李小慧

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

強(qiáng)潤(rùn)滑泥漿在高礦化度鐵礦區(qū)繩索取心鉆進(jìn)中的應(yīng)用

李小慧

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

兗州顏店鐵礦區(qū)上部地層松軟，下部地層堅(jiān)硬且易漏失，石膏夾層對(duì)泥漿穩(wěn)定性影響較大，對(duì)此開(kāi)展高礦化度地區(qū)繩索取心鉆進(jìn)中的強(qiáng)潤(rùn)滑泥漿技術(shù)研究。分析了各泥漿處理劑的作用機(jī)理，得到針對(duì)不同孔段的泥漿方案。采用乳化劑OP-10有效解決了高礦化度地區(qū)皂化油破乳問(wèn)題。應(yīng)用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)有效控制了井斜，取得了防斜保直的鉆進(jìn)效果?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該強(qiáng)潤(rùn)滑泥漿方案大幅降低了鉆進(jìn)阻力，提高了鉆進(jìn)效率。

潤(rùn)滑泥漿繩索取心破乳

0工程簡(jiǎn)介

顏店礦區(qū)位于兗州市以西約20公里，是山東境內(nèi)最大磁異常區(qū)。初步探明鐵礦儲(chǔ)量達(dá)10億噸，為國(guó)內(nèi)最大的鐵礦之一。該區(qū)屬平原區(qū)，上部為第四紀(jì)覆蓋層，主要地層為粉質(zhì)粘土、砂土及礫石層，厚度一般為20～290m，起伏較大；下部為濟(jì)寧群地層，主要以石灰?guī)r為主，中間夾石膏礦，磁鐵礦一般埋深在1000m以下。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，破碎帶較多。巖層的特點(diǎn)是裂隙發(fā)育，泥漿易漏失。礦層巖石硬度較高（Ⅵ～Ⅷ級(jí)）。由于礦層節(jié)理發(fā)育，是典型的易造斜地層。1

施工的ZH001孔身結(jié)構(gòu)為：150mm硬質(zhì)合金鉆頭開(kāi)孔，鉆進(jìn)2.1m下孔口套管，管徑為146mm；以130mm合金鉆頭鉆穿第四系至基巖，井深28.4m，下127mm套管；以110mm金剛石鉆頭鉆穿風(fēng)化巖層，鉆進(jìn)至65.1m，下108mm套管；采用S95繩索取心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至350.4m，下89mm活動(dòng)套管；S75繩索取心至1986.15m，裸眼完井。

1施工難點(diǎn)

（1）濟(jì)寧群石灰?guī)r地層裂隙發(fā)育，滲透性強(qiáng)，易發(fā)生嚴(yán)重漏失；

（2）石膏夾層鉆開(kāi)后，泥漿遭受污染，性能惡化；

（3）礦層節(jié)理發(fā)育，為典型易造斜地層，易發(fā)生鉆具折斷。

2泥漿方案優(yōu)選

相比于傳統(tǒng)的單、雙管鉆探工作，繩索取心大大減少了起下鉆次數(shù)，且具有較高的巖心采取率。然而，繩索取心在實(shí)際的使用當(dāng)中也存在一些常見(jiàn)的問(wèn)題：（1）環(huán)空間隙小，易發(fā)生掉塊卡鉆；（2）泥漿上返速度高，對(duì)井壁沖刷嚴(yán)重，易導(dǎo)致井壁失穩(wěn)；（3）鉆具與井壁多點(diǎn)接觸，摩阻大，鉆具磨損嚴(yán)重；（4）小環(huán)空泥漿循環(huán)壓降大，有時(shí)泵壓高至壓漏地層；（5）鉆具高速旋轉(zhuǎn)易導(dǎo)致鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，影響巖心管、打撈器的投放[1]。

ZH001鉆孔設(shè)計(jì)深度較大，地層復(fù)雜多變，需要結(jié)合地層情況選擇相應(yīng)泥漿方案。考慮到繩索取心工藝的特殊性，泥漿應(yīng)在滿足正常攜巖的基礎(chǔ)上，維持低粘切、低密度和高效潤(rùn)滑性[2]。

