优质冲洗液配方在复杂地层钻进中的应用探讨

张泽国，王圣勇，张进忠

（山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队，山东 泰安 271000）

1 复杂地层钻进中冲洗液的作用

1.1 复杂地层分类

复杂地层分为二大类，即漏失地层与不稳定地层，其中漏失地层又分为洞穴类、裂隙类和孔隙类地层；不稳定地层包括物理化学和力学不稳定地层。

1.2 冲洗液在钻探中的作用

钻探工程施工中，要保证优质快速安全钻进，泥浆起着非常重要的作用，特别在复杂地层中钻进，泥浆性能的优劣直接决定了钻进的成败。泥浆在钻进过程中的主要作用是：一是孔底清洗，悬浮和携带岩粉，借冲洗液循环将钻头破碎的岩屑、岩粉及时携带到地表，保持孔底洁净；冲洗液中断时，利用泥浆本身的触变性能，悬浮岩粉，防止埋钻事故的发生。二是钻头冷却，钻头的使用寿命提高，钻进过程中，孔底产生高温（200℃～300℃），借助循环的泥浆带走热量，从而达到冷却钻头，钻头使用寿命延长的目的。三是润滑钻具和钻头，减弱钻具振动，使用乳化泥浆加润滑剂可减小钻头与孔底的岩石、孔壁与钻具间的摩擦力，能减弱钻具高速回转时产生的振动及减轻动力机等的负荷，使钻头工作平稳。四是孔壁保护，利用泥浆性能，在钻孔孔壁上形成坚韧致密的泥皮，从而防止孔壁掉块、坍塌；调节泥浆的比重，防止漏失、涌水等孔内事故等。五是动力的传递，如涡轮钻、冲击回转钻、螺杆钻等，采用冲洗液可以作为其动力的传递媒介。因此优质冲洗液对钻探工程的成败非常重要。

2 冲洗液的性能参数

冲洗液性能参数主要有：粘度、密度、比重、含砂量、滤失性、pH值、胶体率、剪切稀释性、抑制性、润滑性以及泥浆的稳定性。这几项指标是判断冲洗液性能的优劣的重要指标。（1）冲洗液粘度大回转阻力大，容易造成泥包钻头从而导致孔内事故，粘度降低钻头容易切削岩石，而粘度低对保护孔壁不利。适当调整冲洗液的相对密度可以平衡地层压力，采用低密度冲洗液，对减轻和消除冲洗液漏失是较为有效的措施。（2）冲洗液滤失性大，使水敏性泥岩、页岩等岩层吸水膨胀、坍塌、缩径，提下钻困难，易发生孔壁坍塌事故；泥皮过厚，钻孔环状间隙减小，钻头泥包，使提下钻时的压力激动增大，会导致孔壁漏失和坍塌。（3）冲洗液的剪切稀释性很重要，钻进施工中，对于不同的钻孔部位要求有不同的粘度与切力，钻头水眼面积小，冲洗液流速快，剪切速率高，冲洗液粘度很低，有利于大流速冲洗液冲刷岩面，及时携带岩粉。（4）冲洗液的抑制性就是抑制岩屑分散能力和絮凝作用。（5）泥浆的润滑作用主要是减轻机械钻进中的回转阻力。

3 冲洗液成分与作用

（1）纯碱：钙膨润土改性剂和碱度（pH值）的控制剂。（2）粘土：水分子。容易进入晶胞层间，具有很好的分散性能，具有很好的护壁性能。（3）腐植酸钾（KHm）：具有较好的离子交换和吸附性，主要作用是降失水，在水中能电离带电荷的水化能力很强的水化基因；具有抑制粘土水化膨胀和防止岩心出现裂纹、裂隙等特点。（4）部分水解聚丙烯酰胺（PHP）（分子量500万～800万）：选择絮凝作用，能抑制泥页岩的水化。不同地层选用不同分子量应用，可与铅盐、铬盐等交联生成凝胶作用，生成聚合物网络。（5）磺化沥青粉：主要是抑制作用，含有磺酸基，水化作用很强，当吸附在泥页岩表面时，可阻止泥页岩颗粒的水化，起到钻孔防塌的作用。

在近年的探矿施工中，逐渐摸索总结出适合本项目复杂地层钻进的冲洗液配方。供大家参考、探讨。

清水+钠膨润土+水解聚丙烯酰胺（水解度30%左右,分子量500万～800万）+腐植酸钾+烧碱+CMC +磺化沥青粉。

冲洗液性能指标：比重1.04g/cm3～1.05g/cm3，漏斗黏度 29s～32s，滤失性≤ 10ml/30min，pH值 8～9.5，泥皮厚度＜0.2～0.5mm，胶体率95%，含沙量＜0.1%，动塑比1.83，视粘度14s。

