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朱溪矿区厚大煤系地层高密度低失水泥浆的应用

2020-11-06 101 上传者：管理员

摘要：在详细介绍朱溪矿区厚大煤系地层的特点和钻探施工难点的基础上，提出了泥浆性能指标要求，并据此进行高密度低失水泥浆的选择与配制。后结合ZK1013孔和ZK1814孔2孔的实际应用案例，进一步证明：以石灰石粉为加重剂、以羧甲基纤维素为主要降失水剂、以磺化沥青和腐植酸钾为页岩抑制剂、以腐植酸钾为降粘剂的高密度低失水泥浆，完全适用具有松散和破碎为主、水敏次之的煤系不稳定地层钻进。

关键词：
工程地质学
朱溪矿区
煤系地层
高密度低失水泥浆
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江西省浮梁县世界级朱溪外围钨铜多金属矿，位于江西省东北部景德镇—乐平之间，行政区划隶属景德镇市浮梁县寿安镇、乐平市涌山镇等管辖。矿区内地层结构复杂，赋矿层主要为碳酸盐岩，岩溶发育；底板主要为浅变质岩，以板岩、千枚岩、变质粉砂岩为主，浅变质岩中夹有较多石英脉，软硬夹层较多且产状较陡；顶板主要为碳酸盐岩夹燧石结核，砂岩夹薄层状粉砂岩、炭质页岩及煤层，软硬夹层普遍。2017年年底和2018年5月，朱溪矿区深孔ZK1013和特深孔ZK1814，均在钻孔上部孔段钻遇厚大煤系地层，后通过高密度低失水泥浆的应用，成功解决了孔内严重掉块、坍塌、泥包钻头等施工困难。现把朱溪矿区厚大煤系地层应用高密度低失水泥浆总结如下，供同行们参考。

1、煤系地层特点

煤系是含煤岩系的简称，是指在一定地质时期连续沉积形成的一套含有煤层并具有成因联系的沉积岩系。煤的结构复杂，以炭质页岩、含炭质粉砂岩为主。煤系地层具有松散和破碎为主、水敏次之的不稳定特点，详见表1。

2、钻探施工难点

煤系地层钻探施工，可能存在以下困难：

(1）下钻不到底。因煤系地层结构松散、强度低、破碎严重，遇水易分散易溶胀，还可能地应力异常，容易引起孔内掉块、坍塌甚至缩径现象的频繁出现，使钻孔下行通道直径变小、深度变浅，严重阻碍钻具下钻到底，增加了扫孔时间、工作量和阻力，存在发生卡钻、埋钻等孔内事故的很大隐患。

表1煤系地层特点

(2）起钻阻力大。孔内掉块、坍塌甚至缩径现象的频繁出现，使孔内钻具与原有孔壁正常间隙变小，缩小钻具上行通道，增加钻具上行阻力，阻碍起钻顺利进行。严重者，钻具起拔不上，直接造成卡钻、埋钻事故的发生。

(3）钻进时孔内情况异常。动力机负荷大，钻具回转阻力大，霸车甚至反转存在可能；岩芯易堵塞，回次进尺短；绳索取芯内管投放、打捞困难；水泵压力高，憋泵常发生。

3、泥浆性能指标要求

针对煤系地层的松散特点：(1)泥浆中应添加具有胶结、粘接作用的处理剂，提高松散碎屑和颗粒之间的胶结能力；(2)在泥浆中应添加封堵材料，快速封堵地层孔隙，有效阻止泥浆中自由水大量进入地层，避免孔壁岩体强度降低，同时防止孔壁形成虚厚泥皮；(3)适时、适当提高泥浆密度，以液柱增加对孔壁的支撑力；(4)适度提高泥浆的粘度，就是提高松散颗粒之间的粘接性；(5)降低泥浆的失水量；(6)适当增加钻具环空间隙，尽可能采用较小泵量，降低起下钻速度等，以减少泥浆对孔壁冲刷、抽吸、挤压的破坏性。

针对煤系地层的破碎特点：(1)适当提高泥浆密度，即提高泥浆的液柱压力，使其能够平衡地层的岩石侧压力；(2)在泥浆中添加封堵材料，快速填塞碎块之间的裂缝；(3)控制适当的泥浆失水量和形成薄而有韧性的泥皮，有效阻止泥浆中自由水大量进入地层；(4)泥浆中应添加具有胶结、粘接作用的处理剂，提高破碎岩块之间的胶结能力；(5)适度提高泥浆的动切力和静切力，就是提高泥浆的悬浮能力，使掉块或坍塌物不至于快速下沉导致孔内事故；(6)适当增加钻具环空间隙，控制钻进速度，起下钻速度平稳，起钻坚持进行回灌等，以减少泥浆对孔壁冲刷、抽吸、挤压的破坏性。

