羅布泊鹽湖深部鉀鹽地質(zhì)科學(xué)鉆探LDK02孔沖洗液工藝

張 云， 李曉東， 趙 巖， 上官拴通， 劉現(xiàn)川， 楊風(fēng)良， 張國斌

(1.河北省煤田地質(zhì)局第二地質(zhì)隊，河北 邢臺 054001； 2.北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 項目概況

1.1 鉆孔來源

鉀鹽是我國七大緊缺礦產(chǎn)之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所使用的鉀肥便來源于此。青海格爾木地區(qū)和新疆羅布泊鹽湖地區(qū)是目前我國最主要鉀肥產(chǎn)地，羅布泊鹽湖位于板塊交界處，地理條件和地形構(gòu)造比較特殊，為羅布泊鹽湖地區(qū)鉀鹽資源的形成提供了良好條件，該地區(qū)鹵水中蘊(yùn)含大量的鉀鹽資源[1]。

國投羅鉀公司于2009年在羅布泊實施了第一口深部鉀鹽科學(xué)鉆探工程(LDK01孔)，首次揭示羅布泊鹽湖地區(qū)深部賦存有低品位固體鉀礦，同時發(fā)現(xiàn)深部碎屑巖地層含有富鉀鹵水[2]?；贚DK01孔的研究發(fā)現(xiàn)，2017年實施了第二口深部鉀鹽科學(xué)鉆探工程(LDK02孔)，鉆孔位于羅布泊鉀鹽現(xiàn)生產(chǎn)礦區(qū)的拉張斷裂帶中，該斷裂帶縱貫于羅鉀礦區(qū)和生產(chǎn)區(qū)，寬2～3 km，長約50 km。

1.2 工區(qū)概況

羅布泊地區(qū)屬典型大陸性干旱氣候，年蒸發(fā)量高達(dá)4696.9 mm，而年降雨量僅38.5 mm，屬于強(qiáng)烈蒸發(fā)區(qū)；年平均氣溫12.4 ℃，最高氣溫可達(dá)到44.3 ℃，平均濕度僅35.7%；羅布泊地區(qū)的鹵水屬硫酸鎂亞型，品位高于工業(yè)品位，具有單獨(dú)開采價值，是我國僅次于青海察爾汗的超大型含鉀鹵水礦床[3]。

1.3 地質(zhì)概況

1.3.1 區(qū)域地質(zhì)概況

羅布泊位于塔里木盆地最東端最低洼處，盆地內(nèi)各大水系多流入該區(qū)域，形成鹽分聚集。羅布泊地層構(gòu)造處于塔里木板塊東部、天山南麓與阿爾金山北麓交匯地帶，自新生代以來，其形成演化主要受阿爾金及庫魯克塔格走滑斷裂系統(tǒng)控制，羅布泊即產(chǎn)生于此斷裂系統(tǒng)形成的近東西向拉張構(gòu)造背景的箕狀凹陷；東天山向南逆沖壓制，使得該凹陷向北傾斜；同時受NNE-SSW向的主壓應(yīng)力作用，產(chǎn)生同向張性斷層及地塹式斷陷帶，導(dǎo)致羅布泊地區(qū)形成了羅北凹地等較大的成鹽凹地。

研究區(qū)地層主要為山前平原區(qū)的沖洪積成因的砂礫石、中粗砂，以及盆地內(nèi)湖相沉積的粉細(xì)砂、亞砂土、泥巖及化學(xué)沉積物，其中山前平原區(qū)主要覆蓋有全新統(tǒng)沖洪積及部分第三系地層，盆地主要覆蓋為全新統(tǒng)[4-5]。