2.1 表層泥漿方案

表層主要為第四系沉積物，包括粉質(zhì)粘土、砂土和礫石層，地層造漿性能較差。開(kāi)孔口徑較大，鉆進(jìn)速度快，鉆屑量較大，此時(shí)宜選用高粘度高切力泥漿，以維持良好的排渣能力。選用優(yōu)質(zhì)造漿土，配合KPAM來(lái)快速鉆進(jìn)。現(xiàn)場(chǎng)泥漿配方為1#：8%NV-1+3%Na2CO3+0.1%KPAM。泥漿性能見(jiàn)表1。

表1 表層泥漿性能參數(shù)

配方中造漿土NV-1具有優(yōu)良的造壁性能，且能提供一定的粘度和切力，降低失水量。KPAM的加入能夠?qū)︺@進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的鉆屑進(jìn)行絮凝包被，避免其進(jìn)一步分散，其大分子長(zhǎng)鏈能夠與井壁發(fā)生有效吸附，在井壁上形成良好的吸附膜，少量KPAM隨濾液滲入微裂隙中，起到良好的充填效果，進(jìn)一步提高井壁穩(wěn)定性。此外，KPAM的加入使得泥漿具備良好的剪切稀釋性和潤(rùn)滑性，保證了鉆進(jìn)的順利進(jìn)行。

鉆進(jìn)過(guò)程中，始終維持較高的粘度、切力和適當(dāng)?shù)呐帕?，增?qiáng)泥漿攜帶鉆屑的能力。鉆至設(shè)計(jì)深度后充分循環(huán)，確保井底無(wú)沉沙、井壁無(wú)坍塌后順利起鉆，確保下套管和固井的順利。

2.2 取心段泥漿方案

采用繩索取心后，金剛石鉆頭直徑95mm，鉆桿外徑89mm，環(huán)空間隙較小，轉(zhuǎn)速較高，對(duì)泥漿性能要求具有較低的粘切。由于上部地層為灰?guī)r地層，溶洞發(fā)育，漏失嚴(yán)重，曾采用堵漏劑堵漏，水泥封孔等措施，均沒(méi)有取得理想效果?？紤]到該區(qū)水位很高（5～15m）因此選擇頂漏鉆進(jìn)。即S95采用頂漏鉆進(jìn)至完整地層，下入89活動(dòng)套管，換S75 繩索取心鉆進(jìn)。漏失層段巖心裂隙發(fā)育，見(jiàn)圖1。

圖1 裂隙發(fā)育巖心照片

此時(shí)泥漿配方為2#：2%NV-1+0.8%Na2CO3+0.08%PHP+0.3%皂化油。其基本性能見(jiàn)表2。其中隨皂化油加量不同，泥漿潤(rùn)滑系數(shù)變化情況見(jiàn)表3。

表2 取心段泥漿性能參數(shù)

表3 摩擦系數(shù)隨皂化油加量變化情況

由此可知，少量皂化油的加入能顯著降低泥漿的潤(rùn)滑系數(shù)，降低鉆具與井壁間的摩阻，且加量超過(guò)0.3%后，其降低摩擦系數(shù)的幅度有限，所以選擇0.3%為其最優(yōu)加量。此外，提下鉆時(shí)在鉆桿外涂抹潤(rùn)滑脂，在保護(hù)鉆桿的同時(shí)也起到了一定的潤(rùn)滑減阻效果。配方中PHP鉆為選擇性絮凝劑，能夠?qū)α淤|(zhì)屑進(jìn)行選擇性絮凝，而不絮凝造漿土。

