青海地区永冻层钻探技术冲洗液配置应用研究——以青海大场及周边地区钻探技术为例

罗永统，马维明，王振东

（青海省地质调查局，青海西宁810001）

青海地区永冻层钻探技术冲洗液配置应用研究
——以青海大场及周边地区钻探技术为例

罗永统*，马维明，王振东

（青海省地质调查局，青海西宁810001）

通过分析大场地区冻土层特点，实验配置合适的无固相和低固相冲洗液，并分析冲洗液性能指标及影响因素，较好解决青海大场地区永冻层钻探施工难题。

钻探；永冻层；冲洗液；绳索取芯

大场矿区及周边地区海拔在4500m以上，年平均气温0℃以下，霜冻期长，冻土发育，1.5m以下属永冻层，部分永冻层最深可达180m，永冻层温度自-1.9℃～12℃不等。矿区第四系以下的基岩包括：泥质板岩、砂岩等常见永久冰冻现象。该部分在钻进过程中由于孔壁间隙小停钻取芯的过程中极易发生冻钻事故，而泥质板岩则容易在地温泥浆循环热交换后易发生热融性的缩径和坍塌，从而形成埋钻事故。此外，冲洗液在地温环境中容易发生絮凝现象，泥浆材料不能更好地溶于水中，固相颗粒容易聚结，冲洗液性能不稳定甚至被破坏，地表循环系统易冻结和流凌淤积，以及送水困难等现象的存在。因此，系统分析和解决这些问题对现实正常钻进、提高钻探施工效益。满足青藏高原地区的地质找矿要求具有十分重要的意义。

1 钻孔结构

根据矿区地层多年冻土层的特征，同时考虑钻孔孔径、孔深、倾角等因素，以及绳索取芯钻进，钻具高转速，防止钻杆折断的要求，采用的钻孔结构如图1所示。

图1 适宜地温永冻层的钻孔结构图

为预防低温泥质永冻层的热融膨胀，简单有效的方法是跟管护壁。为保证高粘、低失水低温钻井液的正常循环，可通过适当加大环空间隙的方法，降低钻井液紊流状态时对永冻层孔壁的冲蚀。

在正确选择钻孔结构的同时，采用NQ口径进行钻进时，可将NQ钻头外经增大到76.5mm，以保证高粘钻进液足够的上返环空间隙和适当降低上返流速的条件。

2 冲洗液

现场随钻调研冻土层在钻进过程的影响形式，低温环境对钻探生产的主要影响，分析永冻层在低温钻井液环境中的融散缩经、坍塌机理、钻进液的双向热交换后的溶蚀机理配置基浆。

2.1 无固相冲洗液

无固相低温钻进液主要针对相对完整的低温岩层——泥质板岩和破碎的长石砂岩低温岩层。

基浆一：水700mL+PVA-1788（3%）+PAM（0.1%）+乙二醇（25%）+中粘Na-CMC(0.1%)+NaCl（10%）+NaOH（0.1%）+KHM（1%）+木质素磺酸钠（0.2%）。

该钻井液在低温下未发生絮凝现象，流动性好，泥皮薄而致密，温度达到-19℃时开始出现结冰现象，钻进液粘度随温度降低增大，失水量随温度降低减小，比重变化不大，加入腐植酸钾，具有降失水作用，稍降粘，加入木质素磺酸钠后，粘度下降，略降失水，钻钻井液粘度和失水性能基本达到要求。

基浆二：水700mL+PVA（2%）+NaCl（10%）+乙二醇（20%）+PVM（0.1%）+聚丙烯酸钠（0.1%）+Na-CMC（0.1%）+NaOH(0.1%)+KHM(1.5%)+木质素磺酸钠（0.05%）。

该钻井液在地温下未发生絮凝现象，流动性较好，泥皮薄而致密，温度到达-19℃时开始出现结冰现象，钻进液粘度随温度降低增大，失水量随温度降低减小，比重变化不大，加入腐植酸钾，具有降失水作用，稍降粘，加入木质素磺酸钠后，粘度下降，略降失水，钻井液粘度和失水性能基本达到要求。在-15℃时，初切为0，表观粘度24.5mPa·s，塑性粘度24mPa·s,动切力为0.511Pa，动塑比0.02。

基浆三：水700mL+PVA（2%）+NaCl（10%）+乙二醇（20%）+PAM（0.05%）+聚丙烯酸钠（0.05%）+PAC-142（0.1%）+NaOH（0.1%）+KHM（2%）+Na-CMC (0.05%)。

该钻井液在低温下未发生絮凝现象，流动性能较好，泥皮薄而致密，温度达到-19℃时开始出现结冰现象，钻井液粘度随温度降低增大，失水量随温度降低减少，比重变化不大，加入腐植酸钾，具有降失水作用，效果明显，加入羟甲基纤维素钠具有曾粘降失水作用，钻进液粘度和失水性能基本达到要求。在-15℃时，动切为0，表观粘度15mPa·s，塑性粘度15mPa·s,动切力为0 Pa，动塑比0。

