炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系研究与应用

张 强，纪卫军，彭雪华，付 帆，杨巍青，陈 映

（1.武警黄金第三总队，四川成都610036；2.北京探矿工程研究所，北京100083；3.武警黄金第十二支队，四川成都610036）

炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系研究与应用

张 强*1，纪卫军2，彭雪华3，付 帆2，杨巍青3，陈 映3

（1.武警黄金第三总队，四川成都610036；2.北京探矿工程研究所，北京100083；3.武警黄金第十二支队，四川成都610036）

通过对炭泥质千枚岩进行成分分析确定伊利石含量较高是其遇水易分散的主要原因。为避免在该种地层钻探中遇到卡钻、埋钻等事故，结合绳索取芯钻探工艺，研究了一种针对该种地层的冲洗液体系，并进行了性能评价。评价结果表明该冲洗液体系具有很好的流变性能、抑制性能及隔水性能。在甘肃文县阳山金矿对该体系进行了现场应用，取得比较理想的效果。

炭泥质千枚岩；水敏性；抑制性能；隔水性能

1 概述

在甘肃文县阳山金矿矿区钻探施工中，经常钻遇炭泥质千枚岩地层。尤其在张家山、观音坝等地，该地层埋深较浅，下完表层套管后即可见该地层与花岗岩形成的软硬互层。在某些炭泥质千枚岩包裹着破碎花岗岩颗粒的层位，常发生掉块、坍塌现象，严重的会引发卡钻、埋钻等孔内复杂情况。针对这一特殊地层，研制了炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系，并且对其进行了室内性能评价和现场试验。

2 岩芯成分及水敏性研究

2.1 岩芯成分分析

为了研究岩芯遇水分散的原因，对在不同孔段采集到的3种炭泥质千枚岩样品进行了岩芯成分分析，结果见表1。

表1 岩芯成分分析结果

由分析结果可以看出，岩样中伊利石、高岭石和石英总含量在75%以上。1#和3#样品的伊利石含量大于50%，高岭石含量为20%，2种矿物的总含量大于70%，说明伊利石和高岭石这2种粘土矿物是炭质千枚岩的主体矿物。2#样品的石英含量较高，同时夹杂着30%的伊利石和高岭石，表明该岩样是炭质千枚岩与石英花岗石形成的软硬互层地层样品。

2.2 岩芯水敏性分析

对3种岩芯样品进行了岩芯水敏性分析。取大小基本相同的完整岩芯放入清水中，记录岩芯在水中全部分散的时间，结果见表2，岩芯分散情况见图1。

表2 岩芯分散时间

依据上述水敏性结果可知，含伊利石和高岭石含量较高的1#和3#样品分散时间基本相同，而含石英含量较高的2#样品分散则更为迅速，不到半分种时间就已经完全坍塌。

结合岩芯成分分析结果，炭泥质千枚岩的主要含有伊利石和高岭石。由于伊利石遇水后极易分散，高岭石遇水后极易造浆，因此炭泥质千枚岩水敏性强。当炭质千枚岩与石英花岗石形成软硬互层时，在水中分散速度更为迅速。这是因为炭泥质千枚岩遇水后变软，分散进入泥浆，随后破碎的石英花岗岩因失去支撑而坍塌，这一现象会持续交替发生，直至全部坍塌。

图1 炭泥质千枚岩用清水浸泡后分散情况

3 炭泥质千枚岩地层孔壁失稳原因及对策

3.1 炭泥质千枚岩地层孔壁失稳原因

造成炭泥质千枚岩地层遇水发生分散剥落主要原因，一是伊利石和高岭石水化作用引起的孔壁围岩抗剪强度下降和膨胀压力增大，导致孔壁稳定性下降；二是水进入地层层面、纹理和裂隙等良好的毛细管通道，毛细管产生的压力使岩层骨架遭受破坏。水化膨胀弱的伊利石等因毛细管水侵入而崩解，造成孔壁垮塌。

3.2 炭泥质千枚岩地层孔壁稳定措施

针对上述炭泥质千枚岩地层孔壁失稳原因，确定冲洗液及工艺方面相应措施如下：

（1）冲洗液应具有降低水化作用影响以及强化孔壁的作用。阻止或减少冲洗液中的水进入地层是降低水化作用的关键[1-3]，因此冲洗液应具有低滤失量和良好隔水作用。另外，为防止由于冲洗液浸泡造成的孔壁强度降低，必需加入一些封堵性材料和强粘接性材料，堵塞孔隙或裂隙的同时强化颗粒与颗粒之间的胶结力，起到强化孔壁的作用。

（2）冲洗液维护得当，工人操作规范。钻探施工中，应定期对冲洗液的基本性能进行测试，及时清砂，补充冲洗液材料，将冲洗液性能维持在理想范围内。现场工人应严格按照规范进行操作，避免由于人为的操作不当而造成孔壁不稳。

4 炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系研究

针对强水敏性地层，大多会选用油基泥浆或合成基泥浆[2-4]。但是，由于成本和技术等方面的原因，上述冲洗液并不适用于小口径地质岩芯钻探，发展和完善新型抑制性强的水基冲洗液体系才是解决水敏性地层钻进孔壁稳定的有效途径[5-6]，因此，我们针对炭泥质千枚岩地层，同时结合矿区钻探施工工艺，研制了一种具强抑制性和低滤失量的冲洗液体系。

