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试析煤田绳索取芯钻探工艺与低固相泥浆体系的结合

2020-06-01 268 上传者：管理员

摘要：煤田钻探离不开泥浆，泥浆是煤田钻探生命保证，然，时至今日，煤田钻探仍采用传统普通钻探技术，优质高效的绳索取芯钻探工艺应用受阻于20世纪七八十年代推广失败，究因于钻杆内壁结垢内具打捞困难、孔壁坍塌严重等问题。我们认为，通过分析研究历史失败因素、煤田地层软弱之钻探泥浆特性、现有绳索取芯工艺特点，突破思维空间，另辟新径，研究解决制约绳索取芯钻进技术应用因素，如钻杆内壁结垢、深孔泥浆循环高泵压、高流速冲刷破坏孔壁稳定和绳索钻具结构等缺陷问题，从各种制约因素入手，全方位多角度采取措施，解决实际存在的矛盾，实现煤田钻探应用绳索取芯钻进工艺之目的。研究改良泥浆流变特性，使之良好适应绳索取芯钻进工艺要求是重要技术措施之一。主要介绍了煤田绳索取芯的难点、技术措施和LBM低固相泥浆体系在钻探施工的应用。

关键词：
地质勘探
实验效果
泥浆体系
煤田地层
煤田绳索取芯
解决思路
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1、煤田地层分类特性

（1）泥岩类地层。泥岩类地层特点：遇水后产生水化膨胀、分散和崩解等现象，导致钻孔缩径、坍塌等现象，而且泥岩易于造浆，使泥浆的粘粒固相含量升高，易产生泥包钻头、“憋泵”和糊钻等现象。因此，要求泥浆具备良好的携带岩粉能力，失水量要小，泥饼要薄而韧，固相含量要低等。

（2）炭质岩和煤系地层、破碎带。炭质岩和煤系地层遇水分散离析，颗粒无胶结，极易坍塌；构造破碎带顾名思义地层破碎，常出现漏水或涌水现象，易掉块坍塌。抑制坍塌掉块是主要任务，要求泥浆具有良好的造壁性、失水量小、泥饼薄而韧，在不漏失的情况下可适当提高泥浆比重。

穿过这种极弱地层且稳定后，适当降低各种泥浆材料的加量，使其尽可能“轻、稀”（即低粘低固相），利于提高钻速、降低流阻、减轻冲刷破坏作用，减少成本，提高效率。

（3）砂岩类地层。煤田地质中砂岩类地层相对稳定，但微晶胶结仍不强（钙质、泥质胶结），仍需使用泥浆，但对其要求不是很高，要求泥浆失水量相对较小、携带岩粉能力较强即可。用于泥岩类、散碎类地层泥浆都适用于本层。

2、煤田绳索取芯技术存在的问题

煤田钻遇地层结构软弱不致密，侵水膨胀或剥落，岩屑多且颗粒粗，易坍塌，易超径，全孔需泥浆护壁。现有常规绳索取芯钻具应用于煤田地质钻探，存在以下问题：

（1）标准钻孔结构级配外环空间隙较小，大流量、高粘度泥浆循环系统压力过高，会对软弱煤系地层造成冲刷、压漏或提钻抽吸破坏作用；

（2）绳索钻杆内壁容易结垢，导致内管钻具捞投障碍，甚至卡夹；

（3）钻具结构间隙小，过流通道面积小，泥浆通过局部流态急剧变化，高速涡流对钻具部件冲刷破坏作用显著，局部压力损失较大。

（4）如若泥浆兼顾性不好，泥质岩的易膨胀缩径和炭质岩、煤层的易坍塌超径特性，会引发钻杆折断、吸附卡钻事故；

（5）绳索取芯钻具内管系统结构复杂、精致，部件配合间隙较小，而且循环液通过截面积较小，因此流体冲刷破坏作用较大，部件易于损坏。

3、解决问题思路

首先按照绳索取芯钻具固有特性和钻进工艺特点，从优化泥浆性能着手，在保证孔壁稳定的前提下，探索研究煤田钻探实现绳索取芯钻具成功应用，其次探索研究采用常规环保新材料，便于废浆处理，避免污染。

