盐类矿产深部小口径钻探施工探讨

王太平， 周祥卫， 向 成

(湖南省地质矿产勘查开发局四○三队，湖南 常德 415000)

1 工程概况和地层情况

二十世纪六七十年代，湖南省石油队、物探队及湖北江汉油田在澧县盆地开展了重力物探及电测深等物探测量工作，在盐井—申津渡盆地存在重力负异常，圈出了负异常凹陷区。湖南省地质局四○三队于1982年提交的调研报告中，将本区盐井-申津渡盆地划为盐类矿产A类找矿远景区，地质工作程度为盐类矿产成矿远景科学研究。 2011年，地质科学院矿产资源所、江汉油田在离矿区北东50 km处施工了岗钾1、2号井、沙钾3井；在江陵凹陷西南部施工路13、SKD1、SKD2井，发现了含钾卤水。“湖南湘澧盐矿边深部盐类矿产详查”项目为了探盐找钾，在收集区域钾盐矿区资料的基础上，在矿区北部01～03线之间(湘澧盐矿中部)布置探盐找钾深孔ZK0303，设计孔深1 600 m。ZK0303孔钻进至孔深1 560 m时，因古新统含矿岩系增厚，特申请加深300～500 m，至见白恶系为止。孔深至2 302.03 m时，仍为古新统沙市组(E1sh)含矿(石膏)岩段下部岩层，因主要含矿层已穿过，经申请专家组现场核查，认为继续加深已无意义，即于孔深2 0302.03 m终孔。施工结果为：探获多层岩盐及钙芒硝岩，在钙芒硝泥岩中偶见有厚度≤3 cm的裂隙充填的棕红色的含钾石盐(石膏)，探获多层硬石膏岩(见图1)。

图1 岩芯照片

地层情况：①第四系(Q)：主要为亚黏土；②下第三系始新统(E2)：主要为粉砂质泥岩、粉砂岩、泥质云岩、云质泥岩、钙芒硝岩、岩盐层、石膏岩；③下第三系古新统沙市组(E1sh)：主要为粉砂质泥岩、泥灰岩、石膏岩、粉砂岩、石英砂岩、泥晶灰岩。

2 设备选型

根据设计孔深及初步判断地层情况，主要设备选型如下：①钻机：XY-6B型岩心钻机，长沙探矿机械厂制造；②泥浆泵：BW-320型泥浆泵，长沙探矿机械厂制造；③钻塔：SGZ四角塔，张家口探矿机械厂制造；④泥浆处理系统：旋流除砂器+振动筛，自制；⑤钻杆钻具：75绳索，无锡探矿工具厂。

3 钻探施工

ZK0303钻孔于2015年10月3日正式开钻，开孔口径130 mm，钻至12.5 m穿过第四系亚黏土进入粉砂质泥岩。10月4日于18.00 m处下放井口套管，随后改为110 mm口径钻进至25 m，再改为91 mm口径钻进至26.5 m，下放二级套管，配管为25 m 108套管，1.5 m 89套管，变径连接。10月5日调制好泥浆改用75 mm绳索取芯工艺继续钻进。10月15日，孔深于480 m处见盐矿标志层，改调制饱和盐水泥浆钻进。于10月22日钻穿含盐地层，进入粉砂质泥岩，孔深675 m(最后一层含岩盐层深度为592 m)，探获主盐层6层。随即起钻拔出二级套管，用91 mm口径扩孔钻头扩孔钻进。10月29日扩孔至675 m，孔内冲洗干净后，下放套管675 m，配管为25 m 108套管，650 m 89套管，变径连接，10月31日注浆固管。固管深度自615～675 m，目的为隔离含盐地层，防止盐侵破坏泥浆，对下部施工造成影响，固井完成后放假待凝7 d。11月8日重新制作循环液继续75绳索钻进。2016年1月23日钻进至2 302.03 m,经专家组现场验收，同意终孔(见图2)。813～1 530 m为含硬石膏岩层，其中813～1 080 m探获硬石膏共计约65 m。

图2 终孔照

4 施工难点剖析及应对措施

4.1 设备选型及安装

钻孔深度越大，对钻机的扭矩、立轴、起重力、卷扬机要求越高；对钻塔天车负荷要求高，孔深较深，钻杆较多，故对移摆立根长度要求较高；对泥浆泵流量和压力要求较高；安装地基考虑设备自重负荷及工作负荷累加，地基承载力要求较高。

应对措施：钻机，选用长探XY-6B，立轴最大扭矩8 500 N·m，立轴最大起重力200 kN，卷扬机单绳最大提升力90 kN；钻塔，张家口探矿厂SGZ24塔，天车正常负荷50 T，最大68 T，移摆立根18 m；泥浆泵，长沙探矿厂BW-320型，流量118 L/min，压力8 mPa；安装地基，经现场简易原位实验，地表为亚黏土，地基承载力为13 T/m2。钻塔四角浇筑1.8 m×1.8 m×0.6 m钢筋砼墩台，钻机底座下浇筑0.6 m×0.6 m×2.0 m钢筋横梁3根。

