地質(zhì)巖芯鉆探鉆井液固相控制技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用

馮美貴，王健策，高元宏，張 飛，張文龍，王魯朝，張云龍，蘇延鶴，翁 煒，朱迪斯，蔣 睿

（1.北京探礦工程研究所，北京100083；2.山東黃金地質(zhì)礦產(chǎn)勘查有限公司,山東煙臺2614004；3.青海省第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海西寧810001；4.新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第九地質(zhì)大隊，新疆烏魯木齊830000；5.青海煤炭地質(zhì)一〇五勘探隊,青海西寧810007；6.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東煙臺264001；7.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東臨沂276006；8.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中芯，北京100083）

鉆井液是鉆探工程的“血液”，在鉆探實施全過程中起著至關(guān)重要作用，對保證工程的安全順利實施、提高鉆進(jìn)效率、降低鉆探綜合成本，最終實現(xiàn)提質(zhì)增效、安全環(huán)保等具有重要意義。過去，地質(zhì)鉆探通常采用稀釋、替換、自然沉淀、化學(xué)絮凝等傳統(tǒng)方法維護(hù)鉆井液性能；近年來，地質(zhì)鉆探工藝技術(shù)與裝備不斷進(jìn)步[1]，鉆探深度不斷增加、鉆遇地層愈來愈復(fù)雜，及綠色勘查要求[2-3]等對鉆井液性能與廢漿處理要求愈來愈高，倒逼地質(zhì)鉆探必須徹底改變傳統(tǒng)固相控制方法，采用實踐證明行之有效的機(jī)械凈化清除法。

本文主要針對地質(zhì)巖芯鉆探鉆井液固相控制技術(shù)特點，概述與之相適應(yīng)常用的鉆井液二級固相控制裝備，重點介紹近來年鉆井液固控技術(shù)在地質(zhì)巖芯鉆探現(xiàn)場應(yīng)用效果，以此希望更多地勘單位認(rèn)識到維護(hù)與管理好現(xiàn)場鉆井液固控可實現(xiàn)優(yōu)快鉆探、可有效提質(zhì)增效降本環(huán)保，以此重視現(xiàn)場鉆井液固相控制重要性，加快推廣地質(zhì)鉆探固相控制技術(shù)應(yīng)用，提升地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備現(xiàn)代化整體水平[4-5]。

1 地質(zhì)巖芯鉆探鉆井液固控技術(shù)特點

在石油鉆井行業(yè)，鉆井液固相控制裝備應(yīng)用非常廣泛，已實現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和專用化。地質(zhì)巖芯鉆探通常采用金剛石小口徑繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)，與石油鉆井相比，一是鉆探工藝、施工條件與鉆遇地層等方面有較大區(qū)別，具有口徑小、轉(zhuǎn)速高、環(huán)空間隙?。ㄣ@桿與孔壁、內(nèi)管與鉆桿內(nèi)壁的環(huán)狀間隙都非常小，通常為1～3mm）、循環(huán)壓力高、環(huán)空返速高（0.8～2m/s、多屬于紊流狀態(tài)，而石油鉆井要求動塑比控制在0.36～0.48、多屬于平板層流）、巖屑粒度小，取芯長且質(zhì)量要求高等特點，及繩索取芯液動錘[6]、螺桿馬達(dá)等孔底動力鉆具等對鉆井液性能[7-10]要求比較高[一般有用固相(如膨潤土)含量不大于5%，相當(dāng)于漿液密度不大于1.02～1.03g/cm3；鉆井液中固相粒度80%～90%控制在15～20μm、泥餅厚度不大于0.5mm、含砂量小于1%，其中液動錘要求含砂量不大于0.1%；視粘度小于3～5mPa·s，屈服值小于0.05～0.1Pa，靜切力IG/10G 都趨于零；具有一定的抑制水敏性地層能力，一般中壓失水量不大于15mL/30min]，較低固相、極細(xì)分散、較低的粘度、切力可有效防止繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢、環(huán)空壓力過大及液動錘零件磨損等問題，因此鉆井液體系設(shè)計和性能調(diào)控與石油鉆井不同；二是深孔巖芯鉆探鉆遇復(fù)雜地層，出現(xiàn)嚴(yán)重的孔壁坍塌掉塊、孔內(nèi)漏失現(xiàn)象，處理事故過程中鉆井液的固相含量會急劇增加，對施工造成較大的事故隱患，依靠傳統(tǒng)的開挖泥漿池自然沉淀的處理方法已無法滿足施工要求，更換新的鉆井液又會造成生產(chǎn)成本增加、環(huán)境污染等一系列問題，因此鉆井液固控技術(shù)是保證深孔鉆進(jìn)技術(shù)實施的關(guān)鍵之一，已成為直接影響安全、優(yōu)質(zhì)、快速鉆進(jìn)的重要因素；三是石油鉆井固相控制裝備質(zhì)量大、處理量大、能耗高、不利于運移，不適用于小口徑地質(zhì)巖芯鉆探。