1.3.2 礦區(qū)地層情況

根據(jù)本區(qū)以往已有勘查成果資料，LDK02科探孔自上而下預(yù)計鉆遇地層情況如下：

(1)第四系全新統(tǒng)(Q4)：巖性主要為石鹽、石膏鹽殼，地層厚度約10 m。

(2)第四系上更新統(tǒng)(Q3)：巖性主要為鈣芒硝、石鹽、粉砂、粘土等，賦存有富鉀鹵水儲層，地層厚度約為100 m。

(3)第四系中更新統(tǒng)(Q2)：巖性主要為含粘土(粉砂、石膏)鈣芒硝、粘土、石膏、石鹽及鈣芒硝等，賦存有富鉀鹵水儲層，地層厚度約為60 m。

(4)第四系下更新統(tǒng)(Q1)：巖性主要為沙、粉砂、粘土、粉砂質(zhì)粘土、石膏、鈣芒硝、石鹽等，賦存有富鉀鹵水儲層，地層厚度約為610 m。

LDK02科探孔預(yù)計鉆遇地層分布情況如表1所示。

表1 LDK02孔鉆遇地層分布Table 1 Geology at LDK02

1.4 施工方案

羅布泊鹽湖深部鉀鹽地質(zhì)科學(xué)鉆探2號孔(LDK02孔)總體鉆探施工方案如下：

(1)用?133 mm取心鉆頭取心鉆至500 m(視鉆遇地層條件具體確定取心鉆進(jìn)深度)，進(jìn)行測井。

(2)根據(jù)地質(zhì)錄井、測井資料進(jìn)行綜合分析、研究，確定200 m以淺孔段、200～500 m孔段抽水試驗層段的具體起止深度。

(3)?444.5 mm擴(kuò)孔鉆至500 m，下入?339.7 mm套管(含濾水管)，采用套管外傘式止水器止水、套管內(nèi)同徑止水的工藝，完成200 m以淺孔段、200～500 m孔段抽水試驗工作。

(4)換?133 mm鉆頭繼續(xù)取心鉆進(jìn)，鉆至800 m，測井；換?311 mm鉆頭擴(kuò)孔鉆至800 m，下入?244.5 mm套管(含濾水管)；對500～800 m孔段進(jìn)行抽水試驗工作。

(5)換?133 mm鉆頭繼續(xù)取心鉆進(jìn)至1200 m，再換?215.9 mm鉆頭擴(kuò)孔鉆至1200 m，采用托盤懸掛方式在470～810 m孔段下入?177.8 mm套管對500～800 m孔段進(jìn)行止水，然后進(jìn)行800～1200 m孔段抽水試驗。

(6)工程完工后若決定不再留作生產(chǎn)孔，則用水泥漿對該孔進(jìn)行全孔段封閉。

1.5 鉆孔結(jié)構(gòu)

本孔采用?133 mm取心鉆進(jìn)、分級擴(kuò)孔、下入套管(含濾水管)護(hù)壁、逐層進(jìn)行抽水試驗的工作程序。根據(jù)鉆進(jìn)施工中所鉆遇的不同地層巖性情況及孔壁穩(wěn)定程度，所設(shè)計的鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 LDK02孔鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of LDK02

2 現(xiàn)場施工存在的問題與分析

2.1 復(fù)雜地層孔壁失穩(wěn)問題

據(jù)本區(qū)以往鉆探資料表明，該科探孔所鉆遇的地層主要為第四系松散層，鉆進(jìn)卵礫石層及砂層孔段(見圖2)時易坍塌埋鉆，鉆進(jìn)粘土層孔段(見圖3)時易縮徑卡鉆，施工中孔壁穩(wěn)定性差，極易引發(fā)孔內(nèi)事故。

LDK01孔曾在孔深460～480 m處多次發(fā)生孔壁坍塌埋鉆事故，導(dǎo)致鉆探施工無法正常進(jìn)行，該孔段主要為松散粘土層夾有膠結(jié)性較差的砂巖，其巖心如圖4所示。

2.2 沖洗液問題

現(xiàn)場使用鹵水配制沖洗液，鹵水中含有大量的離子(見表2)，尤其是高價陽離子，會影響處理劑發(fā)揮作用，導(dǎo)致配制的沖洗液膠體穩(wěn)定性差，使用膨潤土配制沖洗液易沉淀分層，不能有效懸浮攜帶和清除巖粉[6]。

