苟家套复杂地层深孔钻探冲洗液技术的应用

2016-08-31伦辛涛王建伟华北地质勘查局第四地质大队秦皇岛066012

新疆有色金属 2016年5期

伦辛涛　王建伟（华北地质勘查局第四地质大队　秦皇岛　066012）

苟家套复杂地层深孔钻探冲洗液技术的应用

伦辛涛王建伟
（华北地质勘查局第四地质大队秦皇岛066012）

深孔复杂地层钻进历来是钻探施工中的一大难题，复杂地层深孔钻探中冲洗液的运用作为一种动态技术，随着地层的不同，对于新材料的运用也有所不同。本文通过对冲洗液性能和作用以及不同地层冲洗液种类选择的研究与分析，并应用于昌黎苟家套深孔钻探项目的施工。冲洗液的性能达到了预想的效果，降低了滤失量，改善了泥皮质量，并具有抑制水敏降低失水量的能力，有效地防止了孔内事故的发生，同时也降低了成本，提高了效率，保证了钻探工作的安全顺利进行。

复杂地层冲洗液分类功用选择

河北昌黎苟家套深孔钻探项目是河北省国土资源厅地勘处组织实施的昌黎县苟家套航磁异常查证项目，该项目共设计1个地质钻探孔，设计孔深1 500m，直孔，工期时间为一年。实施该深孔取心钻探其目的是对该航磁异常区进行深部验证，查明航磁异常是否由磁铁矿体引起，若为磁铁矿体引起，根据所取岩心，大致了解矿体的空间分布状态，规模、产状及矿石质量等，为矿区普查提供基础地质资料。

1　昌黎苟家套查证区自然地理及区域地质

1.1查证区自然地理概况

查证区位于河北省昌黎县新集镇苟家套村南，隶属苟家套村管辖，属平原区。查证区南起滦河，北至苟家套村，西起滦河，东至马踏店村西约6.0km，南北宽4.16km，东西长6.09km，面积25.37km2，海拔一般14～17m，最高海拔23m，地形比高6m，地形较为平坦，属滦河冲积平原区。

本区属半湿润大陆性气候。无霜期平均是186天，最高平均气温是25.1℃，最低平均气温-5.2℃，年平均气温11℃，平均年降水量712.7mm，四季分明，日照充足，年均日照时数达2 800 h。河冻期12月至次年3月，冻厚0.3～0.5m。冻土期12月下旬至次年3月，最大冻土深度0.6～0.8m。查证区北距京山线九龙山火车站和205国道约20km，有乡级公路与之相通，交通十分方便。

1.2查证区区域地质概况

查证区位于中朝准地台（Ⅰ2）燕山台褶带（Ⅱ22）山海关台拱（Ⅲ28）西与开滦台凹（Ⅳ228）相接处。区域范围内出露地层不齐全，矿区出露地层为新生界第四系，第四系下伏地层为第三系，其中第四系覆盖全区，厚约800m，主要为河床、河漫滩冲洪积砂砾层、卵石层及粘土层，区内第三系地层为沙河街组，厚度约700m，主要岩性为中细粒长石岩屑砂岩、泥岩、杏仁状玄武岩及镁质碳酸岩化凝灰岩。

全区被第四系所覆盖，根据以往资料推测正断层1条，编号F1。F1断层分布于查证区西北部，断层方位北东向，为宋道口-大周庄推测正断层在查证区延伸部分。

1.3钻探施工技术难点

查证区第四系覆盖层厚约800m，主要由砂砾层、卵石层及粘土层组成，相对较厚，钻取此地层岩心难度较大，而且此地层中水系较为发育，容易引起孔壁坍塌、埋钻等，不利于孔壁稳定。

第四系以下地层岩石岩性中等-偏弱，可钻性等级6～7级，推测受断层构造的影响，该地层较为破碎，且裂隙较发育，地层软硬分布不均，容易引起钻孔孔壁坍塌、埋钻、钻孔偏斜等。

查证区内钻探施工对冲洗液的选用要求较为严格，要根据钻遇的不同地层，选用合适的冲洗液，以达到既能最大限度的排出岩粉，又能护壁堵漏，最大程度做好孔壁维护，因此，必须根据地层情况，选用合适的冲洗液。钻遇破碎地层时，冲洗液护壁较难，施工难度较大。

