大湖金礦區(qū)深厚覆蓋層適配鉆井液工藝研究

石雷雷，劉豪杰，李曼

(山西晉城市能源局，山西 晉城市 048000)

小秦嶺大湖金礦區(qū)位于小秦嶺山脈北麓山前基巖與黃土層的交接帶上，屬于山前黃土塬區(qū)的南側。地勢南高北低，南部最高山峰海拔標高+1100 m，北側河床最低高程為+640 m，相對高差460 m。地表溝谷發(fā)育，屬黃河水系。上部覆蓋層深度達到400～700 m，為第三系、第四系的沉積層。由于地層復雜鉆進過程中經常遇到孔壁坍塌、鉆井液漏失、卡鉆、鉆桿折斷等事故，給鉆進工作帶來了很多困難，造成了巨大的經濟損失。基于以上問題，為了解決實際施工過程中遇到的問題，有效地指導生產，對該區(qū)域適用的鉆井工藝進行研究。

1 國內外研究現狀

覆蓋層形成于沉積過程，沉積物粒徑變化大，地層結構復雜多變，軟硬互層頻繁，鉆井過程中經常發(fā)生鉆孔坍塌、掉塊、地層漏失、縮徑以及卡鉆、鉆桿折斷等復雜事故。

在深厚覆蓋層鉆探中采用的技術路線有以下3 種。

（1）當覆蓋層的厚度處于20～50 m 之間時，鉆井過程中配備泥漿護壁鉆穿，進行套管支護。當遇到比較厚的覆蓋層時，在井身結構設計時采用多級套管，每級井眼下入不同套管，完全靠套管來維持井壁的穩(wěn)定。但是隨著鉆孔的加深，套管使用量增加，成本升高，井身結構變得復雜。外國研發(fā)的同徑跟管鉆進技術具有一定的優(yōu)越性，但由于鉆具壽命短、使用范圍狹窄等也使這項技術的推廣受到了限制。

（2）在遇到卵石層、坍塌破碎地層時，可以采用水泥封固的辦法，但是其操作復雜，不易控制。上述方法適用于覆蓋層厚度不太大，對取芯質量要求不高的地層[1]。國內外遇到的覆蓋層鉆探大多在300 m 以下[2-4]，對于大于400 m 的覆蓋層鉆探技術的研究還處于空白階段，這對于深部取芯探礦來說，由于覆蓋層厚、地層復雜，形成了新的技術挑戰(zhàn)。

（3）配制性能優(yōu)越的泥漿，利用其對地層的保護原理中的壓力平衡，抑制水化作用保護井壁。

基于上述特點，本文旨在通過優(yōu)化配制出適合該地層的鉆井液，減少鉆進事故率。

2 巖樣成分分析

2.1 選取樣品

為了對大湖金礦區(qū)上部覆蓋層有科學的認識，采集了部分巖心樣品（主要取自ZK20005 鉆孔），并對取自現場的巖樣進行了歸類，從中選取6 個樣品（見圖1）。

圖1 現場所取的6 個覆蓋層巖心樣品

2.2 XRD 衍射礦物成分分析

通過對采取的巖心樣品進行XRD 衍射礦物成分分析，確定覆蓋層主要礦物組成（見表1）。

表1 6 個樣品XRD 衍射分析結果

XRD 衍射礦物成分測試結果表明，上部覆蓋層的主要礦物組成均為石英、長石、蒙脫石、伊利石和綠泥石，樣品中黏土含量高達30%～40%，單單就蒙脫石一項的含量就達到15%～25%，極易在鉆井液濾液作用下水化，從而影響地層巖體強度，造成鉆井施工縮徑、孔壁坍塌等。

