廬樅LZSD-1科學鉆孔泥漿技術

余善平

(安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽六安 237010)

0 引言

《華東廬樅盆地科學鉆探選址預研究》為《深部探測技術與實驗研究專項》第五項目《大陸科學鉆探選址為科學鉆探實驗》項目下屬課題（編號：SinoProbe-05-07）。LZSD-1 孔共計下入三層套管，鉆孔0～203.08m 采用常規(guī)鉆進，203.08～1502.27m 采用Φ 97mm金剛石繩索取心鉆進，1502.27～3008.29m采用Φ77mm 金剛石繩索取心鉆進。繩索取心鉆進工藝，具有輔助時間少、取心質量好、效率高等特點，對于深部巖心鉆探優(yōu)勢尤為明顯。深部小口徑繩索取心鉆進工藝的泥漿技術極大的保障了鉆孔的順利完成。

1 地層特點

LZSD-1 孔屬廬樅盆地地區(qū)，本區(qū)域出露地層以前寒武紀褶皺基底和晚古生代褶皺蓋層為主，中生代地層多為斷陷盆地沉積；廬樅盆地是由多次構造運動形成的，盆地東緣為鵝婆巖體，西緣為江背巖體，北緣為桃山巖體；其間為一個由晚古生代—中生代地層所組成的北端揚起、南端傾伏的十分復雜的北東-北北東向復式向斜構造。地層主要為玄武巖、凝灰?guī)r、粉砂巖、粗安巖、正長巖，上部地層破碎，局部有漏失，大部分地層完整。

2 鉆孔結構

LZSD-1 孔共計四開，下入三層套管。一開鉆孔直徑Φ122mm，Φ250mm 擴孔，套管直徑Φ219mm，套管下深17.51m，固井。二開鉆孔直徑Φ122mm，Φ 200mm 擴孔，套管直徑Φ168mm，套管下深201.80m，固井。三開鉆孔直徑Φ97mm，Φ130mm 擴孔，技術套管直徑Φ127mm，套管下深201.80m。四開鉆孔直徑Φ 77mm。

3 泥漿工藝

3.1 重難點分析

(1)環(huán)狀間隙小，循環(huán)阻力大，容易產生憋泵現象，尤其在深孔壓力激發(fā)下問題會更加突出。

(2)繩索取心鉆桿內壁易產生結垢，泥漿要有足夠的懸浮能力，同時對地面固控能力要求較高。

(3)上部破碎地層易出現坍塌，需加強護壁，并防止壓漏地層。

(4)局部地層漏失，需提前做好預案，進行堵漏。

(5)深孔時，鉆孔溫度升高，會出現高分子泥漿降解問題；影響泥漿流變性，增加濾失量，潤滑條件下降。

3.2 設計原則

針對地層特點結合LZSD-1 孔施工工藝，現場對鉆進泥漿體系設計主要有以下要求：

(1)低固相含量，以防鉆桿內壁結泥皮，并有利于防止漏失和提高鉆速。

(2)良好的潤滑性，減小鉆桿柱與套管、孔壁間摩擦阻力，減小鉆機回轉阻力，并防止黏附卡鉆、鉆頭泥包。

(3)攜帶巖粉能力強，保證孔內清潔，防止泥漿中巖粉造成燒鉆、埋鉆事故。

(4)懸浮巖粉、巖屑能力強，延長靜態(tài)下巖屑在泥漿中懸浮的時間，預防泥漿中巖粉、巖屑沉淀于鉆具與孔壁間而埋鉆。

(5)要有良好的流變性，保證泥漿低黏度、低動切力、高靜切力，以利于清除、懸浮巖屑，防止鉆桿內壁結垢，并且可以降低泥漿的流動阻力，減少泵壓損失。

(6)要有一定的抗高溫能力，鉆孔隨著孔深增加，地層溫度梯度逐漸上升，泥漿必須具有一定的抗溫能力，抵抗高溫對其性能的影響。

(7)要有較好的護壁性能，該孔地層局部松散破碎，需要泥漿有良好的護壁能力，以保證孔壁的穩(wěn)定性。

3.3 處理技術

3.3.1 復雜地層泥漿的選擇與調整

0～208.08m 地層較為復雜，采用常規(guī)鉆進，選用低固相不分散泥漿，開孔泥漿配方：清水+8%～10%黏土粉+5%純堿+0.2%CMC。鉆進中發(fā)現，由于黏土粉加量偏大，泥漿黏度較高，且使用黏土粉中含有雜質較多，固相含量增大后糊鉆明顯。

針對泥漿出現的問題，采取了以下措施進行調整：

(1)日常補漿用水+2%腐殖酸鉀對池中泥漿進行稀釋；

(2)使用自制振動篩加強固控；

(3)排出池中泥漿，更換新漿，新漿配方降低黏土粉加量；

(4)添加潤滑劑防黏卡及鉆頭泥包；

(5)換用質量較好的鈉土；

(6)泥漿性能變差，難以調整時視情況進行部分換漿。

具體性能如下:

0～150.95m：比 重1.08～1.21g/cm3；黏度：24～40s；失水量：11～16mL/30min；泥餅：0.6～0.8mm；含砂量0.1～0.9%；pH：8.5～9。

150.95～203.08m：比重1.22～1.34g/cm3；黏度：26～42s；失水量：8～15mL/30min；泥餅：0.6～0.8mm；含砂量0.3～0.9%；pH：9。

