大湖金矿区深厚覆盖层适配钻井液工艺研究

石雷雷，刘豪杰，李曼

(山西晋城市能源局，山西 晋城市 048000)

小秦岭大湖金矿区位于小秦岭山脉北麓山前基岩与黄土层的交接带上，属于山前黄土塬区的南侧。地势南高北低，南部最高山峰海拔标高+1100 m，北侧河床最低高程为+640 m，相对高差460 m。地表沟谷发育，属黄河水系。上部覆盖层深度达到400～700 m，为第三系、第四系的沉积层。由于地层复杂钻进过程中经常遇到孔壁坍塌、钻井液漏失、卡钻、钻杆折断等事故，给钻进工作带来了很多困难，造成了巨大的经济损失。基于以上问题，为了解决实际施工过程中遇到的问题，有效地指导生产，对该区域适用的钻井工艺进行研究。

覆盖层形成于沉积过程，沉积物粒径变化大，地层结构复杂多变，软硬互层频繁，钻井过程中经常发生钻孔坍塌、掉块、地层漏失、缩径以及卡钻、钻杆折断等复杂事故。

在深厚覆盖层钻探中采用的技术路线有以下3 种。

（1）当覆盖层的厚度处于20～50 m 之间时，钻井过程中配备泥浆护壁钻穿，进行套管支护。当遇到比较厚的覆盖层时，在井身结构设计时采用多级套管，每级井眼下入不同套管，完全靠套管来维持井壁的稳定。但是随着钻孔的加深，套管使用量增加，成本升高，井身结构变得复杂。外国研发的同径跟管钻进技术具有一定的优越性，但由于钻具寿命短、使用范围狭窄等也使这项技术的推广受到了限制。

（2）在遇到卵石层、坍塌破碎地层时，可以采用水泥封固的办法，但是其操作复杂，不易控制。上述方法适用于覆盖层厚度不太大，对取芯质量要求不高的地层[1]。国内外遇到的覆盖层钻探大多在300 m 以下[2-4]，对于大于400 m 的覆盖层钻探技术的研究还处于空白阶段，这对于深部取芯探矿来说，由于覆盖层厚、地层复杂，形成了新的技术挑战。

（3）配制性能优越的泥浆，利用其对地层的保护原理中的压力平衡，抑制水化作用保护井壁。

基于上述特点，本文旨在通过优化配制出适合该地层的钻井液，减少钻进事故率。

2.1 选取样品

为了对大湖金矿区上部覆盖层有科学的认识，采集了部分岩心样品（主要取自ZK20005 钻孔），并对取自现场的岩样进行了归类，从中选取6 个样品（见图1）。

图1 现场所取的6 个覆盖层岩心样品

2.2 XRD 衍射矿物成分分析

通过对采取的岩心样品进行XRD 衍射矿物成分分析，确定覆盖层主要矿物组成（见表1）。

表1 6 个样品XRD 衍射分析结果

XRD 衍射矿物成分测试结果表明，上部覆盖层的主要矿物组成均为石英、长石、蒙脱石、伊利石和绿泥石，样品中黏土含量高达30%～40%，单单就蒙脱石一项的含量就达到15%～25%，极易在钻井液滤液作用下水化，从而影响地层岩体强度，造成钻井施工缩径、孔壁坍塌等。

3.1 膨胀量试验

大湖金矿区地层为强水敏性，为评价该地层钻孔水敏后是否会引起强烈的孔径变化，在室内进行了膨胀量试验。采用常规ZNP 型膨胀量仪，测试10 mm 高度的模拟岩样，12 h 膨胀量达到0.058 mm。而实验室其它常见岩石样品的膨胀量很小（多数小于0.001 mm）。这是该地层含有的水敏性蒙脱石高含量（15%～25%）的外在表现，与XRD 试验分析得出的强水敏结论相一致。

3.2 水敏性试验

为了验证大湖金矿区的水敏性，设计了两组试验。

3.2.1 岩样浸泡试验

第一组试验分别取自来水（pH 值略大于7）、1%NaCl盐水、15%盐酸和15%NaOH碱水各50 mL，置于透明玻璃容器内，再将4 块压制的岩心样品（使用35 g 土样，在25 MPa 压力下，压制40 min 制成）分别放在4 种不同的溶液之中，观察岩屑样品的变化情况（见图2）。

图2 大湖金矿区岩样第一组浸泡试验（浸泡5 min 后的对比照片）

第二组试验分别取自来水（pH 值略大于7）、1%NaCl盐水、15%盐酸和15%NaOH碱水各50 mL，置于透明玻璃容器内，再将4 块相同大小岩心样品（原样）分别放在4 种不同的溶液之中，观察岩屑样品的变化情况（见图3）。两组岩样浸泡对比见表2。

图3 大湖金矿区岩样第二组浸泡试验（浸泡5 min 后的对比照片）

表2 大湖金矿区两组岩样浸泡对比

3.2.2 结果分析

通过第一、第二组岩心样品浸泡试验结果对比可知，岩心样品主要是酸敏，其次是水敏、盐敏、碱敏。这是由于该段岩心所含的矿物成分造成的，该段岩心所含的黏土量比较大，这是造成水敏的主要原因，由于所含的方解石、白云岩可以同酸产生化学反应，这是造成酸敏的主要原因。造成散样时间不同的原因在于第一组试验使用了压制的岩心样品，其胶结程度远远没有天然岩样的胶结性能好。

