青海地區永凍層鉆探技術沖洗液配置應用研究
——以青海大場及周邊地區鉆探技術為例

羅永統，馬維明，王振東

（青海省地質調查局，青海西寧810001）

青海地區永凍層鉆探技術沖洗液配置應用研究
——以青海大場及周邊地區鉆探技術為例

羅永統*，馬維明，王振東

（青海省地質調查局，青海西寧810001）

通過分析大場地區凍土層特點，實驗配置合適的無固相和低固相沖洗液，并分析沖洗液性能指標及影響因素，較好解決青海大場地區永凍層鉆探施工難題。

鉆探；永凍層；沖洗液；繩索取芯

大場礦區及周邊地區海拔在4500m以上，年平均氣溫0℃以下，霜凍期長，凍土發育，1.5m以下屬永凍層，部分永凍層最深可達180m，永凍層溫度自-1.9℃～12℃不等。礦區第四系以下的基巖包括：泥質板巖、砂巖等常見永久冰凍現象。該部分在鉆進過程中由于孔壁間隙小停鉆取芯的過程中極易發生凍鉆事故，而泥質板巖則容易在地溫泥漿循環熱交換后易發生熱融性的縮徑和坍塌，從而形成埋鉆事故。此外，沖洗液在地溫環境中容易發生絮凝現象，泥漿材料不能更好地溶于水中，固相顆粒容易聚結，沖洗液性能不穩定甚至被破壞，地表循環系統易凍結和流凌淤積，以及送水困難等現象的存在。因此，系統分析和解決這些問題對現實正常鉆進、提高鉆探施工效益。滿足青藏高原地區的地質找礦要求具有十分重要的意義。

1 鉆孔結構

根據礦區地層多年凍土層的特征，同時考慮鉆孔孔徑、孔深、傾角等因素，以及繩索取芯鉆進，鉆具高轉速，防止鉆桿折斷的要求，采用的鉆孔結構如圖1所示。

圖1 適宜地溫永凍層的鉆孔結構圖

為預防低溫泥質永凍層的熱融膨脹，簡單有效的方法是跟管護壁。為保證高粘、低失水低溫鉆井液的正常循環，可通過適當加大環空間隙的方法，降低鉆井液紊流狀態時對永凍層孔壁的沖蝕。

在正確選擇鉆孔結構的同時，采用NQ口徑進行鉆進時，可將NQ鉆頭外經增大到76.5mm，以保證高粘鉆進液足夠的上返環空間隙和適當降低上返流速的條件。

2 沖洗液

現場隨鉆調研凍土層在鉆進過程的影響形式，低溫環境對鉆探生產的主要影響，分析永凍層在低溫鉆井液環境中的融散縮經、坍塌機理、鉆進液的雙向熱交換后的溶蝕機理配置基漿。

2.1 無固相沖洗液

無固相低溫鉆進液主要針對相對完整的低溫巖層——泥質板巖和破碎的長石砂巖低溫巖層。

基漿一：水700mL+PVA-1788（3%）+PAM（0.1%）+乙二醇（25%）+中粘Na-CMC(0.1%)+NaCl（10%）+NaOH（0.1%）+KHM（1%）+木質素磺酸鈉（0.2%）。

該鉆井液在低溫下未發生絮凝現象，流動性好，泥皮薄而致密，溫度達到-19℃時開始出現結冰現象，鉆進液粘度隨溫度降低增大，失水量隨溫度降低減小，比重變化不大，加入腐植酸鉀，具有降失水作用，稍降粘，加入木質素磺酸鈉后，粘度下降，略降失水，鉆鉆井液粘度和失水性能基本達到要求。

基漿二：水700mL+PVA（2%）+NaCl（10%）+乙二醇（20%）+PVM（0.1%）+聚丙烯酸鈉（0.1%）+Na-CMC（0.1%）+NaOH(0.1%)+KHM(1.5%)+木質素磺酸鈉（0.05%）。

該鉆井液在地溫下未發生絮凝現象，流動性較好，泥皮薄而致密，溫度到達-19℃時開始出現結冰現象，鉆進液粘度隨溫度降低增大，失水量隨溫度降低減小，比重變化不大，加入腐植酸鉀，具有降失水作用，稍降粘，加入木質素磺酸鈉后，粘度下降，略降失水，鉆井液粘度和失水性能基本達到要求。在-15℃時，初切為0，表觀粘度24.5mPa·s，塑性粘度24mPa·s,動切力為0.511Pa，動塑比0.02。