从多年的钻探工作中可得到：（1）腐植酸钾（KHm）具有冲洗液降失水作用。KHm加量越多失水量越少。（2）加入腐植酸钾与聚丙烯酰胺后冲洗液泥皮变薄且韧性变好，粘度变低，流动性变好，能够很好的抑制孔壁分散。（3）加入PHP与KHm处理剂的冲洗液对钻孔孔壁具有很好的防塌作用。聚丙烯酰胺（PHP）的防塌能力随浓度增加而增加。（4）施工中可得出，冲洗液的絮凝效果与KHm加量的关系不大，与PHP加量的关系很大。PHP在遇到固体颗粒时，能够产生选择性絮凝，沉淀劣质颗粒和岩屑。因此加入PHP后的冲洗液具有絮凝效果好，剪切稀释性能好，沉砂能力强的特性，同时磺化沥青粉起到了很好的抑制作用。从而我们优选了PHP—KHm低固相冲洗液作为我们钻进水敏性复杂地层的主要冲洗液配浆材料。

4 工程案例

南陵县桂花冲铜钼矿区位于安徽省南陵县工山镇桂花冲，属于低山丘陵地貌；工作区出露地层为志留系上统茅山组石英砂岩、石英杂砂岩；泥盆系上统五组石英砂岩夹泥页岩；二叠系下统栖霞组碎屑岩、碳酸盐岩，孤峰组上、下段硅质岩、硅质页岩、硅质岩、粉砂质泥岩、炭质页岩、猛质页岩，二叠系上统龙潭组含煤地层，长石石英砂岩、粉砂岩、页岩夹煤层，大隆组硅质岩、泥岩、砂岩及凝灰岩，三叠系下统殷坑组钙质页岩、页岩夹灰岩等；地层比较复杂，施工中坍塌漏失经常发生，特别是水敏性复杂地层，钻进易塌孔、缩径，外单位施工队伍在此矿区钻探施工一年多也没有钻进通过该复杂水敏性地层，人力、物力造成很大的浪费；在多年的探矿施工中，我们逐渐摸索总结出适合复杂地层钻进的优质冲洗液配方，有效的解决了钻进塌孔、缩径及漏浆问题，节约了钻探成本，减轻了工人劳动强度。供大家参考、探讨。

4.1 钻进中遇到的问题

4.1.1 水敏性破碎地层

南陵县桂花冲矿区ZK863孔附近属于水敏性地层（见图1），主要岩石有泥岩，泥沙岩，泥质页岩，高岭石化，千枚岩，煤系地层，其特征为岩石结构固结松散，水敏性，遇水膨胀，在钻进中孔壁受钻杆柱敲打，孔壁坍塌、掉块，钻孔缩径，起下钻受阻，冲洗液漏失，严重影响钻进速度和钻孔质量。

4.1.2 小孔隙类破碎漏失地层

在安徽省南陵县桂花冲等铜钼多金属矿区钻探工程施工中小孔隙类漏失地层普遍存在，主要表现为钻进中冲洗液断续返浆，孔口返浆量仅为送浆量的四分之一至五分之一，大量岩粉排不出，停泵容易出现卡、埋钻事故。破碎带由构造角砾、绿泥石、泥页岩、千枚岩、碳酸岩细脉构成充填，具有细小裂隙的岩层节理等。钻遇岩层蚀变严重，破碎，在断层带上有可塑性断层泥和绿泥石化的蚀变带，遇水容易膨胀，出现缩径、坍塌、掉块等现象，严重阻碍钻探施工，严重影响钻探施工质量。

图1 ZK863孔附近水敏性地层

4.2 优质冲洗液应对措施

针对上述问题水敏性地层，主要以防漏、防塌、防渗为主，对冲洗液做增粘、降低冲洗液的滤失性处理增强冲洗液的抑制性，同时保证孔内液柱压力，辅助用套管隔离的办法钻穿该地层。经过多次研究试验，我们采用的冲洗液配方为：

清水+钠膨润土18kg/m3+水解聚丙烯酰胺（水解度30%左右,分子量500万-800万）0.4%-0.5%+腐植酸钾0.4%～0.5%+烧碱3Kg/m3+CMC5kg/m3+磺化沥青粉5kg/m3。

冲洗液性能指标：比重1.04g/cm3～1.05g/cm3，漏斗黏度 29s～32s，滤失性≤ 10ml/30min，pH值 8～9.5，泥皮厚度＜0.2～0.5mm，胶体率95%，含沙量＜0.1%，动塑比1.83，视粘度14s。

