李攀義，單文軍，徐兆剛，李艷寧，岳偉民

(1．山東招金地質(zhì)勘查有限公司，山東 招遠(yuǎn)265400;2．北京探礦工程研究所，北京100083)

ZK1146井是在甘肅玉門市肅北鎮(zhèn)金鷹祁連山金礦的一口科學(xué)鉆探井，主要是為了探明該區(qū)域黃金儲量。該井設(shè)計終孔深度510 m，終孔口徑75 mm，全孔取心。現(xiàn)場初始采用的是低固相鉆井液體系，配方為:4%鈉土+0.3%CMC－HV+0.2%PHP+0.2%純堿+1%PVA，泥漿性能參數(shù)為:漏斗粘度50 s(蘇式漏斗)，API失水量 45 mL/30 min，密度1.10～1.20 g/cm3。ZK1146孔前期坍塌、掉塊嚴(yán)重，頻繁發(fā)生孔內(nèi)事故，尤其是在380～400 m處掃孔3天，情況未有改觀，因此在350 m段處采用成膜防塌鉆井液體系鉆進(jìn)，該體系護(hù)壁和護(hù)心效果好，井壁穩(wěn)定，有效地保證了項目的實施。

1 ZK1146井地質(zhì)工程概況

1．1 ZK1146井地質(zhì)概況

ZK1146井位于甘肅省玉門市肅北鎮(zhèn)金鷹祁連山金礦區(qū)。工區(qū)地處玉門鷹咀山祁連山金礦區(qū)，地表侵蝕切割強(qiáng)烈，溝壑梁峁縱橫，地形起伏較大，地表高差一般為80～100 m。二開(100～500 m)，以砂巖、砂質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)板巖、碳質(zhì)泥巖、千枚巖為主，裂隙發(fā)育、破碎、擴(kuò)徑、坍塌、掉塊嚴(yán)重(見圖1、圖2)。施工期間由于地層中水敏性礦物吸水膨脹、地層破碎及地應(yīng)力釋放等原因，引起井壁縮徑、坍塌掉塊，引起孔內(nèi)事故。從施工情況看，整個鉆孔井壁十分薄弱，稍有疏忽可能引起復(fù)雜孔內(nèi)事故。

1．2 ZK1146井工程概況

(1)ZK1146井井身結(jié)構(gòu)(見圖3)。

圖1 地表出露的巖層

2 施工中存在的主要問題及原因

ZK1146井施工中存在的主要問題是井壁坍塌。造成井壁坍塌的主要原因有以下幾個方面。

(1)水敏性及滲透性極強(qiáng)，吸水后發(fā)生分散、剝落(見圖4)，直接可導(dǎo)致井壁坍塌。

圖3 ZK1146井井身結(jié)構(gòu)示意

圖4 現(xiàn)場水敏性巖塊用清水浸泡前后對比圖

為了研究ZK1146井巖心強(qiáng)分散的原因，室內(nèi)對巖心樣品進(jìn)行了成分分析，結(jié)果為:35%綠泥石，30%滑石，25%石英，5%長石，3%方解石，2%白云母。

由分析結(jié)果可以看出，該礦區(qū)巖樣中綠泥石含量高，吸水膨脹強(qiáng)分散。ZK1146井石英含量為25%，且軟硬交替互層。

(2)地層膠結(jié)性差，層理、裂隙發(fā)育，孔壁強(qiáng)度低。

(3)繩索取心鉆進(jìn)較小的環(huán)空間隙，使得提鉆時抽吸力很大(特別是粘度較高時)，是造成井壁坍塌的重要誘因。

(4)摩擦阻力大、循環(huán)泵壓高。

取心至400 m后，由于進(jìn)尺較慢，采用稠泥漿進(jìn)行鉆進(jìn)，環(huán)空間隙小，泵壓較高(250型泵泵壓8～10 MPa)。

3 成膜防塌無固相鉆井液配方及室內(nèi)評價

3．1 成膜防塌無固相鉆井液配方設(shè)計

3．1．1 成膜防塌無固相鉆井液參考配方

(1)上部地層(200 m以淺)。采用普通聚合物無固相鉆井液。配方為:1 m3水+0～30 kg土粉+2～3 kg包被劑(BBJ)+5～10 kg隨鉆堵漏劑(GPC)+2～5 kg抗鹽共聚物(GTQ)。

