不同沖洗液對小口徑巖心鉆探性能的影響研究

摘 要：本研究旨在探討不同沖洗液對小口徑巖心鉆探性能的影響，通過理論設計與實踐驗證等手段，分析不同沖洗液配比在鉆探過程中的效果，以期提高鉆探技術水平、保證施工質(zhì)量、提高鉆進效率。綜合分析前期鉆探施工中出現(xiàn)的問題，重點關注地層塌孔和縮頸問題，并進行了調(diào)查與研究。經(jīng)過實驗室測試可知，影響鉆孔施工進度的主要問題是沖洗液使用混亂。針對該問題采取相應的措施，包括優(yōu)化沖洗液配比、加強技術培訓和改進計量措施等，鉆進效率得到了顯著提高，解決了塌孔縮頸的問題，施工效果良好。

關鍵詞：巖心鉆探；沖洗液；配比優(yōu)化

中圖分類號：P 634" " 文獻標志碼：A

在現(xiàn)代巖心鉆探施工中，鉆進效率和施工質(zhì)量是至關重要的指標，有關研究對小口徑巖心鉆探、沖洗液影響等領域進行了分析。孫凱研究了小口徑巖心鉆探鉆孔縮徑處理[1]。向浩天等研究了無固相沖洗液的防塌性能及其強化試驗[2]。趙家忠提出了基于光纖傳感器的小口徑巖心鉆探施工質(zhì)量控制方法[3]。張少林等研究了高原高寒地區(qū)復雜地層小口徑巖心鉆探?jīng)_洗液固控系統(tǒng)[4]。鄭文龍等探討了中國深部巖心鉆探鉆井液技術應用現(xiàn)狀及研究方向[5]。蔣博等分析了小口徑巖心鉆探技術在陜南地1井施工中的應用實例[6]。許潔等描述了松科2井抗超高溫鉆井液技術[7]。陶士先等研究了強成膜性護壁沖洗液體系的研究與應用[8]。這些文獻對小口徑巖心鉆探技術、鉆井液技術和施工質(zhì)量控制等方面進行了深入研究，為相關領域的發(fā)展和應用提供了參考。

針對內(nèi)蒙古某礦業(yè)項目的特殊地質(zhì)條件和復雜施工環(huán)境，本研究探討了不同沖洗液對小口徑巖心鉆探性能的影響，以期提高施工效率、保證施工質(zhì)量和滿足項目的要求。

1 理論基礎分析

1.1 基本概念

沖洗液在鉆探過程中有很多作用，包括冷卻鉆頭、清除鉆屑和保持孔壁穩(wěn)定等。不同沖洗液的配方會影響其性能，進而影響鉆探過程和結(jié)果。液相性能參數(shù)是衡量沖洗液性能的關鍵指標，例如密度、黏度和濾失量等。液相參數(shù)直接影響沖洗液的流動性、清潔性和冷卻效果。

流體力學理論可用于描述沖洗液在鉆孔中的流動行為。納維-斯托克斯方程可以用來模擬沖洗液在鉆孔中的流動情況。如公式（1）所示。

rho·（?v/?t+v·Δv）=-Δp+μΔ2v+f （1）

式中：rho為沖洗液密度；v為速度場；p為壓力場；μ為動力黏度；f為外力。

1.2 參數(shù)影響機制分析

沖洗液的黏度和流速會影響其清潔效果。可用流體動力學中的剪切應力分析清潔效果。剪切應力τ與黏度μ和速度梯度（?v/?z）成正比，如公式（2）所示。

τ=μ·（?v/?z）" " nbsp; （2）

沖洗液的密度和壓力分布影響孔壁穩(wěn)定性?？妆诜€(wěn)定性可以通過流體靜力學理論分析。孔壁穩(wěn)定的一個條件是孔壁受到的靜水壓力大于地層內(nèi)部的壓力，如公式（3）所示。

pstaticgt;pformation" " " （3）

沖洗液中的顆粒會對鉆頭磨損產(chǎn)生影響。顆粒在流體中的輸運過程可用輸運方程描述，其中顆粒濃度c隨時間和空間的變化滿足擴散方程如公式（4）所示。

（?c/?t）=D·Δ2c" " " " （4）

式中：c為顆粒濃度；D為擴散系數(shù)。

2 現(xiàn)狀調(diào)查與問題分析

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

在內(nèi)蒙古某礦業(yè)項目的實施過程中，項目涉及多個鉆孔點，地質(zhì)條件多樣，包括孔深的變化、覆蓋層的厚度以及復雜的地層情況，例如下部地層的縮頸現(xiàn)象。