根据地层特点、岩样XRD 矿物成分分析、敏感性试验以及现场施工需要，设计钻井液的性能指标必须要达到：滤失量≤12 mL（30 min），漏斗黏度控制在20～35 s 之间。

4.1 钻井液配方优选

为满足钻井现场钻井液配制的工艺流程简单、配置材料价格便宜等要求，我们使用常见的7 种钻井液添加剂（聚丙烯酰胺（PAM）、磺化沥青粉、纤维素、腐殖酸钾、植物胶、聚丙烯酸钾、防塌剂）设计了3 种钻井液配方[5]，使用清水+5%钠土粉（各种处理剂加量按水质量的百分比确定）充分水化后作为基浆，利用正交试验的方法确定各处理剂的最佳添加量，并通过观测滤失量泥饼情况分析钻井液优劣（见图4）。

图4 1，2，3 号浆泥饼（从左到右）

4.1.1 第一种钻井液

（1）配方：水+5%钠土粉+0.1%纤维素+0.1%防塌剂+1%腐殖酸钾。

（2）配置工艺：水+5%钠土粉，使其充分水化30 min 以上，边搅拌边按顺序加入纤维素、防塌剂、腐殖酸钾，充分搅拌后使用。

（3）泥饼：厚度为1.38 mm，颗粒较粗，不够致密，含水量较多，在空气中暴露一段时间泥皮含水依然良好。

4.1.2 第二种钻井液

（1）配方：水+5%钠土粉+0.3%植物胶+0.05%聚丙烯酸钾+0.75%腐殖酸钾。

（2）配置工艺：水+5%钠土粉，使其充分水化30 min 以上，边搅拌边加入植物胶，之后加入聚丙烯酸钾，最后加腐殖酸钾。充分搅拌后使用。

（3）泥饼：厚度为1.08 mm，较细颗粒均匀致密分布，含水量较少，有一定弹性，在空气中暴露一段时间后含水量锐减。

4.1.3 第三种钻井液

（1）配方：水+5%钠土粉+1%磺化沥青+0.01%聚丙烯酰胺+1%腐殖酸钾。

（2）配置工艺：水+5%钠土粉，使其充分水化30 min 以上，在基浆中加入磺化沥青和腐殖酸钾，最后边搅拌边加聚丙烯酰胺，充分搅拌后使用。

（3）泥饼：厚度为1.10 mm，较细颗粒均匀致密分布，偶见粗颗粒，泥饼无弹性，含水量较多，在空气中暴露一段时间仍然有很好的含水性。

4.2 钻井液性能评价

为验证钻井液配方的适用性，设计了浸泡试验：分别取自来水（pH 值略大于7）、1 号浆、2号浆和3 号浆各50 mL，置于透明玻璃容器内，再将4 块大小类似的岩心样品分别放在4 种不同的溶液之中，观察岩屑样品随时间的变化情况（见图5）。

图5 岩样浸泡试验过程照片

通过观察分析4 块岩心样品放入不同溶液的变化情况。

（1）岩样浸泡于自来水中。放入后立即有气泡冒出，30 s 后开始掉屑。5 min 后掉块加速，15 min后基本停止，岩样完全坍塌。

（2）岩样浸泡于1 号浆中。岩样下沉缓慢，之后无明显现象，偶见气泡冒出。浸泡1 h 后仍完好。15 h 后可以观察到水化膨胀，且变软，但胶结仍然良好。

（3）岩样浸泡于2 号浆中。岩样下沉迅速，之后无明显现象，无气泡冒出。浸泡1 h 后仍完好。15 h 后可以观察到水化膨胀，有一定程度变软，软化程度轻微。

（4）岩样浸泡于3 号浆中。岩样下沉迅速，45 s 后有少量气泡冒出，150 s 后有微量小气泡冒出，时间很短，10 min 后再无明显现象。浸泡1h后仍完好，15 h 后松散，分析原因与投入的岩样有关。

（1）对大湖金矿区深厚覆盖层典型岩样矿物成分进行XRD 分析，获得了大湖金矿区深厚覆盖层的完整信息，由分析结果可以知道，大湖覆盖层中蒙脱石含量高达15%～25%，属于强水敏地层，钻进过程中对钻井液滤失量要求高。

（2）对大湖金矿区深厚覆盖层敏感性分析可知，敏感程度由强到弱依次为酸敏、水敏、盐敏、碱敏。

（3）大湖金矿区深厚覆盖层钻井液性能控制指标为：滤失量≤12 mL（30 min），漏斗黏度控制在20～35 s 之间。

（4）优化选取了3 种性能优良的适用泥浆配方：①水+5%钠土粉+0.1%纤维素+0.1%防塌剂+1%腐殖酸钾；
②水+5%钠土粉+0.3%植物胶+0.05%聚丙烯酸钾+0.75%腐殖酸钾；
③水+5%钠土粉+1%磺化沥青+0.01%聚丙烯酰胺+1%腐殖酸钾。利用现场所取的样品对钻井液和地层的匹配性进行了测试，试验结果表明：优选的钻井液配方性能优越，在降低失水量、保护井壁稳定方面取得了很好的效果。