景谷凹陷鉀鹽調(diào)查JG-2 井飽和氯化鎂鹽水鉆井液技術(shù)

易強(qiáng)忠，熊正強(qiáng)，周興華，汪 林

（1.云南地質(zhì)工程第二勘察院有限公司，云南 昆明 650200；2.北京探礦工程研究所，北京 100083；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局昆明自然資源調(diào)查中心，云南 昆明 650100）

0 引言

云南景谷地區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)工業(yè)鉀鹽礦，但存在相對(duì)較好的鉀礦化特征［1-3］。為進(jìn)一步擴(kuò)大文卡鹽礦區(qū)的鉀鹽找礦成果，力爭(zhēng)鉆穿勐野井組（厚度57～1124 m），確立文卡礦區(qū)鉀鹽成礦模式，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所在云南省思茅盆地西區(qū)中部景谷凹陷部署了一口鉀鹽地質(zhì)調(diào)查井——JG-2 井。JG-2 井目的含鹽層位主要是下白堊統(tǒng)勐野井組，鹽層礦石類型主要為含泥礫石鹽巖、泥礫質(zhì)石鹽巖，鹽層礦物組份主要為石鹽，其次有鉀石鹽、硬石膏等。

以往在JG-2 井附近完成的可借鑒鉆孔有2 個(gè)。其中，ZK-15 孔于1967 年12 月施工完鉆，位于JG-2井井口的北東東向，孔深96.59～550.87 m 均為含鹽地層，但限于當(dāng)時(shí)的施工設(shè)備能力，550.87 m 深度即終孔，更深部的含鹽、含鉀地層未被揭露。

部署在景谷地區(qū)某鉀鹽地質(zhì)調(diào)查井，采用氯化鈉鹽水鉆井液施工，由于氯化鈉加量不足及鉆井液性能較差，局部鹽礦心采取率＜50%。后期通過(guò)提高氯化鈉加量至飽和以及改善鹽水鉆井液性能，鹽礦心采取率達(dá)到98%，但含鹽巖心均存在不同程度地溶蝕問題，導(dǎo)致鹽礦心直徑與質(zhì)量未滿足要求（見圖1）。通過(guò)技術(shù)總結(jié)與分析，造成景谷地區(qū)鉀鹽調(diào)查鹽礦心溶蝕、采取質(zhì)量差等問題的原因主要是采用的鉆井液體系不合理以及鉆井液性能維護(hù)不當(dāng)。

圖1 以往鉆孔采用氯化鈉鹽水鉆井液獲取的鹽礦心Fig.1 The rock core obtained by sodium chloride drilling fluid

目前鉀鹽鉆探工程主要采用鹵水鉆井液［4-6］、飽和氯化鎂鹽水鉆井液［7-9］、復(fù)合性飽和鹽水鉆井液［10-11］、鎂基鉆井液［12］和油基鉆井液［13-14］。例如，新疆羅布泊鹽湖深部鉀鹽地質(zhì)科學(xué)鉆探LDK02 孔采用鹵水鉆井液［6］施工，解決了地層坍塌嚴(yán)重、鹵水配漿膠體穩(wěn)定性差等難題。云南江城鉀鹽MK-1 井、MK-2 井和MK-3 井的鹽巖層段均采用飽和氯化鎂鹽水鉆井液［7-9］施工，解決了鉀鹽等鹽巖易溶蝕、取心質(zhì)量差等問題，鹽礦心采取率均達(dá)95%以上。老撾甘蒙省鉀鹽鉆探工程在鉀石鹽和光鹵石礦層段采用由“飽和氯化鈉+約30%氯化鎂”溶液配制的復(fù)合性飽和鹽水鉆井液［10］施工，鹽礦心采取率達(dá)90%以上。老撾農(nóng)波礦區(qū)南部鉀鹽鉆探工程采用多功能劑配制的鹽水鉆井液和鎂基鉆井液［12］施工，光鹵石巖心采取率達(dá)90%以上。

1 JG-2 井概況與施工難點(diǎn)

1.1 JG-2 井概況

JG-2 井設(shè)計(jì)井深1800 m。2022 年7 月8 日開鉆，2022 年12 月9 日完鉆，完鉆井深1829.44 m。JG-2 井鉆遇地層為第四系、白堊系曼寬河組、白堊系勐野井組與景星組，地層巖性主要為棕紅色泥礫巖、青灰色泥巖與粉砂巖等，具體詳見表1。

