深部鉆探泥漿護壁技術研究與應用

蔡正水，朱恒銀

（安徽省地質礦產(chǎn)勘查局313地質隊， 安徽六安 237010）

深部鉆探泥漿護壁技術研究與應用

蔡正水，朱恒銀

（安徽省地質礦產(chǎn)勘查局313地質隊， 安徽六安 237010）

隨著深部鉆探工作的深入開展，孔內施工條件空前復雜，有了更多的不可預見性，施工風險大幅度增加。鉆孔孔壁的穩(wěn)定成了工作的重中之重。因此，各個施工單位和機臺都把泥漿的使用和維護，作為施工的重要內容去抓。本文從鉆遇不同的地層著手，探討泥漿在各種地層情況下的配比、使用、維護和廢漿處理。

泥漿體系；不同地層；泥漿性能；使用和維護

0　引言

泥漿與護壁技術的優(yōu)劣是深部鉆探成敗的關鍵之一。近年來，我們根據(jù)深部鉆探及科學鉆探需要，針對不同巖礦層、鉆孔類型、孔深和口徑開展了泥漿與護壁技術研究，并取得可喜的成果。本文著重介紹其研究與應用情況。

1　不同地層的泥漿體系及應用效果

1.1松散軟地層

松散軟地層主要為黏土、淤泥、砂、砂礫石、礫卵石、泥巖、灰?guī)r等。這類地層用泥漿護壁主要是增加孔壁地層顆粒之間的膠結力和孔壁地層的抑制性（黏土、淤泥層）。關鍵措施是選擇細分散泥漿體系，通過增加泥漿中的黏土含量，加入有機或無機增黏劑等方法來提高泥漿黏度。體系中除黏土、Na2CO3和水外，往往加入提黏劑、降失水劑和稀釋劑（或抑制劑）。

該泥漿體系的配方：膨潤土10%～15%+CMC0.1%～0.5%（可選擇低黏、中黏或高黏）+KHm（腐殖酸鉀）2%～4%（或NaHm）。主要性能指標：密度1.10～1.15g/ c m3，黏度2 5～4 0 s，濾失量≤15ml/30min。

該泥漿體系曾用于安徽霍邱和阜陽地區(qū)鐵礦區(qū)第四系覆蓋層（厚200～ 600m）、上海市地面沉降監(jiān)測標孔、三維地質取樣孔（第四系黏土及粉砂質黏土、砂礫層厚300～400m）、北京市地面沉降監(jiān)測標孔、三維地質取樣孔（第四系黏土、砂、礫卵石層最高厚950m）以及環(huán)境科學鉆探，解決了孔壁縮徑、超徑、坍塌問題，完全滿足松散軟地層護壁要求。應用地區(qū)的主要地層如表1所示。

表1　應用地區(qū)的主要地層Table 1 Major strata in the applied area

經(jīng)驗表明，用于松散軟地層的細分散CMC+KHm（或NaHm）泥漿可在鉆進過程中自然造漿，對第四紀地層的護壁和抑制孔壁膨脹性能較好。但泥漿抗侵污能力差，性能不夠穩(wěn)定，應針對不同類型的侵污特點對癥添加抗侵處理劑，加強泥漿的地表凈化（除泥、除砂），控制含砂量。

1.2水敏性地層

水敏性地層包括吸水膨脹（以蒙脫石為主的泥頁巖）、吸水分散（蝕變凝灰?guī)r、蝕變粗安斑巖、高嶺土化、滑云母化巖石、泥質砂巖）和吸水剝落（泥質板巖、砂質頁巖、石英石墨片巖）三類地層。水敏性地層主要選用高抑制性泥漿體系。主要措施是降低泥漿的濾失量，避免大量自由水進入地層；添加K+或NH4

