无固相冲洗液在深溪锰矿施工中的应用

王 聪，孙孝刚

(贵州省地矿局102地质大队，贵州遵义563003)

0 引言

在钻探施工中，冲洗液起着冷却钻头、润滑钻具、携带岩屑(岩粉)、保持孔壁稳定等作用，其性能的变化，将直接影响到机械钻速、钻进效率和成孔的质量。2008年前，我队在钻遇极不稳定地层(泥岩、页岩、破碎垮塌段、煤层等)和较深的钻孔时，由于受钻探设备和工艺的限制，往往会选择使用密度大、粘度较高的粘土粉浓泥浆施钻。近年来，我队先后购置了几台YDX－1800(SCD1800X)型全液压动力头钻机，结合该钻机具有“大行程、钻速快”的特点，采用了金刚石绳索取心钻探工艺。在深溪锰矿勘探施工中，正确使用合理配方的无固相冲洗液钻进，取得了良好的钻探施工效果。

1 工程概述

深溪锰矿普(详)查区位于贵州省遵义市南东方向，大娄山脉的南西端，面积13.81 km2。普查工作于2011年8月启动，现已转入详查，设计钻探工作总量为36472 m/35孔(普、详查)，全为直孔，截止2013年11月24日，完成钻探总工作量19322.08 m/17孔，其中:普查完成钻探工作量16896.54 m/14孔，详查完成钻探工作量2426.54 m/3孔。

2 地层情况

2．1 地层岩性

深溪锰矿勘查区地层由老到新依次如下。

(1)二叠系中统(P2)

茅口组(P2m):顶部为深灰、灰色、灰黑色薄～中厚层状含炭、硅质灰岩，局部含锰质，间夹薄层硅质岩少量，微细平行层理明显，燧石条带分布于层间。下部为灰、浅灰色厚层至块状生物灰岩，偶夹白云质灰岩，含少量燧石结核。

(2)二叠系上统(P3)

龙潭组(P3l):上部主要为深灰、灰色泥岩、泥质灰岩夹砂岩;中部为深灰色泥岩、粉砂质泥岩为主间夹砂岩及灰岩，产C3复煤层，多为0.10～0.48 m不等的薄煤层与深灰色粘土岩或炭质泥岩交互组成;下部灰、深灰色中厚层状灰岩夹黑色硅质岩，间夹泥质粉砂岩、细砂岩和菱铁质灰岩。产C2煤层，厚一般0.5 m左右。底部为含锰岩系，由灰、深灰色含锰粘土岩及碳酸盐锰矿层组成。

长兴组(P3c):主要岩性为深灰色中～厚层状含燧石团块、燧石条带灰岩，层间常夹有机质条带及泥岩薄层，底部为泥质灰岩。

(3)三叠系下统(T1)

夜郎组(T1y):按其岩性可分为3段，从老到新为:

沙堡湾段(T1y1):灰色、浅灰色、灰绿色、黄色钙质泥岩夹薄层泥灰岩，底部为灰绿色粘土岩;

玉龙山段(T1y2):主要为浅灰～灰色薄～厚层状灰岩、泥质灰岩及泥灰岩，局部夹钙质泥岩;

九级滩段(T1y3):主要为紫红色夹少量灰绿色、灰黄色泥岩，夹灰色薄层状泥质灰岩及灰岩，含钙质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩。

茅草铺组(T1m):主要由中厚层灰岩、白云岩、白云质灰岩等组成。

(4)三叠系中统(T2)

松子坎组(T2s):主要为灰、灰黄色中厚层状泥质白云灰岩，白云岩、泥灰岩夹生物碎屑灰岩及白云质泥岩;

狮子山组(T2sh):主要为浅～深灰色薄～中厚层微晶灰岩，泥质灰岩及夹生物碎屑灰岩、白云岩。

2．2 地层构造

勘查区位于铜锣井背斜南东翼，虾子复向斜北西翼。矿区西段地层较陡，大部分已倒转，倾向为120°～135°，倒转地层倾向为 285°～ 320°，倾角为50°～86°，由地表到深部，地层倾角由陡变缓，最终按20°～30°稳定;矿区东段为一向斜产出，向斜走向近于东西向，向斜轴部地层为三叠系中统狮子山组，北翼地层倾向为 155°～200°，倾角为 5°～40°;南翼地层倾向为285°～358°，倾角为 5°～35°，地层较为稳定。

