强润滑泥浆在高矿化度铁矿区绳索取心钻进中的应用

李小慧

（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

强润滑泥浆在高矿化度铁矿区绳索取心钻进中的应用

李小慧

（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

兖州颜店铁矿区上部地层松软，下部地层坚硬且易漏失，石膏夹层对泥浆稳定性影响较大，对此开展高矿化度地区绳索取心钻进中的强润滑泥浆技术研究。分析了各泥浆处理剂的作用机理，得到针对不同孔段的泥浆方案。采用乳化剂OP-10有效解决了高矿化度地区皂化油破乳问题。应用冲击回转钻进有效控制了井斜，取得了防斜保直的钻进效果。现场应用结果表明，该强润滑泥浆方案大幅降低了钻进阻力，提高了钻进效率。

润滑泥浆绳索取心破乳

0工程简介

颜店矿区位于兖州市以西约20公里，是山东境内最大磁异常区。初步探明铁矿储量达10亿吨，为国内最大的铁矿之一。该区属平原区，上部为第四纪覆盖层，主要地层为粉质粘土、砂土及砾石层，厚度一般为20～290m，起伏较大；下部为济宁群地层，主要以石灰岩为主，中间夹石膏矿，磁铁矿一般埋深在1000m以下。区内构造发育，破碎带较多。岩层的特点是裂隙发育，泥浆易漏失。矿层岩石硬度较高（Ⅵ～Ⅷ级）。由于矿层节理发育，是典型的易造斜地层。1

施工的ZH001孔身结构为：150mm硬质合金钻头开孔，钻进2.1m下孔口套管，管径为146mm；以130mm合金钻头钻穿第四系至基岩，井深28.4m，下127mm套管；以110mm金刚石钻头钻穿风化岩层，钻进至65.1m，下108mm套管；采用S95绳索取心钻进，钻进至350.4m，下89mm活动套管；S75绳索取心至1986.15m，裸眼完井。

1施工难点

（1）济宁群石灰岩地层裂隙发育，渗透性强，易发生严重漏失；

（2）石膏夹层钻开后，泥浆遭受污染，性能恶化；

（3）矿层节理发育，为典型易造斜地层，易发生钻具折断。

2泥浆方案优选

相比于传统的单、双管钻探工作，绳索取心大大减少了起下钻次数，且具有较高的岩心采取率。然而，绳索取心在实际的使用当中也存在一些常见的问题：（1）环空间隙小，易发生掉块卡钻；（2）泥浆上返速度高，对井壁冲刷严重，易导致井壁失稳；（3）钻具与井壁多点接触，摩阻大，钻具磨损严重；（4）小环空泥浆循环压降大，有时泵压高至压漏地层；（5）钻具高速旋转易导致钻杆内壁结垢，影响岩心管、打捞器的投放[1]。

ZH001钻孔设计深度较大，地层复杂多变，需要结合地层情况选择相应泥浆方案。考虑到绳索取心工艺的特殊性，泥浆应在满足正常携岩的基础上，维持低粘切、低密度和高效润滑性[2]。

2.1 表层泥浆方案

表层主要为第四系沉积物，包括粉质粘土、砂土和砾石层，地层造浆性能较差。开孔口径较大，钻进速度快，钻屑量较大，此时宜选用高粘度高切力泥浆，以维持良好的排渣能力。选用优质造浆土，配合KPAM来快速钻进。现场泥浆配方为1#：8%NV-1+3%Na2CO3+0.1%KPAM。泥浆性能见表1。

表1 表层泥浆性能参数

配方中造浆土NV-1具有优良的造壁性能，且能提供一定的粘度和切力，降低失水量。KPAM的加入能够对钻进过程中产生的钻屑进行絮凝包被，避免其进一步分散，其大分子长链能够与井壁发生有效吸附，在井壁上形成良好的吸附膜，少量KPAM随滤液渗入微裂隙中，起到良好的充填效果，进一步提高井壁稳定性。此外，KPAM的加入使得泥浆具备良好的剪切稀释性和润滑性，保证了钻进的顺利进行。

钻进过程中，始终维持较高的粘度、切力和适当的排量，增强泥浆携带鉆屑的能力。钻至设计深度后充分循环，确保井底无沉沙、井壁无坍塌后顺利起钻，确保下套管和固井的顺利。

2.2 取心段泥浆方案

采用绳索取心后，金刚石钻头直径95mm，钻杆外径89mm，环空间隙较小，转速较高，对泥浆性能要求具有较低的粘切。由于上部地层为灰岩地层，溶洞发育，漏失严重，曾采用堵漏剂堵漏，水泥封孔等措施，均没有取得理想效果。考虑到该区水位很高（5～15m）因此选择顶漏钻进。即S95采用顶漏钻进至完整地层，下入89活动套管，换S75 绳索取心钻进。漏失层段岩心裂隙发育，见图1。