+等成分，利用高分子聚合物的吸附、分子鏈交聯(lián)及包被作用，提高泥漿的抑制性能；加入瀝青類處理劑，對孔壁上的裂隙及毛細管道具封堵作用。

鉀基高分子抑制性泥漿體系的配方：1 m3水+4 0 k g鈉膨潤土+40kg氯化鉀+3kg聚丙烯酰胺+5kgCMC+10kg改性瀝青+5kgGLUB（潤滑劑）。主要性能指標：密度1.05～1.10g/cm3，黏度22～25s，濾失量≦14ml/30min，泥皮厚1mm，相對膨脹降低率80%，潤滑系數(shù)0.22。

該泥漿體系中采用KCl、KOH或KHm等作為處理劑，提供K+離子，一是通過離子交換使K+進入蒙脫石晶層形成伊利石結構；二是因K+離子直徑與黏土六方晶格大小相符，離子交換后起晶格固定封閉作用。同時體系中加入的高分子聚合物吸附于孔壁表面，形成高分子吸附膜封閉地層微裂隙及層理，增強膠結強度，減少地層膨脹性，增強泥漿體系對地層抑制能力和孔壁的潤滑性能。

該體系泥漿在安徽壽縣正陽關鐵礦異常驗證ZK01、ZK04孔和安徽明光蘇巷石鹽鉀鹽礦異常查證ZK012孔中應用，平均鉆孔深度1717m，最深達2001m，累計鉆探工作量5153m。鉆孔主要穿過地層見表2所示。

表2　鉆孔主要穿過地層Table 2 Major drilled strata

在上述鉆孔中的使用結果表明，鉀基高分子抑制性泥漿對水敏性地層具有較強的抑制作用，鉆進過程中自造漿能力減弱，流變性較好，攜帶巖粉、懸浮巖粉能力較強，鉆孔孔壁較完整，超徑、縮徑現(xiàn)象不明顯。同時有良好的抗侵污能力，減少了孔內事故，平均巖芯采取率達90%以上。壽縣正陽關ZK01孔和ZK04孔均采用H、N系列口徑繩索取心鉆進，內管起下順利，滿足了水敏性地層繩索取心鉆進對泥漿性能的要求。

1.3破碎及壓力地層

破碎地層是指在地質成因、構造運動及風化、地下水侵蝕等作用下形成的斷層、破碎帶及巖石節(jié)理、片理、裂隙發(fā)育的地層。破碎地層往往松散不穩(wěn)定、膠結性差、強度低，而且其中常夾有壓力地層。地層深部的巖石在未被鉆開前其受到的上覆巖層壓力、水平地應力及孔隙壓力處于平衡狀態(tài)；鉆開后原有平衡被破壞，應力釋放或重新分布造成孔壁失穩(wěn)（孔壁縮徑、坍塌或破裂），這類地層稱為壓力地層。在鉆進過程中，泥漿的沖刷和動壓力作用將加劇孔壁不穩(wěn)定。這類地層應采用壓力平衡（亦稱平衡地壓）鉆進，通過調節(jié)泥漿密度使鉆進中鉆孔環(huán)空外壓力始終等于或接近于地層孔隙壓力，而又不超過地層壓裂（壓漏）壓力極限，使之保持一定的平衡關系。壓力平衡鉆進的數(shù)學表達式：

式中：PD、PH、PK分別代表地層壓裂壓力、環(huán)空壓力和地層孔隙壓力。

表3　聚合物加重泥漿體系性能參數(shù)Table 3 Polyester strengthening slurry system performance parameters

用于破碎地層的高分子聚合物低固相泥漿體系配方：1m3水+50kg鈉膨潤土+2kgCMC+1kgPHP+2kg皂化油（或GLUB）。主要性能指標：密度1.05g/cm3，黏度20～25s，濾失量≦14ml/30min，泥皮厚0.5mm，潤滑系數(shù)0.21。

如果所鉆破碎地層的地層壓力不明顯，一般采用密度1.05～1.10的高分子聚合物泥漿即可達到護壁要求。在安徽霍邱鐵礦深部鉆探試驗ZK1725孔、華東廬樅盆地科學鉆探選址預研究LZSD-1孔和華南于都-贛縣礦集區(qū)科學鉆探選址預研究NLSD-1孔破碎帶孔段使用的低固相高分子聚合物泥漿，完全滿足護壁和繩索取心鉆進要求。

