白銀市土紅灣-李家溝煤炭資源詳查23-2孔沖洗液技術(shù)

麻朗朗，陶士先，鄒志飛

（1.商洛西北有色七一三總隊(duì)有限公司，陜西 商洛 726000；2.北京探礦工程研究所，北京 100083）

甘肅省白銀市土紅灣-李家溝煤炭資源詳查區(qū)位于白銀市平川區(qū)北30 km 處，西距平川區(qū)王家山鎮(zhèn)5 km，行政區(qū)劃隸屬于平川區(qū)王家山鎮(zhèn)和靖遠(yuǎn)縣東升鎮(zhèn)管轄。該項(xiàng)目（2021 年度續(xù)作）共設(shè)計(jì)了5 個(gè)鉆孔，其工程目的是：（1）確定地層及含煤巖系時(shí)代、層位、巖性、巖相、厚度和深度等；（2）確定煤層層數(shù)、層位、對(duì)比標(biāo)志、厚度、結(jié)構(gòu)、深度和煤質(zhì)等；（3）基本查明巖層的傾角、裂隙及斷層等地質(zhì)構(gòu)造特征；（4）基本查明煤層頂、底板巖性以及水文地質(zhì)等開(kāi)采技術(shù)條件；（5）初步查明其它有益礦產(chǎn)的層位、厚度、品位等。23-2 孔是5 個(gè)鉆孔中設(shè)計(jì)最深的一個(gè)，其地理位置位于甘肅省白銀市東升鎮(zhèn)，由商洛西北有色七一三總隊(duì)有限公司承擔(dān)該孔的工程實(shí)施任務(wù)。

1 鉆孔概況

1.1 地層情況

勘查區(qū)位于王家山礦區(qū)王家山向斜東部延伸部分，整體呈一向東傾伏的不對(duì)稱向斜形態(tài)，構(gòu)造特點(diǎn)是以斷裂為主，褶皺為輔。地層區(qū)劃屬華北地層大區(qū)、秦祁昆地層區(qū)、祁連-北秦嶺地層分區(qū)之北祁連地層小區(qū)。詳查區(qū)內(nèi)地層發(fā)育不全，自下而上為下志留統(tǒng)馬營(yíng)溝群（S1my）、泥盆統(tǒng)沙流水群（D3sh）、上三疊統(tǒng)南營(yíng)兒群（T3ny）、中下侏羅統(tǒng)窯街組（J1-2y）、中侏羅統(tǒng)新河組（J2x）、上侏羅統(tǒng)苦水峽組（J3k）、白堊系下統(tǒng)河口群（K1hk）、第四系（Q）松散覆蓋層。

23-2 號(hào)鉆孔位于王家山向斜南翼，預(yù)想地層情況見(jiàn)表1。

表1 土紅灣-李家溝煤炭資源詳查23-2 號(hào)鉆孔預(yù)想地層Table 1 Stratigraphic prediction of boreholes 23-2 in the detailed survey of coal resources in Tuhongwan-Lijiagou

1.2 孔身結(jié)構(gòu)

23-2 號(hào)孔為直孔，設(shè)計(jì)深度1400 m，完鉆深度1375.15 m。其孔身結(jié)構(gòu)和套管程序如表2 所示。

表2 23-2 孔的孔身結(jié)構(gòu)和套管程序Table 2 Borehole structure and casing procedure for Borehole 23-2

1.3 施工工藝與鉆具組合

一開(kāi)（0～12 m）：GS122 繩索取心鉆進(jìn)和單管擴(kuò)孔鉆進(jìn)，取心鉆進(jìn)采用?122 mm 金剛石鉆頭+? 114 mm 鉆桿，擴(kuò)孔鉆進(jìn)采用?145 mm 金剛石鉆頭+?114 mm 鉆桿。