表1 JG-2 井鉆遇地層表Table 1 Drilling strata by Well JG-2

采用XY-9B 型鉆機(jī)施工，配備BW300/16 型泥漿泵、QJQ200 型泥漿清潔器和TGLW350N 型離心機(jī)，采用三開井身結(jié)構(gòu)及繩索取心鉆進(jìn)工藝，井身結(jié)構(gòu)見圖2。導(dǎo)管0～31.05 m：先采用?152 mm 復(fù)合片鉆頭無(wú)水或微水無(wú)泵反循環(huán)鉆進(jìn)取心，然后采用? 311 mm 鉆頭擴(kuò)孔再下入?245 mm 套管至井深31.05 m；一開31.05～201.17 m：采用?152 mm 金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝取心，然后采用?215.9 mm 鉆頭擴(kuò)孔，再下入?194 mm 套管至井深201.17 m；二開201.17～470.67 m：采用?152 mm 金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝取心，然后采用?171 mm 鉆頭擴(kuò)孔，再下入? 146 mm 套管至井深468 m；三開470.67～1829.44 m：采用CHD ?127 mm 鉆頭口徑增大外徑至?133 mm的金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝取心，裸眼完鉆。

圖2 JG-2 井井身結(jié)構(gòu)Fig.2 Well structure diagram of Well JG-2

1.2 JG-2 井施工難點(diǎn)

（1）299.22 m 以深鉆遇地層主要為棕紅色泥巖或泥礫巖，這些泥巖巖粉懸浮在鉆井液中，導(dǎo)致鉆井液的固相含量增加及發(fā)生鉆頭泥包等問題，影響鉆進(jìn)效率；而砂巖井段裂隙發(fā)育、松散破碎易造成井壁坍塌、掉塊。

（2）勐野井組頂板富鉀雜鹵石巖心及鹽巖層段巖心遇水溶蝕，易出現(xiàn)巖心采取質(zhì)量差、井徑擴(kuò)大等問題。

（3）三開?133 mm 繩索取心鉆探工藝要求鹽水鉆井液在濾失量與粘度控制方面保持協(xié)調(diào)平衡，即實(shí)現(xiàn)較低的粘度與良好的護(hù)壁性能［15］。

（4）三開井段裸眼時(shí)間長(zhǎng)，且破碎帶較多、裂隙發(fā)育嚴(yán)重，給鉆孔護(hù)壁、巖屑攜帶、巖心保護(hù)帶來(lái)新的問題與挑戰(zhàn)。

（5）石鹽巖屑顆粒粗、易沉砂，對(duì)鉆井液的懸浮與攜帶能力有較高的要求。

（6）鹽礦心采取質(zhì)量要求高，全井鹽巖段及鹽巖段頂、底板的鹽礦心取心率＞90%，且不能使用含鉀離子的鹽水鉆井液施工。

因此，針對(duì)JG-2 井上述施工難點(diǎn)問題，并滿足繩索取心鉆進(jìn)工藝，要求使用的鹽水鉆井液必須具備優(yōu)良的抑制鉀石鹽和石鹽溶解能力、優(yōu)良的護(hù)壁護(hù)心性能、較低的固相含量和較低的黏度。

2 鉆井液選擇

JG-2 井鉆井設(shè)計(jì)要求鉆井液處理劑不得含鉀元素，以避免影響巖心樣品成分分析。而前期景谷地區(qū)某鉀鹽地質(zhì)調(diào)查井使用飽和氯化鈉鹽水鉆井液施工，仍存在鹽礦心溶蝕、巖心直徑與質(zhì)量未滿足要求等問題。因此，通過(guò)總結(jié)分析現(xiàn)有鉀鹽鉆探鉆井液應(yīng)用等資料，采用高溶解度鹽抑制低溶解度鹽溶解的原理，最終選用北京探礦工程研究所研制的飽和氯化鎂鹽水鉆井液技術(shù)施工。該鉆井液具有優(yōu)良的抑制鉀鹵石等鹽礦溶解能力和泥巖水化分散性能以及良好的流變性能等特點(diǎn)，主要材料有氯化鎂、鈉膨潤(rùn)土、抑溶劑、接枝淀粉GSTP、降失水劑GPNA、增粘劑GTQ、包被劑GBBJ、稀釋劑及潤(rùn)滑劑等。飽和氯化鎂鹽水鉆井液中各處理劑的主要作用見表2。