(2)下部地層(200 m以深)。采用成膜防塌無固相鉆井液，配方為:1 m3水+50 kg成膜體系用A劑+2～8 kg抗鹽共聚物(GTQ)+10 kg防塌減阻劑(GFT)+2～3 kg包被劑+20～30 kg封堵劑(GFD－1)，遇到黑色板巖、千枚巖地層時，再加入成膜體系用B劑20～70 kg。

成膜鉆井液基本性能參數(shù)為:漏斗粘度19～30 s，密度1.04 ～1.15 g/cm3，API濾失量5 ～10 mL/30 min，泥皮厚0.5 mm，pH值12～14，潤滑系數(shù)0.2。

3．1．2 鉆井液體系組分及作用

成膜鉆井液體系中所用的處理劑及其作用如下。

(1)成膜體系A(chǔ)、B劑。成膜A劑和B劑是一種具有較強(qiáng)成膜性和粘接性的護(hù)壁材料，對于強(qiáng)水敏分散剝落地層具有良好的護(hù)壁效果，并能顯著提高取心質(zhì)量。

(2)包被劑(BBJ)，具有選擇性絮凝和包裹巖屑的作用，能抑制地層造漿，有利于泥漿的固相控制。

(3)抗鹽共聚物GTQ，具有增粘、提切、降失水、抗污染等功能，用作增粘劑。

(4)防塌減阻劑GFT，具有良好的分散性及低的軟化點(diǎn)，能膠結(jié)破碎地層，封堵孔壁微孔隙或微裂縫，提高孔壁穩(wěn)定性。

(5)防塌型隨鉆堵漏劑，具有良好的水溶脹橋接封堵功能，粘附性強(qiáng)，可用于封堵漏失地層，也可以降低鉆井液的失水量。

(6)封堵劑GFD－1:用于提高鉆井液密度，平衡地層的坍塌壓力;同時具有封堵破碎地層，提高地層的坍塌壓力。

3．1．3 鉆井液室內(nèi)浸泡試驗效果

(1)ZK1146孔194 m處巖心浸泡試驗效果。為了評價成膜鉆井液的成膜及強(qiáng)抑制性能，對ZK1146孔194 m處巖心進(jìn)行了浸泡實驗，效果見圖5和圖6。

圖5 浸泡前的巖塊

圖6 成膜鉆井液浸泡24 h后的巖塊

浸泡試驗結(jié)果表明，該巖心經(jīng)成膜鉆井液浸泡24 h后依然完好。

(2)其它孔段灰色巖心浸泡試驗效果。巖心塊浸泡前見圖7，不同鉆井液浸泡后效果見圖8～10。

試驗結(jié)果表明，用成膜鉆井液浸泡24 h后的巖心較原巖心明顯變硬，強(qiáng)度提高，效果明顯好于另外2種常用鉆井液。

3．2 成膜防塌無固相鉆井液配制與維護(hù)

3．2．1 配制方法

圖7 巖心塊浸泡前

圖8 用“8%膨潤土+1%腐植酸鉀+0．1%HV －CMC”浸泡24 h后松塌

圖9 用雙聚體系浸泡24 h后松軟

圖10 用成膜鉆井液浸泡24 h后變硬

在泥漿攪拌機(jī)中放入清水，然后加入成膜體系用A劑，待其充分分散后按照配方順序依次加入抗鹽共聚物、防塌減阻劑攪拌5～10 min，然后再加入包被劑、封堵劑(GFD－1)，充分?jǐn)嚢韬蠹纯墒褂谩?/p>

3．2．2 鉆井液維護(hù)方法

(1)前期換漿時嚴(yán)格按配方配制鉆井液，在鉆井液循環(huán)使用中，需經(jīng)常測試鉆井液性能。補(bǔ)漿時可根據(jù)性能，參考配方，結(jié)合各處理劑作用調(diào)整鉆井液性能。

(2)成膜體系用A劑及B劑使用時一定要保證其有效濃度，通常情況下可以根據(jù)取出巖心的狀態(tài)來判斷其濃度是否足夠，如果巖心表面比較粗糙、有剝蝕現(xiàn)象，則說明濃度不足，如果巖心表面光滑完整，則說明濃度足量，可以正常添加或者適當(dāng)減量。