4.2 水敏不稳定地层

水敏不稳定地层主要集中在亚黏土、粉砂岩、泥岩、泥质云岩、云质泥岩，在全孔均有体现。水敏地层吸水膨胀与分散，容易产生膨胀缩径、泥浆增稠、钻头泥包、粘附卡钻、孔壁表面剥落、崩解垮塌超径等情况。在以往相同地层的某钻孔中，采用绳索取芯工艺，因未重视泥浆调配(清水钻进)，导致孔壁吸水膨胀风化，加上钻杆搅动碰壁，造成孔壁严重超径，断钻多次，发生孔内事故多起。

针对以上可能出现的问题，应对方法：调制具有形成优质泥壁、低失水、低渗透、高润滑特性的强抑制性泥浆，孔壁形成坚韧薄状泥皮，减少自由水对孔壁的侵入，效果明显，孔壁完整。配方：1 m3水+5～10 kg膨润土+0.3%低黏纤维素+0.8%铵盐。

膨润土：形成优质泥皮不可缺少的材料。

低粘纤维素：抗盐污染，降滤失，具有一定的抑制泥页岩的水化膨胀能力。滤失量≤10 mL，可促进优质坚韧泥皮形成。

铵盐：是良好的钻井液处理剂，具有降滤失、降黏和抑制泥页岩膨胀分散的作用，能显著降低黏度和滤失量，并具有一定的抑制黏土水化分散能力，具有一定的抗盐、钙污染能力，抗温能力强。

4.3 水溶性地层

本钻孔水溶性地层主要集中在盐膏层。钻进时主要表现：①泥浆黏度下降，滤失量增大，Cl-含量升高，pH值降低；②水溶导致岩心采取率严重偏低；③钻具扭矩增大，鳖卡严重。盐膏层钻井复杂情况可以用“溶、缩、塌、胀、漏、卡、喷、损”8个字形容。起因可归结为5个方面：①塑性变形及蠕变流动；②盐膏层中所含石膏和钙芒硝的膨胀；③盐的溶解过饱和与芒硝重结晶；④岩盐下部泥页岩的复杂问题；⑤异常压力问题。

针对以上可能出现的问题，应对方法：调制饱和盐水泥浆，增加泥浆抗盐、钙能力。该方法效果明显，确保了孔壁完整，保证了矿芯采取率。

配方：1 m3饱和盐水+5 kg膨润土+1.2%低黏纤维素+1.0%铵盐+0.6%抗盐共聚物。

饱和盐水：确保盐膏层不再溶解。

膨润土：形成优质泥皮，保护孔壁。

低黏纤维素：抗盐污染，降滤失，抑制水化膨胀，促进坚韧泥皮形成。

铵盐：降滤失，降黏，抗盐钙污染。

抗盐共聚物：降失水，抗污染。

5 几点认识与探讨

(1)冲洗液首先应满足孔壁稳定需要，强水敏性地层易膨胀缩径、分散造浆、粘附性强。一是由于地层膨胀缩径、粘附性强，绳钻钻杆较粗，极易发生抱钻、粘附卡钻事故，二是由于地层造浆增加泥浆的黏度和固相含量，引起钻杆内壁结泥皮而影响岩心管打捞。该类地层如果冲洗液性能控制不好，风险很大。冲洗液的设计与使用应首先保证钻孔安全，在此基础上尽可能与工艺方法相适应。

(2)明确不同地层孔壁稳定机理，在此基础上设计和灵活使用冲洗液；溶蚀性地层是指遇水发生溶解的地层，因此要抑制地层中水溶性矿物的溶解，就必须加入具有抑制地层中水溶性矿物溶解的泥浆处理剂。最普遍的做法是向泥浆中加入相同成分的材料使其达到饱和，抑制地层中同类矿物的溶解。如盐膏层钻探采用的饱和盐水泥浆就是利用这个原理，但对于像溢晶石等溶解度超高的地层，最好采用油基冲洗液。

(3)复杂地层除正确选择冲洗液体系外，还要重视冲洗液参数的调整。

(4)降低摩擦阻力，需从钻孔轨迹、冲洗液质量上下功夫。冲洗液对摩擦阻力的影响更多体现在冲洗液在孔壁所形成的泥皮质量，它是影响摩擦阻力大小的重要因素。泥皮质量好坏是由冲洗液滤失量、固相含量、固相颗粒特性及泥浆材料特性等因素决定的。对深孔来说，摩擦阻力可能更多受钻孔深度、钻孔倾角和钻孔轨迹的影响，但钻井液的影响不可忽视。

(5)正确的操作程序有利于保护孔壁、减少孔内事故发生。任何的操作不当都可能引起复杂的孔内事故。孔壁薄弱孔段长时间定点循环泥浆，冲刷孔壁；提钻速度过快，由于抽吸作用造成孔壁坍塌、掉块；强水敏性地层长时间、长孔段钻进不扫孔，造成卡钻；提钻遇阻强行提拉等，都会引起复杂孔内事故。因此需要制定完善的操作程序，并加以严格执行。