CMC低固相冲洗液在毕节岔河勘探区复杂地层的应用

黄于超 谢范章

（贵州省煤田地质局地质勘察研究院,贵州 贵阳 550081）

引言

在毕节岔河勘探区实施绳索取芯钻进的主要"瓶颈"是复杂地层钻进中钻孔护壁问题。主要有：遇水敏性地层而引发孔壁缩径、水化膨胀；地层破碎、稳定性较差的厚（粉）煤层出现钻孔坍塌，扩径现象；由于绳索取芯钻进内外环状间隙小，冲洗液循环泵压高，对孔壁产生冲刷破坏和下钻具对孔壁产生激动压力作用，都会引起憋泵、钻杆折断、粘附卡钻、孔壁坍塌，钻具下不到位等事故。这些事故的发生，无法发挥绳索取芯钻进的优越性，针对岔河勘探区地层情况，使用有机处理剂（CMC）能够有效抑制水敏性地层水化膨胀，即可解决绳索取芯钻进在复杂地层的护壁防塌问题。

一、钻进地层情况（7-3#孔）

使用CMC低固相冲洗液钻进的地层，主要为煤系地层，煤层厚而多，变化频繁，岩石软硬互层，区内断裂构造发育，大小断层纵横交错，岩性较为破碎，其主要岩性以粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，岩石可钻性为8-10级。钻进中遇到构造破碎带，厚（粉）煤层，水敏性极强的泥岩等孔内就易出现掉块、煤层及泥岩坍塌等不利于钻进的现象，系极易发生孔内事故的复杂地层。

二、CMC加量对钻进的影响

CMC低固相冲洗液具有较低的比重（密度），在加量小于或等于3%的情况下，具有低粘度和低动切力，适合绳索取芯钻进冲洗液的要求，而且CMC的静切力变化较小，只需改变其加量，就能调节冲洗液流变性，控制层流或紊流，有利于绳索取芯钻进开高速，以提高小时进尺。由于绳索取芯钻进的环状间隙小，冲洗液上返速度快，低粘度，低切力有利于钻孔孔壁的稳定，极大的减少上下钻具和开泵引起的压力激动以及对孔壁的冲刷破坏，保护了孔壁。同时，CMC加量小于1.0%时，其动塑比较小（理论计算）即稀释剪切效果不大理想，虽然不影响冲洗液的携带岩粉的效果，但由于冲洗液失水量较大，尤其是初失水（动失水）较大，不利于水敏性地层的护壁，但经失水仪检测在滤纸上形成的泥皮薄而坚韧，有利于稳定地层的保护孔壁，从而起到防塌作用。

三、CMC在低固相冲洗液中的作用机理

CMC是一种白色粉状或纤维状物资，易溶于水，形成胶状，溶液呈中性或微碱性，有吸湿性，其粘度随温度升高而降低，PH 2-10稳定，PH ＜2有固体析出，PH＞10粘度降低。在处理粘土时，主要是CMC分子中的羧基和醚氧可与粘土颗粒形成氢氧键吸附，而-CDONa能够带来电荷和水化。由于CMC是长链大分子，而一个大分子又能和几个粘土颗粒相吸附并形成混合网状结构，可阻止粘土细颗粒互相粘结、变大。CMC的分子量较大时，有强亲水基团的长链环式高分子化合物，溶于水后有很高的粘度，在粘土表面形成吸附水化层，使冲洗液粘土颗粒保持较高的分散度和聚结稳定性，形成的泥皮薄而致密。同时，CMC分子链间因氢键或与交联剂交联而形成网状结构从而起到增粘和降低冲洗液失水的作用。

四、CMC低固相冲洗液现场配制及使用情况

根据CMC低固相冲洗液的性能特点，选择了孔内情况和地层结构都比较复杂的岔河勘探区7-3#孔，该孔设计孔深820.00米，下入φ127井口套15.20米，φ89反丝技术套管118.00米。在钻进至780.00米时，出现了大面积的孔内坍塌，坍塌孔深到520.00米在换用常用的低固相防塌泥浆后，仍在760.00米停滞。处理周期为10天，共计240小时。

