吳 昊，郝志斌，張紹和，孫平賀，趙沖全，楊昌杰

(1.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司，云南迪慶674400;2.中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410083;3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙410083;4.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650051)

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)情況

普朗銅礦區(qū)位于滇西北迪慶藏族自治州東部，地處香格里拉縣格咱鄉(xiāng)境內(nèi)，東、南與洛吉鄉(xiāng)接壤。礦區(qū)緊鄰滇、川交接部位，地處高原雪域，夏季多雨潮濕，冬季干旱寒冷，位置偏僻，交通不便，無永久性駐點(diǎn)，施工條件惡劣，加之嚴(yán)重的高原氣候，各施工機(jī)械的使用效率遠(yuǎn)低于額度效率。

礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為三疊系，局部出露第四系。主要地層基巖為：閃長玢巖、石英閃長玢巖、石英二長斑巖組成的復(fù)式巖體;覆蓋層為冰磧(坡積)物，部分地區(qū)較厚?；鶐r巖石硬度為硬～中硬，可鉆性7～10級。局部出現(xiàn)松散破碎地層、弱膠結(jié)地層、致密“打滑”的石英地層(見圖1)，鉆進(jìn)困難。覆蓋層地層結(jié)構(gòu)松散，富含砂卵石，膠結(jié)差，成孔困難，極易垮塌。這樣的地層特點(diǎn)，反映在鉆孔施工中，常表現(xiàn)為孔壁垮塌、卡鉆、埋鉆、縮徑、超徑、不進(jìn)尺，甚至發(fā)生鉆孔報(bào)廢的嚴(yán)重事故。

1.2 試驗(yàn)孔鉆探設(shè)備及參數(shù)

鉆探用設(shè)備、儀表及工具直接影響鉆探效率及對特殊情況的處理，是鉆探過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)結(jié)合礦區(qū)以往鉆探經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)鉆孔ZK0409的主要設(shè)備見表1。

HXY－5A型鉆機(jī)是一種功能齊全、性能穩(wěn)定的深孔巖心鉆機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊、合理、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小，傳動(dòng)效率高，裝拆方便，適用于以硬質(zhì)合金、金剛石為主進(jìn)行大、小口徑的巖心鉆探。BW－250型泥漿泵為臥式三缸往復(fù)單作用活塞泵，該泵具有2種缸徑和4擋變速，可滿足不同口徑、不同孔深、不同地質(zhì)巖心鉆探的需要。

圖1 松散破碎地層、弱膠結(jié)地層巖心情況

表1 主要施工設(shè)備

1.3 試驗(yàn)孔地質(zhì)情況

此次研究主要針對ZK0409鉆孔所處地層情況進(jìn)行。ZK0409鉆孔設(shè)計(jì)孔深1100 m，孔位處于斷裂帶，覆蓋層厚70 m，從100 m開始，破碎帶出現(xiàn)頻繁，間隔3～8 m基本就有1～2 m的破碎層，鉆進(jìn)困難，漏失、掉塊嚴(yán)重，取心率較低，鉆進(jìn)到870 m出現(xiàn)2～4 m的弱膠結(jié)膨化地層，巖心膨脹松散，取心率下降。

出現(xiàn)上述鉆探問題，除了該鉆孔處于斷層位置，破碎帶集中，地質(zhì)條件復(fù)雜外，關(guān)鍵是所采取的鉆井液性能與該地層不相適應(yīng)。經(jīng)過初步測試，鉆井液原漿和返漿的失水量基本在34、46 mL/min，pH值接近中性，不利于鉆井液性能的穩(wěn)定，且漏斗粘度接近清水，基本起不到膠結(jié)護(hù)壁、攜粉、防漏、防塌的功用，鉆井液原漿及返漿性能測驗(yàn)見表2。

表2 鉆井液原漿及返漿性能測驗(yàn)表

根據(jù)地層情況及深孔鉆探需要，分析表2數(shù)據(jù)，作用于該孔段的鉆井液應(yīng)具有低密度、低失水量，具有膠結(jié)性防塌和抑制性泥漿護(hù)壁的功用，并保證一定的泥漿潤滑性能，在預(yù)防孔內(nèi)事故的前提下保證較高的鉆進(jìn)效率［1～3］。根據(jù)在復(fù)雜地層中采取金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝對鉆井液性能的要求及經(jīng)驗(yàn)［4］，特別是在深孔鉆進(jìn)中鉆桿接頭數(shù)增多，接口密封存在漏洞，極易導(dǎo)致在鉆桿回轉(zhuǎn)過程中離心力的作用下固相顆粒向鉆桿接口處聚集，達(dá)到一定程度就會形成固相沉積圈，導(dǎo)致繩索取心鉆具內(nèi)管起拔困難，甚至由于強(qiáng)抽吸作用而造成孔壁坍塌等事故［5，6］。所以采用無固相聚合物鉆井液作為該孔鉆井液進(jìn)行鉆進(jìn)。

