低固相泥浆在易溪矿区小口径金刚石绳索取芯钻进中的应用

帅松

摘 要：重庆市易溪矿区设计孔深较深，下伏基岩主要以青灰色灰巖、含石英角砾灰岩为主，岩层倾角较陡，且破碎，裂隙发育，硬度较高。岩石可钻性变化大，构造发育，断层蚀变带发育，岩脉较发育，且岩层倾角大（轴夹角8°～15°），进行绳索取芯钻进的难度较大。结合野外施工实践，总结了保证小口径金刚石绳索取芯钻进顺利进行的工艺参数和泥浆应用技术。通过近半年的施工实践，对硬度高，倾角陡的破碎地层绳索取芯钻探技术在设备配套、钻孔结构设计、泥浆使用方面进行合理的实践，实践证明低固相泥浆的应用大大提高了生产效率，降低了生产成本，取得了较好的经济效。

关键词：易溪矿区；低固相泥浆；金刚石；绳索取芯

1 工程概况

矿区出露的地层主要有三迭系下统嘉陵江组（T2j）、大冶组（T1d）。二迭系上统大隆组（P3d）、吴家坪组（P3w），中统茅口组（P2m）、栖霞组（P2q），下统梁山组（P1l）。志留中统（S2h）。其中二叠系中统吴家坪组（P3w）为含矿层。易溪向斜为预查区主体构造，轴向近东西，由西至东扬起。与本矿床相关的区域构造主要有：自北向南为康家坪至铜罐沟冲断背斜、易溪向斜，如图1。

地层岩石主要以青灰色灰岩、含石英角砾灰岩为主，岩层倾角较陡，且破碎，裂隙发育，岩石可钻性6～9级，在钻孔施工过程中，易发生钻孔超径、孔壁坍塌、钻进堵水、漏水等现象，易造成烧钻、卡钻等事故，钻进效率低。

2 主要钻探设备

根据易溪矿区的设计孔深及有可能出现的设计变更，以及岩层及质量要求等情况，主要设备配备如表1所示：

3 钻孔设计

由于易溪矿区地层比较复杂，地表是堆积的砂卵石层，固钻孔设计开孔口径比较大。Φ150mm金刚石钻头开孔，一般钻进10～20m深，下入Φ146mm套管，然后改用Φ130mm金刚石钻头钻进，钻至较完整的岩层中，深度80～120m，下入Φ108mm套管，再换Φ91mm金刚石钻头钻进，最后换Φ75+1mm金刚石绳索取芯钻头钻至终孔。

4 小口径金刚石绳索取芯钻进对泥浆的要求

4.1 金刚石绳索取芯泥浆的性能指标

①超低固相泥浆密度不高于1.02g/cm3；

②极细分散，送入孔内的泥浆固相粒度应控制在80%～90%，小于15～20μm；

③低粘度、低切力，视粘度<3～5mPa·s，屈服值<0.05～0.10Pa，静切力1G/wG趋近于零；

④失水量适当，有一定的抑制水敏性地层的性能，在较复杂地层中使用泥浆的API失水量应控制在15ml/30分钟，地层较稳定时可以放宽。

4.2 泥浆泵量

（1）泥浆泵量计算公式

流量即是泵量，它的确定是与钻进方法相适应，以保证有效的排出岩粉和冷却钻头为前提。一般根据泥浆液流上返速度来确定金刚石绳索取芯钻进所需的泵量Q，量的确定可用公式：

Q =βFV=πβ（D2-d2）V/4

式中：Q——冲洗液量；m3/s

β——上返流速不均匀系数；（β=1.1～1.3）

F——最大上返环状空间过流断面面积；m2

D——由最大钻头外径决定的孔径或最大套管内径；m

d——钻杆外径；m

V——冲洗液上返流速；（V=0.2～0.6m/s）。

在算出各孔段所需泵量后，选其中最大值作为选定泥浆泵量的依据。各孔段所需泵量见后面钻进参数。

上返流速不均匀系数β取小值1.1，冲洗液上返流速V取小值0.2，钻杆外径d取值75mm=0.075m，D取值146mm=0.146 m。

由公式：

Q1 =βFV=πβ（D2-d2）V/4=0.0027m3/s=162L/分钟

上返流速不均匀系数β取大值1.3，冲洗液上返流速V取大值0.6，钻杆外径d取值75mm=0.075m，D取值76mm=0.076m。则：

Q2=βFV=πβ（D2-d2）V/4=0.000093m3/s=6L/分钟

金刚石绳索取芯钻进时钻孔环空间隙很小，尤其是内管与钻杆内壁之间的环形间隙相当小，泥浆的流动阻力很大，金刚石绳索取芯钻进是以较小的泵量和较高的泵压来工作的。

（2）选择金刚石绳索取芯钻进时，泥浆泵量的选择应综合考虑的因素

如何选择泵量，要根据金刚石钻孔的口径、钻进的岩层性质、孔内的状况、钻进时效等综合考虑，确定泵量的大小，具体如下：

A、岩层性质。钻进坚硬岩层，钻速较低时，单位时间产生的岩粉量少，可选择较小的泵量。

B、钻进强研磨性岩层，产生较大的热量需要较大的泵量冷却。

C、防止烧钻。在钻进中硬以下岩层，钻进时效较高（大于3.00m/h），孔内产生的岩粉量较大，需要较大的泵量及时把孔内的岩粉排除干净，否则易发生烧钻事故，建议使用二档泵量（90L/分钟）。