（1）从改善泥浆性能出发，减小泥浆的沿程和局部压力损失，探索研究低粘低阻（高润滑）高流变性泥浆。

（2）从解决钻杆内壁结垢、避免捞投卡夹事故出发，探索研究适用煤田护壁低固相泥浆（重点解决泥浆固相含量问题）。

4、煤田绳索取芯泥浆的性能要求

基于上述特征、难点和因素，煤田绳索取芯钻进更是复杂的“复杂地层钻进技术”，其对泥浆的性能要求更高，须具备以下功能：

（1）具有良好的流变性能，即具有较好的剪切稀释性能，有效降低流动阻力，同时良好携粉和分选沉砂，既提高钻速，又降低含砂，有效防止绳索取芯钻杆内壁结垢；

（2）具有良好的造壁性能，泥浆滤失量低，泥皮质量好（薄而坚韧），能有效抑制水敏地层失水，有效抑制地层吸水膨胀缩径和剥离作用，防止吸附粘钻、地层压漏、掉块和垮塌；

（3）有较好的润滑性能，能减小钻柱回转阻力，有利于高速回转；

（4）固相含量尽可能低，减少固相结垢和冲刷破坏作用；

（5）现场使用、调整和维护方便。

5、生产试验与效果

（1）地层特点。我单位所施工钻孔所处区域地质构造属中朝准地台淮河台坳淮北陷褶断带。岩层变换频繁、煤层薄而多，断层、褶皱发育，致使煤系地层岩石的完整性、稳定性差。主要表现有：

（1）遇水膨胀类地层，如粘土层、泥岩，其中含较高蒙脱石、伊利石、绿泥石等粘土矿物，易分散造浆（泥浆增稠），引起粘附卡钻、钻头泥包甚至糊钻，且吸水膨胀后造成钻孔缩径；

（2）遇水剥落类地层，如钙质或泥质砂岩、炭质岩、中—全风化岩、溶洞泥砂，弱—无胶结，水分子作用使矿物结合力减弱或消失，在机械振动和自重作用下发生剥离散落，钻孔易坍塌、超径，进而引发易埋钻、断杆事故；

（3）断层破碎带类地层，受地质构造力的破坏作用发生挤压、张拉或扭转现象，产生强烈破碎效果，除后期复又胶结外，多呈不规则松散状态，无胶结，自漏失或压漏失，钻进因阻力不均扭转振动剧烈，散落掉块，引发卡埋钻事故；

（4）有些区域存在上述复合状况，反复交替出现，软、弱、碎层交替，水化、水淅作用同时发生，钻孔会同时出现缩径、超径、坍塌、掉块、漏失等恶劣情况。

（2）泥浆体系的选配。根据煤田钻探特点和绳索取芯工艺要求，结合具体钻孔地层特性，研配煤田绳索取芯新型环保泥浆，要求“三低一好”（低粘度、低失水量、低固相含量、润滑性能好），满足煤田绳索取芯工艺要求，达到护壁堵漏的效果，而且环境污染小，废浆易于处理。本项目采用LBM低固相泥浆体系，利用常规泥浆处理剂，配制适合煤田绳索取芯环保型多功能复合泥浆。经过室内试配试验，优选配比如表1所示。3种配比相互兼顾，统一处理剂品种，只需调整加量即可调节性能参数，方便野外使用。

（3）钻进技术参数。为降低钻杆对孔壁的冲击扰动，防止钻杆内壁结垢，回转速度选用较低，而泥浆泵量选择较大，利于排屑和防止结垢。钻孔发生坍塌后，即使采用单管钻具，泵压也相对较高，说明绳索取芯正常生产情况下，泥浆流变性能和采取的扩径措施是科学有效的。钻进技术参数见表2。

