抑制性泥浆在新疆淖毛湖煤田东部勘查区中的应用

罗冠平

(福建省121地质大队，福建 龙岩 364021)

1 概况

新疆淖毛湖煤田东部勘查区行政隶属哈密市伊吾县淖毛湖镇管辖，位于伊吾县北部95 km，淖毛湖镇东北约3 km处，区内有一条国防公路通过，地形较平缓，多为风成沙地。区内属大陆性干旱气候，雨水少，风沙大(4—9月为风季，最大风力可达12级)，夏天热(最高气温43.5 ℃)，冬天冷(最低气温-40 ℃)。淖毛湖煤田按照煤层赋存特征及构造形态分为东区、中区、西区3个区块。我们施工的钻孔主要位于东区DF1断层北翼，含有可采煤层32层，其中下侏罗系三工河组含可采煤煤层5层，即Ⅱ3、Ⅱ4、Ⅱ7、Ⅱ8和Ⅱ10，下侏罗系八道湾组含可采煤层27层，Ⅲ1到Ⅲ15、Ⅲ18、Ⅲ20到Ⅲ30号煤层。该区地层构造复杂，煤层的特点表现为煤层多且厚度大、结构简单—复杂。本文将主要结合ZK4509孔的实践进行分析，该孔上部覆盖少量第四系风化层，之后直接进入下侏罗系八道湾组(J1b)，揭露可采煤层18层，最厚达11.5 m，煤层间主要岩性为厚层灰色砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩(见图1)、泥岩与砂砾岩互层、泥岩夹煤层、煤线等，钻孔750 m以下出现多段破碎地层，岩心破碎(见图2)。

图1 孔深568～571 m孔段泥岩岩心图片

图2 孔深867～869 m孔段破碎岩心图片

该孔施工中遇到的主要问题是：一是含泥岩地层水敏性强，遇水后易水化膨胀，造成钻孔缩径、坍塌，容易抱钻；二是部分孔段岩心破碎，容易垮塌、掉块，孔壁稳定性较差，易发生卡钻事故。所以，要保证钻孔的顺利，一是要根据泥岩的膨胀特性，要求钻井泥浆具有水敏抑制性；二是针对破碎地层，要适当提高泥浆密度，以维护孔内压力平衡，实现平衡钻进。泥浆的水敏抑制性，主要指对泥岩地层中的粘土颗粒具有抑制其水化、分散和膨胀的作用，要起到这种作用，泥浆必须具备抑制性化学环境，使粘土颗粒在此种化学环境中不易水化、分散和膨胀，以维持孔壁稳定，避免出现缩径。我们常用的抑制性泥浆归纳起来主要有以下3种。

(1)钾基泥浆，利用K+对泥、页岩的特殊抑制机理，以控制粘土的水化、膨胀，达到防塌目的。

(2)钙处理泥浆，利用Ca2+取代粘土颗粒表面的Na+，将泥浆中的钠土部分转化钙土，使粘土颗粒适度凝结，以降低井壁的分散性。

(3)高分子聚合物泥浆，利用具有絮凝及包被作用的高分子聚阳离子(例如CPAM)，使粘土地层的水敏性基本丧失，从而起到稳定井壁的作用。

考虑到金刚石绳索取心钻进需要开高转速，要求泥浆具有高润滑性，尽量为低固相、最好为无固相，因而我们选择了高分子聚合物抑制性泥浆。主要以水解聚丙烯酰胺(PHP)、包被剂(BBJ)、LG植物胶、高粘-CMC等高分子聚合物为添加剂。

2 ZK4509孔施工简况

2.1 简介

ZK4509孔施工总周期为39 d，去除中间非生产性等待时间3 d，实际生产时间只有36 d，台月效率高达780.67 m。该孔设计孔深是950 m，要求岩心采取率≮65%，煤心采取长度≮75%，质量≮65%，钻孔顶角要求每百米不超过1°，终孔直径要求大于75 mm。实际终孔深度为936.80 m，终孔直径为77 mm，全孔岩心采取率达95%以上，煤层采取率达到85%以上，终孔测得顶角为1.2°，钻孔综合质量等级为甲级。

2.2 孔身结构

该孔深度>900 m，设计采用Ø130 mm开孔，钻至完整基岩后，下入Ø127 mm的孔口管；换S95+3金刚石绳索取心穿过较破碎上部地层,下入Ø89 mm套管；后采用S75+2绳索取心钻具钻进至终孔。具体见表1和图3所示。