四川汶川地震斷裂帶科學鉆探WFSD-3孔布置在龍門山斷裂上，鉆遇的地層主要為：侏羅系粉砂巖含礫砂巖、泥巖互層，三疊系巖屑砂巖、碳質頁巖或煤線、泥灰?guī)r、煤層、斷層泥等。該地層經(jīng)過歷史上多次強烈地震，全孔破碎地層占80%以上，地層應力很大，鉆孔縮徑、坍塌嚴重并伴有涌水漏失等罕見復雜情況。采用壓力平衡鉆進技術，以高黏度、高密度、高分子聚合物加重泥漿來解決該類破碎地層的孔壁失穩(wěn)問題。聚合物加重泥漿體系配方：1m3水+8%～10%膨潤土+5%純堿（膨潤土重量）+0.5%～0.8%CMC+1%NH4-HPAN+2%SAS+0.5% K-PAM +1% KHm+ BaSO4（根據(jù)地層情況計算加量）+1%GLUB。性能參數(shù)見表3所示。

重泥漿體系的最大特點是濾失量低、密度高、流變性好，對強破碎地層具有良好的護壁和保護巖芯性能。在汶川地震科學鉆探WFSD-3孔復雜地層中平衡地應力鉆進取得了非常滿意的效果，取出的巖芯如圖1、圖2所示。

若地層孔隙壓力低（如鉆孔漏失、地下水位較低）可采用低密度泥漿，如充氣泥漿或可循環(huán)微泡沫泥漿等進行壓力平衡鉆進。

圖1　破碎松散巖芯Fig. 1 Broken loose core

圖2　強膨脹黏滯性巖芯Fig. 2 Strongly expansive viscous core

1.4易溶性地層

易溶性地層主要為遇水溶蝕的鹽膏層、芒硝、鉀鹽、巖鹽等，極易造成鉆孔超徑、地層剝落、坍塌現(xiàn)象。這類地層護壁主要從降失水、降低泥漿對地層的溶蝕性兩方面入手。在泥漿中加入與被溶物相同的物質使其達到飽和，可有效抑制其溶解。

在廣東東莞中堂鹽礦及廣東龍歸鹽礦兩礦區(qū)施工的10口探采結合食鹽井采用的飽和鹽水聚合物泥漿體系配方：1m3飽和鹽水（NaCl 加量至飽和程度，測濾液波美度為25～26度）+5%膨潤土+0.4% Na2CO3+0.2%CMC+3%～5% SMC +0.5% K-PAM+1%KHm+2% KCl+1% Na2SO4。性能指標：密度1.05～1.10g/cm3；黏度25s；濾失量15ml/30min；泥皮厚1mm。

廣東兩鹽礦區(qū)的應用表明：在現(xiàn)場采用鹽礦山鹵水加適量工業(yè)鹽配置飽和鹽水（波美度25～26度）的抗鹽、抗鈣能力強，對巖鹽、膏鹽、芒硝層的抑制性好，濾失量低，泥皮質量較好，孔壁超徑現(xiàn)象不明顯，所取的鹽礦心基本不溶蝕，完全滿足易溶性地層護壁及鉆進要求。

1.5較完整微裂隙地層

深部鉆探一般都下入套管隔離復雜地層。鉆進較完整微裂隙地層時鉆孔的潤滑條件、泥漿攜帶巖粉和懸浮巖粉的能力成為主要問題，而泥漿護壁變?yōu)榇我獑栴}。鉆進較完整微裂隙地層常用的高分子低固相泥漿體系和無固相泥漿體系的典型配方性能參數(shù)見表4。

該泥漿體系潤滑性能好，懸浮及攜帶巖粉能力強（孔內斷鉆桿后處理數(shù)十小時未出現(xiàn)埋鉆現(xiàn)象），繩索取心鉆桿內壁結垢少，抗溫性好，鉆進3000m深孔（孔底溫度90～100℃）未發(fā)現(xiàn)泥漿降解現(xiàn)象。在安徽霍邱鐵礦、金寨沙坪溝鉬礦、壽縣正陽關鐵礦異常查證礦區(qū)及華南于都-贛縣礦集區(qū)科學鉆探NLSD-1孔和華東廬樅盆地科學鉆探LZSD-1孔中套管以下較完整地層中使用，取得了良好效果。