表2 處理劑名稱及其作用Table 2 Names and functions of additives

推薦使用的飽和氯化鎂鹽水鉆井液為：氯化鎂飽和溶液+0.2%～1% 抑溶劑+0～1% 鈉膨潤(rùn)土+0.3%～0.5% GPNA+0.3%～0.5% GSTP+0.3%～1% GTQ+0.1%～0.2% GBBJ。以配方“氯化鎂飽和溶液+0.3%抑溶劑+1%鈉膨潤(rùn)土+0.5% GPNA+0.5% GSTP+0.5% GTQ+0.1% GBBJ”為例，室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試評(píng)價(jià)，結(jié)果見表3。

表3 飽和氯化鎂鹽水鉆井液性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Performance test results of saturated magnesium chloride brine drilling fluid

從表3 可看出，新配制的飽和氯化鎂鹽水鉆井液具有良好的流變性、抑制性以及較低的濾失量。而室溫陳化16 h 后鉆井液的粘度與靜切力均增加，但是鉆井液仍具有較低的粘度，滿足繩索取心鉆進(jìn)工藝要求。這是因?yàn)轱柡吐然V溶液中水的活度低，加入的聚合物處理劑在飽和氯化鎂溶液中溶脹分散速度慢，使得新配制的飽和氯化鎂鹽水鉆井液黏度較低。但是，當(dāng)在室溫陳化16 h 后，聚合物處理劑在飽和氯化鎂溶液中已充分地分散，使得陳化后的飽和氯化鎂鹽水鉆井液黏度增加。因此，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)要注意此問題，避免新配制的飽和氯化鎂鹽水鉆井液在循環(huán)幾周后出現(xiàn)黏度大幅地增加，導(dǎo)致泵壓增加進(jìn)而影響鉆進(jìn)效率。

3 飽和氯化鎂鹽水鉆井液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)不同井段鉆井液使用配方

一開井段使用聚合物鉆井液鉆進(jìn)至66.40 m，巖心出現(xiàn)石膏脈鹽層標(biāo)志。為確保順利采取鹽礦層頂板巖心，將鉆井液轉(zhuǎn)換為無(wú)固相的飽和氯化鎂鹽水鉆井液。一開、二開鉆井液使用配方為：1 m3飽和氯化鎂鹽水+1～5 kg 抑溶劑+5 kg GSTP+5 kg GPNA+5～10 kg GTQ+1 kg GBBJ+3～5 kg 潤(rùn) 滑劑+3～5 kg 消泡劑。

隨著三開深度增加，為了提高鹽水鉆井液的懸浮及攜帶石鹽鉆屑顆粒的能力，在飽和氯化鎂鹽水鉆井液中適當(dāng)加入了低粘增效粉（LBM）或鈉膨潤(rùn)土。并且，添加了磺化瀝青以增加鉆井液對(duì)微裂縫封堵、防止坍塌的能力。為解決陳化后的黏度增升偏大問題，減少膨潤(rùn)土加量，并加入少量的稀釋劑GSY。三開井段鉆井液使用配方為：1 m3飽和氯化鎂鹽水+1～5 kg 抑溶劑+1～3 kg LBM 或鈉膨潤(rùn)土+5 kg GSTP+5 kg GPNA+5 kg GTQ+5 kg 磺化瀝青+1 kg GBBJ+0～1 kg 稀釋劑GSY+3～5 kg 潤(rùn)滑劑+3～5 kg 消泡劑。

不同井段鉆井液實(shí)測(cè)性能見表4。

表4 鉆井液分段性能Table 4 Drilling fluid performance table of different sections

3.2 飽和氯化鎂鹽水鉆井液配制與維護(hù)

3.2.1 配制方法

以一開、二開井段鉆井液為例，三開井段鉆井液配制類似，均在抑溶劑加入飽和氯化鎂溶液之后。具體配制過(guò)程為：向體積1.2 m3配漿罐中泵入1 m3已冷卻至室溫的飽和氯化鎂溶液，然后加入1～5 kg抑溶劑，攪拌5 min。再依次加入5 kg GSTP、5 kg GPNA、3～5 kg 潤(rùn)滑劑，攪拌20～30 min。最后再加入5～10 kg GTQ、1 kg GBBJ、3～5 kg 消泡劑，攪拌20～30 min 后即可使用。