图1 裂隙发育岩心照片

此时泥浆配方为2#：2%NV-1+0.8%Na2CO3+0.08%PHP+0.3%皂化油。其基本性能见表2。其中随皂化油加量不同，泥浆润滑系数变化情况见表3。

表2 取心段泥浆性能参数

表3 摩擦系数随皂化油加量变化情况

由此可知，少量皂化油的加入能显著降低泥浆的润滑系数，降低钻具与井壁间的摩阻，且加量超过0.3%后，其降低摩擦系数的幅度有限，所以选择0.3%为其最优加量。此外，提下钻时在钻杆外涂抹润滑脂，在保护钻杆的同时也起到了一定的润滑减阻效果。配方中PHP鉆为选择性絮凝剂，能够对劣质屑进行选择性絮凝，而不絮凝造浆土。

2.3 石膏污染后泥浆配方

矿区下部石灰岩地层中有石膏夹层，石膏主要成分为CaSO4，在水中具有一定的溶解度（2.08g/L），钙离子能够对泥浆产生污染。钙离子污染泥浆的机理为：钙离子能够与粘土晶层间的钠离子发生交换，压缩粘土颗粒双电层结构，使得粘土颗粒水化膜减薄，电动电位下降，泥浆稳定性遭到破坏。此外，皂化油为阴离子表面活性剂，钙离子含量高时易导致乳状液丧失稳定性，发生破乳。

在现场钻进过程中，发现钻杆上部有结垢现象，成分类似于油泥混合物，且泥浆池内也出现析水现象，滤液分析表明钙离子含量过高。于是，采用无固相PHP强润滑冲洗液，配方为3#：0.1%PHP+0.3%皂化油+0.1%特效润滑剂+0.04%OP-10。其中添加乳化剂OP-10的目的是提高乳状液在高矿化度和pH异常区的稳定性。其性能参数见表3。

表4 3#泥浆性能参数

3孔斜控制

为了控制该区内孔斜问题，采用了冲击回转钻进技术。根据以往施工的规律，孔深在1100m以下孔斜变化剧烈，钻进至1084m时采用了ZS-75型正作用阀式冲击器进行冲击回转钻进，收到良好效果。其主要规格参数如下：冲击器外径，73mm；总长1270mm；冲锤行程，12mm；自由行程，2.5～3.5mm；锤簧顶压，3～5mm；冲击频率，33～42Hz；单次冲击功，10～18J；工作泵量50～80L/min；泵压2～3MPa；适应孔径，75～91mm。但随着孔深的增加，冲击回转出现了问题，到1650m撤换。孔斜结果如图2。

图2 孔斜随孔深的变化规律

使用冲击回转钻进时，转速一般在600～1000r/min之间，钻压700～100kg之间，泵量80L/min，随着孔深增加，泵压逐渐升高，基本上维持在2.5～4MPa。由图2可见，冲击回转钻进有效控制了孔斜，但是1650m后随着液动冲击器出现故障，孔斜急剧增大。

4施工效果

工程质量要求：钻孔全段取心，在冲积层和岩层中岩心采取率≥80%，在破碎带及软弱夹层中连续三个回次岩心采取率≥65%；每钻进50m测一次孔斜，进行一次孔深验证平差。各井段施工效果见表5。

表5 各孔段施工效果

5结论

（1）使用强润滑减阻泥浆有效解决了兖州矿区绳索取心钻进中钻进阻力大和钻具磨损严重等问题。

（2）针对不同地层选择相应的泥浆方案，大大提高了钻进效率，节约了钻进成本。

（3）通过引入乳化剂OP-10，有效解决了皂化油在高矿化度条件下的破乳问题，保证了泥浆体系的稳定性。

（4）对于Ⅵ～Ⅷ级地层，液动冲击器的使用有效起到了防斜保直的作用。

[1]乌效鸣，胡郁乐，等.钻井液与岩土工程浆液[M].中国地质大学出版社，2002.

[2]李振学，邓敏.栾川县多金属复杂地层岩心钻探技术[J].探矿工程，2011,38（9）.

G322

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1007-6344（2015）05-0305-02

李小慧，1989年生，河南焦作人，研究生在读，从事钻井液技术研究工作。