江西朱溪矿区厚大煤系地层高密度低失水泥浆的应用_李志强.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-09-07修回日期 2020-09-09 第一作者简介 李志强 （1964-） ， 男 （汉族） ， 浙江永康人， 高级工程师， 现从事地质岩芯钻探和水文水井钻探工作。 江西朱溪矿区厚大煤系地层高密度低失水泥浆的应用 李志强*， 黄忠高， 王盛， 刘甲祥， 姜海亮， 谢志翔 （江西省地质矿产勘查开发局九一二大队， 江西 鹰潭 335000） 摘要 在详细介绍朱溪矿区厚大煤系地层的特点和钻探施工难点的基础上， 提出了泥浆性能指标 要求， 并据此进行高密度低失水泥浆的选择与配制。后结合ZK1013孔和ZK1814孔2孔的实际应用 案例， 进一步证明 以石灰石粉为加重剂、 以羧甲基纤维素为主要降失水剂、 以磺化沥青和腐植酸钾 为页岩抑制剂、 以腐植酸钾为降粘剂的高密度低失水泥浆， 完全适用具有松散和破碎为主、 水敏次之 的煤系不稳定地层钻进。 关键词 朱溪矿区； 煤系地层； 高密度低失水泥浆 中图分类号 TD82 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202011-0026-04 江西省浮梁县世界级朱溪外围钨铜多金属矿， 位 于江西省东北部景德镇乐平之间， 行政区划隶属景 德镇市浮梁县寿安镇、 乐平市涌山镇等管辖。矿区内 地层结构复杂， 赋矿层主要为碳酸盐岩， 岩溶发育； 底 板主要为浅变质岩， 以板岩、 千枚岩、 变质粉砂岩为主， 浅变质岩中夹有较多石英脉， 软硬夹层较多且产状较 陡； 顶板主要为碳酸盐岩夹燧石结核， 砂岩夹薄层状粉 砂岩、 炭质页岩及煤层， 软硬夹层普遍。2017年年底和 2018年5月， 朱溪矿区深孔ZK1013和特深孔ZK1814， 均在钻孔上部孔段钻遇厚大煤系地层， 后通过高密度 低失水泥浆的应用， 成功解决了孔内严重掉块、 坍塌、 泥包钻头等施工困难。现把朱溪矿区厚大煤系地层应 用高密度低失水泥浆总结如下， 供同行们参考。 1煤系地层特点 煤系是含煤岩系的简称， 是指在一定地质时期连 续沉积形成的一套含有煤层并具有成因联系的沉积岩 系。煤的结构复杂， 以炭质页岩、 含炭质粉砂岩为主。 煤系地层具有松散和破碎为主、 水敏次之的不稳定特 点， 详见表1。 2钻探施工难点 煤系地层钻探施工， 可能存在以下困难 （1） 下钻不到底。因煤系地层结构松散、 强度低、 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 性质类别 基本类别 物理性质 力学性质 水理性质 研磨性 完整程度与裂隙性 稳定性和渗透性 可钻性 地层具体特点 属固结性、 粘接性、 松散性、 流动性4类中的松散性岩石 碎屑状和颗粒状、 块状和碎块状， 结构松散， 密度与容重较小， 孔隙度较大， 软硬互层， 易掉块、 坍塌， 各向异性比较明显， 属松散性破碎性地层 强度低， 硬度小， 弹、 塑性不明显， 地应力异常 遇水易分散易溶胀， 水化作用明显， 甚至涌水、 漏水， 属水敏性地层 弱 裂隙发育， 裂隙性强， 完整、 不完整、 极不完整均有出现 孔壁稳定性差， 属不稳定地层； 有一定渗透性， 易发生粘附卡钻 Ⅲ-Ⅳ级 表1煤系地层特点 石油与钻掘工程 26 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 破碎严重， 遇水易分散易溶胀， 还可能地应力异常， 容 易引起孔内掉块、 坍塌甚至缩径现象的频繁出现， 使钻 孔下行通道直径变小、 深度变浅， 严重阻碍钻具下钻到 底， 增加了扫孔时间、 工作量和阻力， 存在发生卡钻、 埋 钻等孔内事故的很大隐患。 （2） 起钻阻力大。孔内掉块、 坍塌甚至缩径现象的 频繁出现， 使孔内钻具与原有孔壁正常间隙变小， 缩小 钻具上行通道， 增加钻具上行阻力， 阻碍起钻顺利进 行。严重者， 钻具起拔不上， 直接造成卡钻、 埋钻事故 的发生。 （3） 钻进时孔内情况异常。动力机负荷大， 钻具回 转阻力大， 霸车甚至反转存在可能； 岩芯易堵塞， 回次 进尺短； 绳索取芯内管投放、 打捞困难； 水泵压力高， 憋 泵常发生。 3泥浆性能指标要求 针对煤系地层的松散特点 ①泥浆中应添加具有 胶结、 粘接作用的处理剂， 提高松散碎屑和颗粒之间的 胶结能力； ②在泥浆中应添加封堵材料， 快速封堵地层 孔隙， 有效阻止泥浆中自由水大量进入地层， 避免孔壁 岩体强度降低， 同时防止孔壁形成虚厚泥皮； ③适时、 适当提高泥浆密度， 以液柱增加对孔壁的支撑力； ④适 度提高泥浆的粘度， 就是提高松散颗粒之间的粘接性； ⑤降低泥浆的失水量； ⑥适当增加钻具环空间隙， 尽可 能采用较小泵量， 降低起下钻速度等， 以减少泥浆对孔 壁冲刷、 抽吸、 挤压的破坏性。 针对煤系地层的破碎特点 ①适当提高泥浆密度， 即提高泥浆的液柱压力， 使其能够平衡地层的岩石侧 压力； ②在泥浆中添加封堵材料， 快速填塞碎块之间的 裂缝； ③控制适当的泥浆失水量和形成薄而有韧性的 泥皮， 有效阻止泥浆中自由水大量进入地层； ④泥浆中 应添加具有胶结、 粘接作用的处理剂， 提高破碎岩块之 间的胶结能力； ⑤适度提高泥浆的动切力和静切力， 就 是提高泥浆的悬浮能力， 使掉块或坍塌物不至于快速 下沉导致孔内事故； ⑥适当增加钻具环空间隙， 控制钻 进速度， 起下钻速度平稳， 起钻坚持进行回灌等， 以减 少泥浆对孔壁冲刷、 抽吸、 挤压的破坏性。 针对煤系地层的水敏特点 ①保持较低的泥浆失 水量和形成薄而有韧性的泥皮， 以降低地层的水化作 用； ②添加无机盐、 K或NH4、 高分子聚合物等， 提高 泥浆的抑制性能， 抑制地层的水化膨胀和分散； ③在泥 浆中添加封堵材料， 快速封堵孔隙和填塞碎块裂缝； ④ 适当提高泥浆密度， 使其能够平衡岩石侧压力控制地 层坍塌； ⑤适当增加钻具环空间隙， 起下钻速度平稳， 以减少泥浆对孔壁冲刷、 抽吸、 挤压的破坏性。 鉴于金刚石绳索取芯钻进工艺的特点 金刚石钻 头高转速磨削破岩， 内岩芯管能自由地从钻杆内投放 孔底， 取芯时不提出钻杆， 用钢丝绳打捞器把内管打捞 上来 （钻杆内外径都比较大， 接头平齐， 钻杆与孔壁、 内 管与钻杆内壁的环状间隙小） ， 使用泥浆时存在以下技 术难题 ①钻杆环空压力大， 实现压力平衡钻进困难； ②起下钻时对孔壁的抽吸、 挤压作用大， 易抽垮和压裂 地层而引起孔内事故； ③泥浆老化， 泥皮过厚， 容易发 生粘附卡钻事故； ④煤系地层需要较高的固相含量， 与 金刚石钻进要求良好的润滑性和较低的固相含量相矛 盾。 4高密度低失水泥浆选择与配制 4.1高密度低失水泥浆选择 （1） 高密度实现压力平衡钻进防止煤系地层 掉块、 坍塌。在煤系地层被钻开后， 原有的地层压力平 衡状态被打破， 松散、 破碎的孔壁岩石承受的指向孔芯 的径向压力， 在抵消所受的泥浆液柱压力后大于岩石 的抗剪强度时， 孔壁就会发生掉块、 坍塌等剪切破坏。 因此， 提高泥浆的密度， 增大孔内液柱压力， 无疑是维 持孔内压力平衡状态、 确保孔壁岩层稳定的最主要思 路。同时， 添加具有胶结、 粘接作用的处理剂， 以封堵 岩石孔隙和填塞碎块裂缝， 提高孔壁岩层的粘聚力， 从 而提高其抗剪强度， 也是防止煤系地层掉块、 坍塌的重 要措施。石灰石粉具有提高泥浆密度平衡地层压力和 岩石侧压力的作用。 （2） 低失水实现低渗透性防止水敏性地层的 水化。