現(xiàn)場(chǎng)配制飽和氯化鎂溶液時(shí)，由于無(wú)水氯化鎂與水接觸后水化放熱，溶液溫度上升較快且產(chǎn)生高溫。為避免給人員安全、環(huán)境保護(hù)帶來(lái)較大的危害與影響，專門配置了由柴油罐改裝的罐（容積3.6 m3）用于配制飽和氯化鎂溶液，具體見圖3。

圖3 配制氯化鎂飽和溶液的罐Fig.3 Canister for preparing saturated solution of magnesium chloride

3.2.2 維護(hù)措施

（1）嚴(yán)格按照鉆井液配方配制，若鉆井液性能需要較大調(diào)整時(shí)必須進(jìn)行小樣試驗(yàn)，確保調(diào)整后的鉆井液性能滿足井內(nèi)安全需求。當(dāng)鉆井液的黏度偏高時(shí)，配制適量稀膠液與加入少量的稀釋劑以降低黏度；當(dāng)鉆井液的黏度偏低時(shí)，可適當(dāng)增加增粘劑和包被劑的加量，聚合物處理劑預(yù)先配制成膠液以便使用時(shí)減少分散時(shí)間。

（2）每個(gè)小班測(cè)試井口返出鉆井液的性能，包括密度、蘇氏漏斗黏度、中壓濾失量、泥餅厚度、含砂量等。并觀察與鑒別地層巖心巖性及層位，結(jié)合井內(nèi)鉆進(jìn)參數(shù)和地層情況的變化及時(shí)調(diào)整鉆井液性能。

（3）進(jìn)入目的層加密測(cè)試氯離子與鎂離子的含量，確保鉆井液中氯化鎂達(dá)到飽和狀態(tài)，并采用浸泡實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)鉆井液抑制石鹽、鉀石鹽等溶解的性能。

采用莫爾銀量法和Cl-快速檢測(cè)試劑監(jiān)測(cè)鉆井液中氯離子含量。66.40～330.39 m 井段共測(cè)試8次；井深330.39 m 出現(xiàn)石鹽地層后加密監(jiān)控，330.39～1520 m 井段共計(jì)測(cè)試63 次，Cl-含量均大于352100 mg/L。

采用Mg2+快速檢測(cè)試劑與普瑞森鎂離子控制器監(jiān)測(cè)鉆井液中鎂離子含量，鹽巖礦層井段共計(jì)測(cè)試67 次鎂離子含量，均＞120000 mg/L。

為確保鉆井液能抑制鉀石鹽礦等溶解性能，進(jìn)入鹽層前采用浸泡實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)石鹽巖心（見圖4）和NaCl、KCl 試劑樣品（見圖5）在飽和氯化鎂鹽水鉆井液中是否溶解。

圖4 石鹽巖心浸泡實(shí)驗(yàn)Fig.4 Soaking experiment of halite core

圖5 NaCl 與KCl 試劑樣品在不同介質(zhì)浸泡實(shí)驗(yàn)Fig.5 Soaking experiment of NaCl and KCl reagent samples in different medium

從圖4 可看出，石鹽巖心浸泡7 天后無(wú)明顯潮解溶蝕現(xiàn)象，巖心表面保持完整，無(wú)溶蝕。

從圖5 可看出，NaCl、KCl 試劑樣品在飽和氯化鎂鹽水鉆井液中浸泡長(zhǎng)達(dá)96 h 后仍未出現(xiàn)潮解溶蝕現(xiàn)象，而在清水浸泡10 min 后發(fā)生明顯潮解溶蝕。圖4、圖5 浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明該鉆井液對(duì)鉀石鹽等礦層具有優(yōu)良的抑溶性能，能達(dá)到保護(hù)鹽層巖心的效果。