2 地質(zhì)巖芯鉆探常用鉆井液二級固控裝備

2.1 TGLW系列鉆井液離心機(jī)

輕便高效TGLW 系列鉆井液離心機(jī)采用單電機(jī)雙皮帶輪、上下分體式、輕便模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有小型化、輕型化、低能耗、易搬遷等優(yōu)點，尤其適合高原高寒、車輛難進(jìn)入地區(qū)，作業(yè)空間狹小機(jī)場優(yōu)勢尤為明顯；匹配遠(yuǎn)程變頻控制系統(tǒng)可實現(xiàn)遠(yuǎn)程或現(xiàn)場無級調(diào)速，適應(yīng)性強(qiáng)，可清除2μm 及以上固相顆粒，滿足不同地層特性和鉆探工藝需求。作為最后一級固控設(shè)備，也是最關(guān)鍵的一級，主要參數(shù)見表1。

2.2 QJQ系列泥漿清潔器

表1 TGLW系列鉆井液離心機(jī)主要參數(shù)

小型QJQ 系列泥漿清潔器，水力旋流器（除泥器/除砂器）與振動篩的有機(jī)結(jié)合，可有效地清除懸浮在鉆井液中的20～74μm 固相，具有小型化、輕型化、模塊化，安裝拆卸方便、便于搬遷等優(yōu)點。根據(jù)地層特性、鉆探工藝與鉆井液體系，通過調(diào)節(jié)激振力、匹配40～325 目篩網(wǎng)，可清除較大顆粒固相，用于地質(zhì)鉆探開孔階段或全面鉆進(jìn)階段；高G 超細(xì)目亦可清除較小顆粒固相，用于地質(zhì)鉆探取芯階段；與離心機(jī)組成二級固控，可減輕離心機(jī)的負(fù)載和磨損。作為第二級或一級固控設(shè)備，是穩(wěn)定、調(diào)節(jié)鉆井液技術(shù)指標(biāo)不可缺少的重要設(shè)備之一，主要參數(shù)見表2。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

表2 QJQ系列泥漿清潔器主要參數(shù)

該技術(shù)成果已廣泛應(yīng)用于地礦、煤田、有色、核工業(yè)和原武警黃金等70余家地勘單位實施的鉆探工程和科學(xué)鉆探工程，尤其在特殊地區(qū)，如青海五龍溝礦區(qū)（海拔3800m）、木里煤礦江倉礦區(qū)（海拔3840m）等高原、高寒凍土區(qū)、缺水及機(jī)動車難進(jìn)入（路況差）、作業(yè)空間狹小機(jī)場等鉆探現(xiàn)場更彰顯其優(yōu)越性；支撐服務(wù)汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程WFSD-2孔、山東金青頂?shù)V區(qū)危礦專項ZK43-1鉆探工程、山東萊州三山島海上金礦勘查工程、青海五龍溝整裝勘查工程、青海木里地區(qū)煤炭勘查工程、青海缺煤地區(qū)煤及煤層氣預(yù)查鉆探工程、甘肅文縣陽山金礦區(qū)、新疆準(zhǔn)東煤田勘查工程、核工業(yè)慶陽勘探工程、蘇皖贛油氣戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查鉆探工程等。以下重點介紹該技術(shù)成果在四個地質(zhì)巖芯鉆探現(xiàn)場應(yīng)用情況。

