台江铅锌矿区钻井液应用技术

朱斗圣，张承飞，邓少东，江　松，谢海洋

（贵州省地质矿产勘查开发局112地质大队，贵州安顺561000）

台江铅锌矿区钻井液应用技术

朱斗圣*，张承飞，邓少东，江松，谢海洋

（贵州省地质矿产勘查开发局112地质大队，贵州安顺561000）

台江铅锌矿区钻遇地层复杂，岩石破碎，特别是白云岩风化严重，遇水溶解，取芯非常困难；孔壁坍塌严重，钻进艰难，风险大。针对该矿区钻进施工中存在的技术难题，开展了一系列的技术攻关，确定了钻进工艺和钻井液技术方法，形成了一整套钻井液技术措施。实践表明，该套钻井液技术解决了该矿区钻进中出现的各种难题，减小了孔内事故的发生，提高了钻进速度和岩芯采取率，为下一步的钻进施工提供了钻井液技术保证。

钻井液；聚丙烯酸钾；三套管

1　概述

1.1矿区简介

台江铅锌矿矿区位于黔东南州凯里市与台江县之间，山势陡峭，水源条件一般，施工用水要从山下的河流里用泵抽取，送水距离较远。交通条件一般，虽然有乡村公路，但是设备搬迁主要还是人工。矿区岩石整体由白云岩组成。该矿区处于一个大的断裂带上，岩石非常破碎，钻井液漏失严重；地表以下数十米完全风化成细砂，遇水即溶，给钻进、护壁和取芯工作带来极大困难。

从2003年开始，在该矿区断断续续进行过多次钻探作业，但是，由于孔内坍塌、漏失严重，钻进困难，没有一个钻孔达到地质目的，均为报废钻孔，而且岩芯采取率低，只能达到65%。

1.2区域地质背景

台江铅锌矿带位于扬子准地台与华南褶皱带过渡带的保靖—铜仁—玉屏—凯里—三都深大断裂带上，北东向（湖南）花垣—（贵州）都匀铅锌成矿带的中段。台江—施洞口深断层从矿区南东通过，两侧有基性—超基性岩出露，沉积盖层相变明显，显示出典型深大断裂特征。分布于该矿区南东侧的施洞口—龙井街断层，为上述深大断裂带在该区的浅部表现。矿化带南西起于凯里柏松，止于北东的龙井街，长大于10km。矿区内发育的岩层主要为寒武系中下统白云岩、泥质白云岩、粉砂质白云岩及白云质粘土岩。

1.3钻探任务情况简介

由于以往的钻孔都没有成功完钻，而且岩芯采取率只有65%，但是此次钻探任务却要求岩芯采取率必须达到75%以上。在该矿区，这样的要求是比较高的。所以此次钻探任务前期先布置5个钻孔，根据钻孔施工情况，再确定布置后续钻孔事宜。为此，必须采取先进的钻进工艺和钻井液技术确保钻探施工顺利进行。因此选择首先施工的钻孔ZK1201进行钻井液实验。实验成功以后再在第二个钻孔ZK1202中进行钻井液应用实验。如果应用试验成功，就能够在该矿区进行推广使用，为后续钻探提供技术保证。

2　实验钻孔ZK1201地层特点和钻井液技术难点

2.1地层及岩性情况（见表1）

由表1可以看出，本矿区的地层主要是白云岩。地表以下数十米完全强风化成细砂，遇水即溶。强风化层以下岩层非常破碎，易垮塌和掉块，全孔取芯困难。

2.2钻井液技术难点

由表1和岩芯图片可见钻井液技术难点主要表现在以下几点：

（1）地表以下几十米的白云岩完全强风化成细砂，松散，没有胶结力，钻进过程中极易坍塌，遇水即溶，要保证岩芯采取率很困难。

（2）强风化层下部岩石裂隙发育程度高，岩石破碎，极易掉块卡钻，从取出的岩芯可以看到，岩芯全部呈碎块状。钻井液主要沿着岩石裂隙面漏失，而且裂隙需要大量的钻井液进行充填，钻井液消耗量很大。

表1　ZK1201钻孔岩性情况

（3）由于矿区是处于一条大的断裂带上，钻遇地层有较厚的断层角砾，遇水容易吸水膨胀、崩塌，经常造成孔壁坍塌、缩径、埋钻等事故，钻具通过困难。

（4）根据地质设计要求，对钻孔质量要求高，全孔段岩矿芯采取率必须大于75%，也就是单个回次岩芯采取率都必须大于75%。让钻孔施工的难度大大增加。

2.3钻井液选择原则

保持孔壁稳定是安全钻进的重要条件，选择合适该地层条件的钻井液材料，增加钻井液的护壁能力，降低钻井液的滤失量，确保钻井液有优良的流变特性，满足携砂要求，保持钻孔清洁；形成薄而致密的泥饼，还要有良好的润滑性能，确保孔壁稳定。