3 沖洗液工藝

鉀鹽鉆探除合理的鉆孔設(shè)計、鉆進(jìn)方法以外，其最關(guān)鍵的是選擇合適的沖洗液，直接關(guān)系到孔內(nèi)安全、巖心的采取率和質(zhì)量[7-10]。

圖2 卵礫石層及砂層孔段巖心(1175～1182 m)Fig.2 Cores from gravel layers and sand layers (1175～1182m)

圖3 粘土層孔段巖心(480～485 m)Fig.3 Cores from clay layers (480～485m)

圖4 LDK01孔460～480 m孔段巖心Fig.4 Cores from LDK01 (460～480m)

離子名稱Na+/(g·L-1)K+/(g·L-1)Ca2+/(mg·L-1)Mg2+/(g·L-1)Cl-/(g·L-1)SO42-/(g·L-1)分析結(jié)果78.1814.85168.3034.16190.0260.26

3.1 對沖洗液性能的要求

(1)配制的鹵水沖洗液應(yīng)具有良好的膠體穩(wěn)定性；

(2)不污染礦層，且不影響礦層分析；

(3)能夠形成平衡地層壓力的液柱壓力，且范圍可調(diào)；

(4)具有較低失水量及較好抑制性，能有效減少自由水進(jìn)入粘土層，預(yù)防粘土水化造漿或膨脹縮徑，避免粘附卡鉆事故；

(5)具有較好的流變性能，能有效懸浮和攜帶巖屑；

(6)利于提高巖心采取率；

(7)配制簡單，方便維護(hù)使用[11-13]。

3.2 沖洗液選型

通過廣泛調(diào)研和對比分析，選用北京探礦工程研究所研制的環(huán)保型鹵水聚合物沖洗液，其配方如下：鹵水+燒堿+純堿+3%～5%膨潤土+0.8%～1.5%抗鹽共聚物(GTQ)+1%～2%抗鹽降失水劑(GPNS)+1%～3%隨鉆堵漏劑(GPC)+0.2%～0.3%包被劑(BBJ)。

由于鹵水配制沖洗液易產(chǎn)生泡沫，可適量加入消泡劑，以減少或消除泡沫；鉆進(jìn)時鉆具扭矩較大時，可加入潤滑劑，降低鉆具回轉(zhuǎn)阻力，調(diào)整沖洗液流變性能[14-16]。

3.3 沖洗液體系中處理劑的作用

環(huán)保型鹵水聚合物沖洗液所使用的主要處理劑及其作用見表3。

表3 主要處理劑及其作用Table 3 Main additives and their functions

4 鹵水沖洗液現(xiàn)場工藝及應(yīng)用效果

4.1 沖洗液配制方法

首先在鹵水中加入燒堿和純堿進(jìn)行處理；再加入膨潤土，攪拌20～30 min，使其充分水化；再加入抗鹽降失水劑和隨鉆堵漏劑，攪拌約5 min；加入抗鹽共聚物，攪拌約15 min，使其分散均勻且不成團(tuán)；最后加入包被劑，攪拌20 min左右。

4.2 沖洗液性能

4.2.1 現(xiàn)場沖洗液性能

以配方“鹵水+0.5%純堿+1%燒堿+3%膨潤土+1.0%抗鹽共聚物(GTQ)+1.5%抗鹽降失水劑(GPNS)+1%隨鉆堵漏劑(GPC)+0.2%包被劑(GBBJ)”為例，其性能如表4所示，通過對現(xiàn)場鹵水沖洗液性能進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明，鹵水沖洗液可長時間保持穩(wěn)定的性能，粘度適中，API濾失量較低，泥皮薄而有韌性，且可根據(jù)實際需要對沖洗液粘度和密度進(jìn)行調(diào)整。