二開(kāi)（13～531 m）：HQ 繩索取心鉆進(jìn)和擴(kuò)孔鉆進(jìn)，取心鉆進(jìn)采用?98 mm 金剛石鉆頭+?91 mm鉆桿，擴(kuò)孔鉆進(jìn)采用?122 mm 金剛石鉆頭+?91 mm 鉆桿。

三開(kāi)（532～1275 m）：HQ 繩索取心鉆進(jìn)，采用?98 mm 金剛石鉆頭+?91 mm 鉆桿。

四開(kāi)（1276～1375 m）：NQ 繩索取心鉆進(jìn)，采用?77 mm 金剛石鉆頭+取心鉆具+?71 mm 鉆桿。

2 施工中存在的主要問(wèn)題及對(duì)沖洗液的性能要求

2.1 存在的主要問(wèn)題與分析

依據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)的地層以及實(shí)鉆情況，施工中易產(chǎn)生的主要問(wèn)題及原因有以下幾方面。

2.1.1 上部泥巖地層遇水分散，孔壁擴(kuò)徑現(xiàn)象嚴(yán)重

上部530 m 以淺有多段灰綠色砂質(zhì)泥巖，該地層結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度低，孔壁易發(fā)生明顯擴(kuò)徑現(xiàn)象。產(chǎn)生擴(kuò)徑的原因，一是該地層中的主要水敏性礦物為高嶺石和綠泥石（見(jiàn)表3），而綠泥石吸水后具有快速分散特性（見(jiàn)圖1），很容易從孔壁脫落［1-2］；二是地層強(qiáng)度很低，易被沖蝕。在該礦區(qū)內(nèi)的另一個(gè)鉆孔，施工過(guò)程中有大量巖粉隨沖洗液返出，最終由于擴(kuò)徑嚴(yán)重導(dǎo)致已施工300 m 的鉆孔報(bào)廢。

圖1 235～240 m 巖心經(jīng)水浸泡后的狀態(tài)Fig.1 State of 235～240m core after water immersion

表3 部分孔段地層巖性Table 3 Stratigraphic lithology of patial borehole sections

2.1.2 530～1237 m 砂巖地層易受沖洗液沖蝕而擴(kuò)徑530～1237 m 大部分為砂巖地層，并夾有少量泥頁(yè)巖，取出的巖心看似完整，實(shí)則用手一捏即碎，強(qiáng)度很低，易受沖洗液沖蝕而擴(kuò)徑［3］。

2.1.3 1237 m 以深孔段地層極為復(fù)雜，孔壁穩(wěn)定十分困難

該孔段既有松散破碎的煤層、礫巖和粗砂巖，也有水敏性強(qiáng)的泥巖、炭質(zhì)泥巖，同時(shí)還有鹽膏的存在，完整地層加起來(lái)不超過(guò)20 m，孔壁十分薄弱，穩(wěn)定性極差。如1252～1263 m 和1312～1324 m 孔段為煤層，松散破碎十分嚴(yán)重（見(jiàn)圖2）；1270～1276 m孔段松散破碎煤層中含有水敏性強(qiáng)的泥巖、炭質(zhì)泥巖（見(jiàn)圖3）；1238～1242、1280～1313 m 孔段為礫巖、砂巖、粗粒砂巖地層，膠結(jié)性差，是典型的河套地層，巖心松散無(wú)膠結(jié)（見(jiàn)圖4）；1319～1325 m 孔段為松散的泥巖和粉砂巖地層等（見(jiàn)圖5）。該孔段孔壁易失穩(wěn)的主要原因如下：

圖2 1260～1265 m 孔段煤層巖心Fig.2 Core of coal seam from the 1260～1265m hole section

圖3 1270～1276 m 孔段取出的炭質(zhì)泥巖及煤層巖心Fig.3 Carbonaceous mudstone and coal seam core from the 1270～1276m hole section

圖4 部分松散礫巖、砂巖、粗砂巖地層取出的巖心Fig.4 Cores of loose conglomerate,sandstone,and coarse sandstone formations

圖5 1319～1325m 孔段泥巖和粉砂巖地層Fig.5 Cores of mudstone and siltstone strata from the 1319～1325m hole section