表4　低固相及無固相泥漿體系典型配方及性能參數(shù)Table 4 Typical composition and performance parameters for low-solid phase and non-solid phase slurry systems

2　泥漿固相含量控制與清除

泥漿中的固相可分為有用固相和無用固相，膨潤土、加重材料及非水溶性或油溶性化學處理劑都屬于有用固相，而鉆屑、劣質黏土和砂粒等則屬于無用固相。無用固相過多將破壞泥漿性能，給鉆進帶來隱患。泥漿固相控制就是在保存適量有用固相的前提下盡可能清除無用固相，是實現(xiàn)優(yōu)化鉆進的重要手段之一。有效控制固相含量可降低鉆進扭矩和摩阻，減小環(huán)空抽吸壓力波動，減少壓差卡鉆的可能性，提高鉆速，延長鉆頭壽命，改善下套管條件，增強孔壁穩(wěn)定性，降低泥漿成本。常用化學絮凝沉淀和機械清除兩種方法來控制泥漿固相。

2.1化學絮凝沉淀法

在泥漿中加入化學絮凝劑，使固相絮凝膠結沉淀而去除固相。化學絮凝劑有全絮凝和選擇性絮凝兩種，前者是將泥漿中有用和無用固相統(tǒng)統(tǒng)絮凝掉，如未水解的PAM和明礬等都屬于全絮凝劑。后者是保留泥漿中有用固相，絮凝掉巖粉等無用固相，一般水解度30%的選擇絮凝劑PHP效果最佳。對金剛石地質巖芯鉆探而言，由于巖粉顆粒細，絮凝物呈絮狀團塊，密度小，沉降時間長，部分絮凝塊可能又被送入孔內循環(huán)，難以完全達到清除固相的效果。所以選擇性絮凝需要地表較完善的沉淀系統(tǒng)，輔助人工及時撈取才能提高清除固相效果。

2.2機械清除法

機械清除泥漿固相主要設備有振動篩，旋流除砂（泥）器和離心機。根據(jù)分離顆粒的尺寸，旋流分離器又可分為除砂器、除泥器和超級旋流器等三種，機械清除泥漿固相的使用范圍如圖3所示。

圖3　泥漿固相機械分離設備的使用范圍Fig. 3Range of use of mechanical separating equipment for slurry solid phase

固相控制處理過程是：泥漿在沉淀池初步沉淀后，送入水力旋流除砂器清除大部分粗顆粒巖屑（主要由全面鉆進、擴孔鉆進和井壁坍塌產(chǎn)生），再經(jīng)離心機分離出較細的巖粉，達到二級凈化的目的。經(jīng)旋流除砂器和離心機處理后的泥漿繼續(xù)循環(huán)使用。泥漿循環(huán)及固控系統(tǒng)布置如圖4所示。安徽省地礦局313質隊施工2000m以深的鉆孔均采用該泥漿循環(huán)及固控系統(tǒng)。

圖4　泥漿循環(huán)及固控系統(tǒng)示意圖Fig. 4 Slurry circulation and solid-control system

泥漿固相清除控制方法及設備的選擇與配置應根據(jù)鉆探現(xiàn)場情況、孔深、孔徑、鉆進方法合理組合，不要盲目布置過多的固相系統(tǒng)造成浪費。小口徑金剛石鉆探因用泥漿量較少，應盡量選擇體積、功率小的固控設備。

3　泥漿性能調節(jié)與維護

3.1泥漿性能的調節(jié)

鉆探現(xiàn)場應根據(jù)所施工地層及上返泥漿性能的變化情況調整泥漿性能。

3.1.1泥漿黏度與切力的調節(jié)