3 设备性能及工艺特点

3．1 设备选型及性能特点

该矿区根据其地质要求，其设计孔深均在700～1700 m之间，平均深度＞1200 m，终孔口径≮75 mm，故钻探设备主要选择了 YDX－1800(SCD1800X)型全液压动力头钻机和XY－6型立轴式岩心钻机2种机型。

YDX－1800(SCD1800X)型全液压动力头钻机较立轴式钻机，具有以下优势:(1)转速在0～1200 r/min之间可无级调速，扭矩大，有利于以金刚石钻进为主体的多种钻探工艺对转速的选择;(2)钻机给进行程可达3.5 m，减少了辅助时间和孔内事故的发生;(3)设备配备液压夹持器、液压驱动泥浆泵和泥浆搅拌器，钻进过程中不需要任何其他辅助动力。

3．2 钻探工艺

4 选用钻井液类型

在该矿区内根据各个钻孔(机台)所选择的钻探设备不同，以及钻孔所遇地层不同而选择不同钻进工艺的特点，分别使用了不同的冲洗液。

一开:一般选用清水顶漏钻进。充分利用上覆地层中含有一定的粘土，使其自然造浆，护壁排粉(屑)，待进入基岩后下入井口管固定孔壁。

二、三开:水+PHP+处理剂。

四开:(1)设备选用YDX－1800(SCD1800X)型全液压动力头钻机，采用金刚石绳索取心钻进时，根据不同孔段岩层(完整性、破碎程度、水敏性等)情况，使用不同的处理剂，配制无固相冲洗液;(2)设备选用XY－6型立轴式岩心钻机，采用金刚石绳索取心钻进时，根据不同孔段岩层(完整性、破碎程度、水敏性等)情况，选用不同性能参数的低固相泥浆;(3)设备选用XY－6型立轴式岩心钻机，采用硬质合金(或金刚石)单管钻进时，选用中(高)密度泥浆。

5 无固相冲洗液的选配及现场维护

在以往的钻探施工经验中，三开结束下入套管后，由于龙潭组地层中含有泥岩、泥质灰岩、厚薄不等的煤层、粘土或炭质泥岩交互组成的水敏性岩层，多数茅口组灰岩不漏即涌，所以，往往都选择用中(高)密度的冲洗液钻进。根据全液压动力头钻机的性能，采用金刚石绳索取心钻进工艺的特点，在该矿区的龙潭组和茅口组地层中，我们大胆选用了PHP－GSP和GPLS植物胶无固相冲洗液体系进行施钻。

5．1 冲洗液配比及性能

5．1．1 配方

1号配方(PHP－GSP体系):1 m3水 +0.5～0.7 kg水解聚丙烯酰胺(PHP)+5～10 kg广谱护壁剂(GSP)+3～5 kg润滑剂(GLUB)。

2号配方(GPLS植物胶体系):1 m3水+0.5～0.7 kg植物胶(GPLS)+3～5 kg润滑剂(GLUB)。

5．1．2 冲洗液性能(见表1)

表1 冲洗液性能参数

5．2 PHP－GSP无固相泥浆

PHP－GSP无固相泥浆主要由水解聚丙烯酰胺(PHP)和广谱护壁剂(GSP)配制而成，与PHP泥浆相比其抑制膨胀与分散性能、护壁性能及润滑性能得到显著改善，应用范围进一步扩大。

5．2．1 作用机理

水解聚丙烯酰胺(PHP)是聚丙烯酸钠和聚丙烯酰胺的共聚物，其具有吸附基(酰胺基)能和粘土颗粒相吸附，又具有电离水化基(羧纳基)能使高分子物水化。由于PHP分子链很长，呈曲卷状，可将细小的固相颗粒吸附在它的链节上，絮凝成团，从而达到聚沉冲洗液中岩粉的目的。同时其分子又能吸附在水敏性岩石孔壁的表面，能防止岩石水化膨胀，即具有防塌和稳定孔壁的作用。

