成膜防塌无固相钻井液体系在金鹰矿区ZK1146井中的应用研究

李攀义，单文军，徐兆刚，李艳宁，岳伟民

(1．山东招金地质勘查有限公司，山东 招远265400;2．北京探矿工程研究所，北京100083)

ZK1146井是在甘肃玉门市肃北镇金鹰祁连山金矿的一口科学钻探井，主要是为了探明该区域黄金储量。该井设计终孔深度510 m，终孔口径75 mm，全孔取心。现场初始采用的是低固相钻井液体系，配方为:4%钠土+0.3%CMC－HV+0.2%PHP+0.2%纯碱+1%PVA，泥浆性能参数为:漏斗粘度50 s(苏式漏斗)，API失水量 45 mL/30 min，密度1.10～1.20 g/cm3。ZK1146孔前期坍塌、掉块严重，频繁发生孔内事故，尤其是在380～400 m处扫孔3天，情况未有改观，因此在350 m段处采用成膜防塌钻井液体系钻进，该体系护壁和护心效果好，井壁稳定，有效地保证了项目的实施。

1 ZK1146井地质工程概况

1．1 ZK1146井地质概况

ZK1146井位于甘肃省玉门市肃北镇金鹰祁连山金矿区。工区地处玉门鹰咀山祁连山金矿区，地表侵蚀切割强烈，沟壑梁峁纵横，地形起伏较大，地表高差一般为80～100 m。二开(100～500 m)，以砂岩、砂质板岩、粉砂质板岩、碳质泥岩、千枚岩为主，裂隙发育、破碎、扩径、坍塌、掉块严重(见图1、图2)。施工期间由于地层中水敏性矿物吸水膨胀、地层破碎及地应力释放等原因，引起井壁缩径、坍塌掉块，引起孔内事故。从施工情况看，整个钻孔井壁十分薄弱，稍有疏忽可能引起复杂孔内事故。

1．2 ZK1146井工程概况

(1)ZK1146井井身结构(见图3)。

图1 地表出露的岩层

2 施工中存在的主要问题及原因

ZK1146井施工中存在的主要问题是井壁坍塌。造成井壁坍塌的主要原因有以下几个方面。

(1)水敏性及渗透性极强，吸水后发生分散、剥落(见图4)，直接可导致井壁坍塌。

图3 ZK1146井井身结构示意

图4 现场水敏性岩块用清水浸泡前后对比图

为了研究ZK1146井岩心强分散的原因，室内对岩心样品进行了成分分析，结果为:35%绿泥石，30%滑石，25%石英，5%长石，3%方解石，2%白云母。

由分析结果可以看出，该矿区岩样中绿泥石含量高，吸水膨胀强分散。ZK1146井石英含量为25%，且软硬交替互层。

(2)地层胶结性差，层理、裂隙发育，孔壁强度低。

(3)绳索取心钻进较小的环空间隙，使得提钻时抽吸力很大(特别是粘度较高时)，是造成井壁坍塌的重要诱因。

(4)摩擦阻力大、循环泵压高。

取心至400 m后，由于进尺较慢，采用稠泥浆进行钻进，环空间隙小，泵压较高(250型泵泵压8～10 MPa)。

3 成膜防塌无固相钻井液配方及室内评价

3．1 成膜防塌无固相钻井液配方设计

3．1．1 成膜防塌无固相钻井液参考配方

(1)上部地层(200 m以浅)。采用普通聚合物无固相钻井液。配方为:1 m3水+0～30 kg土粉+2～3 kg包被剂(BBJ)+5～10 kg随钻堵漏剂(GPC)+2～5 kg抗盐共聚物(GTQ)。

(2)下部地层(200 m以深)。采用成膜防塌无固相钻井液，配方为:1 m3水+50 kg成膜体系用A剂+2～8 kg抗盐共聚物(GTQ)+10 kg防塌减阻剂(GFT)+2～3 kg包被剂+20～30 kg封堵剂(GFD－1)，遇到黑色板岩、千枚岩地层时，再加入成膜体系用B剂20～70 kg。