表1泥浆试验优选配方表下载原表

表1泥浆试验优选配方表

（4）生产简述。根据地质设计书，初始于砂岩层（359.90m始）使用了3号配方“轻稀”泥浆，由于经验不足，钻进至405.99m发现孔内坍塌，填埋高度达8m，水泥封填后改用1号防塌泥浆。钻进至564.13m，钻进绵柔进尺较慢，泵压较高，提大钻发现下部钻杆及钻具泥糊现象，属轻度吸附粘糊钻状态，查看岩芯，已连续钻进泥岩层近40m，随调用2号泥浆，钻进恢复正常。综合1号、2号配方使用情况，既要防坍塌，又要防糊钻，现场多次调整配方，确定最优泥浆配方称为4号配方（表3），性能介于二者之间，一直钻进至孔深1157.27m，孔壁稳定，孔内干净，生产正常。

表2钻进技术参数下载原表

表2钻进技术参数

注：1162.02m后孔内严重坍塌，底部100m⌀50mm钻杆+上部绳索钻杆单管或刮刀处理、钻进，泵压相对较高。

钻孔地层甚为复杂，绳索取芯段，我们将其划分为3类特性层。地层特性类别划分见表4。

表4揭示，泥岩占比高达55%，破碎带、煤层、炭质岩占比15%，合计达70%，其中断层破碎带5层、可采煤层9层、薄煤层10层及炭质泥岩8层，分布于不同深度，地层整体完整性极差（参见图1～图4）。

表34号泥浆优化配方

表4地层特性类别划分

（5）试验效果。根据室内研究试验，现场严格按试验配比配制了LBM泥浆，专业泥浆技术员现场指导调配、维护，监测泥浆性能，钻杆内壁无结垢，携粉排渣效果好，循环压力适中，内具投放打捞畅通无卡夹，护壁效果基本良好。现场实际使用泥浆（返浆）性能实测结果见表5。

绳索取芯钻进孔段，先后采用了3号、1号和2号配方，先从控制坍塌到后抑制缩径糊钻，最后形成并使用了优化的4号配方（为中后期主打配方），效果较好。整体来看，泥浆粘度较高（23s），泥浆切力相对较大，失水量较小，在增大的钻孔直径中使用较大泵量（提高钻杆内流速，防止结垢）的情况下，泥浆系统压力较低（泵压3MPa），小破碎带、薄煤层未出现坍塌，泥岩膨胀缩径抑制良好，泥浆悬浮和携粉能力很强，孔底干净，4～8mm坍塌颗粒都能有效排出孔外（塌孔时），未出现过卡钻、埋钻、烧钻、钻杆内壁结垢等现象，绳索钻具使用正常，基本实现了护壁目的。

图1374～410m代表岩芯

图2454～497m代表岩芯

图3710～875m代表岩芯

图41083m至终孔代表岩芯

6、结论

煤田地质属软弱复杂地层类型，破碎、风化、松散、软化等水敏层及漏失层，必须使用泥浆护壁。本钻孔运用的LBM低固相泥浆体系具有良好的针对性，基本解决了遇水膨胀软化、遇水剥落坍塌两大类型护壁相统一问题，采用大流量、低转速，较好地防止了绳索钻杆内结垢问题，说明适宜性泥浆和恰当的工艺可有效解决绳索钻杆内结垢问题。表5现场实际使用泥浆（返浆）性能实测结果表

（1）坚持“防塌护壁第一，满足绳索取芯工艺‘轻’、‘低’要求第二”原则，厘清泥浆功效与目的侧重点。

（2）在松散破碎严重的厚大层段，泥浆要及时调配，应增加泥皮韧性提高护壁能力；泥浆必须净化，不仅要除砂，还要配备除泥机进一步去除微粒、粘粒固相成分（泥浆高固相使泥皮增厚而松散）。

（3）配制的LBM泥浆经济、适应、常规、环保，流变性好，有效降低了系统压力，较好地防止了对软弱煤系地层的冲刷、压漏或（提钻）抽吸破坏作用。

（4）更为有效可靠护壁和低粘低阻泥浆的应用研究还需进一步努力。

蔡知,蒋杰.低固相泥浆体系在煤田绳索取芯钻探工艺的应用[J].西部探矿工程,2020,32(06):75-78.