2 鉆井液的研制及作用原理

2.1 鉆井液作用原理

通過對諸多鉆井液材料的選擇，經(jīng)過多次配方比對，最終確定采用主劑植物膠、輔劑聚丙烯酰胺和輔劑LP組成無固相聚合物鉆井液。主劑植物膠對解決破碎等復(fù)雜地層護(hù)孔難題有很好的作用［7～9］，輔劑LP在防止孔壁坍塌降低鉆井液失水量方面有良好功效。

主劑植物膠為無毒無味淡黃色粉末，輔劑聚丙烯酰胺為無色中性顆粒，主要起交聯(lián)提粘功用，輔劑LP為暗黑色顆粒，堿性，主要起分散穩(wěn)定功用。

主劑植物膠是一種非離子型高分子聚合物，高分子鏈上還有諸多吸附基，容易吸附在固體表面和井壁巖石表面形成一層高分子膜，同時(shí)由于自身有一定的粘度及空間體型結(jié)構(gòu)，使吸附在孔壁巖石表面的高分子膜有一定的強(qiáng)度，在一定程度上可以保證孔壁及巖樣在允許外力作用下保證一定的完整度;輔劑聚丙烯酰胺為線性高分子聚合物，僅有吸附基，強(qiáng)化主劑植物膠的交聯(lián)絮凝作用，達(dá)到增粘的作用，而且由于線性分子阻力小，同時(shí)也起到了潤滑作用;輔劑LP提供的堿性條件使一定比例的主劑植物膠由中性處理劑轉(zhuǎn)化為水化能力更強(qiáng)的陰離子型處理劑，分子鏈得到進(jìn)一步舒展，增大了支鏈間的接觸和吸附，增強(qiáng)分散穩(wěn)定性，同時(shí)輔劑LP具有一定的吸附基和諸多水化能力極強(qiáng)的親水基團(tuán)－COONa、－ONa，強(qiáng)化了主劑顆粒的分散性、均勻性，從而降低失水量。

從以上分析中可以看出，主劑植物膠、輔劑聚丙烯酰胺、輔劑LP在鉆井液的性能調(diào)節(jié)上并不是一致的，確定各試劑的合適比例對高效發(fā)揮鉆井液的性能至關(guān)重要。

2.2 配方設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)①、②與③的結(jié)果(見表3)對比可以看出，輔劑聚丙烯酰胺的單獨(dú)加入，除了增加粘度以外，并沒有對失水量有實(shí)質(zhì)性的幫助，反而加大了失水量。這是由于輔劑聚丙烯酰胺獨(dú)有吸附基，在富含主劑植物膠的溶液中，輔劑聚丙烯酰胺通過其支鏈吸附主劑顆粒，并蜷曲絮凝成團(tuán)，這樣反而打亂了主劑植物膠形成的自穩(wěn)體系，從圖2可明顯地看出加入輔劑聚丙烯酰胺后溶液的變化，絮凝效果明顯。

表3 各實(shí)驗(yàn)配方性能參數(shù)

通過實(shí)驗(yàn)③與④的結(jié)果對比可以看出，輔劑LP的單獨(dú)加入，漏斗粘度在允許波動(dòng)范圍內(nèi)，明顯降低了失水量，并且pH值有所提高。說明輔劑LP一方面的堿性條件促進(jìn)主劑植物膠分散，一方面自身的吸附基及強(qiáng)吸水基的作用下，加強(qiáng)了主劑植物膠自身體型結(jié)構(gòu)的交聯(lián)擴(kuò)展，形成空間網(wǎng)絡(luò)，阻礙水分子通過，并小范圍增加了粘度。

圖2 主劑植物膠加輔劑聚丙烯酰胺前后對比濾餅圖

鉆井液性能的好壞并不能單純的從漏斗粘度及失水量方面考慮，鉆井液的觸變性和剪切稀釋性能同樣在很大程度上影響鉆進(jìn)、取心效率。通過上述分析，在主劑植物膠中單獨(dú)加某一種輔劑，只能滿足單一的指標(biāo)，尋找主劑、輔劑之間的合適比例才是配比的關(guān)鍵。

實(shí)驗(yàn)⑤和⑥的結(jié)果對比，實(shí)驗(yàn)⑥和⑧的結(jié)果對比，實(shí)驗(yàn)⑦和⑩的結(jié)果對比可以確定鉆井液各成分的大致區(qū)間。