煤系地层含有一定的炭质页岩、 泥质岩， 要抑制 泥页岩等水敏性地层的分散、 膨胀和剥落， 必须控制泥 浆的失水量在较小的范围并实现低渗透， 同时采用添 加诸如无机盐、 K或NH4、 高分子聚合物等， 提高泥浆 的抑制性能， 抑制地层的水化膨胀和分散， 保持孔壁的 完整性。羧甲基纤维素是常用的降失水剂， 含Ca2的 石膏能控制粘土的水化分散能力， 磺化沥青能有效抑 制页岩水化膨胀， 有限封堵地层微裂隙防止剥落性页 岩坍塌， 兼有较好的润滑和降失水作用。 （3） 良好的流变特性满足金刚石绳索取芯钻 进工艺所需。泥浆流变特性， 是指在外力作用下发生 流动和变形的特性。基本流变参数有 表示泥浆开始 流动时最小剪切应力值的静切力； 表示泥浆在层流流 动时粘土颗粒之间及高分子聚合物之间的相互作用力 即形成空间网架结构能力强弱的动切力； 反映泥浆中 网架结构的破坏与恢复处于动平衡时， 悬浮粒子之间、 27 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 悬浮粒子与液相之间以及连续液相的内摩擦力大小的 塑性粘度； 反映采用漏斗粘度计测定流出一定体积 （例 如500mL） 泥浆所经历时间长短的漏斗粘度； 反映泥浆 稀稠程度的稠度系数等。为满足金刚石绳索取芯钻进 工艺所需， 要求泥浆固相含量低、 密度低、 粘度低、 动切 力低、 静切力高、 适当的失水量。腐植酸钾能抑制页岩 水化膨胀和分散， 还具有降粘度和降失水作用。 4.2高密度低失水泥浆配制 现场配制高密度低失水泥浆， 一般是在煤系地层 钻了一定厚度之后， 经常出现下钻不到底、 起钻阻力 大、 钻进时孔内诸如回转阻力大和水泵压力高甚至常 憋泵等异常情况， 原有泥浆不能满足孔内护壁需要而 进行的。总结起来， 现场配浆大体可分为基础起始、 调 整提高和稳定巩固3个阶段。 基础起始阶段配制高密度低失水泥浆， 必须 ①准 确计算钻孔和泥浆池容积， 设计泥浆密度、 粘度、 失水 量等主要指标范围， 初步确定泥浆配方， 计算并准备所 需各种泥浆材料； ②按配方加粘土粉搅拌成基浆并充 分水化； ③按配方将提前加水浸泡调成溶液的羧甲基 纤维素等高分子材料加入原浆中搅拌均匀； ④按配方 加入页岩抑制剂、 降失水剂等搅拌均匀； ⑤分2～3批次 加入增大泥浆密度的石灰石粉， 加入过程中多测试泥 浆密度、 粘度和失水量， 直到达到计划值为止。 调整提高阶段配制高密度低失水泥浆， 是根据使 用基础阶段所配泥浆后的第一反映， 如下钻扫孔的掉 块、 坍塌是否减少， 钻具能否到底， 钻具到底是否憋泵， 回转阻力大或不大， 上返泥浆性能指标变化， 或第一回 次钻进过程和取芯等种种具体情况， 综合判断所配基 础泥浆是否有效， 还存在哪些方面性能需要改进， 并据 此调整泥浆的密度、 粘度和失水量等指标性能。之后， 继续第二、 第三回次的观察、 分析、 判断， 并相应调整泥 浆， 直至孔内干净、 安全。 稳定巩固阶段， 是在泥浆调整提高阶段结束后， 在 继续保持孔内安全的前提下， 通过进一步优化泥浆材 料配比和改善泥浆性能指标， 创造正常钻进的孔内良 好环境， 达到更大程度满足绳索取芯钻进工艺所需、 争 取早日钻穿煤系地层直至下套管或终孔的目的。此阶 段， 一般是轻微下调泥浆的密度和粘度指标。 5工程应用 5.1ZK1013孔煤系地层应用高密度低失水泥浆 设计孔深为2300m 的ZK1013孔， 下∅114mm 套 管隔离了23.72～388.03m的之间多段极其破碎的炭质 页岩、 含炭粉砂岩的煤系不稳定地层后， 采用∅96mm 口径金刚石绳索取芯钻进工艺继续钻进煤系地层至孔 深 711m， 起钻， 换钻头。在随后下钻中,发现孔深 470～491m、 630～650m、 703～709m三段严重垮孔， 扫 孔时回转阻力大、 泵压高甚至憋泵、 无法加杆等现象始 终存在。