（1）针对7-3#孔坍塌的情况，把CMC低固相冲洗液应用于该孔进行护壁防塌，7-3#孔从520.00米冲扫孔至原孔深780.00米，其中除了10层煤外，岩性主要为泥岩，泥质粉砂岩等典型水敏性地层，而且6-3#煤、8#煤、9#煤的厚度都超过了7米（为块、粉混合状），520米--620米为破碎带，其岩性为泥岩，泥质粉砂岩，岩芯采取率仅有52.10%。CMC低固相冲洗液在冲扫孔过程中，科学合理地调整了钻进参数,所以扫孔钻进时电流基本平稳，泵压，稳定≥10-18个大气压，这次的冲扫孔护壁，直至扫到原孔深780.00m，只用了三天时间，在扫孔过的孔段，未出现掉块、坍塌现象，五天后顺利终孔电测，而且电测顺利。

（2）7-3#孔施工现场配制：

纳 粘 土：25kg; 纯碱（Ma2CO3）1.00-1.50kg；

Na-CMC：1.50-3.00kg ；护壁剂：1.00-2.00kg:

盐皂适量

（3）施工现场冲洗液的性能指标：

粘度（漏斗）：20-22s

密度（杠式）：1.01-1.03g/cm3

失水量：5-10ml/30min;

含沙量：≧2%

Ph值：8--9

泥皮厚度：0.50-1.00mm

五、Na-CMC低固相冲洗液的使用效果

通过对岔河勘探区7-3#孔坍塌的处理情况表明：CMC低固相冲洗液性能良好，对绳索取芯钻进顺利通过（冲扫孔）复杂地层，减少孔壁坍塌事故，提高钻进效率，降低生产成本有明显的作用。

（1）CMC虽然不能快速溶解，但能形成薄而有韧性的泥皮。比重低d=1.013，在高速转动的钻杆内外壁不结垢或少结垢，内管投放和打捞较为顺利，可以减少辅助时间。

（2）CMC能快速有效的抑制水敏性地层的水化膨胀，防塌效果好，携带岩粉能力强，孔底干净，冲洗液流变性和润滑性较好，能够有效预防坍塌、烧钻、断钻杆等孔内事故。

（3）与CMC配套使用的钠土粉，具有造浆率高、低粘、低切力和良好的护壁性能，有利于高转速和提高纯钻进时间和效率。

六、使用中应注意的问题

（1）配浆时，必须在搅动的水中徐徐加入，否则易结块而不容易搅散、搅匀，因为Na-CMC隔水性较强，与水接触后，表面易形成水膜化，从而阻止水向核部渗透。

（2）在使用 CMC时，因CMC溶解慢（35min以上），为使CMC能够快速溶解和提高粘土的分散性，应适量的加入一定的Na2CO3和适量的表面活性剂，以保持CMC的快速溶解及改变粘土的水化性能，减少钻杆与孔壁间的摩擦阻力，有利于提高钻进效率。

（3）在钻进过程中，CMC低固相冲洗液不断消耗，应随时补充。同时，水源循环系统要按《规程》严格设置并经常打捞循环槽内、沉淀池中的岩粉，以保持冲洗液性性能的稳定。

七、结论

（1）优质钠土粉与CMC配套使用时，造浆率高，CMC加量少，稳定地层加量只需0.50-1.00%；复杂地层加量为±1.50-3.00%，就能起到良好的护壁防塌作用。

（2）CMC具有低粘、低失水，低切力等优点，比较适合于绳索取芯钻进。在孔内较为复杂的情况下，能够起到护壁、防塌作用。

（3）Na-CMC低固相冲洗液配方简单、易懂、易学，只须将水和Na-CMC按一定比例加在一起搅拌并预水化后即可使用，而且无腐蚀作用，抗粘土侵强，在钻进中性能稳定，维护方便，但不适用于顶漏钻进。

CMC低固相冲洗液通过在岔河勘探区7-3#孔的实践应用，效果良好，可以推广应用到其它勘探区的复杂地层钻进。

［1］李世忠主编 .岩土钻进工艺学[M].北京：地质大学出版社 .1992.

［2］马锁柱，张海秋 .钻探工程技术[M].郑州：黄河水利出版社 .

［3］曾祥熹主编 .钻孔护壁都漏原理[M].北京：地质出版社 .1986