化学泥浆在矿区钻探中的应用

2021-01-06李剑锋

中国金属通报 2020年10期

李剑锋

（山东省第五地质矿产勘查院，山东泰安 271000）

在矿区钻探施工中，孔内地质条件复杂，常常钻遇地层类型较多，且施工周期较长，对钻探施工造成较大阻碍，对钻探施工技术要求较高，钻进中需采用有效的泥浆护壁方式来保证孔内安全。传统泥浆护壁采用膨润土为原材料，而泥浆用量较多，通过采用化学泥浆护壁施工方式，在低浓度状态下粘稠度依然较高，可有效减少化学泥浆用量，并且在施工过程中对环境影响较小，应用优势明显。因此，对化学泥浆在矿区钻探施工中的应用方式进行深入研究。

1 矿区钻探存在的问题及对于化学泥浆的要求

在矿区钻探施工中，常见问题主要有以下几点：

（1）孔壁稳定性降低，护壁施工难度大。在矿区复杂地层钻探施工中，如果地层复杂程度较高，布孔数量较多，在钻进施工中所需时间长，容易发生孔壁失稳问题。因此，在矿区钻探施工中，必须结合实际情况加强护壁施工控制。

（2）回转阻力较大，所需动力和材料较多。在矿区钻孔施工中，随着钻进深度的增加，钻杆长度增加，同时摩擦阻力增大，钻杆磨损程度严重，钻机负荷大，容易导致钻杆断裂，进而对钻进施工顺利进行造成不良影响。对此，在矿区钻孔施工中，必须严格控制回转阻力。

（3）钻头寿命短。矿区钻探地层复杂，地层破碎、冲洗液漏失等现象常见，很容易发生钻头磨损、冷却不及时烧钻等事故，导致钻头使用寿命较短。

（4）钻进效率低，钻孔施工成本高。在矿区复杂地层钻进施工中，随着钻进施工深度的不断增加，钻进周期较长，如果不能及时采取有效的护壁施工方式，则会造成孔壁失稳引发各类孔内事故。由此可见，在矿区钻探施工中，要求结合实际情况选择适宜的泥浆材料，不仅能够达到良好的护壁和润滑功能，同时还可清洗孔底、冷却钻头。

2 化学泥浆在矿区钻探工程中的应用方式

2.1 泥浆参数的选择

在矿区钻探施工中，泥浆质量是影响钻孔效果的重要因素，在不同地质环境钻探中所需泥浆参数也有一定区别。比如，如果钻孔区域为砂土层，则可采用平底钻头进行钻进施工，可对钻进施工进度进行有效控制，使得孔壁四周能够形成泥皮护壁，在具体的钻进施工中，可调整为低档转速，并以大泵量和稠泥浆进行钻进。另外，如果钻孔区域为砂卵砾石土层，则在钻孔施工中可能会发生跳钻，对此，可适当降低钻进速度，并且采用大泵量、稠泥浆、分级钻进施工方式。

另外，在对泥浆质量进行分析时，还需综合考虑泥浆粘度、比重和失水性。在不同地层层位，要求结合实际情况选择适宜的泥浆粘度、比重和失水性，可有效提高泥浆悬浮矿渣能力，并形成厚度小、韧性强的护壁泥皮，确保孔壁稳定性。

2.2 化学泥浆在钻探过程的具体应用

在泥浆配置完成后，即可将泥浆注入至泥浆池中，利用泥浆泵，将泥浆压入至地面高压管汇，分别通过水龙带、水龙头以及钻杆，最后进入钻头，从钻柱与孔壁的环状间隙上返至地面。随着钻进深度的不断增加，钻屑可随泥浆不断上返，并从孔口中涌出，当钻屑流经固控设备后进行处理，去除钻屑，最后将干净泥浆再返回流入泥浆池中，对泥浆进行循环利用，如图1 所示。在泥浆循环利用过程中，不仅可发挥护壁作用，同时还可润滑钻杆、冷却钻头，确保钻探施工的顺利进行。