（1）破碎的煤層、砂層和粗粒砂巖等地層，孔壁強(qiáng)度低，坍塌壓力大［4］。在提鉆抽汲和環(huán)空沖蝕作用下易發(fā)生孔壁坍塌和掉塊，施工中稍有疏忽就會(huì)發(fā)生卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。

（2）泥巖、炭質(zhì)泥巖和粉砂巖，孔隙、裂隙發(fā)育，水敏性強(qiáng)。室內(nèi)浸泡試驗(yàn)表明，其吸水后有明顯分散剝落現(xiàn)象。毛細(xì)管水化作用是引起該鉆孔泥巖、炭質(zhì)泥巖和粉砂巖吸水后發(fā)生分散剝落現(xiàn)象和造成孔壁失穩(wěn)的主要原因［5］。

（3）含有鹽膏地層易溶解坍塌。一方面因NaCl易溶，其周圍顆粒伴隨溶解而脫落，另一方面，若鹽膏中含有無(wú)水石膏（又稱硬石膏，CaSO4密度為2.8～3.0 kg/L），遇水會(huì)使其快速吸水形成帶結(jié)晶水的生石膏（又稱軟石膏，CaSO4·2H2O，密度為2.308 kg/L），體積是原無(wú)水石膏體積1.5～1.6 倍［6］，對(duì)于含膏泥巖地層會(huì)造成明顯縮徑現(xiàn)象，而對(duì)于含膏、強(qiáng)度較低的砂巖地層則由于較大膨脹壓力而產(chǎn)生破裂，加劇了孔壁不穩(wěn)定性。

該孔段施工過(guò)程中曾發(fā)生2 次孔壁坍塌。一次為鉆至1276 m 時(shí)，上部煤層發(fā)生坍塌，造成埋鉆事故；另一次是1312～1324 m 煤層孔段發(fā)生坍塌。

2.1.4 地層中鹽膏的存在，顯著惡化沖洗液性能

自開(kāi)孔至終孔，鉆遇地層中始終有鹽膏存在。部分孔段剛?cè)〕龅膸r心觀察不出異常，但巖心表面干燥后有明顯白色物質(zhì)出現(xiàn)（見(jiàn)圖6）。對(duì)圖6 中巖心進(jìn)行含鹽量測(cè)試，其含鹽量為5.1%（質(zhì)量比），并在浸泡巖心的濾液中加入碳酸鈉，有明顯絮狀物產(chǎn)生，說(shuō)明該巖心中含有石膏。

圖6 884 m 處巖心干燥后的表面狀態(tài)Fig.6 Surface state of core at 884m after drying

鹽膏侵入到?jīng)_洗液中破壞了其膠體穩(wěn)定性，致使沖洗液性能急劇惡化［7］。室內(nèi)試驗(yàn)表明，經(jīng)鹽膏侵后的成膜防塌無(wú)固相沖洗液，其相對(duì)膨脹降低率由83% 降低至67%，巖屑回收率由87% 降低至32%，說(shuō)明其護(hù)壁性能受到嚴(yán)重破壞。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，沖洗液性能變化也較明顯，如鉆進(jìn)砂巖地層時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)新配制的沖洗液，入孔前漏斗粘度（蘇式漏斗）38 s，孔內(nèi)循環(huán)2 h 左右，粘度降至26 s，粘度降低使沖洗液懸浮攜帶能力變差，對(duì)孔壁沖蝕作用增強(qiáng)；API 濾失量也由8 mL 升高至13 mL，濾失量增大對(duì)孔壁穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生不利影響。