表4 現(xiàn)場沖洗液性能Table 4 Properties of the drilling fluid

4.2.2 不同開次沖洗液性能

在不同開次施工過程中對沖洗液進(jìn)行實時監(jiān)測，具體性能如表5所示。

表5 不同開次的沖洗液性能Table 5 Properties of the drilling fluid for different borehole sections

4.3 沖洗液維護(hù)

(1)沖洗液粘度盡量保持平穩(wěn)，施工中根據(jù)地層變化及巖粉攜帶情況，通過調(diào)整抗鹽共聚物加量對沖洗液粘度進(jìn)行調(diào)整。

(2)包被劑為高分子聚合物，循環(huán)過程中消耗快，需要及時補(bǔ)充，以保證沖洗液能夠較好地絮凝沉淀巖屑，為使包被劑能充分利用，可將包被劑提前配成溶液再加入沖洗液中。

(3)由于松散破碎地層較多，應(yīng)根據(jù)所取出巖心狀態(tài)判斷地層情況，在較破碎地層應(yīng)提高隨鉆堵漏劑的加量，避免沖洗液滲漏，同時可強(qiáng)化孔壁，提高孔壁穩(wěn)定性。

(4)及時清理循環(huán)槽和沉淀池中沉淀的巖屑，防止沉淀的巖屑再次進(jìn)入沖洗液中導(dǎo)致有害固相含量過高。

(5)鉆進(jìn)時應(yīng)配備適當(dāng)數(shù)量的沖洗液，防止沖洗液消耗過快，來不及補(bǔ)充，影響鉆探施工的正常進(jìn)行。

4.4 應(yīng)用效果

(1)膠體穩(wěn)定性好，抗鹽侵能力強(qiáng)。使用鹵水配制的沖洗液膠體性能穩(wěn)定，在鉆遇石鹽、石膏、鈣芒硝等溶解性地層，沖洗液仍能保持性能穩(wěn)定。

(2)有效解決了松散破碎地層的坍塌、掉塊問題。該孔鉆遇大段極易坍塌的礫石層、砂層及粉砂質(zhì)粘土層(見圖5)，松散破碎層較多，且強(qiáng)度低。使用鹵水沖洗液有效保證了孔壁穩(wěn)定，坍塌掉塊現(xiàn)象明顯減少，起下鉆通暢。

圖5 松散破碎的卵礫石層及砂層孔段巖心Fig.5 Cores from loose and broken gravel layers and sand layers

(3)抑制性強(qiáng)。該孔鉆遇易吸水膨脹的泥巖地層(見圖6)，鹵水沖洗液有效抑制了泥巖地層吸水后的膨脹縮徑，鉆進(jìn)及起下鉆過程均比較通暢，無明顯縮徑現(xiàn)象。

圖6 易吸水膨脹的粘土層孔段巖心Fig.6 Cores from water-swellable clay layers

(4)流變性能良好?，F(xiàn)場配制的鹵水沖洗液流變性能良好，在滿足懸浮攜帶巖屑的同時，又能保證巖屑較好地在地表沉降，減少有害固相含量，循環(huán)使用周期長，有效減少了沖洗液排放。

(5)鉆進(jìn)效率高。由于鹵水沖洗液具有良好的性能，在保證孔壁穩(wěn)定的同時有效降低了摩阻。該區(qū)LDK01孔難以解決地層縮徑及難以排除鉆孔內(nèi)的沉砂，無法繼續(xù)施工，最終鉆孔深度781.50 m。LDK02孔順利完成地質(zhì)任務(wù)，鉆至完鉆深度1200 m，鉆進(jìn)效率明顯高于此前施工的LDK01孔。

5 結(jié)論

羅布泊鹽湖深部鉀鹽地質(zhì)科學(xué)鉆探施工中使用的環(huán)保型鹵水聚合物沖洗液，有效解決了鉆探過程中遇到的地層坍塌嚴(yán)重、鹵水配漿膠體穩(wěn)定性差等技術(shù)難題。LDK02孔完鉆孔深1200 m，創(chuàng)造了該礦區(qū)孔深最深記錄。