5 泥浆的选择

根据不同地层特点，选用不同类型的泥浆，是绳钻工艺技术得以充分发挥的关键。针对易溪矿区地层的特点，必须使泥浆性能满足绳钻工艺的要求（即“三低一好”，固相含量低、粘度低、失水量低、润滑性能好），既要有较高的护壁和携带岩屑能力，又要有较大的静切力和较小的动切力，并有良好的润滑性能，才能发挥出绳钻的效率。

5.1 矿区上部表土层、卵石泥沙堆积覆盖地层

此层段地层复杂，漏失、垮塌、掉块严重，如ZK8-1孔，表层全是卵石堆积覆盖层。为缩短钻进时间，一般采取技术套管隔离措施，浅部完整孔段可采取清水顶漏钻进或采用PHP无固相泥浆钻进：

①配方：清水（1m3）+PHP（0.5～1.0kg）+润滑剂（3～5kg）；

②性能：比重1.005，粘度15.5～16s，pH值8，润滑系数：0.12～0.15。

5.2 矿区构造破碎带地层

包括破碎地层及构造应力地层。一般不产生水敏性破坏，钻进中会出现沙重、掉块、漏水。为抑制掉块，更好的排出岩粉颗粒，要求冲洗液具有良好的造壁性、失水量小、泥饼薄而韧。在不漏水的情况下，可适当提高泥浆比重，并保持相对稳定。对涌水层，应测出水层的静压高度。由于很多涌水层往往也是漏水层（如钻进时漏水，提钻后涌水），要掌握好泥浆的比重以确保堵漏防漏。

①配方：清水（1m3）+Na-1型钠土粉（25～30kg）+廣谱护壁剂（PGS）（2～3kg）+石墨化沥青（DLSAS）（15～20kg）+潤滑剂（3-5kg）+硝基铁钾（3～5kg）；

②性能：密度1.02～1.04，粘度20～25s，失水量：11～13ml/30分钟，泥皮厚度：≤0.5mm，pH值：9.5～10，润滑系数：0.15～0.18。

5.3 矿区煤系地层或水敏性地层

粉煤取芯地层段极易坍塌

处理方法：主要有LBM低固相泥浆、低固相加重泥浆，磺化沥青+广谱护壁剂低固相泥浆等护壁性能较好。

5.4 矿区稳定完整地层

这类地层孔壁稳定，对泥浆要求不是很高，一般孔浅时采用清水+润滑剂，孔深时采用清水+PHP+润滑剂无固相泥浆。此孔段只有钻机达到特速Ⅲ阻力较小，才能发挥出金刚石绳索取芯钻进效率。

5.5 矿区漏失地层

对于轻微漏失的地层，主要有田菁胶（TG-1型）无固相泥浆、MY型无固相泥浆、水玻璃+PHP无固相泥浆、PHP+KCL-盐皂等无固相泥浆。对于漏失地层（孔内不返水）：首先降低泥浆的比重和粘度，其次采取堵漏技术措施。如在泥浆中加入惰性材料（如锯末及801堵漏剂等），或在地面上把锯末与PHP搅拌后直接在钻杆内送入漏失层（注意孔深不能穿过漏失层深度太多）；或利用大失水泥浆，利用其特大的瞬时失水性能，在漏失层孔隙中快速形成固相沉积，封闭漏失，也可用胶性物质堵漏水泥加入速凝剂如CaCl2、Na2SiO3等。

5.6 普通低固相泥浆配置

不同地层采用不同类型泥浆，较好地解决了绳钻护壁问题，发挥出了绳钻高转速高效率的优势，普通低固相泥浆配方如表2。

6 易溪矿区使用低固相泥浆的效果和结论

在易溪矿区煤炭资源普查钻探施工中，低固相泥浆的使用极大的提高了钻进效率，岩芯取芯率达到95%，无孔内事故发生，降低了生产成本，顺利地完成了易溪矿区煤炭资源普查钻探施工任务。泥浆在钻孔施工中起的作用特别重要，对岩矿心采取率，减少孔内事故发生，减低成本，生产效益的提高等都起主导作用。通过总结对低固相泥浆在易溪矿区小口径金刚石绳索取芯钻进中的应用得出以下几点：

（1）易溪矿区采用低固相的泥浆作钻井泥浆，保证了岩心采取率，减少了孔内事故，降低了成本，明显提高钻进效率。

（2）在小口径金刚石绳索取芯中，采用低固相的泥浆作钻井泥浆，提升了钻具设备的寿命，在钻进中，起到了保驾护航的作用。

（3）通过对易溪矿区的钻探施工总结，小口径金刚石绳索取芯钻进技术在煤田勘探复杂地层中，只有根据不同地层选择不同类型的泥浆，采取各种堵漏技术措施，才能充分发挥出绳钻的优势，从而降低成本，缩短勘探周期，创造出更好的经济效益。

参考文献

[1]鄢泰宁.岩土钻掘工程学[M].武汉：中国地质大学出版社，2001.

[2]李世忠.钻探工艺学[M].地质出版社，1992.

（作者单位：重庆市地勘局208水文地质工程地质队）