由于地層的復雜性，因此孔內(nèi)事故頻發(fā)，影響鉆孔施工質(zhì)量和進度。在對前期施工鉆探項目進行總結(jié)分析的基礎上，對之前的施工項目地質(zhì)情況、人員配置和施工前期進度等進行了調(diào)查。并對調(diào)查收集的相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分類和分析。通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)影響鉆孔施工進度的主要原因是鉆孔事故，處理這些事故導致施工進度無法如期進行。為更徹底地解決塌孔問題，必須找出主要的影響因素，研究小組通過相關調(diào)查分析工作，提出相應對策并進行驗證。

2.2 數(shù)據(jù)分析

對某礦業(yè)項目施工情況進行調(diào)查，研究小組發(fā)現(xiàn)在鉆進過程中出現(xiàn)了塌孔和縮頸等問題，嚴重影響了施工進度和效率。將數(shù)據(jù)整理成表，見表1。

根據(jù)表1，可以對某礦業(yè)項目施工中出現(xiàn)的事故類型進行分析。其中，塌孔事故是最常見的事故類型，占所有事故的50%?？s頸卡鉆事故占所有事故的23%。這類故障的占比較高，其他原因可能包括地質(zhì)條件、鉆頭選擇或維護不當、操作錯誤等。機械事故頻次較低，為10%，埋鉆事故為7%，環(huán)境影響事故頻次更低，為3%，質(zhì)量影響事故為3%，安全影響事故為3%，可能與施工設備的維護、操作規(guī)范和施工計劃不合理等因素有關。

某礦業(yè)項目施工中出現(xiàn)的事故類型多樣，主要包括塌孔和縮頸卡鉆兩種情況。這些事故的成因可能涉及地質(zhì)條件、施工設備、操作規(guī)范和工程計劃等多個因素。為提高施工效率，需要詳細調(diào)查每種事故的具體原因，并采取相應的預防和改進措施。此外，加強員工培訓也是減少事故發(fā)生的關鍵因素。經(jīng)過調(diào)研和數(shù)據(jù)分析，確定沖洗液使用不當是造成塌孔問題的主要原因，同時涉及鉆具級配、鉆井結(jié)構、鉆壓、鉆速和機械性能等多個因素。問題統(tǒng)計結(jié)果見表2。

事故排列圖如圖1所示。

2.3 問題分析

現(xiàn)有數(shù)據(jù)包括不同因素對鉆孔事故的影響頻數(shù)、頻率和累計頻率，本文可以分析趨勢與可能的成因。

沖洗液使用混亂是導致塌孔問題的主要因素。其高頻數(shù)和頻率說明該原因在鉆孔事故中占據(jù)主導地位?？赡艿某梢虬_洗液成分不合理或混合不當，以此導致孔壁不穩(wěn)定，引發(fā)塌孔，或沖洗液的流量、壓力等參數(shù)控制不當，造成孔內(nèi)泥漿流動不穩(wěn)定，進而引發(fā)塌孔。

鉆具級配不好在鉆孔事故中頻次相對較低，但仍然有一定影響?？赡艿某梢蛑饕獮殂@具磨損嚴重，無法達到預期的鉆孔效果，影響施工質(zhì)量和進度。鉆井結(jié)構不合理在鉆孔事故中出現(xiàn)的頻次相對較低。成因可能為鉆井結(jié)構參數(shù)調(diào)整不當，無法滿足特定地層的鉆進要求，從而導致事故發(fā)生。鉆壓、鉆速和機械性能差在鉆孔事故中的頻次均為1次，這些因素對鉆孔事故的影響相對較小。

綜合分析表格，可以看出導致塌孔問題的主要因素是沖洗液使用混亂，其他因素雖然頻次較低，但仍然需要重視，因為它們可能在特定地質(zhì)條件下發(fā)揮重要作用。為減少鉆孔事故的發(fā)生，需要加強沖洗液的使用規(guī)范和管理，同時在鉆具、鉆井結(jié)構、鉆壓、鉆速和機械性能等方面做出合理優(yōu)化和調(diào)整。