2.1.5 繩索取心鉆進(jìn)不利于復(fù)雜地層孔壁穩(wěn)定［8-9］采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)，由于環(huán)空間隙小，環(huán)空返速高，對(duì)孔壁沖蝕作用強(qiáng)；循環(huán)壓力大；提鉆時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大抽汲力，易造成松散破碎等薄弱孔段孔壁坍塌；處理孔內(nèi)坍塌或孔底沉降的粗顆粒巖粉時(shí)，巖粉返出十分困難。鉆孔施工過(guò)程中的兩次孔壁坍塌都是由于提鉆時(shí)的抽汲力造成的，且發(fā)生坍塌后由于環(huán)空間隙很小，處理極為困難，致使鉆孔沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)深度而提前終孔。

2.2 沖洗液性能要求

針對(duì)該孔地層特點(diǎn)及施工工藝，為滿足施工要求，沖洗液應(yīng)具有以下性能。

（1）針對(duì)泥巖等水化分散和剝落地層，沖洗液應(yīng)具有良好的抑制性能，避免地層中泥頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖等由于水化分散、水化剝落造成孔壁擴(kuò)徑或孔壁坍塌［10］。

（2）施工中鉆遇的絕大多數(shù)礫巖、砂巖以及煤層等地層松散破碎、強(qiáng)度低，坍塌壓力大，沖洗液需具有較強(qiáng)的膠結(jié)性能和封堵性能，并具有適當(dāng)密度以平衡地層的坍塌壓力。

（3）沖洗液需具有良好的抗鹽鈣侵能力，當(dāng)鹽膏侵入后仍能維持其優(yōu)良的抑制性能、流變性能，并保持較低的濾失量［11］。

（4）沖洗液需具有合理的粘度，以避免過(guò)度沖蝕孔壁和提鉆時(shí)抽垮孔壁。

（5）沖洗液需具有良好的減摩降阻性能。

（6）沖洗液需具有良好的環(huán)保性能［12］。

3 沖洗液的選擇與使用

3.1 沖洗液選型及其作用機(jī)理

（1）按照地質(zhì)設(shè)計(jì)給出的地層預(yù)測(cè)，鉆遇地層主要為泥巖、頁(yè)巖、砂巖和煤層等沉積巖地層。多數(shù)淺層泥巖、泥質(zhì)砂巖等地層，施工中的主要問(wèn)題是地層易分散造漿，并有一定的膨脹性。因此開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)，選用雙聚防塌沖洗液，其主要作用機(jī)理：利用高分子聚合物的包被和絮凝作用，抑制泥巖分散、造漿，并有效絮凝巖屑；利用沖洗液中含有的K+和NH4+，抑制地層中粘土吸水膨脹，以維持孔壁穩(wěn)定和對(duì)沖洗液流變性的有效控制。

（2）鉆進(jìn)至260 m 灰綠色泥巖等地層時(shí)，返出巖粉明顯超出正常返出量，巖心浸泡試驗(yàn)顯示其水化分散性很強(qiáng)，巖性分析表明地層中含有綠泥石，該類地層遇水極易發(fā)生分散或剝落。隨后我們將雙聚防塌沖洗液轉(zhuǎn)化為成膜防塌無(wú)固相沖洗液。成膜防塌無(wú)固相沖洗液的主要作用機(jī)理：利用成膜B 劑的成膜隔水與膠結(jié)、高分子聚合物的包被以及隨鉆堵漏劑（GPC）與封堵劑（GFD-1）的多級(jí)封堵等協(xié)同作用，提高沖洗液的抑制性能、膠結(jié)性能和封堵性能。

（3）鉆進(jìn)至800 余米時(shí)，沖洗液粘度和濾失量變化較大，查看巖心時(shí)發(fā)現(xiàn)有鹽膏存在，隨即進(jìn)行沖洗液轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，將其轉(zhuǎn)化為抗鹽膏侵成膜環(huán)保沖洗液。該沖洗液除了具有成膜防塌無(wú)固相沖洗液的作用外，體系中增加或提高了抗電解質(zhì)污染的沖洗液材料，如增加了含羧基的降濾失材料（GPNA），提高了含螺旋分子結(jié)構(gòu)的增粘劑（GTQ）的加量，以改善沖洗液的流變性能、降濾失性能和抗鹽侵性能。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)使用的沖洗液材料

