具、鉆桿柱碰撞孔壁，破壞孔壁表面吸附的泥皮，導(dǎo)致孔壁巖石直接與沖洗液接觸，巖石中易水化的粘土成分吸水后水化產(chǎn)生膨脹、剝落、坍塌現(xiàn)象。

(4)大泵量沖刷作用導(dǎo)致孔壁本就膠結(jié)不好的泥皮、碎塊加速剝落也是出現(xiàn)掉塊卡鉆、鉆孔坍塌的一方面原因。

4 維護(hù)孔壁穩(wěn)定的初步思路

4.1 地層壓力與液柱壓力平衡

在地層被鉆開后，孔壁巖石所受的應(yīng)力驟降，為平衡孔內(nèi)壓力、維持孔壁巖層穩(wěn)定，通過提高泥漿的密度，增大孔內(nèi)液柱壓力來解決這一問題。但是由于金剛石繩索取心工藝采用的是低固相泥漿體系，在加大泥漿密度的過程中還應(yīng)考慮泥漿本身的穩(wěn)定性，確保安全鉆進(jìn)。

4.2 采用低失水性能的泥漿體系

采用低失水量的泥漿，防止泥漿中的自由水進(jìn)入地層中，控制水敏性地層中粘性成分水化、坍塌、剝落。

4.3 泥漿造壁

為避免鉆桿和鉆具在鉆進(jìn)過程中對(duì)孔壁的沖擊，采用良好造壁性能的泥漿能在孔壁上形成一層薄而致密的泥皮，形成的泥皮不僅可以防止泥漿直接沖刷孔壁，還能起到良好的潤(rùn)滑作用，減少鉆桿的回轉(zhuǎn)摩擦阻力。

4.4 規(guī)范操作

嚴(yán)格遵守巖心鉆探操作規(guī)程，加強(qiáng)管理，避免起下鉆、打撈內(nèi)管等操作產(chǎn)生“激動(dòng)”壓力對(duì)孔壁的破壞，并采用低泵量參數(shù)減小泥漿對(duì)孔壁的沖刷。

5 施工情況及防塌泥漿方案

基于以上孔壁失穩(wěn)的原因，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)及對(duì)地層的判斷，泥漿性能除了應(yīng)具備冷卻鉆頭、攜帶巖粉、潤(rùn)滑鉆具和鉆桿的性能外還應(yīng)在穩(wěn)定孔壁方面做出更多的努力。

5.1 第一階段

在470～490 m處坍塌段，原先采用的無固相沖洗液雖能掃上來掉塊(見圖2)，但因該套泥漿體系無法維持孔壁穩(wěn)定，回次掃完起鉆后無法加桿，孔內(nèi)還是垮塌，歷時(shí)半個(gè)月進(jìn)行的多次水泥固孔，效果也不理想。針對(duì)此段坍塌地層，基于前述分析論證的泥漿護(hù)壁理論，配置了一套低固相泥漿，配方如下：

4%～8%粘土(相對(duì)水重)+2%燒堿(相對(duì)土重)+2%純堿(相對(duì)土重)+0.07%低粘纖維素+0.05%聚丙烯酸鉀+1.25%磺化瀝青+0.25%低熒光防塌護(hù)壁劑+0.4%石膏+50%石灰石粉。

圖2 鉆孔內(nèi)掉塊

泥漿性能參數(shù)：密度1.3 g/cm3，漏斗粘度26 s，失水量7 mL/30 min，pH值9。

運(yùn)用這套泥漿采用低泵量參數(shù)，經(jīng)過1 d的時(shí)間上下反復(fù)通掃直至上部無掉塊，順利通過了470～490 m坍塌段，490～630 m地層相對(duì)完整，鉆具輕掃便下至630 m處。

順利通過了這一坍塌段，很好地印證了我們前期對(duì)于維持孔壁穩(wěn)定的基本思路，即采用高密度、高粘度的泥漿體系以達(dá)到孔內(nèi)壓力平衡，從而達(dá)到孔壁穩(wěn)定的目的。