2　钻孔结构及设备配备

2.1钻孔结构设计

该查证区地层情况极为复杂，根据查证区地质地层条件和地质设计，为保证钻孔顺利完成，本钻孔设计采用多级钻孔结构，其目的在于多级套管护壁和控制孔斜。

首先，采用Φ70硬质合金钻头开孔，钻进100m左右，下Φ168套管，该层段全部为砂土层，钻孔成孔和取心相当困难；然后采用Φ150金刚石钻头钻进至350m左右，下Φ146套管；之后采用Φ130金刚石钻头取心钻进至630m左右，下Φ127套管；之后采用Φ 110金刚石钻头钻进至720m，下Φr108套管；之后采用Φ95金刚石钻头钻进至830m左右，下Φ89套管，至此，钻孔穿过第四系地层，采用多层套管目的在于防止钻孔坍塌、维持孔壁稳定、控制钻孔偏斜。最后采用Φ75金刚石绳索取心钻进至1 500m终孔。

图1　钻孔结构

2.2钻探设备配备

该钻孔所在查证区位于河套内，地表土地沙化严重，第四系中砂土层覆盖较厚，且砂砾层、卵石层极不稳定，故钻孔设计采用多级套管结构。该钻孔开孔口径大，钻井深度深，第四系砂层厚且夹杂破碎地层，因此，在选用钻机等设备时要充分考虑各个影响因素。表1为本钻孔施工选用的主要钻探设备。

表1　主要钻探设备

3　钻进工艺

3.1钻井方法

根据该查证区地质地层情况及以往钻探资料判断，本钻孔施工方法主要采用金刚石绳索取心钻进，钻孔结构设计为多级钻孔结构，由于第四系地层含砂层较厚，地层松软、破碎，裂隙较为发育，因此利用多层套管结构提高钻孔稳定性。这样，可以保证较高的岩心采取率和减少钻孔偏斜。

3.2钻头的选用

本钻孔开孔为Φ170mm大口径开孔，且地层较软，选用硬质合金钻头，钻过100m之后，地层硬度为中硬-硬，选用孕镶金刚石钻头，金刚石粒度40～70目，钻头胎体硬度HRC20～40。实际钻进过程中，实时观测钻头磨损情况，并判断地层情况，及时更换合适的钻头，以提高钻进效率和岩心采取率。

3.3钻进技术参数

根据选用的钻机钻进能力，以及地层情况、口径、深度、钻头类型等，合理选择钻进参数。根据钻进地层的岩石特性，及时调节钻压、转速、泵量，得到最优钻进效率。

3.4矿区地层对冲洗液性能要求

（1）矿区地层含有砂土层，砂土层较松软，钻进该地层时，孔内砂土、砂砾产生量多，冲洗液应具有较好的携粉、屑能力；

（2）矿区地层夹杂高岭石化、绿泥石化等泥岩地层，该地层造浆能力较强，冲洗液应有较好的选择絮凝能力；

（3）钻遇水敏地层时，为防止水敏地层遇水膨胀，要求冲洗液失水量较低；

（4）矿区地层中破碎蚀变岩、砂砾岩厚度大，为保证每级套管下放位置准确，冲洗液应具有良好的胶结护壁和防塌能力；

（5）因钻孔深且复杂地层交互多，钻孔坍塌和漏失情况时有发生，要求冲洗液具有较好的可调节性。

（6）深孔钻进阻力较大，这要求冲洗液有一定的润滑减阻作用。

3.5冲洗液配方的选择

根据不同地层岩性以及钻进工艺对冲洗液的要求，该孔冲洗液使用共分为三个阶段。第一阶段为790m以上的第四系未胶结或胶结很差的松散覆盖层，该阶段使用单管钻进，不需要岩心，采用优质泥浆作为冲洗液；第二阶段为790～1 250m，该阶段泥岩和砂岩层夹杂高岭石化、绿泥石化等蚀变带、断层泥与角砾、粉碎状等破碎带、泥质和碳质页岩层、吸水剥裂地层等，使用绳索取芯钻进，采用PAB无固相聚合物冲洗液；第三阶段为1 250m以后，岩石相对完整，夹杂少量破碎带，采用聚丙烯酰胺、植物胶、以及切削膏作为冲洗液材料。

3.5.1初始泥浆的选择

由于第四系覆盖层较厚，地层结构复杂，在钻进不同地层时应选用不同性能的泥浆。

（1）钻进砂、砾层时使用的泥浆。在砂层、砾石、卵石以及破碎带地层中钻进，由于颗粒之间胶结程度低，钻进时孔壁很容易发生坍塌，加大施工难度。对于解决这类地层中泥浆护壁困难等问题，关键是增加孔壁颗粒之间的胶结力。粘性较大的泥浆适当渗入孔壁中，可以明显加强砂石、砾石之间的胶结力，以增强孔壁的稳定性。泥浆配方见表2。