3 地層敏感性分析

3.1 膨脹量試驗

大湖金礦區(qū)地層為強水敏性，為評價該地層鉆孔水敏后是否會引起強烈的孔徑變化，在室內進行了膨脹量試驗。采用常規(guī)ZNP 型膨脹量儀，測試10 mm 高度的模擬巖樣，12 h 膨脹量達到0.058 mm。而實驗室其它常見巖石樣品的膨脹量很?。ǘ鄶敌∮?.001 mm）。這是該地層含有的水敏性蒙脫石高含量（15%～25%）的外在表現，與XRD 試驗分析得出的強水敏結論相一致。

3.2 水敏性試驗

為了驗證大湖金礦區(qū)的水敏性，設計了兩組試驗。

3.2.1 巖樣浸泡試驗

第一組試驗分別取自來水（pH 值略大于7）、1%NaCl鹽水、15%鹽酸和15%NaOH堿水各50 mL，置于透明玻璃容器內，再將4 塊壓制的巖心樣品（使用35 g 土樣，在25 MPa 壓力下，壓制40 min 制成）分別放在4 種不同的溶液之中，觀察巖屑樣品的變化情況（見圖2）。

圖2 大湖金礦區(qū)巖樣第一組浸泡試驗（浸泡5 min 后的對比照片）

第二組試驗分別取自來水（pH 值略大于7）、1%NaCl鹽水、15%鹽酸和15%NaOH堿水各50 mL，置于透明玻璃容器內，再將4 塊相同大小巖心樣品（原樣）分別放在4 種不同的溶液之中，觀察巖屑樣品的變化情況（見圖3）。兩組巖樣浸泡對比見表2。

圖3 大湖金礦區(qū)巖樣第二組浸泡試驗（浸泡5 min 后的對比照片）

表2 大湖金礦區(qū)兩組巖樣浸泡對比

3.2.2 結果分析

通過第一、第二組巖心樣品浸泡試驗結果對比可知，巖心樣品主要是酸敏，其次是水敏、鹽敏、堿敏。這是由于該段巖心所含的礦物成分造成的，該段巖心所含的黏土量比較大，這是造成水敏的主要原因，由于所含的方解石、白云巖可以同酸產生化學反應，這是造成酸敏的主要原因。造成散樣時間不同的原因在于第一組試驗使用了壓制的巖心樣品，其膠結程度遠遠沒有天然巖樣的膠結性能好。

4 鉆井液性能指標設計

根據地層特點、巖樣XRD 礦物成分分析、敏感性試驗以及現場施工需要，設計鉆井液的性能指標必須要達到：濾失量≤12 mL（30 min），漏斗黏度控制在20～35 s 之間。

4.1 鉆井液配方優(yōu)選

為滿足鉆井現場鉆井液配制的工藝流程簡單、配置材料價格便宜等要求，我們使用常見的7 種鉆井液添加劑（聚丙烯酰胺（PAM）、磺化瀝青粉、纖維素、腐殖酸鉀、植物膠、聚丙烯酸鉀、防塌劑）設計了3 種鉆井液配方[5]，使用清水+5%鈉土粉（各種處理劑加量按水質量的百分比確定）充分水化后作為基漿，利用正交試驗的方法確定各處理劑的最佳添加量，并通過觀測濾失量泥餅情況分析鉆井液優(yōu)劣（見圖4）。