（4）泥巖、泥礫巖井段鉆進(jìn)產(chǎn)生的泥巖巖粉摻入鉆井液中，導(dǎo)致鉆井液固相含量和密度增加、泥餅虛厚，而且鉆頭與卡簧泥包和堵心問題均較為突出。通過(guò)配備離心機(jī)及時(shí)清除有害固相、加入潤(rùn)滑劑改變鉆頭表面親水性從而預(yù)防鉆頭泥包、起鉆前循環(huán)與倒桿間隙時(shí)間大排量（≥300 L/min）沖洗鉆頭水道與井底等措施，有效解決了泥巖和泥礫巖地層鉆頭泥包和卡簧抱心的危害（見圖6）。

圖6 采取措施前后鉆頭與卡簧泥包情況對(duì)比Fig.6 Comparison of bit and circlip balling before and after taking measures

（5）石鹽巖粉在溫差變化下產(chǎn)生鹽析重結(jié)晶形成粗顆粒沉砂，而繩索取心鉆具環(huán)空間隙小，飽和氯化鎂鉆井液切力不足導(dǎo)致粗顆粒石鹽大多聚集于150～500 m 井段。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)比，在鉆井液中適當(dāng)加入低粘增效粉或鈉膨潤(rùn)土，可達(dá)到較好懸浮、攜帶石鹽顆粒的效果。

3.3 飽和氯化鎂鹽水鉆井液應(yīng)用效果

JG-2 井采用飽和氯化鎂鹽水鉆井液施工，優(yōu)質(zhì)地完成了取心任務(wù)，鹽礦心采取率與巖心直徑均超過(guò)工程設(shè)計(jì)要求，并保障工程順利完鉆。具體應(yīng)用效果主要有：

（1）鉆井液具有優(yōu)良的抑溶效果和護(hù)心性能。井深330.39 m 揭露鹽巖層頂板，井深1348.02 m 時(shí)鉆穿鹽巖層底板，均順利取出了完整的石鹽巖、鉀石鹽巖巖心樣品，全井平均巖（礦）心采取率97.51%。取出的含鉀石鹽巖、石鹽巖等鹽礦心表面光滑，未發(fā)生溶蝕（見圖7、圖8）。

圖7 取出的含鹽層頂板、底板及石鹽巖心Fig.7 The photo of roof and floor strata and halite core

圖8 取出的鹽層巖心Fig.8 The photo of core containing salt

（2）鉆井液具有良好的護(hù)壁性能。三開470.67～1829.44 m 井段主要為泥巖、石鹽巖、泥礫巖、粉砂質(zhì)泥巖等地層，地層巖性變化較快。施工裸眼時(shí)間長(zhǎng)達(dá)94 d。但是，施工過(guò)程中井眼較為順暢，井壁完整性較好，未發(fā)生坍塌卡鉆或埋鉆事故。二開井徑擴(kuò)大率為14.03%，三開全井段平均井徑為149.8 mm，平均井徑擴(kuò)大率為12.2%。

（3）鉆井液具有良好的攜帶性能。鉆進(jìn)過(guò)程中沒有出現(xiàn)提下鉆遇阻現(xiàn)象，提下鉆順暢，完鉆后測(cè)井順利。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)云南景谷凹陷鉀鹽調(diào)查JG-2 井地層特點(diǎn)及施工難題，優(yōu)選并成功應(yīng)用了飽和氯化鎂鹽水鉆井液技術(shù)，具體鉆井液配方為：氯化鎂飽和溶液+0.1%～0.5%抑溶劑+0～1%低粘增效粉或鈉膨潤(rùn)土+0.5% GPNA+0.5% GSTP+0.5%～1%GTQ+0.1% GBBJ+0.3%～0.5% 潤(rùn)滑劑+0～0.5%磺化瀝青+0～0.1%稀釋劑GSY。

（2）JG-2 井66.40～1829.44 m 井段采用飽和氯化鎂鹽水鉆井液施工順利，井壁穩(wěn)定性好，二開井段平均井徑擴(kuò)大率為14.03%，三開井段平均井徑擴(kuò)大率為12.2%；鉀石鹽巖等鹽礦心表面未發(fā)生溶蝕，巖心采取質(zhì)量高，平均巖心采取率達(dá)97.5%。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果充分表明，飽和氯化鎂鉆井液具有優(yōu)良的抑制鉀石鹽和石鹽等溶解能力、良好的流變性和懸浮攜帶能力、良好的護(hù)壁和護(hù)心效果，可為類似鉀鹽鉆探工程提供借鑒和參考，在云南鉀鹽鉆探工程中應(yīng)用前景廣闊。