针对以上地层特点，钻井液必须满足以下原则：

（1）有很强的胶结能力。由于该地层上部数十米是完全砂化，此孔段地层松散，遇水即溶，垮塌严重。钻井液必须具有较强的胶结力才能保证岩芯采取率，否则难以满足地质要求。

（2）要有很强的排砂能力和护壁堵漏功能。严格控制钻井液的滤失量，确保形成致密光滑的泥皮，预防孔内事故的发生。

（3）保持良好的流变性。钻井液保持低粘度、低切力、流变性好的性能，为局部反循环钻进制造有利条件。

（4）有良好的润滑防卡和防塌功能。

（5）有良好的抑制水敏性地层水化膨胀能力。

具体的井身结构根据钻探实际情况进行调整。初步确定在0～100m孔段选择局部反循环钻进工艺，100m以下孔段选择PQ、HQ3、NQ3绳索取芯钻进工艺钻进至终孔。

3　钻井液室内实验

3.1选择钻井液技术思路

在对以往钻遇地层进行仔细分析、认真研究的基础上，根据地层岩石特性和其它矿区的经验，在室内进行钻井液对比实验，确定采用低密度、低失水、低渗透性的抑制性钻井液体系。

对聚合物降失水机理的研究表明，高分子链与粘土颗粒的交联作用，在钻井液体系内部形成比较稳定的空间网架结构，粘土颗粒更加细化均匀分散，泥饼结构更加致密，从而有效地降低了钻井液的失水量。有效地抑制了断层角砾岩地层因水化膨胀而导致的钻孔缩径。为此，专门采用了几种降失水剂和页岩抑制剂做过实验，最后选定一个钻井液体系配方。

3.2钻井液处理剂的选择

根据地质设计、现场地层条件和钻进工艺，对市场上的钻井液处理剂进行筛选，选择了聚丙烯酸钾、水解聚丙烯腈胺盐（NH4-HPAN）、氯化钾、羧甲基纤维素钠（Na-CMC）、KL防塌护壁剂、磺化沥青防塌护壁剂、803堵漏剂等5种泥浆处理剂。原因是：①聚丙烯酸钾具有降滤失和抑制页岩分散的作用。而水解聚丙烯腈胺盐（NH4-HPAN）在以前的实验和应用中都已经试验成功。②高粘羧甲基纤维素钠（HV-CMC）具有降滤失和增粘的作用。在泥浆中含量较高时，亦具有一定的抑制页岩水化膨胀能力。③KL防塌护壁剂和磺化沥青防塌护壁剂具有良好的冷水分散性能，能够有效地抑制页岩膨胀和防止井壁坍塌；优良的降失水性能，泥皮致密坚韧；良好的润滑性能，可更好地防止粘附卡钻和一定的防垮塌作用。④803堵漏剂具有较好的随钻堵漏效果。⑤氯化钾。钾离子对水敏性地层的膨胀缩径也有一定的抑制作用。

3.3低固相钻井液的特点

针对钻孔上部细砂遇水溶解、下部掉块、断层角砾遇水膨胀缩径问题，根据在镇隆镇煤矿区钻井液实验情况，此次仍然采用低固相钻井液，其主要特点是钻井液体系中固相含量不大于4%，且以掺加不同的高分子聚合物维持钻井液性能。低固相钻井液是小口径金刚石钻进中最常用、最有效的钻井液体系，它既有无固相钻井液体系的高钻速，又有良好的携带悬浮岩屑能力和防塌性能。

根据室内实验，参考了其它类似地层钻井液使用情况，最终选择了聚丙烯酸钾钻井液。最主要的是聚丙烯酸钾钻井液具有较强的抑制水化膨胀的功能。

聚丙烯酸钾钻井液具有以下优点：（1）提高钻进速度；（2）钻井液润滑性能良好；（3）护壁性能良好，抑制水化膨胀的能力强，减少了缩径卡钻、埋钻等孔内事故，能够保证钻具顺利通过；（4）降低了钻探成本，减小环境污染；（5）有良好的流变性，能够满足局部反循环钻进工艺要求。