5.2 第二階段

獲得了第一階段的成功后，沿用之前的泥漿進(jìn)行下一步施工，但是掃至630 m后，繼續(xù)往下掃的過程中，孔內(nèi)阻力不斷增大，泵壓劇增，經(jīng)過多次上下提鉆具進(jìn)行碾、掃都無法通過該段，最深掃到640 m后便因阻力過大無法更進(jìn)一步，提鉆后孔內(nèi)又坍塌至630 m。多次起大鉆查看鉆具情況，都出現(xiàn)鉆頭水口被不同程度的堵死現(xiàn)象(見圖3)?；谝陨犀F(xiàn)象，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為是孔內(nèi)巖粉太多，這套泥漿無法攜帶較大顆粒的巖粉。經(jīng)過商議，決定增大泥漿粘度，將泥漿粘度由26 s逐漸提高至41 s，繼續(xù)進(jìn)行施工，但是高粘度的泥漿不僅未能改善孔內(nèi)阻力大的問題，隨之而來的是泵壓相比之前更高，鉆具內(nèi)結(jié)泥皮導(dǎo)致無法打撈內(nèi)管，鉆頭堵水口情況更嚴(yán)重。經(jīng)過進(jìn)一步分析，認(rèn)為這套泥漿密度仍然偏小，液柱壓力無法平衡孔內(nèi)壓力，于是決定提高泥漿密度，將泥漿密度由1.3 g/cm3提高至1.46 g/cm3，繼續(xù)進(jìn)行施工，依舊無法解決孔內(nèi)阻力大，泵壓高，鉆頭水口被堵的現(xiàn)象。多次反復(fù)調(diào)整泥漿性能都無法取得預(yù)期的效果后，我單位組織多方專業(yè)技術(shù)人員對(duì)該孔進(jìn)行會(huì)診，最終根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合鉆孔實(shí)際情況認(rèn)定：此套泥漿體系雖然能起到穩(wěn)定孔壁，防止孔壁繼續(xù)坍塌，但是無法解決鉆頭泥包和鉆具吸附問題。而導(dǎo)致鉆頭泥包、吸附現(xiàn)象的原因可歸納為：(1)該段地層巖石中粘性土成分高，長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)水浸泡發(fā)生水解，導(dǎo)致孔底泥質(zhì)成分增多，泥質(zhì)成分對(duì)鉆具產(chǎn)生吸附作用并膠結(jié)鉆頭，導(dǎo)致堵死鉆頭水口；(2)水泵泵量偏小，巖屑不能完全被攜離孔底，在孔底重復(fù)破碎，吸附鉆頭；(3)鉆頭和擴(kuò)孔器刮削井壁形成的泥皮形成泥包鉆頭。

圖3 新鉆頭和水口被堵的鉆頭

基于以上因素，制定如下泥漿配方：4%粘土(相對(duì)水重)+2%燒堿(相對(duì)土重)+2%純堿(相對(duì)土重)+0.05%聚丙烯酸鉀+1.85%磺化瀝青+1.25%低熒光防塌護(hù)壁劑+0.4%石膏+0.97%表面活性劑+1%潤(rùn)滑劑+25%石灰石粉。

泥漿性能參數(shù)：密度1.12 g/cm3，漏斗粘度23 s，失水量8 mL/30 min，pH值9。

此套泥漿體系的特點(diǎn)是密度低、較高粘度、低失水量，泥漿中的表面活性劑能很好地抑制泥漿和地層中的粘性成分吸附鉆具、鉆頭，適用于解決塌孔情況下出現(xiàn)的泥包卡鉆、吸附卡鉆等難題。ZK1013孔在630～650 m處出現(xiàn)回轉(zhuǎn)阻力劇增、憋泵泵壓高、鉆頭堵水口、不進(jìn)尺等典型的泥包鉆頭現(xiàn)象。通過使用該套泥漿體系并輔以大泵量參數(shù)，配置大水口鋸齒鉆頭防止水口堵塞，歷時(shí)一個(gè)臺(tái)班便順利的穿過該地層。

ZK1013孔目前已經(jīng)施工至1450 m，930 m以深為穩(wěn)定的灰?guī)r，為減少上部破碎、不穩(wěn)定的炭質(zhì)巖層裸露時(shí)間，于1079 m處下入?91 mm套管進(jìn)行隔離。