3.1 山東三山島礦區(qū)鉆探現(xiàn)場

（1）現(xiàn)場概況。山東萊州三山島礦區(qū)ZK112-2 鉆孔為當(dāng)時國內(nèi)最深的斜孔、鉆孔傾角77°、終孔深2515.48m，井身結(jié)構(gòu)為?146mm、?114mm 及?89mm三級套管，終孔?77mm。現(xiàn)場采用繩索取芯鉆進(jìn)工藝，環(huán)狀間隙狹小、循環(huán)壓降比常規(guī)的金剛石取芯鉆進(jìn)大得多，隨著鉆井液中固相含量的增加，鉆井液的切力增大，進(jìn)一步加大了循環(huán)壓降，使得鉆進(jìn)無法維持，甚至有壓漏地層的風(fēng)險；另外地層堅硬、破碎且為斜孔，鉆探施工難度較大，對鉆井液性能也提出較高的要求。在鉆孔進(jìn)尺1350m 時，地層主要是花崗巖及石英化巖，堅硬致密，石英含量高，可鉆性在7～9級；無固相聚合物鉆井液體系主要加入PHP 及PAC-141、PHP加量在0.1%～0.2%、PAC-141加量為0.05%～0.1%，鉆井液粘度為22s，密度為1.05g/cm3，API失水為24mL。

（2）使用效果。為保障鉆探工程順利實施，現(xiàn)場采用我所研制的離心機(jī)維護(hù)鉆井液性能。TGLW350 離心機(jī)安裝在ZK112-2 鉆孔井場廢漿池上，分離出的固相直接排到廢漿池中，分離后的漿液通過管路返回到循環(huán)槽。利用Mastersizer2000型激光粒度分析儀對離心機(jī)處理前后的漿液進(jìn)行了粒度分析，得出鉆井液中固相的峰值通過離心機(jī)凈化處理后從20～100μm下降到3～10μm，20μm 以粗的巖屑基本被清除，固相中占50%的粒度從39μm 降到 5μm，可清除5μm 的細(xì)微顆粒；現(xiàn)場使用12h 后，從圖1 離心機(jī)排出固相情況前后看出，排渣流暢且量多、排出固相含液率低，可減輕現(xiàn)場人員處理廢漿的勞動強(qiáng)度。

圖1 TGLW350離心機(jī)山東萊州三山島礦區(qū)鉆探現(xiàn)場

3.2 青海五龍溝礦區(qū)鉆探現(xiàn)場

（1）現(xiàn)場概況。五龍溝整裝勘查礦區(qū)位于東昆侖重要成礦帶之中，地處青藏高原腹地都蘭縣境內(nèi)。區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，深切割、山勢陡峭險峻、植被稀疏、高寒少雨。HLZK5101 孔設(shè)計孔深為1100m、直孔/終孔為?75mm，采用繩索取芯鉆進(jìn)工藝與無固相鉆井液體系，使用XY-5型立軸鉆機(jī)與BW-250泥漿泵。

場地狹小且地表即為基巖，地表循環(huán)槽不足6m、沉淀坑面積約0.25m3，巖粉自然沉淀效果差、循環(huán)過程大量巖粉進(jìn)入孔底反復(fù)研磨，導(dǎo)致鉆頭壽命降低、鉆進(jìn)泵壓升高、鉆井液失水量增大與粘度下降，孔壁穩(wěn)定性下降等；且高海拔、高寒、缺水及機(jī)動車難進(jìn)入（路況差）等地域特點，現(xiàn)場用生產(chǎn)水和材料供應(yīng)保障面臨嚴(yán)峻考驗。