针对煤系地层的水敏特点：(1)保持较低的泥浆失水量和形成薄而有韧性的泥皮，以降低地层的水化作用；(2)添加无机盐、K+或NH4+、高分子聚合物等，提高泥浆的抑制性能，抑制地层的水化膨胀和分散；(3)在泥浆中添加封堵材料，快速封堵孔隙和填塞碎块裂缝；(4)适当提高泥浆密度，使其能够平衡岩石侧压力控制地层坍塌；(5)适当增加钻具环空间隙，起下钻速度平稳，以减少泥浆对孔壁冲刷、抽吸、挤压的破坏性。

鉴于金刚石绳索取芯钻进工艺的特点：金刚石钻头高转速磨削破岩，内岩芯管能自由地从钻杆内投放孔底，取芯时不提出钻杆，用钢丝绳打捞器把内管打捞上来（钻杆内外径都比较大，接头平齐，钻杆与孔壁、内管与钻杆内壁的环状间隙小），使用泥浆时存在以下技术难题：(1)钻杆环空压力大，实现压力平衡钻进困难；(2)起下钻时对孔壁的抽吸、挤压作用大，易抽垮和压裂地层而引起孔内事故；(3)泥浆老化，泥皮过厚，容易发生粘附卡钻事故；(4)煤系地层需要较高的固相含量，与金刚石钻进要求良好的润滑性和较低的固相含量相矛盾。

4、高密度低失水泥浆选择与配制

4.1高密度低失水泥浆选择

(1）高密度实现压力平衡钻进——防止煤系地层掉块、坍塌。在煤系地层被钻开后，原有的地层压力平衡状态被打破，松散、破碎的孔壁岩石承受的指向孔芯的径向压力，在抵消所受的泥浆液柱压力后大于岩石的抗剪强度时，孔壁就会发生掉块、坍塌等剪切破坏。因此，提高泥浆的密度，增大孔内液柱压力，无疑是维持孔内压力平衡状态、确保孔壁岩层稳定的最主要思路。同时，添加具有胶结、粘接作用的处理剂，以封堵岩石孔隙和填塞碎块裂缝，提高孔壁岩层的粘聚力，从而提高其抗剪强度，也是防止煤系地层掉块、坍塌的重要措施。石灰石粉具有提高泥浆密度平衡地层压力和岩石侧压力的作用。

(2）低失水实现低渗透性——防止水敏性地层的水化。煤系地层含有一定的炭质页岩、泥质岩，要抑制泥页岩等水敏性地层的分散、膨胀和剥落，必须控制泥浆的失水量在较小的范围并实现低渗透，同时采用添加诸如无机盐、K+或NH4+、高分子聚合物等，提高泥浆的抑制性能，抑制地层的水化膨胀和分散，保持孔壁的完整性。羧甲基纤维素是常用的降失水剂，含Ca2+的石膏能控制粘土的水化分散能力，磺化沥青能有效抑制页岩水化膨胀，有限封堵地层微裂隙防止剥落性页岩坍塌，兼有较好的润滑和降失水作用。

(3）良好的流变特性——满足金刚石绳索取芯钻进工艺所需。泥浆流变特性，是指在外力作用下发生流动和变形的特性。基本流变参数有：表示泥浆开始流动时最小剪切应力值的静切力；表示泥浆在层流流动时粘土颗粒之间及高分子聚合物之间的相互作用力即形成空间网架结构能力强弱的动切力；反映泥浆中网架结构的破坏与恢复处于动平衡时，悬浮粒子之间、悬浮粒子与液相之间以及连续液相的内摩擦力大小的塑性粘度；反映采用漏斗粘度计测定流出一定体积（例如500mL）泥浆所经历时间长短的漏斗粘度；反映泥浆稀稠程度的稠度系数等。为满足金刚石绳索取芯钻进工艺所需，要求泥浆固相含量低、密度低、粘度低、动切力低、静切力高、适当的失水量。腐植酸钾能抑制页岩水化膨胀和分散，还具有降粘度和降失水作用。

4.2高密度低失水泥浆配制

现场配制高密度低失水泥浆，一般是在煤系地层钻了一定厚度之后，经常出现下钻不到底、起钻阻力大、钻进时孔内诸如回转阻力大和水泵压力高甚至常憋泵等异常情况，原有泥浆不能满足孔内护壁需要而进行的。总结起来，现场配浆大体可分为基础起始、调整提高和稳定巩固3个阶段。

基础起始阶段配制高密度低失水泥浆，必须：(1)准确计算钻孔和泥浆池容积，设计泥浆密度、粘度、失水量等主要指标范围，初步确定泥浆配方，计算并准备所需各种泥浆材料；(2)按配方加粘土粉搅拌成基浆并充分水化；(3)按配方将提前加水浸泡调成溶液的羧甲基纤维素等高分子材料加入原浆中搅拌均匀；(4)按配方加入页岩抑制剂、降失水剂等搅拌均匀；(5)分2～3批次加入增大泥浆密度的石灰石粉，加入过程中多测试泥浆密度、粘度和失水量，直到达到计划值为止。