6 泥漿配制過程及注意事項(xiàng)

6.1 選用性能穩(wěn)定的泥漿材料

要配置性能良好、穩(wěn)定的泥漿，粘土質(zhì)量要經(jīng)過仔細(xì)篩選，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行性能試驗(yàn)。ZK1013孔在配制復(fù)合泥漿過程中對(duì)3種從不同地區(qū)、不同廠家出廠的粘土土樣進(jìn)行試驗(yàn)，選擇的粘土性能指標(biāo)如下：

取22.5 g粘土+350 g清水拌合均勻，靜待水化2 h。對(duì)其進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)得到的性能參數(shù)見表1。

表1 3種粘土性能對(duì)比

結(jié)合鉆孔實(shí)際情況，鉆孔泥漿配置選擇樣品1作為原材料。

因礦區(qū)附近有大量石灰石粉廠，故選用取材方便的石灰石粉作為泥漿加重材料，石灰石粉性能要求：大于200目、CaCO3含量95%以上，未經(jīng)煅燒。

6.2 嚴(yán)格按照制漿程序步驟配置泥漿

(1)準(zhǔn)確計(jì)算鉆孔和泥漿池容量，按6%水重的劑量攪拌好相應(yīng)方量的粘土原漿，攪拌完畢后停待5 h，待粘土充分水化。

(2)按照配比準(zhǔn)確計(jì)算泥漿材料用量，將纖維素、聚丙烯酸鉀等提高粘度的聚合物泥漿材料提前調(diào)成溶液，加入原漿中攪拌均勻。

(3)按劑量加入防塌劑、磺化瀝青、頁巖水化抑制劑到原漿中攪拌均勻。

(4)分批次加入增大泥漿密度的材料(石灰石粉)，加入過程中多測(cè)試泥漿密度和粘度，協(xié)調(diào)好密度與粘度的關(guān)系，防止泥漿懸浮能力不足造成石灰石粉沉淀造成埋鉆。

(5)用泥漿泵往孔內(nèi)注漿，替換出來的孔內(nèi)沖洗液全部排出。在替漿過程中上下活動(dòng)鉆桿，避免液柱壓力突變出現(xiàn)孔內(nèi)坍塌埋鉆。

7 炭質(zhì)煤系坍塌地層施工的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)與建議

(1)合理的設(shè)計(jì)鉆孔級(jí)配，施工此類超過2000 m的鉆孔，應(yīng)以122、96 mm口徑作為主要口徑進(jìn)行施工，76 mm口徑只能作為備用方案。

(2)鉆遇煤系坍塌地層，為減少此類地層裸露在鉆井液中的時(shí)間，應(yīng)采取快速穿過、及時(shí)隔離的施工方案，可以大大降低孔壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)充分重視泥漿護(hù)壁的重要性，充分認(rèn)識(shí)地層特點(diǎn)，選擇合適的泥漿體系，做到提前布局、提前防護(hù)。孔徑級(jí)配空間有限，鉆遇破碎復(fù)雜地層，應(yīng)首選泥漿技術(shù)維護(hù)孔壁，在泥漿性能實(shí)在無法達(dá)到維護(hù)孔壁穩(wěn)定的情況下方才考慮套管隔離。

(4)認(rèn)真研究地層，分析地層特性，采用合理的鉆進(jìn)參數(shù)和泥漿性能進(jìn)行鉆探施工。

8 結(jié)語

ZK1013孔現(xiàn)施工至1450 m，地層比較穩(wěn)定，在取得階段性成功的同時(shí)，不忘總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為下一步工作做好準(zhǔn)備。通過這次防塌泥漿在實(shí)際工作中的成功應(yīng)用，我們可以將此套泥漿體系及泥漿設(shè)計(jì)思路運(yùn)用到類似復(fù)雜地層中去。同時(shí)通過此次事故的發(fā)生及處理，深刻體會(huì)到現(xiàn)場(chǎng)施工人員必須時(shí)刻關(guān)注、維護(hù)泥漿性能，確保泥漿性能維持在合理的范圍內(nèi)。