秦國(guó)江

（白山市鑫地勘察設(shè)計(jì)有限公司，吉林白山134300）

低固相聚合物泥漿在復(fù)雜地層鉆進(jìn)中的應(yīng)用

秦國(guó)江*

（白山市鑫地勘察設(shè)計(jì)有限公司，吉林白山134300）

為了解決西川金礦鉆探施工過(guò)程中坍塌地層造成鉆探施工難度大事故頻發(fā)的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)配制和施工現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，研究推出新一代低固相聚合物泥漿配方，解決了西川金礦復(fù)雜地層鉆探施工的難題，為今后在不穩(wěn)定地層鉆探施工打下了良好基礎(chǔ)。

西川金礦；低固相聚合物；羧甲基纖維素鈉鹽；植物膠；聚丙烯酰胺（PHP）；高效潤(rùn)滑劑；廣譜護(hù)壁劑（GSP）

鉆探是地質(zhì)找礦最重要的手段之一，隨著我國(guó)地質(zhì)找礦的發(fā)展，鉆探被廣泛地應(yīng)用在油田、煤炭、地?zé)?、深海、有色、建材鉆井生產(chǎn)一線上，但在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)便是礦產(chǎn)鉆探的一道難題。在這類地層中進(jìn)行鉆孔施工會(huì)使其原來(lái)天然狀態(tài)下相對(duì)穩(wěn)定或平衡的狀態(tài)巖層被破壞，常見的現(xiàn)象是孔壁坍塌、掉塊、漏失、縮徑。由此帶來(lái)鉆進(jìn)困難，鉆孔質(zhì)量差，鉆進(jìn)效率低，鉆進(jìn)成本提高。嚴(yán)重的造成鉆孔各種事故，以致造成鉆孔報(bào)廢。

但是通過(guò)在西川金礦地區(qū)的鉆探施工，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室和鉆探一線反復(fù)試驗(yàn)，配制的低固相聚合物泥漿很好解決該地區(qū)復(fù)雜地層鉆進(jìn)的各種問(wèn)題，使鉆探生產(chǎn)步入正軌，同時(shí)對(duì)低固相泥漿使用在其它地區(qū)得到了推廣和應(yīng)用。取得了良好的效果。

1　位置與自然地理

工作區(qū)隸屬吉林省白山市江源區(qū)灣溝鎮(zhèn)和臨江市鬧枝鎮(zhèn)所轄。位于松花江水系的湯河與鴨綠江水系的二道溝之間。距江源區(qū)東40km。地勢(shì)南東部相對(duì)較高，北西部低，最高標(biāo)高955.90m，最低標(biāo)高650m，相對(duì)高差255.9m，屬中低山區(qū)。區(qū)內(nèi)山脈呈東西向展布。溪流甚多，北側(cè)溪流經(jīng)湯河流入松花江南側(cè)溪流經(jīng)二道溝河入鴨綠江。

2　區(qū)域地質(zhì)

該區(qū)大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)（Ⅰ）遼東臺(tái)?。á颍┨雍訙喗蓠奘á螅├蠋X斷塊（Ⅳ）與渾江上游陷褶斷束（Ⅳ）2個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元銜接部附近，興華—白頭山東西向殼斷裂中部。

2.1地層

區(qū)域內(nèi)出露地層有：太古宙表殼巖、元古界、古生界及中生界地層。早元古界為老嶺群大栗子組、珍珠門組地層，分布在四平街—冰湖溝，四道湯河—石廟嶺一帶，巖性主要為二云母片巖、石英絹云母片巖、白云石大理巖等。

2.2構(gòu)造

老嶺復(fù)背斜為區(qū)內(nèi)主體構(gòu)造，軸向近東西，核部為太古宙變質(zhì)巖系，兩翼出露不完整，僅南翼有老嶺群地層分布。區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，以近東西向和北東向斷裂為主。東西向?yàn)硿蠑嗔褞?，為興華—白頭山天池東西向殼斷裂的組成部分。北東向冰湖溝—四平街?jǐn)嗔褞菣M路嶺—荒溝山—四平街“S”型構(gòu)造的組成部分。

3　鉆孔地質(zhì)設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)孔深：250～400m，方位角：250°，傾角：75°。

（2）測(cè)斜要求每50m測(cè)1次（其中開孔后25m測(cè)1次），井深驗(yàn)證每百米測(cè)1次。鉆孔簡(jiǎn)易水文觀測(cè)要求每3m測(cè)1次，終孔時(shí)測(cè)定終孔水位。巖芯采取率要求大于90%，礦心采取率要求大于95%。

4　鉆進(jìn)中的事故現(xiàn)象及巖層坍塌的原因分析

4.1孔壁不穩(wěn)定地層因素

4.1.1碎破地層

地層破碎有風(fēng)作用和地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的，后者產(chǎn)生破碎帶。