针对上述问题小孔隙类漏失地层，我们采用的冲洗液配方为：

清水+钠膨润土22kg/m3+水解聚丙烯酰胺（水解度30%左右,分子量500万～800万）0.4%～0.5%+腐植酸钾0.4%～0.6%+烧碱4Kg/m3+CMC8kg/m3+磺化沥青粉10kg/m3+801堵漏剂10kg/m3+锯末20kg/m3（漏失稍严重的地层加锯末，锯末要进行过筛，除去木质碎块；冲洗液、801堵漏剂、锯末在水桶中搅拌均匀后直接倒入钻杆内）。

冲洗液性能指标：比重1.05g/cm3～1.06g/cm3，漏斗黏度 33s～36s，滤失性≤ 10ml/30min，pH值 8～9.5，泥皮厚度＜0.2～0.5mm，胶体率9.5%，含沙量＜0.1%，动塑比1.68，视粘度15s。

钻进施工采用上述的优质冲洗液，成功地解决了钻进施工漏失及塌孔问题，圆满的完成矿区钻探施工任务，施工6年多，完成钻探任务20.13万米。

5 冲洗液使用中还应注意以下几个问题

5.1 泥浆的配制

在现场为保证冲洗液质量，配制冲洗液前应做冲洗液小样，试验确定冲洗液配方；施工搅拌严格按照配方计算加料，严格按照加料顺序进行搅拌。搅拌中先加分子量小的的无机化学材料，再加入有机高分子化学材料。

5.2 泥浆性能参数的调配

冲洗液性能调整的主要内容包括：增加或降低冲洗液粘度和切力、降低冲洗液失水量、冲洗液比重增加或降低及pH值调节等。

钻进过程中，冲洗液的性能会随着钻遇地层的变化而变化，要预估好钻穿地层的岩性、水质等对冲洗液性能的影响作用，预先对冲洗液性能进行调整。当遇到孔壁坍塌掉块或有少量漏失时，需要提高冲洗液的粘度和切力，具体可通过增加冲洗液中的粘土含量、加有机高分子增稠剂（如CMC）或加适量纯碱等办法来实现；钻进泥质页岩层或泥岩层时，可通过加腐植酸钾来降低冲洗液的切力和滤失性；钻进遇水膨胀、坍塌渗漏地层时，必须增加抑制剂（如有机高分子降失水剂（CMC））来降低冲洗液失水量和控制泥皮厚度。加入磺化沥青粉，植物胶等处理剂；矿区不同冲洗液配方是不一样的。工作中必须结合实际地层情况确定冲洗液类型，然后确定冲洗液配方。

5.3 泥浆性能的维护

（1）施工中岩屑进入冲洗液后会使冲洗液性能发生变化，不利于正常钻进，甚至会导致孔内事故的发生，需要增加固控设备。最简单的净化装置是冲洗液循环槽、沉淀箱；循环泥浆槽长10m～15m（高0.2m，宽0.3m，坡度1/100—1/80）且每隔1.8米安设挡板，配旋流除砂器采用固相控制措施，清除占90%左右、粒度大于20μm的固相颗粒。每班设专人负责冲洗液的管理，负责冲洗液的配制、处理、净化除砂和冲洗液性能的测定，随时掌握冲洗液性能的变化情况及孔内情况，并根据情况调整冲洗液性能参数；冲洗液的使用情况必须填入班报表中。（2）由于泥浆池中的泥浆长期流动容易形成凝聚沉淀，泥浆池底部及四周的冲洗液容易形成网状结构出现凝胶状态，极大的影响冲洗液的质量，经过多方探讨研究，钻探施工中在泥浆池中安装一台2PN泥浆泵，2PN泥浆泵随钻进施工一起运转，PN泵的吸排运转就是在不断的搅拌冲洗液，这种搅拌稀释作用就是阻碍冲洗液形成网状凝胶状态，使冲洗液保持在层流和紊流状态；这样既保护了冲洗液的性能，也延长了冲洗液的使用时间，节约了钻探成本。（3）复杂地层的孔壁稳定性差，提下钻要稳，提钻要进行回灌冲洗液，保持液柱压力平衡地层压力。防止抽吸作用的产生。

5.4 复杂地层钻进操作

复杂地层钻探施工中，地层稳定性差，因此施工中提下钻要稳、慢，防止提下钻速度过快压力引起冲洗液激动而造成塌孔事故或漏失事故；为保证孔壁压力平衡，提钻时要采用回灌冲洗液。

6 结语

在钻探施工中，特别在复杂地层中钻探施工时，选择良好泥浆配方非常重要，根据不同地层采取不同配方的化学泥浆，能够携带岩粉、冷却钻头、保护孔壁、防漏、防塌，能够保证钻进顺利进行，提高钻孔施工质量。