广谱护壁剂(GSP)由沥青、油脚与多种有机亲水物质进行交联接枝反应，再与聚合淀粉在特殊工艺下物理复合制取，含有羟甲基、羧甲基、酰胺基等，是一种既溶于水又溶于油的黑色物质，能够分散在泥浆中。其中:(1)交联沥青分子具有良好的吸附填充作用，降失水和造壁性好;(2)淀粉分子的环式结构和聚合分子的K链结构，具有K链状伸展自如、桥接能力强和具有网状结构优势，从而增强包被能力，改善泥饼质量，提高降失水和抗污能力;(3)聚合淀粉迅速吸水膨胀形成海绵状颗粒，使泥浆中的自由水消失，从而实现降失水防塌;(4)油脚能与钻杆壁产生吸附作用，形成一层油膜，减小钻杆对孔壁的摩擦力。

润滑剂(GLUB)采用天然植物油为原料，不产生环境污染，加入冲洗液后，能均匀地分散于钻井液中，钻进时，在孔壁或钻杆周围形成一层薄而致密的油膜，油膜具有很高的极压强度，极大地降低钻杆与孔壁间的摩擦系数，从而降低钻杆的扭矩，减少动力消耗，同时可有效地防止钻杆粘附在孔壁上造成粘附卡钻，能显著地改善钻井液的润滑性能。

5．2．2 特点

(1)该体系中选用分子量超过1000万的水解聚丙烯酰胺，其絮凝、包被作用明显增强，适合于钻进造浆地层，能有效防止岩屑的进一步分散，也有利于岩屑沉降。

(2)具有良好的造壁性能。加入广谱护壁剂(GSP)后，体系滤失量明显降低，并形成薄薄一层由沥青构成的泥皮，该泥皮粘附性强、韧性好，有利于孔壁的稳定。

(3)具有较强的抑制能力。由于K+及沥青的协同作用，与PHP泥浆相比，体系的抑制能力显著提高。

(4)具有良好的润滑性能。

5．2．3 泥浆的配制

依次将PHP、GSP慢慢加入水中，充分浸泡、搅拌，即可使用。日常维护时，最好先将PHP及GSP分别配成水溶液再加入，并视情况确定加量。

5．2．4 适用范围

该体系适用于比较复杂的遇水膨胀、分散造浆地层及松散破碎地层。

5．3 GPLS植物胶体系

GPLS 植物胶体系由优质植物胶(GPLS)和润滑剂配制而成，与一般无固相泥浆相比，具有良好的岩屑携带能力，同时也是一种环保泥浆。

5．3．1 作用机理

植物胶是一种天然高分子聚合物，在固态时分子链呈支链状结构，遇水后，呈现较舒展无规则线团状结构，其分子链上的极性基团具有较强的吸附作用，吸附塑性胶体颗粒或细粉砂粒，能在孔壁上形成网状膜，具有隔水效果，故能降低泥浆的滤失量;同时，其分子链间的桥联作用使分子链间有一定的引力，分子之间不易分开，表现出粘弹性、隔水性表面力强，使得吸附在孔壁上的分子链紧紧相连，具有防塌作用。在外力作用下，分子变为不稳定的伸展状态，外力出去时，分子又恢复原状，从而减轻钻具与孔壁间的摩擦力，有利于井壁稳定。