表1 孔身结构设计数据

注：预留Ø110/Ø108 mm作为备用口径。

图3 ZK4509孔孔身结构

2.3 钻具和主要设备

钻杆：加强型S95A和S75A绳索取心钻杆。

钻头：开孔采用Ø130 mm复合片单管取心钻头，绳索取心钻进主要采用孕镶金刚石钻头，根据地层特点，选择钻头参数，粒度在46～80，HRC25～30，浓度100%。

主要设备：XY-5型钻机，其Ø75 mm口径施工能力为1500 m；BW-300/160型泥浆泵，并备用BW-250型泥浆泵1台；GF-100潍柴发电机组；钻塔选择ZT-17A型，承载负荷达30 t以上。

3 泥浆性能要求分析

本孔地层处于构造断裂带上，地层复杂，岩心破碎，又含有强水敏性泥岩地层，同时考虑到绳索取心工艺技术特性，要求泥浆具有低固相含量、良好的流变性和高润滑性，同时具有降滤失性和水敏抑制性，以减少泥浆对地层的渗水，抑制泥岩水化分散。主要体现在以下几点。

(1)水敏抑制性。抑制泥岩水化、分散和膨胀，增强井壁岩土的抗水敏性，在实践中，即减弱泥岩地层中粘土的造浆性，增强孔壁的遇水稳定性。

(2)低失水性。要求泥浆渗入地层的自由水少，以减少水分子对孔壁胶结能力的破碎和对泥岩地层的水化膨胀破坏。

(3)高润滑性。泥浆具有强的润滑性，可以有效降低钻具磨损，便于开高转速，同时也降低了泥浆的循环流动阻力，以减少设备功率消耗；高润滑性还能有效预防粘附卡钻事故的发生。

(4)良好的流变性。泥浆具有良好的流变性，可以有效降低泥浆的流动阻力，减少泥浆对井壁的“激动”压力破坏，从而为开高转速创造有利条件，同时良好的流变性能有利提高泥浆携带岩屑能力。

(5)低固相含量。不含或少含固相，以防钻杆内壁结垢。

4 泥浆配比

结合以往施工经验和本矿区的地层特点，本矿区中主要选用抑制性泥浆，其类型为高分子聚合物抑制性泥浆，主要选用LG植物胶、PHP、BBJ、高粘-CMC等高分子聚合物为添加剂。现场分层段采用2种配方的抑制性泥浆进行护壁，在上部较稳定孔段选用无固相抑制性泥浆，以便开高转速，实现快速钻进；下部(750 m以深)易掉块、垮塌孔段选用低固相抑制性泥浆，以平衡地层压力，维护孔壁稳定。

4.1 无固相抑制性泥浆

4.1.1 特点

不含固相，具有良好的流变性能和高润滑性好，以满足金刚石绳索取心钻进开高转速的要求，以提高钻效。

4.1.2 配比

1 m3清水+1 kg PHP+2.5 kg LG植物胶+1.5 kg防塌剂+0.5 kg高粘-CMC+2.5 kg润滑剂。

4.1.3 性能参数

密度1.005 g/cm3，粘度15～17 s，润滑系数0.09，考虑到无固相泥浆不易形成泥皮，真实的API滤失量难以测得，所以，我们采用衡量无固相泥浆滤失量常用的推荐方法，测得在标准条件下，一个大气压下的滤失量为9 mL/30 min。