3 問題及對策

現(xiàn)有施工過程中面臨的主要問題是鉆孔時出現(xiàn)塌孔和縮頸等事故，這會導致施工進度滯后、成孔質(zhì)量下降，甚至可能對施工安全造成威脅。這些問題的成因是地層復雜、地質(zhì)情況多變，因此，需要研究造成塌孔和縮頸的主要因素，包括地層性質(zhì)、沖洗液性能等。

3.1 塌孔和縮頸事故的成因分析

根據(jù)地層情況和施工數(shù)據(jù)，可以建立塌孔和縮頸事故的統(tǒng)計模型，探索它們與地層類型、孔深和施工參數(shù)等因素間的關系。

假設塌孔和縮頸的發(fā)生與地層的穩(wěn)定性以及孔壁的承載力有關，可以使用以下模型進行分析，如公式（5）所示。

塌孔發(fā)生概率P=f（地層穩(wěn)定性，孔壁承載力，施工參數(shù)）" " （5）

式中：P（塌孔）為塌孔事故的發(fā)生概率；?（地層穩(wěn)定性，孔壁承載力，施工參數(shù)）為一個函數(shù)，該函數(shù)將地層穩(wěn)定性、孔壁承載力和施工參數(shù)作為輸入，輸出一個概率值。

根據(jù)對這些因素間關系的理解，可以采用不同的數(shù)學形式表達這個函數(shù)。例如，可以使用Logistic回歸模型，如公式（6）所示。

P（塌孔）=1/（1+e（-z））" " " "（6）

式中：z為一個與地層穩(wěn)定性、孔壁承載力和施工參數(shù)相關的線性組合，其計算過程如公式（7）所示。

z=β0+β1·地層穩(wěn)定性+β2·孔壁承載力+β3·施工參數(shù)" " " （7）

式中：β0、β1、β2和β3為模型的參數(shù)，可以為統(tǒng)計分析或機器學習方法來估計，通過訓練數(shù)據(jù)來擬合這個模型，以便確定參數(shù)的值，進而預測塌孔事故的概率。

3.2 優(yōu)化沖洗液配方

需要考慮不同地層的特點，以此優(yōu)化沖洗液的配方?？梢越⒒诘貙訁?shù)的優(yōu)化模型，找到最佳的沖洗液成分和比例。如公式（8）所示。

最優(yōu)配方=arg成分比例min[f（黏度，密度，濾失控制）+g（潤滑性）]" " " " " " " " " " " " （8）

式中：f和g分別為沖洗液性能指標和地層特性的函數(shù)。公式（8）的目標是最小化這兩個函數(shù)的組合，以找到最適合特定地層的沖洗液配方。

具體來說，f（黏度，密度，濾失控制）為基于沖洗液的黏度、密度和濾失控制性能的函數(shù)。這些參數(shù)與沖洗液的流動性、承載能力和過濾效率相關。g（潤滑性）為基于潤滑性能的函數(shù)。潤滑性對降低鉆頭磨損、提高鉆進效率以及減少沖洗液與地層間的摩擦有重要影響。

優(yōu)化模型的目標是通過調(diào)整不同沖洗液成分的比例，使綜合性能達到最佳。這個模型可以通過使用優(yōu)化算法，例如線性規(guī)劃或非線性規(guī)劃，來確定最佳配方的成分比例。通過建立優(yōu)化模型，可以更精確地選擇沖洗液的成分和比例，以滿足不同地層的要求，從而提高鉆井效率、降低成本，并減少地層對設備的損害。這種方法有助于優(yōu)化沖洗液的配方，以滿足不同地質(zhì)條件下的鉆井需求。

3.3 綜合分析

綜合考慮其解決方案，可以建立一個綜合模型，根據(jù)地層和施工參數(shù)來指導沖洗液的選擇和使用。該綜合模型包括以上提到的成因分析模型和沖洗液配方優(yōu)化模型。如公式（9）所示。

最優(yōu)沖洗液配方=arg成分比例min?[f（地層穩(wěn)定性，孔壁承載力，施工參數(shù)）+g（黏度，密度，濾失控制）+h（潤滑性）]" " （9）