泥漿的黏度與切力有著密切關系，一般調節(jié)黏度可控制泥漿的切力。調節(jié)泥漿黏度的基本原則是：增加黏土含量和分散度，加入高分子增黏劑，增大黏土顆粒間的絮凝強度等可提高泥漿黏度；反之，降低固相含量和分散度，加入稀釋劑以削弱或拆散網(wǎng)架結構等可降低泥漿黏度。

針對孔壁坍塌，輕微漏失造成起下鉆遇阻，下鉆不到底等復雜情況，可采取以下措施適當提高泥漿的黏度和切力。

①采用有機高分子增黏劑來提高泥漿的塑性黏度，如CMC、 HPH、天然植物膠（魔芋、田箐膠、瓜爾膠、黃原膠）等高分子聚合物和生物聚合物；②適當增加黏土粉含量，并用無機處理劑（如Na2CO3和NaOH）增加泥漿中黏土的分散度，以提高泥漿的塑性黏度和結構黏度；③對粗分散泥漿加入絮凝劑（如Ca（OH）2、CaSO4、CaO和NaCl等無機鹽類）以提高泥漿的結構黏度。

當鉆進泥巖、泥質頁巖、黏土層造成黏土侵，或者泥漿受到可溶性鹽污染及巖粉侵入導致泥漿黏度、切力上升時需要降低黏度和切力。一般情況下，可加水稀釋泥漿或加入FCLS（鐵鉻鹽）、SMT（單寧）、SMK（栲膠）、烯酰胺或丙烯酸類聚合物及NaHm（腐殖酸鈉）、KHm（腐殖酸鉀）、SPNH（磺化褐煤樹脂）等降黏劑，同時，加強地表泥漿的固相控制和清除來降低泥漿的黏度和切力。

3.1.2泥漿濾失量的調節(jié)

針對吸水膨脹或易坍塌、滲透性好的地層，需嚴格控制濾失量和泥皮厚度，當鹽侵造成濾失量過大時也要降濾失量。

常用的降濾失劑有：有機高分子降濾失劑、有機腐殖酸鹽及其衍生物、纖維素衍生物、聚丙烯酸衍生物類和野生植物膠類的堿液等，如Na-PAM、Na-CMC、HPH、SPNH、SMC、KHm、K-PAM等。

3.1.3泥漿密度的調節(jié)

鉆進高壓、涌水地層或地應力大引起的破碎坍塌、縮徑地層時，需及時提高泥漿的密度?？上蚰酀{中加入一定數(shù)量的惰性粉末，如重晶石粉，黏土粉或含砂量少分散性差的劣質黃土。同時注意做好泥漿凈化和防沉淀卡鉆工作。

鉆進漏失或較完整地層時，應降低泥漿密度，以減輕泥漿漏失和提高鉆速。可用機械或化學絮凝方法降低泥漿中固相（尤其是無用固相）含量，以降低泥漿密度。盡量采用不分散低固相泥漿、無固相泥漿及乳化或充氣泥漿。

3.1.4泥漿酸堿度（pH值）的調節(jié)

各類泥漿都有它適合的酸堿度（pH值）范圍，在此范圍內泥漿性能就穩(wěn)定，否則就不穩(wěn)定，加入的處理劑也不能有效地發(fā)揮作用。在測定泥漿濾液pH值的基礎上，需提高pH值時，可在泥漿體系中加入Na2CO3和NaOH；需降低pH值時，可加入五倍子粉、栲膠粉、褐煤粉，使其與泥漿中多余的NaOH作用生成中性的單寧酸鈉或腐殖酸鈉鹽，另外在泥漿中加水和黏土粉亦可使pH值下降。

3.1.5泥漿潤滑性的調節(jié)

泥漿的潤滑性能可通過測定泥餅的黏滯性和潤滑系數(shù)來獲取。野外以觀察鉆機回轉扭矩和鉆具磨損情況來判斷。提高泥漿潤滑性的措施：降低泥漿含砂量及固相含量；加入皂化油、太古油、瀝青、GLUB等潤滑劑或脂肪酸皂、磺化蓖麻油、吐溫60、吐溫80等乳化劑。不過在含鈣質及硬水地層，盡量不選用皂化油、太古油等陰離子型潤滑劑，因陰離子型潤滑劑抗鈣侵能力差，易產(chǎn)生破乳現(xiàn)象。