現(xiàn)場(chǎng)使用的主要沖洗液材料、處理劑及其加量和作用如表4 所示。

表4 現(xiàn)場(chǎng)使用的處理劑及其加量和作用Table 4 Drilling fluid treatment agents used on site and their dosage and effects

3.3 沖洗液配方

（1）雙聚防塌沖洗液：淡水+0%～5.0%鈉膨潤(rùn)土+0.1%～0.3%包被劑（BBJ）＋1.0%～1.5%降濾失劑（GPNH）＋1.0%～2.0%改性瀝青（GLA）。

（2）成膜防塌無(wú)固相沖洗液：淡水+2%～3%成膜B 劑+1.0%降濾失劑（GPNH）+0.4%～0.8%增粘劑（GTQ）+0.1%～0.3%包被劑（BBJ）＋1%～2% 防塌型隨鉆堵漏劑（GPC）+2%～5% 封堵劑（GFD-1）。

（3）抗鹽膏侵成膜環(huán)保沖洗液：淡水+2%～3%成膜 B 劑+1.0%～2.0% 降濾失劑（GPNH）+0.6%～1.0% 降濾失劑（GPNA）+0.8%～1.2%增粘劑（GTQ）+0.1%～0.3%包被劑（BBJ）＋1%～2% 防塌型隨鉆堵漏劑（GPC）+2%～5% 封堵劑（GFD-1）。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)沖洗液的性能與維護(hù)

不同孔段所使用的沖洗液性能見(jiàn)表5。

表5 不同孔段沖洗液性能Table 5 Performance of drilling fluids used in different drilling sections

施工過(guò)程中，主要從以下重點(diǎn)方面對(duì)沖洗液性能進(jìn)行維護(hù)：

（1）粘度的維護(hù)。鉆進(jìn)砂巖地層時(shí)，由于鹽膏侵沖洗液粘度降低較快，通過(guò)補(bǔ)充1%～3%鈉膨潤(rùn)土和適量增粘劑（GTQ）維持所需要的沖洗液粘度。

（2）濾失量控制。鹽膏侵使沖洗液的濾失量顯著提高，通過(guò)提高GTQ 加量，并添加適量的低粘度羧甲基纖維素鈉鹽（CMC-LV）維持濾失量［13］。

（3）固相控制。上部的泥巖地層，為了控制地層造漿，施工過(guò)程中配制包被劑膠液以少量多次的方式補(bǔ)充至沖洗液中，以提高沖洗液的絮凝包被作用；后期則主要采用離心機(jī)清除沖洗液中的巖粉［14-15］。

（4）根據(jù)地層情況適時(shí)添加和補(bǔ)充防塌型隨鉆堵漏劑與封堵劑，防塌型隨鉆堵漏劑的加量控制在1%～2%，封堵劑的加量控制在2%～5%。

（5）維持中成膜B 劑的加量不低于2%。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)使用效果

因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)資料，難以掌握地層復(fù)雜情況，無(wú)法做好鉆前預(yù)防。因此，在該礦區(qū)施工時(shí)，一直是根據(jù)鉆遇情況及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)及沖洗液性能，穩(wěn)定有序地開(kāi)展鉆探作業(yè)，保證鉆孔質(zhì)量。同時(shí)，鉆探現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件有限，難以有效地開(kāi)展沖洗液性能小型化試驗(yàn)。此外，受到疫情影響，沖洗液材料不能及時(shí)到位等。這些問(wèn)題在一定程度上影響了施工進(jìn)度和孔內(nèi)復(fù)雜情況的處理。盡管如此，在地層極其復(fù)雜等困難條件下，成膜防塌無(wú)固相沖洗液和抗鹽膏侵成膜環(huán)保沖洗液取得了較好的應(yīng)用效果，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）較好地解決了孔壁失穩(wěn)難題。ZK23-2 孔是2022 年該礦區(qū)施工鉆孔中設(shè)計(jì)深度和完鉆深度最深的鉆孔，鉆遇地層也最為復(fù)雜，既有水敏性地層、含鹽膏地層，也有煤層等松散破碎地層，且煤層厚度較大（其它幾個(gè)鉆孔煤層厚度一般只有幾十公分，而該鉆孔鉆遇了2 段厚度＞10 m 的松散破碎煤層），孔壁穩(wěn)定十分困難。成膜防塌沖洗液的使用解決了上部530 余米以淺水敏性分散剝落地層的孔壁失穩(wěn)難題；抗鹽膏侵成膜環(huán)保沖洗液的使用解決了800 m以深低強(qiáng)度、松散粉狀砂巖地層及水敏性地層的孔壁失穩(wěn)問(wèn)題。