4.2 低固相抑制性泥浆

4.2.1 特点

具有较高的粘度和密度，形成的液柱压力比无固相泥浆大，携带岩粉的能力强于无固相泥浆，润滑性能好，滤失量很小，护壁效果好，保证孔壁稳定性。

4.2.2 配方

1 m3清水+40 kg膨润土+2.4 kg纯碱+0.5 kg包被剂+1.5 kg LG植物胶+0.5 kg高粘-CMC+1.5 kg防塌剂。

注：实践证明，在低固相泥浆中用包被剂替代PHP，配伍性更好。

4.2.3 性能指标

密度1.050 g/cm3，粘度23～26 s，pH值8.5，API滤失量7 mL/30 min，润滑系数0.11，泥皮厚度0.1 mm。

5 护壁机理分析

本文中所采用的泥浆配方，主要利用的是LG植物胶、PHP(或BBJ)、高粘-CMC 3种高分子聚合物在泥浆循环过程中对泥岩水化、粘土颗粒分散所能起到抑制性作用。高分子聚合物的抑制性主要表现在两个方面：一是LG植物胶、PHP(或BBJ)、高粘-CMC等高分子聚合物中含有许多不同种类的吸附基和水化基，高分子吸附基间相互桥接，在钻井液发生滤失时，会在井壁上形成一种网状结构的吸附膜，这些吸附膜有一定的强度，其渗透性很低，从而起到阻止水分子向地层中渗透的作用；聚合物中所含水化基则能对水分子起到束缚作用，水化基越多，则能够束缚的水分子越多，从而降低了水分子的自由性，所以，高分子聚合物有很好的降滤失作用，对粘土矿物的水化起到抑制效果，有效防止了泥页岩地层的缩径、垮塌，维护了孔壁的稳定性，确保钻孔施工安全。二是LG植物胶所含的多糖高分子和可溶性纤维素，在固态时分子链为卷曲状态，在水中浸泡以后，其分子链上的-OH基和水分子形成氢键吸附，提高了水分子之间的内摩擦力，从而表现出一定的粘性，起到降滤失的效果。

低固相泥浆由于有较高的密度和粘度，能够在孔壁上形成致密的泥皮，形成的液柱压力也较大，在破碎地层钻进时，能够较好地维护孔壁稳定，确保钻孔安全，虽然相比较于无固相泥浆，其钻效较低，但牺牲一定程度的钻效而确保了孔内的安全，完全是值得的。

6 现场使用效果

6.1 现场配制与维护

(1)对泥浆材料的采购要严格把关，确保质量合格，以避免部分劣质材料影响泥浆性能，导致按配方配置的泥浆性能不达标，影响了使用效果。

(2)润滑剂、LG植物胶、PHP、BBJ、CMC等处理剂材料使用前应按要求进行预浸泡，使有机高分子长链充分展开，再按照先无机后有机，分子量由小到大的顺序添加，并充分搅拌。

(3)可以在泥浆中加入0.1%～0.5%的甲醛作防腐剂，防止LG植物胶因发酵而变质，以维持泥浆性能的稳定。

(4)在钻进过程中，产生的大量的岩粉悬浮在泥浆中变成无用固相，会影响泥浆性能，因此，要充分利用泥浆循环系统中的地表循环槽和沉淀池，勤捞岩粉(一个回次捞一次)，勤清理泥浆池。

(5)定时测定泥浆性能指标(每天不少于3次)，确保泥浆性能指标达到规定要求，泥浆性能出现大幅度变化时，应及时更换泥浆。

(6)提、下钻过程中，要平稳、要控制速度，提钻时要回灌泥浆，平衡孔内压力，以减少抽吸和“激动”压力对孔壁的破坏。

6.2 使用效果分析

(1)水敏抑制效果好，在整个钻孔施工过程中，未发生因钻孔缩径而导致的抱钻事故，钻进过程中，没有出现憋泵现象，泵压维持在合理范围，这表明该泥浆能有效地抑制泥岩地层的水化、膨胀和分散。

(2)在破碎地层钻进过程中，低固相泥浆维持了孔内压力的平衡，减少了掉块，有效地避免了卡钻事故的发生，提、下钻过程顺利，没有出现卡、阻现象。

(3)无固相抑制性泥浆具有密度小，循环泵压低，“激动”压力小等特点，有利于绳索取心钻进开高转速、提高钻效；同时，其对泥页岩地层有较强的水化抑制效果，有利于维护孔壁稳定；再者，采用无固相泥浆，钻进过程中钻杆内壁不会结泥皮，不影响内管的投放、打捞，有利于纯钻进时间利用率的提高。

(4)如表2所示，使用抑制性泥浆，综合经济效益好，由于该泥浆的使用，提高了钻进效率，确保了孔内安全，台月效率高，因此，取得了较好的综合经济效益。

表2 钻孔施工效果分析

7 结语

(1)抑制性泥浆有效抑制了泥岩地层中粘土的水化、分散和膨胀，并在孔壁上形成了一层致密的吸附膜，降低了滤失量，适合于水敏性强、易水化膨胀缩径的泥页岩地层护壁钻进；该泥浆固相含量低、流变性好、润滑减阻效果好，可满足水敏性地层绳索取心钻进的需要。

(2)由于岩粉悬浮泥浆之中，不易沉淀清除，现场又没有配备合适的固控设备，使得泥浆更换频繁，造成泥浆浪费很大，故应加强固控工作，节约生产成本。

(3)抑制性泥浆在淖毛湖煤田东部勘查区的实践应用，不仅护壁效果良好，而且保证了钻孔安全，提高了钻效，降低了施工周期，提高了综合经济效益，可以在类似水敏性地层中推广应用。

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