3.2現(xiàn)場泥漿管理與維護

深孔鉆探泥漿的用量大，對泥漿性能要求高。泥漿現(xiàn)場管理與維護相對煩瑣，如果管理與維護不力，泥漿性能無法保證，易造成泥漿護壁成本增加和孔內事故。深孔鉆探施工中，現(xiàn)場泥漿管理與維護應做好以下幾點：

（1）要配專人管理維護泥漿性能，做到“三勤”（勤觀察、勤測試、勤調整）并建立泥漿技術檔案；

（2）配齊常規(guī)泥漿測試儀器，建立現(xiàn)場簡易泥漿試驗室；

（3）強化泥漿的固相控制，利用地表固控系統(tǒng)及時清除泥漿固相顆粒，并定期清理沉淀池池底的沉渣；

（4）考慮到處理劑之間的質量及性能差異，配制新漿時應以實際泥漿性能符合要求為準，不能拘泥于理論配方的用量；

（5）在轉換泥漿體系或換漿時，必須先做小型試驗，再確定實際加量；

（6）在攪拌新漿或加入處理劑調漿時，必須充分攪拌再排入泥漿池內循環(huán)；

（7）鉆孔替漿時要從上至下逐步替換，不能自下而上一次性替完，以免造成孔壁失穩(wěn)事故；

（8）禁止用清水直接向孔內替漿和稀釋泥漿，以免破壞泥漿體系性能而造成孔內事故；

（9）泥漿池、沉淀池上必須有遮雨設施，避免雨水流入破壞泥漿性能；要防止打掃衛(wèi)生、沖洗場地的水流入池中。

（10）現(xiàn)場泥漿材料及堵漏材料要標注名稱，分類堆放，并有防濕措施。

4　結語

眾所周知，泥漿是鉆探的血液。在鉆探施工中，特別是在深孔、地質情況復雜的鉆孔，以及發(fā)生孔內事故的鉆孔、對泥漿性能和成分有特殊要求的鉆孔，必須特別重視泥漿的使用與維護。根據(jù)鉆孔施工的階段和具體情況及時調整泥漿的性能和組分，以適應施工的需要，保證施工的順利和孔內安全。

［1］朱恒銀，王強，楊凱華，等.深部巖芯鉆探技術與管理［M］.北京：地質出版社，2014.

［2］朱恒銀，蔡正水，張文生，等.深部礦體勘探鉆探技術方法研究綜述［J］.安徽地質，2012（增刊）：119～123.

［3］朱恒銀，蔡正水，王強，等.贛州科學鉆探NLSD-1孔施工技術研究與實踐［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2014，41（6）：1～7.

［4］烏效鳴，胡郁樂，賀冰新，等.鉆井液與巖土工程漿液［M］.武漢：中國地質大學出版社，2002.

［5］王建學，萬建倉，沈慧.鉆井工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［6］劉廣志.金剛石鉆探手冊［M］.北京：地質出版社，1991.

STUDY AND APPLICATION OF SLURRY SUPPORTING TECHNIQUE IN DEEP DRILLING

CAI Zheng-shui， ZHU Heng-yin
（No.313 Unit， Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province， Lu'an， Anhui 237010， China）

With further going of deep drilling， downhole construction conditions become unprecedentedly complicated， more unexpected things and constructions risks arise. Borehole wall stability is the priority of all. Each construction unit pays great attention to the use and maintaining of slurry. This paper discussed the composition， use， maintaining and waste slurry treatment against different strata to be drilled into.

slurry system； different strata； slurry performance； use and maintaining

1005－6157（2016）03－0212－5

P634.62

A

2016-04-25

蔡正水（1974－ ），男，安徽濉溪人，工程師，主要從事工程地質勘查及鉆探工作。