(3)GTQ主要起提粘、提切、降失水的作用，現(xiàn)場根據(jù)需要的泥漿粘度，控制加量。

(4)包被劑主要起絮凝巖屑的作用，消耗速度較快，需定期補(bǔ)充預(yù)先配置好的膠液。

(5)防塌減阻劑、封堵劑主要起防塌護(hù)壁的作用，對粘度影響不大。

(6)嚴(yán)控鉆井液固相含量，需及時清理循環(huán)槽和沉淀池中的巖粉，如果清理不及時，巖粉混入鉆井液中容易造成鉆井液粘度上升、固相含量升高、鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢等問題，這時就需采用排出部分舊漿、補(bǔ)充新漿的辦法來調(diào)整鉆井液性能。

3．2．3 現(xiàn)場需要的檢測儀器

現(xiàn)場需配備:漏斗粘度計(蘇式粘度計清水為15 s);密度計;濾失量測定儀。

4 成膜防塌無固相鉆井液體系在ZK1146井現(xiàn)場應(yīng)用

4．1 成膜防塌無固相鉆井液體系現(xiàn)場使用配方

現(xiàn)場鉆井液配方:1 m3水+50 kg成膜體系A(chǔ)劑+20～50 kg成膜體系B劑+2～5 kg抗鹽共聚物(GTQ)+10～20 kg防塌減阻劑(GFT)+10～20 kg隨鉆防塌堵漏劑(GPC)+2～3 kg包被劑+20～30 kg封堵劑(GFD－1)。

鉆井液配制:先將成膜體系A(chǔ)劑、成膜體系B劑、隨鉆防塌堵漏劑、純堿等依次加入到配漿罐中，待充分溶解或分散均勻后，加入包被劑和抗鹽共聚物，充分?jǐn)嚢韬?，倒入泥漿池中攪拌均勻，循環(huán)過程中慢慢加入防塌減阻劑。

鉆井液性能:密度1.03～1.10 g/cm3，粘度30～45 s，濾失量3 ～5 mL/30 min。

4．2 成膜防塌無固相鉆井液體系現(xiàn)場使用效果

使用成膜防塌無固相鉆井液體系共施工了118 m(400～518 m)，取得了比較理想的效果，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)護(hù)壁效果好，井壁穩(wěn)定。每次起下鉆均無遇阻現(xiàn)象，取心時下鉆到底。下套管時井壁穩(wěn)定，提下鉆無遇阻現(xiàn)象。

(2)抑制造漿能力強(qiáng)，泥漿流動性好，巖粉攜帶能力強(qiáng)、地表沉降效果好。下鉆時井底幾乎無沉淀，鉆具直接就能下到井底(見圖11)。

圖11 成膜防塌無固相鉆井液體系現(xiàn)場使用效果

(3)巖心采取率高，采用成膜防塌無固相鉆井液體系后，巖心采取率100%。

(4)使用成膜防塌無固相鉆井液體系后，正常鉆進(jìn)期間泵壓2～4 MPa。

(5)成膜防塌無固相鉆井液體系，配制方法簡單，維護(hù)方便。

4．3 成膜防塌無固相鉆井液體系成本分析

成膜防塌無固相鉆井液體系在現(xiàn)場應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，大大降低了沖洗液成本。每立方米沖洗液成本與一般采用的沖洗液相比節(jié)約了30%～50%。具體見表1。

表1 成膜防塌無固相鉆井液體系成本分析

5 結(jié)論

(1)成膜防塌無固相鉆井液體系，護(hù)壁效果好，抑制造漿能力強(qiáng)，抑制坍塌掉塊效果好。

(2)成膜防塌無固相鉆井液體系，有效地防分散作用，在強(qiáng)分散巖心表面形成了一層致密有韌性的保護(hù)膜，有效地保證了取心質(zhì)量和采取率。

(3)成膜防塌無固相鉆井液體系，攜砂能力強(qiáng)，流動性好，配制簡單，維護(hù)方便，減輕了現(xiàn)場鉆工的工作量，提高了鉆探效率。

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