（2）使用效果。NQ 鉆進(jìn)時，360～450m 使用了TGLW220 離心機(jī)（見圖2），而450～500m 未使用。其中兩段所用鉆頭、泵量等工藝參數(shù)基本相同，均采用配方為PHP0.1%+KHm1%+GLUB(無熒光潤滑劑)2%的無固相鉆井液體系；地層特性基本相近，大部分為凝灰質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖，在使用固控的鉆孔上段有少量含炭斷層泥，而未采用固控的鉆孔下段有部分黑云石英片巖、絹云石英片巖。從表3鉆進(jìn)施工效果得出，使用固控的孔段，鉆進(jìn)過程中降低了鉆進(jìn)扭矩和摩阻，減小環(huán)空抽吸的壓力波動，泵壓降低約26%、鉆頭壽命提高約139%、鉆速提高約31%，廢漿重復(fù)利用、鉆井液消耗降低約54%；同時該區(qū)大部分鉆孔存在壓力漏失現(xiàn)象且供水較為困難，使用離心機(jī)后供水壓力明顯降低。

圖2 TGLW220離心機(jī)青海五龍溝鉆探現(xiàn)場

3.3 甘肅陽山金礦區(qū)鉆探現(xiàn)場

（1）現(xiàn)場概況。ZK1330鉆孔位于甘肅省文縣陽山金礦區(qū)，設(shè)計孔深1500m、傾角90°，采用繩索取芯鉆進(jìn)工藝，鉆井液采用兩種體系：①完整地層選用無固相沖洗液、基本配方為淡水+0.3%PHP+0.1%NaOH、添加潤滑劑，②較完整地層選用鉀石灰泥漿、基本配方為4%土+0.2%純堿+1%～1.5%CMC+1%～3%SMC+1%～3%SMP-1+1%～3%SEB，添加KCl、石灰、超細(xì)碳酸鈣、重晶石、T型潤滑劑等。

表3 鉆進(jìn)施工對比

（2）使用效果?，F(xiàn)場鉆井液凈化循環(huán)流程示意如圖3所示，機(jī)臺側(cè)方布置一個泥漿池及兩個沉淀池，新配好的鉆井液注入泥漿池中，通過泥漿泵泵入孔內(nèi)進(jìn)行循環(huán)?？卓诜祷氐你@井液通過循環(huán)槽流入到1號沉淀池，1號沉淀池中的鉆井液通過QJQ100型泥漿清潔器凈化處理后進(jìn)入2 號沉淀池，2 號沉淀池中的鉆井液通過TGLW3500離心機(jī)凈化處理后進(jìn)入泥漿池繼續(xù)循環(huán)使用。通過QJQ100型泥漿清潔器和TGLW350離心機(jī)分離處理后的鉆屑進(jìn)入廢漿池，形成閉環(huán)處理系統(tǒng)。

圖3 鉆井液凈化循環(huán)流程

使用二級固控設(shè)備（圖4）前，現(xiàn)場鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮非常嚴(yán)重、泥皮厚而且疏松；使用該凈化設(shè)備后，鉆桿內(nèi)壁泥皮薄而致密，且具有一定韌性，有利于保護(hù)孔壁，防止發(fā)生孔內(nèi)事故。使用二級固控設(shè)備前后鉆桿內(nèi)壁泥皮質(zhì)量如圖5所示。

圖4 二級固控設(shè)備甘肅陽山礦區(qū)鉆探現(xiàn)場

對二級固控設(shè)備處理后漿液進(jìn)行了固相含量測試，處理前固相含量為39%，處理后固控含量為10.8%，固相清除率為72.3%；利用Horiba LA950型激光粒度分析儀對處理前后的漿液進(jìn)行了粒度分析，得出漿液中細(xì)顆粒的峰值11μm降到9μm，從頻度變化可以看出漿液中固相顆粒中徑（小于中徑的固相顆粒占50%）從33μm降到10μm，清除了有害固相，維護(hù)了鉆井液性能。