调整提高阶段配制高密度低失水泥浆，是根据使用基础阶段所配泥浆后的第一反映，如下钻扫孔的掉块、坍塌是否减少，钻具能否到底，钻具到底是否憋泵，回转阻力大或不大，上返泥浆性能指标变化，或第一回次钻进过程和取芯等种种具体情况，综合判断所配基础泥浆是否有效，还存在哪些方面性能需要改进，并据此调整泥浆的密度、粘度和失水量等指标性能。之后，继续第二、第三回次的观察、分析、判断，并相应调整泥浆，直至孔内干净、安全。

稳定巩固阶段，是在泥浆调整提高阶段结束后，在继续保持孔内安全的前提下，通过进一步优化泥浆材料配比和改善泥浆性能指标，创造正常钻进的孔内良好环境，达到更大程度满足绳索取芯钻进工艺所需、争取早日钻穿煤系地层直至下套管或终孔的目的。此阶段，一般是轻微下调泥浆的密度和粘度指标。

5、工程应用

5.1ZK1013孔煤系地层应用高密度低失水泥浆

设计孔深为2300m的ZK1013孔，下⌀114mm套管隔离了23.72～388.03m的之间多段极其破碎的炭质页岩、含炭粉砂岩的煤系不稳定地层后，采用⌀96mm口径金刚石绳索取芯钻进工艺继续钻进煤系地层至孔深711m，起钻，换钻头。在随后下钻中,发现孔深470～491m、630～650m、703～709m三段严重垮孔，扫孔时回转阻力大、泵压高甚至憋泵、无法加杆等现象始终存在。在先后采取4次水泥固孔都未收到理想效果后，决定选用高密度低失水泥浆护孔。

按前述配制高密度低失水泥浆方法要求，在基础起始阶段，在4%粘土浆中，采用加量50%的石灰石粉、加量1.25%的磺化沥青、加量0.25%的低荧光防塌护壁剂、加量0.07%的羧甲基纤维素、加量0.05%的聚丙烯酸钾等材料配制泥浆（泥浆密度1.30～1.35g/cm3，漏斗粘度33s，失水量7～8mL），历经20d，终于扫孔到底并开始进尺；在调整提高阶段，逐渐降低石灰石粉等加量以降低泥浆密度和粘度；在稳定巩固阶段，采用加量25%的石灰石粉为加重剂、加量1.85%的磺化沥青为页岩抑制剂等配制泥浆（泥浆密度1.12g/cm3，漏斗粘度23s，失水量7～8mL），钻至930m深度，煤层结束，是稳定的灰岩，继续钻进灰岩于1079m处，下入⌀91mm套管彻底隔离煤系地层，最终⌀76mm口径终孔深度2277.59m。

5.2ZK1814孔煤系地层应用高密度低失水泥浆

设计孔深为3000m的ZK1814孔，采用HXY-9B钻机和⌀140mm钻杆、⌀150mm绳索取芯钻进方法，通过螺杆钻多次纠斜，钻穿了深度接近800m的变质岩，进入煤系地层将近200m。5月18日白班钻进深度至991.77m，晚班接班投内管后到位即加单根，在随后的短距离扫孔过程中，回转阻力大且憋泵，停车时出现钻具反转和一异常响声。马上上顶立轴钻杆，拆除1根单根后，开泵，不通水。再上提1根单根过程中，钻杆反弹，阻力消失，拆除第2根单根后，开车轻松，开泵通水。继续扫孔。在缓慢扫完1根单根到底时，不进尺且泵压高。多次上下活动无效，只得打捞内管，但多次均不成功。无法，只有起大钻。起钻时，仅下部几根立根堵水，后发现弹卡室以下的上扩孔器、外管、下扩孔器、钻头和整根内管及内管总成，均遗留在孔内，且弹卡室下端公扣破损，形成了钻具事故。

鉴于前一日起大钻后重新下钻时有超过20m的深度不到底，可以说，近200m厚的煤系地层钻进中，孔壁不稳定，地层松散、破碎、水敏甚至压力异常，掉块、坍塌严重，所用护孔泥浆存在很大问题。为此，按照类似ZK1013孔的做法，通过采用以石灰石粉为加重剂、以羧甲基纤维素为主要降失水剂、以腐植酸钾为页岩抑制剂和降粘剂的高密度低失水泥浆，控制密度1.25g/cm3、粘度25s、失水量6mL左右，确保了用打捞器焊在钻头内打捞内管（阻力大，捞矛头滑脱）、用母锥焊在钻头内打捞内管、用⌀122mm钻头打小眼、用公锥打捞外管的顺利进行，事故处理取得完全成功。并且，顺利钻进后续煤层，至1116.56m处，下入⌀140mm套管，改⌀122mm口径绳索取芯钻进。

6、结语

只要认真分析地层特点，仔细研究绳索取芯钻进中下钻、扫孔、钻进、打捞内管、起大钻、返浆等各种情况，以石灰石粉为加重剂、以羧甲基纤维素为主要降失水剂、以磺化沥青和腐植酸钾为页岩抑制剂、以腐植酸钾为降粘剂的高密度低失水泥浆，通过不断针对性调整配方（不是生搬硬套泥浆配方）及主要性能指标（也不是生搬硬套泥浆主要性能指标），完全适用具有松散和破碎为主、水敏次之的煤系不稳定地层钻进。

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