成膜钻井液基本性能参数为:漏斗粘度19～30 s，密度1.04 ～1.15 g/cm3，API滤失量5 ～10 mL/30 min，泥皮厚0.5 mm，pH值12～14，润滑系数0.2。

3．1．2 钻井液体系组分及作用

成膜钻井液体系中所用的处理剂及其作用如下。

(1)成膜体系A、B剂。成膜A剂和B剂是一种具有较强成膜性和粘接性的护壁材料，对于强水敏分散剥落地层具有良好的护壁效果，并能显著提高取心质量。

(2)包被剂(BBJ)，具有选择性絮凝和包裹岩屑的作用，能抑制地层造浆，有利于泥浆的固相控制。

(3)抗盐共聚物GTQ，具有增粘、提切、降失水、抗污染等功能，用作增粘剂。

(4)防塌减阻剂GFT，具有良好的分散性及低的软化点，能胶结破碎地层，封堵孔壁微孔隙或微裂缝，提高孔壁稳定性。

(5)防塌型随钻堵漏剂，具有良好的水溶胀桥接封堵功能，粘附性强，可用于封堵漏失地层，也可以降低钻井液的失水量。

(6)封堵剂GFD－1:用于提高钻井液密度，平衡地层的坍塌压力;同时具有封堵破碎地层，提高地层的坍塌压力。

3．1．3 钻井液室内浸泡试验效果

(1)ZK1146孔194 m处岩心浸泡试验效果。为了评价成膜钻井液的成膜及强抑制性能，对ZK1146孔194 m处岩心进行了浸泡实验，效果见图5和图6。

图5 浸泡前的岩块

图6 成膜钻井液浸泡24 h后的岩块

浸泡试验结果表明，该岩心经成膜钻井液浸泡24 h后依然完好。

(2)其它孔段灰色岩心浸泡试验效果。岩心块浸泡前见图7，不同钻井液浸泡后效果见图8～10。

试验结果表明，用成膜钻井液浸泡24 h后的岩心较原岩心明显变硬，强度提高，效果明显好于另外2种常用钻井液。

3．2 成膜防塌无固相钻井液配制与维护

3．2．1 配制方法

图7 岩心块浸泡前

图8 用“8%膨润土+1%腐植酸钾+0．1%HV －CMC”浸泡24 h后松塌

图9 用双聚体系浸泡24 h后松软

图10 用成膜钻井液浸泡24 h后变硬

在泥浆搅拌机中放入清水，然后加入成膜体系用A剂，待其充分分散后按照配方顺序依次加入抗盐共聚物、防塌减阻剂搅拌5～10 min，然后再加入包被剂、封堵剂(GFD－1)，充分搅拌后即可使用。

3．2．2 钻井液维护方法

(1)前期换浆时严格按配方配制钻井液，在钻井液循环使用中，需经常测试钻井液性能。补浆时可根据性能，参考配方，结合各处理剂作用调整钻井液性能。

(2)成膜体系用A剂及B剂使用时一定要保证其有效浓度，通常情况下可以根据取出岩心的状态来判断其浓度是否足够，如果岩心表面比较粗糙、有剥蚀现象，则说明浓度不足，如果岩心表面光滑完整，则说明浓度足量，可以正常添加或者适当减量。

(3)GTQ主要起提粘、提切、降失水的作用，现场根据需要的泥浆粘度，控制加量。

(4)包被剂主要起絮凝岩屑的作用，消耗速度较快，需定期补充预先配置好的胶液。

(5)防塌减阻剂、封堵剂主要起防塌护壁的作用，对粘度影响不大。

(6)严控钻井液固相含量，需及时清理循环槽和沉淀池中的岩粉，如果清理不及时，岩粉混入钻井液中容易造成钻井液粘度上升、固相含量升高、钻杆内壁结垢等问题，这时就需采用排出部分旧浆、补充新浆的办法来调整钻井液性能。