4　现场应用试验

4.1ZK1201钻孔试验

ZK1201钻孔设计深度550m，钻孔类型为取芯、直孔。实际钻深500.21m。采用CDM1800全液压岩芯钻机。

根据对该矿区以往钻探失败经验的分析总结，对矿区地层地质情况和钻井液技术难点的分析，确定井身结构如表2所示。

表2　ZK1201钻孔结构

在5～60m（具体深度根据现场实际情况确定）孔段采用局部反循环钻进工艺。其余孔段采用三套管PQ—HQ3—NQ3绳索取芯钻进工艺，确保岩芯采取率达到地质要求。

在5～60m孔段，根据地表出露的岩石和以往所取岩芯，并根据钻井液室内实验，确定选用钻井液配比如表3所示。

表3　钻井液配比

经过试验，该孔段应用效果良好，孔内坍塌、缩径、塑性变形都受到抑制，孔内事故得到控制，岩芯采取率大于96%，钻进顺利。钻穿强风化层以后，下套管护壁，换径钻进。

60m至终孔孔段，岩石非常破碎，钻井液漏失严重，添加了高粘堵漏剂和803随钻堵漏剂，高粘防塌护壁剂等。钻进工艺方面，为了保证岩芯采取率，使用三套管：HQ3、NQ3工艺。

通过试验，效果良好，全孔岩芯采取率达到了94%，完全满足了地质要求。

4.2钻井液在ZK1202钻孔中的试验情况

钻孔ZK1202设计孔深300m，实际终孔深度为530m。该钻孔强风化层比较薄，只有大约7m，所以强风化层采用Ø130mm口径开孔，采用普通无泵钻进至7.6m，下入Ø127mm套管进行护壁，然后换PQ—HQ3—NQ3绳索取芯钻进。

该钻孔地层比ZK1201更加破碎，很少有呈柱状的岩芯。孔内钻井液漏失严重，添加各种堵漏剂均无效果，所以采用顶漏钻进。

钻井液仍然采用ZK1201钻孔的配比，只是略加改动。顺利完成钻孔施工，终孔深度为530m，全孔岩芯采取率得达到93%。

经过上面2个钻孔的探索试验，所采用的聚丙烯酸钾钻井液完全能够满足该矿区钻探施工要求，为后续钻探提供了良好的借鉴作用。

5　现场钻井液维护

现场配备：一台搅拌机，使钠膨润土粉能充分水化分散；配备加药桶，将待加入的处理剂预先分散、水化、溶解；配备钻井液比重称、马氏漏斗粘度计、含砂量测定仪、API滤失仪和pH试纸以便测量钻井液性能指标；泥浆池、沉淀池、循环槽用水泥砂浆修筑，以免混入杂物污染钻井液。每班测量一次钻井液性能指标，根据测量数据加入相应处理剂调节以保持钻井液性能基本不变；停钻时除尽沉淀池、循环槽内的沉砂以保证钻井液较小的含砂量。钻井液性能指标与最初钻井液性能指标相差较大时换浆。

6　取得的效果

通过对这2个钻孔的试验实践证明，所使用的聚丙烯酸钾钻井液性能稳定，孔内钻进平稳，孔壁保持稳定，取芯比较顺利，顺利完钻。说明这种低固相聚丙烯酸钾钻井液完全满足该矿区地层的钻进要求。该2个钻孔的技术指标见表4。

表4　试验钻孔的技术指标对比表

7　结论与建议

经过ZK1201和ZK1202两个钻孔的钻井液探索试验表明，所选用的低固相聚丙烯酸钾钻井液对该矿区地层具有良好的润滑减阻和护壁效果，能够很好地抑制断层角砾岩和强风化白云岩地层的水化、膨胀，并兼有地层微裂隙堵漏效果。对破碎地层有良好的护壁功能。上述钻井液配方正在为该矿区后续钻探提供技术支撑。不同的地层钻井液配方并不是一成不变的，应该根据不同的地层和水质等具体情况，对钻井液的配方进行调整，才能满足钻孔施工需要。此外，钻井液性能的现场维护是十分重要的，在水敏性地层中施工钻孔，一般要求钻井液具有低密度、低滤失量、抑制性能良好、泥饼薄而韧性好、堵漏效果明显，就可以起到较好护壁作用。此外，还应该根据不同的地层和取芯要求，采用不同的钻进工艺，特别是HQ3和NQ3的应用，对提高岩芯采取率有非常大的帮助。

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1004-5716（2016）08-0088-04

2016-03-31

2016-03-31

贵州省科技厅社会发展科技攻关项目“贵州复杂地层深井钻探工艺应用研究”（黔科合SY字［2015］3002）；贵州省地矿局地质科研资金资助项目“地热钻井泥浆技术的研究应用”（黔地矿科合［2014］01）。

朱斗圣（1968-），男（汉族），贵州遵义人，高级工程师，现从事钻探工程技术工作。