在实际施工中，需根据钻探施工实际情况制备适宜比重和粘度的泥浆，然后使其在泥浆循环系统中循环，同时回转钻头进行钻进施工，对孔壁起到保护作用，避免发生塌孔事故。只有保证泥浆比重合理，粘度适中，才能有效悬浮携带钻屑，以回流的方式将钻屑排出孔内，经固控处理至沉渣池中。在此过程中应注意保持泥浆循环不断流，将处理后泥浆持续补充至钻孔中。

图1 泥浆循环示意图

3 矿区概况

某矿区地层厚煤层和破碎层位较多，水敏性强，容易吸水发生膨胀和垮塌，如图2 所示。该矿区断层带主要包括砂及泥、砾石碎屑，容易发生垮塌，如图3 所示。如果在断层影响下发生垮塌，由于垮塌物粒径较大，因此钻探施工难度较大。综合考虑施工区域地质条件，采用普钻施工方式，钻具孔壁间隙比较大，在调整冲洗液粘度后，钻具回转情况良好，在坍塌地层中能够保证钻探施工的持续性。

图2 水敏层坍塌

图3 断层坍塌

4 矿区钻探施工

在该矿区施工中，含煤层数量多，地层容易发生坍塌事故，另外，由于水敏性强，因此容易发生膨胀。综合考虑矿区地质环境特征，采用普双钻进施工方式。在钻进施工中，共8 个钻孔，在钻进施工中均遇到复杂地层，对此，要求采用适宜的化学泥浆，当钻进过程中遇到坍塌地层时，可及时提高泥浆粘度，增强泥浆降失水，即可有效排除钻孔中的沉渣以及垮塌物，无需采用扩孔下套管施工方式。

比如，在某钻孔施工中，在钻进深度为270m 时，已穿过2 层煤层，但是在钻进深度达310m 时发生垮塌，在增加粘度以及降失水后持续钻进，但是在钻进深度达340m 时再次出现垮塌物，在后续钻进施工中，垮塌物多次出现，很难保证钻进施工的顺利进行。对此，取上孔底沉渣进行分析，为断层构造物，是由沙砾石碎屑以及泥等所组成的。综合考虑钻孔施工实际情况，采用水泥封堵施工方式，在300m ～350m 孔段施工中，在经10 天多次封堵处理后依然存在坍塌、泥沙、砾石等，说明断层或者煤层已产生较大洞，并且孔径较大。对于250m ～350m 孔段，采用水泥封闭施工技术，首先采用6O″泥浆对孔底进行冲洗，然后清理泥浆池，并以盐：水泥：水=2：50：35（以kg 为单位）比例配置水泥浆，用泵将水泥浆送入至孔底，2 天后固结，第三天扫孔，在深度250m 位置取完整水泥石块，经检测分析，试块硬度为3级，能够有效保护孔壁，并且在后续钻进施工中，没有出现垮塌事故。

5 化学泥浆的调配与维护

化学泥浆性能对于孔壁稳定性的影响较大，在不同地层钻进施工中，需采用不同配方的化学泥浆，保障钻探效益和钻探施工质量。如果地层结构稳定，无垮孔和坍塌，则可采用无固相、低固相化学泥浆，而如果地层结构稳定性比较差，则应结合实际情况配置不同性能的化学泥浆，在施工现场配制泥浆时，要求各类处理剂预制24h 以上才可使用，可充分发挥各类处理剂的作用。如果施工现场条件允许，可在施工现场设置加长循环槽以及3 个沉淀池，并且经常捞出循环槽以及沉淀池中的沉渣，避免岩粉进入泥浆池中。在钻探施工现场预制泥浆时，可采用2 个泥浆池，其中，主池以循环泥浆为主，而副池以预制泥浆为主，另外还需配制3 个空油桶，分别预制PAM、PAN、CMC。各种化学泥浆处理机的预制和配方如表1 所示，各类化学泥浆使用性能如表2 所示。

表1 泥浆各种处理剂的预制和配方表

表2 各种地层泥浆性能

在化学泥浆制备中，采用400L 搅拌机分批次搅拌化学泥浆入池，持续搅拌一桶膨润土泥浆，然后再分别搅拌一桶PAM 以及PAN，大池装满后充分搅拌。在钻探施工中，应结合钻探施工进度及时预制泥浆以及处理剂，并在泥浆使用中对泥浆性能进行检测，如果遇水敏性地层以及断层，可适当增加泥浆粘度，保证泥浆降失水能力。