3．2．3 现场需要的检测仪器

现场需配备:漏斗粘度计(苏式粘度计清水为15 s);密度计;滤失量测定仪。

4 成膜防塌无固相钻井液体系在ZK1146井现场应用

4．1 成膜防塌无固相钻井液体系现场使用配方

现场钻井液配方:1 m3水+50 kg成膜体系A剂+20～50 kg成膜体系B剂+2～5 kg抗盐共聚物(GTQ)+10～20 kg防塌减阻剂(GFT)+10～20 kg随钻防塌堵漏剂(GPC)+2～3 kg包被剂+20～30 kg封堵剂(GFD－1)。

钻井液配制:先将成膜体系A剂、成膜体系B剂、随钻防塌堵漏剂、纯碱等依次加入到配浆罐中，待充分溶解或分散均匀后，加入包被剂和抗盐共聚物，充分搅拌后，倒入泥浆池中搅拌均匀，循环过程中慢慢加入防塌减阻剂。

钻井液性能:密度1.03～1.10 g/cm3，粘度30～45 s，滤失量3 ～5 mL/30 min。

4．2 成膜防塌无固相钻井液体系现场使用效果

使用成膜防塌无固相钻井液体系共施工了118 m(400～518 m)，取得了比较理想的效果，具体表现在以下几个方面。

(1)护壁效果好，井壁稳定。每次起下钻均无遇阻现象，取心时下钻到底。下套管时井壁稳定，提下钻无遇阻现象。

(2)抑制造浆能力强，泥浆流动性好，岩粉携带能力强、地表沉降效果好。下钻时井底几乎无沉淀，钻具直接就能下到井底(见图11)。

图11 成膜防塌无固相钻井液体系现场使用效果

(3)岩心采取率高，采用成膜防塌无固相钻井液体系后，岩心采取率100%。

(4)使用成膜防塌无固相钻井液体系后，正常钻进期间泵压2～4 MPa。

(5)成膜防塌无固相钻井液体系，配制方法简单，维护方便。

4．3 成膜防塌无固相钻井液体系成本分析

成膜防塌无固相钻井液体系在现场应用具有良好的经济效益，大大降低了冲洗液成本。每立方米冲洗液成本与一般采用的冲洗液相比节约了30%～50%。具体见表1。

表1 成膜防塌无固相钻井液体系成本分析

5 结论

(1)成膜防塌无固相钻井液体系，护壁效果好，抑制造浆能力强，抑制坍塌掉块效果好。

(2)成膜防塌无固相钻井液体系，有效地防分散作用，在强分散岩心表面形成了一层致密有韧性的保护膜，有效地保证了取心质量和采取率。

(3)成膜防塌无固相钻井液体系，携砂能力强，流动性好，配制简单，维护方便，减轻了现场钻工的工作量，提高了钻探效率。

［1］ 鄢捷年．钻井液工艺学［M］．山东青岛:中国石油大学出版社，2005．

［2］ 陶士先，李晓东，吴召明，等．强成膜性护壁钻井液体系的研究与应用［J］．地质与勘探，2014，50(9):1147 －1154．

［3］ 胡继良，陶士先，纪卫军，等．破碎地层孔壁稳定技术的探讨与实践［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2011，38(9):30 －32．

［4］ 孙玉学，王媛慧，李玉莲，等．乾安地区井壁坍塌机理及钻井液技术研究［J］．钻井液与完井液，2009，26(5):76 －78．

［5］ 李浩，陈礼仪，陈尔志，等．新型水基钻井液成膜处理剂的研制与应用［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2010，37(4):20 －22．

［6］ 孙金声，刘雨晴，唐继平，等．超低渗透钻井液完井液技术研究［J］．钻井液与完井液，2005，22(1):1 －4．

［7］ 孙金声，林喜斌，张斌，等．国外超低渗透钻井液技术综述［J］．钻井液与完井液，2005，22(1):57 －59．

［8］ 徐同台，赵忠举，袁春，等．国外钻井液和完井液技术的新进展［J］．钻井液与完井液，2004，21(3):1 －10．

［9］ 白小东，蒲晓林，等．水基钻井液成膜技术研究进展［J］．天然气工业，2006，26(8):75 －77．

［10］ 张克勤，方慧，刘颖，等．国外水基钻井液半透膜的研究概述［J］．钻井液与完井液，2003，20(6):1 －5．