3.3.2 較完整地層泥漿的選擇與調整

203.08m 以后地層較完整，采用金剛石繩索取心鉆進，泥漿的選擇主要以無固相為主，以防鉆桿內壁結垢。無固相泥漿處理劑是以高分子PHP、高分子聚合物、潤滑劑為主體，其作用是懸浮攜帶巖粉、潤滑鉆具，以及護壁等?，F場泥漿配方為：水+0.2‰～0.8‰PHP+0.4%皂化油/GLUB 潤滑劑+1‰～2‰燒堿。具體性能：比重1.01～1.02g/cm3；黏度：18～25s；失水量：13～17mL/30min；泥餅：0.6～0.8mm；含砂量＜1.5%；pH：9～10。

該配方可滿足鉆進要求，并具有以下特點：

(1)配方處理劑種類少，且使用量較少，配置簡單，成本低。

(2)潤滑性好。通過GULB 等潤滑劑提高了體系的潤滑性，有效減少了鉆桿柱的磨損。

(3)流變特性好。PHP起到增黏作用，并能改變流型，利于清除、懸浮巖屑，繩索取心鉆桿內壁泥垢少。

(4)懸浮巖粉、巖屑能力強。鉆孔在因測井等情況停待數天后，鉆具仍可順利下入孔底，且孔未出現過一次埋鉆事故。

3.3.3 漏失地層的護壁與堵漏

LZSD-1 孔上部地層松散破碎，局部堅硬地層有裂隙，全孔共計出現3次井漏情況，都發(fā)生在800m以上孔段。

在22m左右，地層出現第一次漏漿。在22～66m孔段共計補漿約4.9m3，并在補充泥漿中加入5%隨鉆堵漏劑SZ，在66m后漏失明顯減??；但70m后再次漏失，80～126m 孔段漏失最大，超過14m3，因此采用向孔內投黏土球（黏土球中加PHP干粉）的方法，下鉆搗實，黏土球遇水膨脹后與PHP混合產生高分子與黏土交聯絮凝作用，填充吸附于巖層裂隙中，起到堵漏作用，處理效果較好，鉆進至150.95m以后，觀測泥漿已無明顯漏失。此次共計漏漿約22m3。

在203.08m，地層第二次漏漿。由于漏失量不大，開始采取頂漏鉆進，鉆進至216.86m，觀測地層仍有漏失；后將PHP 用熱水泡開，將配方為水+170kg 黏土粉+4kgPHP 約0.2m3的混合物攪拌至黏糊狀，用泥漿泵送入鉆桿內，再抽泥漿壓入孔底，候凝一段時間后再繼續(xù)鉆進，觀測泥漿漏失逐步減小，直至基本無漏失。此次共計漏漿約10m3。

在704.66m，地層第三次漏漿。此時繩索取心鉆進，使用的是無固相泥漿，為保證泥漿較低的固相，采取補充無固相泥漿頂漏鉆進。次日觀測泥漿基本無漏失。此次共計漏漿約6.5m3。

3.3.4 高溫對泥漿影響的處理

LZSD-1 孔孔深在2600m 后，鉆孔溫度達到90℃以上，泥漿中的PHP 雖然并未完全失去高分子性質，但已出現一定降解，且受到機械剪切、pH 值、并存雜質等多種因素影響，泥漿黏度下降明顯。

高溫減稠，泥漿動靜切力下降，不利于懸浮攜帶巖屑、清潔孔內沉渣。根據高溫對現有泥漿體系中PHP 的影響在100℃內相對較小，PHP 僅會部分失去高分子活性的情況，采取了以下措施：

(1)隨孔深增加，適當提高PHP加量，提高泥漿黏度。

(2)每回次接單根或起下鉆時，用PHP與清水配若干升黏稠的清掃液（PHP 加量0.3%～0.6%）打入孔內循環(huán)，以便把環(huán)空中堆積的巖屑清掃出來，并通過多次持續(xù)地添加PHP彌補高溫的破壞作用帶來的損失。

(3)使用表面活性劑抑制高溫減稠現象。

(4)使用耐高溫的潤滑劑GLUB，防止出現破乳，保證泥漿在深孔中仍然具有良好的潤滑性能，有效降低摩擦阻力，減小回轉阻力。

4 結論

(1)日常補漿中加水及稀釋劑對泥漿進行稀釋，由于加量不大，對泥漿黏度及比重的增長僅能起到一定的抑制作用，無法達到降低的效果；使用自制振動篩機械除砂與自然沉淀除砂相結合進行固控效果較好；必要時進行部分換漿。

(2)細分散CMC+KHm 泥漿體系配置簡單，在鉆進過程中可以自造漿，泥漿成本低，具有良好的護壁性和抑制孔壁膨脹的能力，但是易受外界侵污而改變性能。施工中要隨時掌握泥漿性能變化，及時采取調整措施，尤其應做好泥漿地表凈化，加強固控工作。

(3)針對不同漏失地層采取不同的堵漏方法：當鉆孔出現小漏（或叫滲漏）時，采取加入堵漏劑以調整泥漿性能進行頂漏鉆進；中等漏失時，采用泥漿絮凝法進行護壁堵漏，該方法成功率高，堵漏快，成本低。

(4)泥漿出現高溫降解時，不能只考慮通過添加處理劑來提高稠度系數，提黏增切。在繩索取心鉆進中，過度提高黏度和切力容易造成開泵困難、鉆速下降、泥包鉆頭、起下鉆易黏卡、鉆桿鉆具內壁結垢等現象。且高溫對水基泥漿的影響十分復雜，泥漿配方復雜時，不但要考慮高溫對黏土粉的作用，還要考慮不同處理劑分子的高溫交聯情況等。