4.1.2水敏性地層

地層的孔壁遇水后，因膨脹而逐層剝落甚至縮徑或因水的潤(rùn)濕而成塊狀、片狀掉落等。

4.2加劇孔內(nèi)地層復(fù)雜的工藝因素

（1）沖洗液上返流速，沖洗液性能和鉆具環(huán)空堵水時(shí)水壓增大，對(duì)地層的破壞作用。

（2）起下鉆具產(chǎn)生的動(dòng)壓作用造成巖石破碎、坍塌、掉塊。

（3）提鉆時(shí)孔口回灌沖洗液不及時(shí)，孔內(nèi)沖洗液面下降，孔內(nèi)液柱壓力減小，引發(fā)孔壁失穩(wěn)。

（4）以上原因造成孔壁失穩(wěn)、坍塌、掉塊，孔內(nèi)沖洗液中大量巖粉排不上來(lái)，下鉆不到底，掃孔速度慢，發(fā)生憋泵無(wú)法鉆進(jìn)。這類巖層一般發(fā)生在孔深60～210m。ZK1401孔發(fā)生在60～120m處；ZK1402孔發(fā)生在130～210m。均在此類地層中出現(xiàn)憋泵，泵壓升高，無(wú)法鉆進(jìn)等現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)發(fā)生折鉆桿、鉆具至埋鉆事故。

5　復(fù)雜地層鉆進(jìn)的解決方法

通過(guò)對(duì)鉆孔孔壁失穩(wěn)的機(jī)理進(jìn)行分析，該地區(qū)的復(fù)雜地層有力學(xué)不穩(wěn)定因素，也有遇水產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)等不穩(wěn)定因素，解決方法應(yīng)從以下方面入手：

（1）配制合理性指標(biāo)的沖洗液進(jìn)行護(hù)壁（全孔），由于破碎帶厚度較大，所以應(yīng)先調(diào)節(jié)沖洗液的比重和粘度，嚴(yán)格控制住抽吸現(xiàn)象以及沖洗液的泵送量，禁止使用性能低下的沖洗液潤(rùn)滑鉆具，控制升降鉆具的速度。

（2）選用合理的防塌材料，調(diào)整和維護(hù)好沖洗液的降失水性和膠結(jié)性，不許高壓泵送沖洗液，打撈內(nèi)管和提鉆過(guò)程中應(yīng)從孔口連續(xù)回灌沖洗液，保證沖洗液滿孔，以免因?yàn)樗幌陆狄鹂妆谑Х€(wěn)或涌水。

（3）對(duì)于鉆孔上部及事故多發(fā)巖層有效合理的方式下入套管進(jìn)行隔離，較破碎地層用凝固材料使孔壁巖層增加膠結(jié)性以達(dá)到穩(wěn)固孔壁的目的。

根據(jù)地層結(jié)構(gòu)，鉆孔設(shè)計(jì)為3層套管：?146mm套管宜下到9～15m，?127mm套管宜下到20～30m，然后配屬?95mmB繩索取芯鉆具，鉆過(guò)復(fù)雜地層，提上彈卡總成。內(nèi)管用?89mm鉆桿做套管。配屬?75mm繩索取索鉆具一徑到底，其中變徑處進(jìn)行導(dǎo)正。

6　復(fù)雜地層金剛石鉆進(jìn)中沖洗液的選用及配方

通過(guò)總結(jié)前期鉆孔的施工情況和地層情況，并對(duì)該施工區(qū)的巖性和地層進(jìn)行分析，首先要解決的是找到適合該地層沖洗液的比重和粘度。沖洗液的防坍性能應(yīng)能滿足在較大的液壓下，維護(hù)斷層和蝕變的粘土礦物以及粉碎型破碎層等孔壁的穩(wěn)定，調(diào)整沖洗液中優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土的含量，同時(shí)加入高聚物和植物膠，發(fā)揮其多點(diǎn)吸附加固井壁作用。為防止繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)皮，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣到室內(nèi)試驗(yàn)，再經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的配制和鉆孔內(nèi)實(shí)驗(yàn)調(diào)整，為了控制沖洗液的各種性能指標(biāo)，使用了以下材料：

（1）優(yōu)質(zhì)的鈉膨潤(rùn)土：要使用以蒙脫石礦物為主的粘土，礦物晶體屬于層狀的硅鋁酸鹽，礦物晶體薄片表面呈負(fù)電性，晶片重疊形成顆粒晶片間夾吸的陽(yáng)離子以鈉離子為主。鈉膨潤(rùn)土分散性好，確保配制出具有較好的流變特性和失水特性及造壁性的原漿，控制泥漿比重以保證井內(nèi)壓力的平衡。

（2）燒堿（NaOH）∶調(diào)節(jié)膨潤(rùn)土的水化能力和沖洗液的pH值，同時(shí)抑制和防止可溶性巖層的溶解，保持井徑規(guī)則。

（3）多效天然植物膠SD-2∶具有較強(qiáng)的攜帶各種巖屑的能力，含高分子聚合物，能迅速分散在自然水中，經(jīng)過(guò)攪伴形成膠粘網(wǎng)狀。流動(dòng)性能好，吸水性強(qiáng)，改變泥漿的動(dòng)切力和靜切力，起到護(hù)壁、防塌降失水、降濾失、潤(rùn)滑堵漏的作用。