在先后采取4次水泥固孔都未收到理想效果 后， 决定选用高密度低失水泥浆护孔。 按前述配制高密度低失水泥浆方法要求， 在基础 起始阶段， 在4粘土浆中， 采用加量50的石灰石粉、 加量1.25的磺化沥青、 加量0.25的低荧光防塌护壁 剂、 加量0.07的羧甲基纤维素、 加量0.05的聚丙烯 酸钾等材料配制泥浆 （泥浆密度1.30～1.35g/cm3， 漏斗 粘度33s， 失水量7～8mL） ， 历经20d， 终于扫孔到底并 开始进尺； 在调整提高阶段， 逐渐降低石灰石粉等加量 以降低泥浆密度和粘度； 在稳定巩固阶段， 采用加量 25的石灰石粉为加重剂、 加量1.85的磺化沥青为页 岩抑制剂等配制泥浆 （泥浆密度1.12g/cm3， 漏斗粘度 23s， 失水量7～8mL） ， 钻至930m深度， 煤层结束， 是稳 定的灰岩， 继续钻进灰岩于1079m处， 下入∅91mm套 管彻底隔离煤系地层， 最终∅76mm 口径终孔深度 2277.59m。 5.2ZK1814孔煤系地层应用高密度低失水泥浆 设计孔深为3000m 的ZK1814孔， 采用HXY-9B 钻机和∅140mm钻杆、 ∅150mm绳索取芯钻进方法， 通过螺杆钻多次纠斜， 钻穿了深度接近800m的变质 岩， 进入煤系地层将近200m。5月18日白班钻进深度 至991.77m， 晚班接班投内管后到位即加单根， 在随后 的短距离扫孔过程中， 回转阻力大且憋泵， 停车时出现 钻具反转和一异常响声。马上上顶立轴钻杆， 拆除1根 单根后， 开泵， 不通水。再上提1根单根过程中， 钻杆反 弹， 阻力消失， 拆除第2根单根后， 开车轻松， 开泵通 水。继续扫孔。在缓慢扫完1根单根到底时， 不进尺且 泵压高。多次上下活动无效， 只得打捞内管， 但多次均 不成功。无法， 只有起大钻。起钻时， 仅下部几根立根 堵水， 后发现弹卡室以下的上扩孔器、 外管、 下扩孔器、 钻头和整根内管及内管总成， 均遗留在孔内， 且弹卡室 下端公扣破损， 形成了钻具事故。 鉴于前一日起大钻后重新下钻时有超过20m的深 度不到底， 可以说， 近200m厚的煤系地层钻进中， 孔壁 不稳定， 地层松散、 破碎、 水敏甚至压力异常， 掉块、 坍 塌严重， 所用护孔泥浆存在很大问题。为此， 按照类似 ZK1013孔的做法， 通过采用以石灰石粉为加重剂、 以 28 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 羧甲基纤维素为主要降失水剂、 以腐植酸钾为页岩抑 制剂和降粘剂的高密度低失水泥浆， 控制密度1.25g/cm3、 粘度25s、 失水量6mL左右， 确保了用打捞器焊在钻头 内打捞内管 （阻力大， 捞矛头滑脱） 、 用母锥焊在钻头内 打捞内管、 用∅122mm钻头打小眼、 用公锥打捞外管 的顺利进行， 事故处理取得完全成功。并且， 顺利钻 进后续煤层， 至 1116.56m 处， 下入∅140mm 套管， 改 ∅122mm口径绳索取芯钻进。 6结语 只要认真分析地层特点， 仔细研究绳索取芯钻进 中下钻、 扫孔、 钻进、 打捞内管、 起大钻、 返浆等各种情 况， 以石灰石粉为加重剂、 以羧甲基纤维素为主要降失 水剂、 以磺化沥青和腐植酸钾为页岩抑制剂、 以腐植酸 钾为降粘剂的高密度低失水泥浆， 通过不断针对性调 整配方 （不是生搬硬套泥浆配方） 及主要性能指标 （也 不是生搬硬套泥浆主要性能指标） ， 完全适用具有松散 和破碎为主、 水敏次之的煤系不稳定地层钻进。 参考文献 [1]汤凤林， A.Г.加里宁， 段隆臣.岩心钻探学[M].武汉 中国地质 大学出版社， 2009. 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