以上3种无固相钻井液配方-15℃左右，漏斗粘度小于35s、失水量小于13mL/30min、pH值为10、比重1.07～1.075g/cm3均达到要求，低温环境下未发生絮凝现象，流动性较好，克抵抗低温-19℃。但无固相钻井液由于没有固相成分，所以动切力很难实现。

为此结合现场情况，根据经济性较好的原则进行低固相低温钻井液的实验。

2.2 低固相低温抗盐钻进液

低固相低温钻井液必须满总3个条件：首先要防止钻进液发生絮冻；其次要防热融缩径；同时，还要满足预防高岭土化、粘土质碎裂泥质板岩的水化。

基浆一：钠土4%+纯碱3%+抗盐共聚物（GTQ）1%+聚阴离子纤维素0.15%+盐10%+XY-27降粘剂0.2%（或用0.5%的KHM代替）。

基浆二：钠土4%+纯碱2%+（GTQ）抗盐共聚物0.6%+KCl氯化钾0.5%+盐15%+钠羟基纤维素0.15%。

测试性能如表1所示。

表1 低固相低温抗盐钻进液

如上，基浆一钻进液具有材料易购、使用简单方便的特点，在低温条件和永冻层钻孔中应用后取得了良好的效果，而基浆二钻井液在胶结松软的泥炭质板岩中平衡防塌效果明显。套管以深部分，在碎裂岩化高岭土、粘土质泥质板岩的地层中可采用的无固相低温钻进液：

（2）PAC1%～5%+FA-1 2%～4%+KCl1%～3%+ Na-CMC0.5%～0.8%；

（3）KCl1%～3%+Na-CMC0.5%～0.8%+PVA2%～5%；

（4）PAC1%～5%+(HOCH2)21%～4%+KCl1%～3%+Na-CMC0.5%～0.8%。

2.3 关键技术

（1）根据低温泥浆特点，现场实验分析融散临界点。

（2）双向热交换对钻井液粘度和流动性的影响规律，低温钻进液性能与冰水沉积物地层的防塌性能和碎裂岩化泥质板岩的热融膨胀缩径以及融散坍塌的钻进液配置技术。

（3）通过实验，优选低温钻井液配置方案和低温钻井液材料。

（4）根据钻井液在循环过程中压力作用下产生的热、钻进过程产生的热力系数，结合低温材料制定预防低温冰冻的工艺技术方案。

随着中美贸易战持续发酵，美国农产品价格下跌明显，但农民购肥热情却依旧高涨。加拿大肥料商NutrienLtd(NTR.TO)首席执行官恰克·马格罗（Chuck Magro）称，若中美贸易战不断升温，农产品价格跌破到农民所能接受的最低限度，就会加剧美国农民对自身经济状况的担忧。

（5）按地表温度的不同交换，通过实验和优选材料，复配冰水对钻井液稀释降粘和抑制粘土质泥质板岩缩径坍塌性能稳定的钻进液。

3 低温环境绳索取芯钻进工艺经验总结据调查，永冻层钻进预防孔内事故的发生主要在钻井液的冰冻和热融缩径2个方面，因此工艺方法也需照2个方面进行。

针对大场矿区碎裂岩化粘土质永冻层的热融缩径问题，需要钻进液的温度接近永冻层温度或低于3℃。施工经验表明，在大场矿区施工季节由于昼夜温差大，孔内温度低，通常经昼夜、孔内地表热交换后钻进液温度在最高气温时能维持在10℃以下。经验表明，此时可以通过提高钻速，降低钻井液对泥质孔壁低温地层的水化时间，可以在钻探生产期间预防其热融膨胀。

维持钻进液在0℃以下正常循环的经验。

优质的天然钠基膨润土，水化和膨胀能力强，充分水化膨胀后，可起到延缓水遇冷结冻的效果。在满足如下条件的情况下，5%加量的盐水泥浆可在-10℃环境下的正常循环：

（1）钻杆始终保持转动；

（2）配置钻井液的水用苏打（2kg/m3）来软化处理，并维持钻井液中具有一定浓度的Cl—，甚至是HCO3—都能对预防钻井液的低温冰冻起到一定的作用；

（3）为防止泥质地层的热融膨胀，维持钻井液的低温，白天作业时可将整个泥浆系统遮盖起来。

现有方法在应用过程中也存在一定的局限性主要如下：

（1）钻井液在夏季高温期间（大场矿区17℃～20℃）对粘土质的碎裂状泥质板岩热融胀作用不明显，突出现象是溶胀缩径和坍塌；

（2）当永冻层很发育，厚度较大、且由冰水胶结破碎地层时，稳定孔壁须将钻井液的温度降低在0℃以下，理论上加入干冰可降低钻井液的温度，但这一做法在岩芯钻探中受成本、使用条件的限制较难实现；

（3）获取永冻层低温的粘度较大，低温环境使泥浆抗剪切稀释性增强，护壁性能下降，今后仍需做进一步研究。

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1004-5716(2015)11-0047-03

2014-11-28

2014-12-04

罗永统（1989-），男（汉族），青海西宁人，助理工程师，现从事固体矿产科研工作。