式中：f（地層穩(wěn)定性，孔壁承載力，施工參數(shù)）為基于地層穩(wěn)定性、孔壁承載力和施工參數(shù)的成因分析模型，用于評估塌孔和縮頸事故的概率；g（黏度，密度，濾失控制）為基于沖洗液的黏度、密度和濾失控制性能的函數(shù)，用于考慮沖洗液的物理性能；h（潤滑性）為基于潤滑性能的函數(shù)，用于評估沖洗液的潤滑性能。

通過綜合考慮這些因素，可以確定最適合不同地層情況和施工參數(shù)的沖洗液配方。該模型將利用實際數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果計算不同因素的權重，從而為鉆孔操作提供指導。通過最小化上述目標函數(shù)，可以降低塌孔和縮頸事故的概率，提高鉆孔質(zhì)量，保證項目的順利進行。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的綜合方法有助于優(yōu)化沖洗液的選擇和使用，從而減少潛在的問題。

4 沖洗液配比與效果驗證

4.1 基本配方

為解決塌孔和縮頸問題，需要從沖洗液的配比入手，對沖洗液進行優(yōu)化，以達到保證成孔質(zhì)量、穩(wěn)定孔壁等目標。根據(jù)地層情況和現(xiàn)有工藝方案，設計了不同沖洗液的配比和使用方法，包括成膜劑沖洗液等。沖洗液的基本配方和處理添加劑如下。

基本配方：0.1%～0.2%燒堿+5%成膜體系A劑+0.1～0.2%包被劑+0.2%～0.6%抗鹽共聚物+12%防塌潤滑劑GFT其中，0.1%～0.2%燒堿可以用于調(diào)節(jié)沖洗液的堿性，有助于穩(wěn)定孔壁和改善潤滑性。添加5%成膜體系A劑可以形成薄膜，提高孔壁的穩(wěn)定性，降低塌孔的風險。0.1%～0.2%包被劑的作用是包覆鉆孔周圍的地層，減少滲漏和濾失，從而強化沖洗液的效果。添加0.2%～0.6%抗鹽共聚物有助于降低沖洗液在高鹽度地層中的影響，提高穩(wěn)定性。12%防塌潤滑劑GFT的作用是提供必要的潤滑性能，減少鉆頭磨損，提高鉆進效率。

處理添加劑：12%封堵劑GFD-1（備用）+12%隨鉆堵漏劑（備用）GPC

其中，封堵劑GFD-1可以用于應對地層不穩(wěn)定或滲透性較高的情況，以減少滲漏。

4.2 實施與效果檢查

將基本配方應用于實際鉆井項目中，監(jiān)測鉆進過程中的效果。包括是否發(fā)生塌孔、縮頸、鉆進效率和孔壁穩(wěn)定性的改善情況。通過以上步驟，可以驗證基本配方的效果，并根據(jù)實際情況進行調(diào)整，保證沖洗液在鉆進過程中的穩(wěn)定性。

驗證結(jié)果顯示，經(jīng)過培訓和實施，鉆進效率和施工質(zhì)量得到了明顯提高，實施效果見表3。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采取措施后，平均臺月效率明顯提高，說明施工速度得到了提升。平均臺月效率從活動前的322到583，提高約81%，塌孔縮頸事故率小于成孔數(shù)的10%。采取的措施包括優(yōu)化沖洗液配比，保證合理使用各種材料，加強技術培訓，提高泥漿工的技術水平，改進計量措施，保證泥漿配比的準確性。

4.3 其他效益

優(yōu)化沖洗液的配方和改進施工流程，能更有效地被排除孔內(nèi)鉆屑，減少了施工現(xiàn)場的混亂和降低了污染。不僅改善了工作環(huán)境，還有助于降低環(huán)境對施工的影響，優(yōu)化后的沖洗液可以保證施工過程平穩(wěn)進行，降低了事故風險，符合文明施工的標準。施工現(xiàn)場更有序，工作人員的安全得到了更好地保障。

5 結(jié)論

本文通過研究某礦業(yè)項目的鉆探問題，分析不同沖洗液對小口徑巖心鉆探性能的影響，并提出了相應的解決方案。通過優(yōu)化沖洗液配比、加強技術培訓等措施，在施工中取得了顯著的成效。后續(xù)將探索更多的改進方法，進一步提高鉆進效率、保證施工質(zhì)量，以適應復雜多變的施工環(huán)境。

參考文獻

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