2.3 石膏污染后泥漿配方

礦區(qū)下部石灰?guī)r地層中有石膏夾層，石膏主要成分為CaSO4，在水中具有一定的溶解度（2.08g/L），鈣離子能夠?qū)δ酀{產(chǎn)生污染。鈣離子污染泥漿的機(jī)理為：鈣離子能夠與粘土晶層間的鈉離子發(fā)生交換，壓縮粘土顆粒雙電層結(jié)構(gòu)，使得粘土顆粒水化膜減薄，電動(dòng)電位下降，泥漿穩(wěn)定性遭到破壞。此外，皂化油為陰離子表面活性劑，鈣離子含量高時(shí)易導(dǎo)致乳狀液?jiǎn)适Х€(wěn)定性，發(fā)生破乳。

在現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鉆桿上部有結(jié)垢現(xiàn)象，成分類似于油泥混合物，且泥漿池內(nèi)也出現(xiàn)析水現(xiàn)象，濾液分析表明鈣離子含量過(guò)高。于是，采用無(wú)固相PHP強(qiáng)潤(rùn)滑沖洗液，配方為3#：0.1%PHP+0.3%皂化油+0.1%特效潤(rùn)滑劑+0.04%OP-10。其中添加乳化劑OP-10的目的是提高乳狀液在高礦化度和pH異常區(qū)的穩(wěn)定性。其性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表4 3#泥漿性能參數(shù)

3孔斜控制

為了控制該區(qū)內(nèi)孔斜問(wèn)題，采用了沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)。根據(jù)以往施工的規(guī)律，孔深在1100m以下孔斜變化劇烈，鉆進(jìn)至1084m時(shí)采用了ZS-75型正作用閥式?jīng)_擊器進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，收到良好效果。其主要規(guī)格參數(shù)如下：沖擊器外徑，73mm；總長(zhǎng)1270mm；沖錘行程，12mm；自由行程，2.5～3.5mm；錘簧頂壓，3～5mm；沖擊頻率，33～42Hz；單次沖擊功，10～18J；工作泵量50～80L/min；泵壓2～3MPa；適應(yīng)孔徑，75～91mm。但隨著孔深的增加，沖擊回轉(zhuǎn)出現(xiàn)了問(wèn)題，到1650m撤換?？仔苯Y(jié)果如圖2。

圖2 孔斜隨孔深的變化規(guī)律

使用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)速一般在600～1000r/min之間，鉆壓700～100kg之間，泵量80L/min，隨著孔深增加，泵壓逐漸升高，基本上維持在2.5～4MPa。由圖2可見(jiàn)，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)有效控制了孔斜，但是1650m后隨著液動(dòng)沖擊器出現(xiàn)故障，孔斜急劇增大。

4施工效果

工程質(zhì)量要求：鉆孔全段取心，在沖積層和巖層中巖心采取率≥80%，在破碎帶及軟弱夾層中連續(xù)三個(gè)回次巖心采取率≥65%；每鉆進(jìn)50m測(cè)一次孔斜，進(jìn)行一次孔深驗(yàn)證平差。各井段施工效果見(jiàn)表5。

表5 各孔段施工效果

5結(jié)論

（1）使用強(qiáng)潤(rùn)滑減阻泥漿有效解決了兗州礦區(qū)繩索取心鉆進(jìn)中鉆進(jìn)阻力大和鉆具磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。

（2）針對(duì)不同地層選擇相應(yīng)的泥漿方案，大大提高了鉆進(jìn)效率，節(jié)約了鉆進(jìn)成本。

（3）通過(guò)引入乳化劑OP-10，有效解決了皂化油在高礦化度條件下的破乳問(wèn)題，保證了泥漿體系的穩(wěn)定性。

（4）對(duì)于Ⅵ～Ⅷ級(jí)地層，液動(dòng)沖擊器的使用有效起到了防斜保直的作用。

[1]烏效鳴，胡郁樂(lè)，等.鉆井液與巖土工程漿液[M].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2002.

[2]李振學(xué)，鄧敏.欒川縣多金屬?gòu)?fù)雜地層巖心鉆探技術(shù)[J].探礦工程，2011,38（9）.

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1007-6344（2015）05-0305-02

李小慧，1989年生，河南焦作人，研究生在讀，從事鉆井液技術(shù)研究工作。