選取配方⑥、配方⑧、配方⑨進(jìn)行流變性分析，進(jìn)一步確定局部最佳實(shí)驗(yàn)配比(參見表4和圖3)。

表4 實(shí)驗(yàn)優(yōu)選配方流變性參數(shù)及分析

圖3 實(shí)驗(yàn)優(yōu)選配方濾餅

對于無固相鉆井液而言，表觀粘度主要是由鉆井液體系結(jié)構(gòu)內(nèi)的內(nèi)摩擦作用和主輔劑高分子間交聯(lián)所形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所引起的，尤其在低剪切速率的情況中這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的更加明顯。所以表觀黏度的數(shù)值大小直接反映著鉆井液空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)型對鉆井液性能的影響程度，直觀的表現(xiàn)就是排砂和攜巖屑的效果。

同樣，無固相鉆井液的流體形式屬于假塑性流體，流性指數(shù)n表示假塑性流體在一定剪切速率范圍內(nèi)所表現(xiàn)出的非牛頓性的程度和剪切稀釋性的強(qiáng)弱［2］。n值越小，曲線的曲率越大，流體的非牛頓性越強(qiáng)，剪切稀釋性也越強(qiáng)，同樣動(dòng)塑比也說明了剪切稀釋能力的強(qiáng)弱，需要注意的是，n值并非越小越好，推薦范圍為0.4～0.7，且n值越接近0.5，有助于鉆井液在環(huán)行空間產(chǎn)生較好的流核，形成平板層流，保證了鉆井液能有效地?cái)y帶巖屑和保持井眼清潔;K值與鉆井液的粘度、切力有關(guān)，其值越大，粘度越高，可有效包裹巖心，提高巖心采取率及取心質(zhì)量。

通過對流變參數(shù)的具體分析及濾餅的柔韌度，結(jié)合鉆探現(xiàn)場的適用性及經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化推薦配方為配方⑨，配方⑥在條件允許的情況下同樣推薦使用。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

ZK0409孔采用實(shí)驗(yàn)配方前，孔段位于896 m破碎層時(shí)測的鉆井液上返量為20 L/min，采用實(shí)驗(yàn)配方后，在循環(huán)完成后進(jìn)行測量，孔段位于908 m破碎層時(shí)鉆井液上返量為29 L/min，鉆井液上返性能穩(wěn)定，通過地表循環(huán)系統(tǒng)基本可完成鉆井液凈化，全孔未發(fā)生大面積鉆井液流失或失效，鉆井液消耗顯著降低。除了嚴(yán)重破碎帶進(jìn)行過灌漿處理外，無固相聚合物鉆井液對其他孔內(nèi)條件可基本應(yīng)對。

ZK0409孔在采用實(shí)驗(yàn)配方循環(huán)穩(wěn)定后，通過取心情況來看，遇到弱膠結(jié)膨化地層時(shí)所取的巖心膨化率明顯降低，未出現(xiàn)巖心呈砂礫分散狀的情況，現(xiàn)場取弱膠結(jié)膨化地層巖樣置于實(shí)驗(yàn)配方鉆井液中浸泡48 h不散，現(xiàn)場取心率滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論及建議

無固相聚合物鉆井液在應(yīng)對垮塌、掉塊、漏失、縮徑等松散破碎地層和弱膠結(jié)膨化地層方面取得了良好的效果。主劑植物膠與輔劑聚丙烯酰胺、輔劑LP的綜合作用下，交聯(lián)形成具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鉆井液體系，在孔壁形成致密的有一定韌度的薄膜，部分鉆井液進(jìn)入孔壁裂隙，以其空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和粘彈性，利用其膠結(jié)性、潤滑性、強(qiáng)阻水性的性能，有效地防止了孔壁坍塌、水化膨脹及鉆井液漏失等問題，保證了鉆進(jìn)過程安全順利的進(jìn)行，提高了鉆探效率，降低了鉆探成本。

為了充分發(fā)揮無固相聚合物鉆井液的功用，高分子添加劑在配合前應(yīng)進(jìn)行等比例預(yù)溶解，保證高分子添加劑在水溶液中充分的分散性，保證鉆井液配合時(shí)各添加劑有良好的接觸反應(yīng)條件。同時(shí)，泥漿池要配備強(qiáng)力攪拌裝置，打散由于高分子鏈、網(wǎng)造成對其他添加劑的包裹，保證鉆井液各組分的均勻混合，最大限度地發(fā)揮鉆井液的各項(xiàng)性能。

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