3.4 新疆準(zhǔn)東煤田勘查鉆探現(xiàn)場

（1）現(xiàn)場概況。ZKJ1701、ZKJ1702、ZKJ1703 與ZKJ1704是位于新疆準(zhǔn)東煤田勘查鉆探現(xiàn)場同一工區(qū)一條勘探線上的4個鉆孔,其中前2個鉆孔使用GK-15型地質(zhì)巖芯鉆探泥漿固控裝置、后2個鉆孔未使用；但這4 個鉆孔的地層情況基本相同、終孔孔深900～940m、終孔均?85mm，均采用NQ 系列繩索取芯鉆進(jìn)工藝與水基腐植酸鉀鉆井液體系、使用XY-5 型立軸鉆機(jī)與BW-250泥漿泵。

（2）使用效果。GK-15 型地質(zhì)巖芯鉆探泥漿固控裝置選用離心機(jī)為我所研制的TGLW350-692T 型離心機(jī)（圖6），取得比較好的應(yīng)用效果，具體如下：

①技術(shù)效益評價：

a.提高鉆探效率，臺月效率提高約20%；

b.維護(hù)鉆井液性能，粘度降低17s、降幅達(dá)50%，含砂量從4.5%降至0.5%、清除率約88.9%、滿足地質(zhì)巖芯鉆探泥漿含砂量小于1%的要求；

c.改善泥皮質(zhì)量，失水量從7.0mL/30min 降至6.0mL/30min、泥皮平均厚度由1.1mm 降至0.4mm，形成了薄而致密的泥皮，具有一定韌性，有利于保護(hù)孔壁，防止發(fā)生孔內(nèi)事故；

d.清除無用固相，固相粒度分析和成分測試：清除的固相樣品粒度峰值在7～12μm 和20～35μm、中徑12.5μm、平均粒度23μm，清除的固相主要為石英、斜長石、微斜長石、伊利石、綠泥石和高嶺石等以巖粉為主的無用固相，膨潤土等有用固相沒有被清除。

圖5 使用二級固控設(shè)備前后鉆桿內(nèi)壁泥皮質(zhì)量

圖6 TGLW350離心機(jī)新疆準(zhǔn)東煤田勘查鉆探現(xiàn)場

②經(jīng)濟(jì)效益評價：降低原材料成本，泥漿重復(fù)利用，材料費用從16.38元/m降至6.55元/m、降低成本約60%。

③生態(tài)效益評價：減少廢漿排放和環(huán)境污染，不需要挖泥漿池和大的排污池，對工區(qū)生態(tài)破壞??；基本可以實現(xiàn)廢漿“零”排放，實現(xiàn)了環(huán)保施工。

4 結(jié)論與建議

現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，地質(zhì)巖芯鉆探鉆井液固相控制技術(shù)可有效清除鉆井液中的有害固相、改善鉆井液性能，防止繩索取芯鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢、維護(hù)井壁安全、減少孔內(nèi)事故發(fā)生，提高巖芯采取率和鉆探效率，延長鉆具和鉆頭使用壽命，鉆井液循環(huán)利用、節(jié)約生產(chǎn)用水，減少廢漿排放和環(huán)境污染，降低鉆井液材料費和鉆探綜合成本，提升綠色勘查技術(shù)水平，確保鉆探工程安全、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保實施，具有較好的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益。

建議，加強(qiáng)地質(zhì)巖芯鉆探鉆井液固控技術(shù)培訓(xùn)與交流，強(qiáng)化現(xiàn)場鉆井液固控技術(shù)維護(hù)與管理的技術(shù)重要與經(jīng)濟(jì)環(huán)境效能意識；研發(fā)新型多功能一體化智能化鉆井液利用環(huán)保處理技術(shù)裝備，開展示范應(yīng)用與技術(shù)服務(wù)；提升地質(zhì)鉆探技術(shù)裝備現(xiàn)代化整體水平。