（2）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，成膜防塌無(wú)固相沖洗液轉(zhuǎn)化為抗鹽膏侵成膜環(huán)保沖洗液后，沖洗液流變性能相對(duì)穩(wěn)定，循環(huán)后沖洗液漏斗粘度降低值≯5 s，API濾失量也由10～13 mL 降至7～8 mL。

（3）通過(guò)封堵、流變性控制以及取心前邊給泵邊回轉(zhuǎn)提鉆至套管等工藝措施，降低了小環(huán)空繩索取心鉆進(jìn)對(duì)孔壁失穩(wěn)的影響，施工過(guò)程中除煤層發(fā)生坍塌外，基本維持了其它松散破碎地層孔壁的穩(wěn)定。

（4）施工效率明顯提高。與其距離最近的鄰孔相比，其完鉆深度1206 m，用時(shí)150 天，而23-2 孔鉆進(jìn)至1275 m 時(shí)用時(shí)為102 天，施工效率提高56%。

（5）全孔的巖心采取率平均達(dá)到98%，完全滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。

（6）受疫情影響，一些材料無(wú)法到位，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件有限，用現(xiàn)場(chǎng)已有材料調(diào)整沖洗液的性能難度較大，再加上繩索取心鉆進(jìn)小環(huán)空的不利影響以及在含有鹽膏的復(fù)雜地層中使用成膜防塌沖洗液體系尚屬首次，因此對(duì)煤層等破碎地層孔壁失穩(wěn)的預(yù)防和處理存在欠缺。

4 結(jié)論與建議

（1）成膜防塌沖洗液對(duì)水敏性分散剝落地層及松散地層具有良好的適應(yīng)性。其配方為：淡水+2%～3% 成膜B 劑+1.0% 降濾失劑（GPNH）+0.4%～0.8%增粘劑（GTQ）+0.1%～0.3%包被劑（BBJ）＋1%～2% 防塌型隨 鉆堵漏劑（GPC）+2%～5%封堵劑（GFD-1）。

（2）抗鹽膏侵成膜環(huán)保沖洗液抗鹽膏污染能力強(qiáng)，經(jīng)鹽膏侵后，性能基本保持穩(wěn)定，適用于含有鹽膏（或同一裸眼孔段內(nèi)含有鹽膏地層）的水敏性分散剝落地層和松散地層。配方為：淡水+2%～3%成膜B劑+1.0%～2.0%降濾失劑（GPNH）+0.6%～1.0%降濾失劑（GPNA）+0.8%～1.2% 增粘劑（GTQ）+0.1%～0.3%包被劑（BBJ）＋1%～2%防塌型隨鉆堵漏劑（GPC）+2%～5%封堵劑（GFD-1）。

（3）現(xiàn)場(chǎng)對(duì)沖洗液的維護(hù)與處理，基本滿足了該孔復(fù)雜地層孔壁穩(wěn)定及其施工工藝要求。

（4）應(yīng)進(jìn)一步研究提高兩種成膜防塌沖洗液的懸浮和攜帶能力，完善其配方和維護(hù)與處理工藝；加強(qiáng)破碎地層的膠結(jié)和封堵，并適度提高沖洗液密度。