4.1 炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系的组成

考虑到该体系的防分散性、隔水性、抑制性和流变性等主要性能，最终确定了8种冲洗液材料：

（1）成膜护壁剂（GCMJ）：具有强成膜特性，粘接性和隔水性好，抑制作用强。

（2）包被剂（BBJ）：具有包被和适度絮凝作用。

（3）增粘剂（GTQ）：可提高粘切、降低滤失量，利于排砂。

（4）降滤失剂（GPNA）：具有降低滤失量的作用。

（5）防塌减阻剂（GFT）：具有粘接、封堵特性，防塌作用强。

（6）随钻堵漏剂（GPC）：用于封堵孔内裂隙，减少冲洗液渗入地层。

（7）超细碳酸钙：用于封堵孔内小的缝隙，减少冲洗液渗入地层。

（8）润滑剂（GLUB）：提高冲洗液润滑性能，降低扭矩、磨阻，保护钻具，对冲洗液其他性能无影响。

4.2 炭泥质千枚岩地层用冲洗液配方

通过大量实验，确定炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系配方如下：

2%～5%成膜护壁剂（GCMJ）+0.2%～0.8%增粘剂（GTQ）+0.5%～1%降滤失剂（GPNA）+0.5%～2%随钻堵漏剂（GPC）+0.5%～1%防塌减阻剂（GFT）+0.2%～0.3%包被剂（BBJ）+1%～1.5%超细碳酸钙+0.5%～1%润滑剂（GLUB）。

4.3 炭泥质千枚岩地层用冲洗液性能评价

4.3.1 常规性能评价

对炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系常规性能进行了评价，同时选取了另外2种在该种地层使用过的体系与其同时进行对比评价，其中2#配方为现场曾经采用的高固相冲洗液体系，3#配方为现场曾经采用的钾石灰冲洗液体系，具体配方见表3，评价结果见表4。

表3 冲洗液体系试验配方

表4 冲洗液体系常规性能

从表4评价结果可以看出，炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系流动性较好，与现场曾经使用过的高固相冲洗液体系和钾石灰冲洗液体系相比具有更低的滤失量，有利于防止岩芯遇水分散。

4.3.2 水化分散抑制性能评价

采用NP-01型页岩膨胀测试仪对冲洗液的抑制性能进行评价。首先将钙膨润土压制成试验岩芯，分别用蒸馏水和不同冲洗液浸泡岩芯，测得岩芯随时间变化的线性膨胀量，并计算相对膨胀降低率。评价结果如表5所示。

表5 冲洗液体系抑制性能

从表5中的结果可以看出，炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系的相对膨胀降低率达到80%以上，明显高于其他2种体系，说明其具有更好的抑制性能。

5 炭泥质千枚岩地层用冲洗液体系现场应用

2014年6月17日开始，先后在甘肃文县阳山金矿矿区的1201机台（ZK10003、ZK10007）、1205机台（ZKYS0004、ZKYS0002）、1202机台（ZK1330）进行了炭泥质千枚岩地层冲洗液现场试验。开孔一般采用细分散膨润土体系，钻遇炭泥质千枚岩后更换为所研制冲洗液：

1m3水+20～50kg成膜护壁剂+2～8kg增粘剂+ 5～10kg降滤失剂+5～10kg随钻堵漏剂+5～10kg防塌减阻剂+2～3kg包被剂+5～10kg超细碳酸钙+5～10kg润滑剂。

冲洗液性能：漏斗粘度19～30s；比重1.04～1.15g/cm3；API滤失量5～10mL；泥皮不大于0.5mm，有韧性；pH值10～12。

现场共完成钻探工作量2019.48m，5个孔的台月效率均达到300m以上，其中2个孔的事故率为0。与2013年施工钻孔平均钻井事故率18%相比，采用该冲洗液后施工效率明显提高。具体现场应用情况见表6。

6 结论与建议

（1）对取自阳山金矿的炭泥质千枚岩成分及水敏性分析结果表明，该种岩芯中含有大量的伊利石和高岭石并夹杂着石英，导致其遇水后极易水化分散。

（2）室内试验及现场应用表明，所研制的炭泥质千枚岩地层冲洗液具有良好的井壁水化抑制性能、护芯性能及护壁性能，能够抑制炭泥质千枚岩水化分散，保持井壁稳定，提高炭泥质千枚岩地层钻井效率，节省经济成本。

（3）建议今后在类似地层中推广应用，以期更好地为我国在相似地区找矿勘探服务。

表6 冲洗液现场应用情况统计表

[1]陶士先,李晓东,吴召明,黄卫东,柳福德.强成膜性护壁冲洗液体系的研究与应用[J].地质与勘探,2014,50(6):1147-1154.

[2]张文波,戎克生,李建国,薛连云,向兴金,崔应中,王荐.油基钻井液研究及现场应用[J].石油天然气学报,2010,32(3):303-305.

[3]岳前升,舒福昌,向兴金,史茂勇,黄红玺,张春阳,王权玮,于志杰.合成基钻井液的研制及其应用[J].钻井液与完井液, 2004,21(5):1-3.

[4]马东,蒋发太,赵林,周大林.仿油基钻井液技术的研究[J].断块油气田,2008,15(2):98-100.

[5]隋跃华,成效华,高建礼,赵小平,梁国昌,牛国连.强抑制性钻井完井液研究与应用[J].钻井液与完井液,2001,18(6): 14-17.

[6]王建华,鄢捷年,丁彤伟.高性能水基钻井液研究进展[J].钻井液与完井液,2007,24(1):71-75.

P634.6

A

1004-5716(2015)11-0059-04

2014-05-19

地质矿产调查评价项目“重点成矿带钻探冲洗液关键技术研究与示范”(12120113097400)。

张强（1976-），男（汉族），四川三台人，工程师，现从事固体矿勘探和地质勘查工作。