（4）廣譜護(hù)壁劑（GSP）：有良好的抗溫、抗鹽、抗鈣性能，主要用于抑制水敏地層的井壁水化膨脹，起到護(hù)壁、固壁、井壁修補(bǔ)的作用，可降低扭矩，防止粘附卡鉆。

（5）水解聚丙烯酰胺（分子量1200百萬(wàn)）水解度20%～40%：有絮凝顯著的增粘作用，PHP大分子吸附到孔壁表面和巖土孔隙和縫隙內(nèi)，對(duì)孔壁有一定的膠結(jié)保護(hù)作用。由PHP處理的低固相泥漿屬于不分散型泥漿。它使那些在水中能分散造漿的巖屑進(jìn)入這泥漿中不能分散造漿，并被絮凝清除。

（6）羧甲基纖維素（Na-CMC）中粘度：具有優(yōu)良的提粘切，降濾失能力，防塌和耐溫，提高沖洗液的聚結(jié)穩(wěn)定性。適用于各種類型水基鉆井液體系。有一定的抗鈣能力。

（7）潤(rùn)滑劑（皂化油）：具有潤(rùn)滑的作用，減少鉆桿的磨損性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)配制出沖洗液，主要性能指標(biāo)如下：

密度：1.02～1.03g/cm3，漏斗粘度20～28s，表觀粘度4～8mPa·S。低壓失水小于等于10mL/30min，pH 值8～8.5。

膨潤(rùn)土4%～6%每100升泥漿中含干土粉4～6kg。

純堿0.1%～0.2%，鈉膨潤(rùn)土不加或少加。

多效天然植物膠SD-2 1%～3%。

廣譜護(hù)壁防塌劑1%～2%。

羧甲基纖維素（Na-CMC）中粘0.2%～0.3%。

水解聚丙稀酰胺（PHP）0.05%～0.1%。

皂化油0.2%～0.3%。

7　現(xiàn)場(chǎng)配制和技術(shù)要求

在機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)配制時(shí)，要求機(jī)長(zhǎng)、班長(zhǎng)、技工必須嚴(yán)格按照要求進(jìn)行將沖洗液的配制使用情況和孔內(nèi)的效果及時(shí)記錄和反饋。在每次配方前首先根據(jù)攪拌桶的容積準(zhǔn)確地計(jì)算出所需要以上材料重量。將沖洗液材料預(yù)先溶解。聚丙烯酰胺的溶解，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況一般采用沸騰煮法（水溫不超過(guò)60°C和常溫法2種方式）。羧甲基纖維素鈉（中粘）和多效天然植物膠SD-2的溶解采用沸騰煮法進(jìn)行溶解效果最好。廣譜護(hù)壁防塌劑采用常溫法。膨潤(rùn)土粉經(jīng)篩網(wǎng)漏入水中，邊加邊攪，用多點(diǎn)連續(xù)投加方式，最后加入堿，制成原漿靜置。

配制時(shí)，嚴(yán)格控制各種沖洗液材料的加入順序，先取膨潤(rùn)土靜置原漿，然后按計(jì)算好的數(shù)據(jù)加入羧甲纖維素鈉（中粘）溶液，充分?jǐn)嚢韬?，再加入聚丙稀酰胺溶液（事先溶?%的水溶液），再加入多效天然植物膠SD-2煮沸后的溶液進(jìn)行攪拌，再加入廣譜護(hù)壁防塌劑進(jìn)行攪拌，最后加入潤(rùn)滑劑（皂化油）進(jìn)行攪拌，靜置2h后，開始進(jìn)行性能參數(shù)檢測(cè)和調(diào)整，直到各項(xiàng)指標(biāo)符合要求為止，最后再充分的攪拌靜置待用。

8　總結(jié)

我們配制的低固相聚合物泥漿通過(guò)在ZK1401、ZK1402、ZK1403、ZK3201號(hào)鉆孔的試用及調(diào)整，以及在西川金礦其它鉆孔的成功使用。使我們更充分了解到上述鉆井液助劑在西川金礦地區(qū)配合使用的比例和方法，也更加充分了解了它們各種的性能及配制的使用情況。同時(shí)也給以后鉆探施工中遇到類似或者相同的復(fù)雜地層鉆進(jìn)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。本次鉆探施工通過(guò)運(yùn)用低固相聚合物泥漿，不但解決了復(fù)雜地層無(wú)法鉆進(jìn)的問(wèn)題，時(shí)也確保了西川金礦鉆探施工的質(zhì)量和工期，本次施工共完成13個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺4282.06m。實(shí)踐證明低固相聚合物泥漿在復(fù)雜地層鉆探的施工中，將會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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1004-5716（2016）01-0077-03

2015-01-23

秦國(guó)江（1963-），男（漢族），河北昌黎人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察技術(shù)工作。