圖4 1，2，3 號漿泥餅（從左到右）

4.1.1 第一種鉆井液

（1）配方：水+5%鈉土粉+0.1%纖維素+0.1%防塌劑+1%腐殖酸鉀。

（2）配置工藝：水+5%鈉土粉，使其充分水化30 min 以上，邊攪拌邊按順序加入纖維素、防塌劑、腐殖酸鉀，充分攪拌后使用。

（3）泥餅：厚度為1.38 mm，顆粒較粗，不夠致密，含水量較多，在空氣中暴露一段時間泥皮含水依然良好。

4.1.2 第二種鉆井液

（1）配方：水+5%鈉土粉+0.3%植物膠+0.05%聚丙烯酸鉀+0.75%腐殖酸鉀。

（2）配置工藝：水+5%鈉土粉，使其充分水化30 min 以上，邊攪拌邊加入植物膠，之后加入聚丙烯酸鉀，最后加腐殖酸鉀。充分攪拌后使用。

（3）泥餅：厚度為1.08 mm，較細顆粒均勻致密分布，含水量較少，有一定彈性，在空氣中暴露一段時間后含水量銳減。

4.1.3 第三種鉆井液

（1）配方：水+5%鈉土粉+1%磺化瀝青+0.01%聚丙烯酰胺+1%腐殖酸鉀。

（2）配置工藝：水+5%鈉土粉，使其充分水化30 min 以上，在基漿中加入磺化瀝青和腐殖酸鉀，最后邊攪拌邊加聚丙烯酰胺，充分攪拌后使用。

（3）泥餅：厚度為1.10 mm，較細顆粒均勻致密分布，偶見粗顆粒，泥餅無彈性，含水量較多，在空氣中暴露一段時間仍然有很好的含水性。

4.2 鉆井液性能評價

為驗證鉆井液配方的適用性，設計了浸泡試驗：分別取自來水（pH 值略大于7）、1 號漿、2號漿和3 號漿各50 mL，置于透明玻璃容器內，再將4 塊大小類似的巖心樣品分別放在4 種不同的溶液之中，觀察巖屑樣品隨時間的變化情況（見圖5）。

圖5 巖樣浸泡試驗過程照片

通過觀察分析4 塊巖心樣品放入不同溶液的變化情況。

（1）巖樣浸泡于自來水中。放入后立即有氣泡冒出，30 s 后開始掉屑。5 min 后掉塊加速，15 min后基本停止，巖樣完全坍塌。

（2）巖樣浸泡于1 號漿中。巖樣下沉緩慢，之后無明顯現象，偶見氣泡冒出。浸泡1 h 后仍完好。15 h 后可以觀察到水化膨脹，且變軟，但膠結仍然良好。

（3）巖樣浸泡于2 號漿中。巖樣下沉迅速，之后無明顯現象，無氣泡冒出。浸泡1 h 后仍完好。15 h 后可以觀察到水化膨脹，有一定程度變軟，軟化程度輕微。

（4）巖樣浸泡于3 號漿中。巖樣下沉迅速，45 s 后有少量氣泡冒出，150 s 后有微量小氣泡冒出，時間很短，10 min 后再無明顯現象。浸泡1h后仍完好，15 h 后松散，分析原因與投入的巖樣有關。

5 結論

（1）對大湖金礦區(qū)深厚覆蓋層典型巖樣礦物成分進行XRD 分析，獲得了大湖金礦區(qū)深厚覆蓋層的完整信息，由分析結果可以知道，大湖覆蓋層中蒙脫石含量高達15%～25%，屬于強水敏地層，鉆進過程中對鉆井液濾失量要求高。

（2）對大湖金礦區(qū)深厚覆蓋層敏感性分析可知，敏感程度由強到弱依次為酸敏、水敏、鹽敏、堿敏。

（3）大湖金礦區(qū)深厚覆蓋層鉆井液性能控制指標為：濾失量≤12 mL（30 min），漏斗黏度控制在20～35 s 之間。

（4）優(yōu)化選取了3 種性能優(yōu)良的適用泥漿配方：①水+5%鈉土粉+0.1%纖維素+0.1%防塌劑+1%腐殖酸鉀；②水+5%鈉土粉+0.3%植物膠+0.05%聚丙烯酸鉀+0.75%腐殖酸鉀；③水+5%鈉土粉+1%磺化瀝青+0.01%聚丙烯酰胺+1%腐殖酸鉀。利用現場所取的樣品對鉆井液和地層的匹配性進行了測試，試驗結果表明：優(yōu)選的鉆井液配方性能優(yōu)越，在降低失水量、保護井壁穩(wěn)定方面取得了很好的效果。