表2　钻进粘土、泥页岩使用的泥浆配方表

泥浆性能：比重1.03～1.07kg/L，粘度30～35 s，失水量小于12mL/30min，pH值为9～9.5左右。

（2）钻进粘土、泥页岩时使用的泥浆。在粘土、泥页岩中钻进时，经常遇到的问题是钻孔孔壁的遇水膨胀、缩径，甚至塌孔。其原因是粘土、泥页岩中存在着大量的粘土矿物，尤其是蒙脱石粘土矿物的存在，使孔壁中的粘土在接触到冲洗液中的水时，即发生吸水、膨胀、分散等情况。解决这类问题的方法，使用无机盐KCl为离子交换型抑制剂，抑制粘土膨胀，泥浆中加入絮凝型聚合物，聚合物吸附在井壁上，以包膜原理阻止水渗入孔壁而维持孔壁稳定。泥浆配方见表3。

表3　钻进粘土、泥页岩时使用的泥浆配方表

泥浆性能：比重1.02～1.03kg/L，粘度25～35 s，失水量10～12mL/30min，pH值8.5～9。

（3）泥浆的维护。在钻进砂土、粘土、泥页岩地层时，泥浆的性能会随着泥砂成分的浸入变化，泥浆中含砂量过高，不仅会造成水泵、钻具和钻头的严重磨损，而且还会使泥皮厚而松，渗透性大，失水量大，甚至出现泥皮垮塌，造成卡、埋钻事故。因此，在钻进工程中，必须做好泥浆的净化工作，施工现场采用了旋流除砂器对泥浆进行机械处理。在大段水敏性复杂地层中钻进，即使机械可以清除大部分泥砂成分，也仍会有相当多的泥砂质成分混入泥浆，水化分散，成为泥浆的组成部分。因此，泥浆粘度、固相含量上升，泥皮增厚。应及时使用稀释剂、降失水剂、絮凝剂等进行维护，使泥浆性能保持在规定范围内。泥浆通过水敏性复杂地层时，采用泥浆处理剂虽可控制粘度，固相含量和失水，也能延缓泥皮增厚速度，但泥皮增厚的趋势却无法阻止，因此，当泥皮增加到一定程度后，只能全孔排放，更换新泥浆［4］。

3.5.2PAB无固相冲洗液使用

PAB为高分子聚合物钻探护壁材料，由PA和PB两种白色粉末状材料组成，PA粉主要由聚乙烯醇和其他高分子材料组成，PB粉主要为化学材料构成的交联剂。聚乙烯醇是一种长分子链的高分子材料，因其吸附速度快、强度大等特点广泛应用于涂料行业，在PAB冲洗液中，聚乙烯醇等高分子材料通过交联剂链接后形成网状结构，在孔壁上吸附成网、成膜速度快，胶结性强，具有很好的护壁性能。

高岭石化、绿泥石化等蚀变带岩石遇水分解（图2），将取上的岩芯分别泡在水中、泥浆中、PAB冲洗液中，岩芯泡在水中以及泥浆中的岩芯5min后全部分解为细颗粒状，而泡在PAB冲洗液中的岩石相对比较完整（图3），由此可见PAB冲洗液在该地层具有良好的护壁效果。

图2　

图3　

PAB冲洗液的配制：1m3钻井液中，加入5%的PA溶液160～240 L、1.5%的PB溶液100～130 L。

预溶5%的PA溶液：水960 L，加入PA粉50kg，撒面式加入，溶搅20～24 h。

预溶1.5%的PB溶液：水990 L，加入PB粉15kg，溶搅4～5 h。

PAB冲洗液性能：粘度21～24 s，失水量6.5～8.1mL/30min，pH值7.4，蚀变层岩样浸泡不易松散。

3.5.3第三阶段冲洗液使用

第三阶段岩石相对完整，夹杂少量破碎带，采用清水中加入聚丙烯酰胺作为冲洗液，但由于钻孔深度的增加，孔内钻杆增长，摩擦阻力增大，钻杆磨损加快，钻机负荷增大，而且难以提高转速以适应金刚石钻进的需要，还容易造成断钻杆等孔内事故。因此冲洗液中加入切削膏作为润滑剂，能有效降低摩擦阻力，减小回转阻力，同时也可以减少动力和材料消耗，延长钻具寿命。