5．3．2 特点

(1)泥浆的切力较高，悬浮携砂能力强。

(2)泥浆容易形成层流状态，可降低对孔壁的冲刷，有利于松散地层的稳定。

(3)加入GLA后的泥浆其抑制性能明显提高。

(4)与一般无固相泥浆相比，其滤失量明显降低。

(5)无毒、可生物降解，对环境无污染。

5．3．3 泥浆配制

将GPLS慢慢加入水中，充分浸泡、搅拌，再加入润滑剂搅匀即可使用。日常维护时，最好先将GPLS配成水溶液再加入，并视情况确定加量。

5．3．4 适用范围

该体系适用于钻进砂岩等岩屑携带比较困难、胶结性较差的地层，或环保要求比较严格的地区。

5．4 应用中的注意事项

在遇上述地层中的煤(粉)层、渗透性强或岩层破碎时，在1号和2号配方的基础上，加入10～20kg改性沥青(GLA)或10～30 kg防塌型随钻堵漏剂(GPC)，若仍有掉块、坍塌现象，在此基础上加入15～25 kg(CMC－HV)，提高冲洗液粘度，可达到防掉、防塌的效果。

5．5 冲洗液现场维护

(1)勤观察、勤测量，及时掌握冲洗液的性能变化。

(2)冲洗液性能维护，必须坚持“细水长流”的方式。添加剂必须少量、缓慢的加入，不得猛加处理剂造成新添剂(料)与孔内发生不良反映，避免冲洗液性能波动过大而造成井内复杂情况。

(3)冲洗液从孔内流出后必须经过沉淀池、循环槽流向泥浆池，循环槽应符合坡比(0.5%)，槽内增设缓流板，对沉淀岩粉及时清理。

(4)沟槽及池应严禁地表各种水源的流入，泥浆池搭棚，循环沟在遇大到暴雨时，应加盖盖板，防止雨水的污染。

(5)现场配备野外冲洗液测试箱，每班检测冲洗液含砂量、失水量、粘度、密度和pH值等。

6 无固相冲洗液应用效果

6．1 孔壁稳定

在该矿区的施工中，使用无粘土相冲洗液，从开孔下定向管到三开钻完长兴组下套管，在施工工序完成之前，孔壁均能稳定，没有出现明显的垮塌、掉块现象，冲洗液能将孔内岩粉(屑)较好的带出孔外，确保孔内清洁。在较为复杂的地段——龙潭组，只要针对孔内地层不同层段的岩性，选择不同的添加剂，按合理的配比进行添加调制，随时维护好冲洗液的性能，就能确保孔壁稳定，直至钻孔施工结束。

6．2 机械钻速提高

在该矿区使用无固相冲洗液钻进，较之使用固相泥浆钻进，其机械钻速有较大的提高，尤其和以往在龙潭组一贯使用浓泥浆护壁钻进相比较，其单孔施工周期明显缩短(见表2)。

表2 深溪锰矿普(详)查工程完工钻孔统计(部分)

从表2可以看出，在相同的矿区中施工同类型的钻孔，都选用绳索取心钻进工艺，使用不同类型的冲洗液，所施工的钻孔周期各异。使用无固相冲洗液施钻具有明显的优势，其平均机械钻速大大提高。

6．3 降低成本，提高效益

在该矿区使用无固相冲洗液，不仅缩短了单孔的钻探施工周期，而且，针对孔深在1000～1600 m的钻孔，能节约钻进冲洗液材料及运输成本25%～35%，从而提高了钻探经济效益。

7 结语

(1)无固相冲洗液在现场中应用，不仅具有维护方便，配制简单快捷，性能稳定易调整，同时GPLS植物胶体系还具有环保性。

(2)针对不同岩性的地层，合理选择添加剂，及时调整冲洗液的性能，能确保钻进过程中孔壁的稳定，顺利完成钻探施工任务。

(3)使用无固相冲洗液能减少(钻具)事故的发生。可降低内管轴承的磨损和外管内壁结垢，从而可以减少内管被卡的事故发生。

(4)使用无固相冲洗液，能提高机械钻速，降低钻探成本，从而提高钻探经济效益。

(5)选择使用无固相冲洗液时，在通过地层复杂(水敏、破碎严重等)孔段，不仅要要求及时调整好冲洗液的性能与之相适应，而且要提前做好其他(检查钻探设备是否完好、所需材料是否充分等)工作，从而达到快速通过的目的，使孔壁在稳定周期内能够完钻。

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