基漿三：水700mL+PVA（2%）+NaCl（10%）+乙二醇（20%）+PAM（0.05%）+聚丙烯酸鈉（0.05%）+PAC-142（0.1%）+NaOH（0.1%）+KHM（2%）+Na-CMC (0.05%)。

該鉆井液在低溫下未發生絮凝現象，流動性能較好，泥皮薄而致密，溫度達到-19℃時開始出現結冰現象，鉆井液粘度隨溫度降低增大，失水量隨溫度降低減少，比重變化不大，加入腐植酸鉀，具有降失水作用，效果明顯，加入羥甲基纖維素鈉具有曾粘降失水作用，鉆進液粘度和失水性能基本達到要求。在-15℃時，動切為0，表觀粘度15mPa·s，塑性粘度15mPa·s,動切力為0 Pa，動塑比0。

以上3種無固相鉆井液配方-15℃左右，漏斗粘度小于35s、失水量小于13mL/30min、pH值為10、比重1.07～1.075g/cm3均達到要求，低溫環境下未發生絮凝現象，流動性較好，克抵抗低溫-19℃。但無固相鉆井液由于沒有固相成分，所以動切力很難實現。

為此結合現場情況，根據經濟性較好的原則進行低固相低溫鉆井液的實驗。

2.2 低固相低溫抗鹽鉆進液

低固相低溫鉆井液必須滿總3個條件：首先要防止鉆進液發生絮凍；其次要防熱融縮徑；同時，還要滿足預防高嶺土化、粘土質碎裂泥質板巖的水化。

基漿一：鈉土4%+純堿3%+抗鹽共聚物（GTQ）1%+聚陰離子纖維素0.15%+鹽10%+XY-27降粘劑0.2%（或用0.5%的KHM代替）。

基漿二：鈉土4%+純堿2%+（GTQ）抗鹽共聚物0.6%+KCl氯化鉀0.5%+鹽15%+鈉羥基纖維素0.15%。

測試性能如表1所示。

表1 低固相低溫抗鹽鉆進液

如上，基漿一鉆進液具有材料易購、使用簡單方便的特點，在低溫條件和永凍層鉆孔中應用后取得了良好的效果，而基漿二鉆井液在膠結松軟的泥炭質板巖中平衡防塌效果明顯。套管以深部分，在碎裂巖化高嶺土、粘土質泥質板巖的地層中可采用的無固相低溫鉆進液：

（2）PAC1%～5%+FA-1 2%～4%+KCl1%～3%+ Na-CMC0.5%～0.8%；

（3）KCl1%～3%+Na-CMC0.5%～0.8%+PVA2%～5%；

（4）PAC1%～5%+(HOCH2)21%～4%+KCl1%～3%+Na-CMC0.5%～0.8%。

2.3 關鍵技術

（1）根據低溫泥漿特點，現場實驗分析融散臨界點。

（2）雙向熱交換對鉆井液粘度和流動性的影響規律，低溫鉆進液性能與冰水沉積物地層的防塌性能和碎裂巖化泥質板巖的熱融膨脹縮徑以及融散坍塌的鉆進液配置技術。

（3）通過實驗，優選低溫鉆井液配置方案和低溫鉆井液材料。

（4）根據鉆井液在循環過程中壓力作用下產生的熱、鉆進過程產生的熱力系數，結合低溫材料制定預防低溫冰凍的工藝技術方案。

隨著中美貿易戰持續發酵，美國農產品價格下跌明顯，但農民購肥熱情卻依舊高漲。加拿大肥料商NutrienLtd(NTR.TO)首席執行官恰克·馬格羅（Chuck Magro）稱，若中美貿易戰不斷升溫，農產品價格跌破到農民所能接受的最低限度，就會加劇美國農民對自身經濟狀況的擔憂。

（5）按地表溫度的不同交換，通過實驗和優選材料，復配冰水對鉆井液稀釋降粘和抑制粘土質泥質板巖縮徑坍塌性能穩定的鉆進液。

3 低溫環境繩索取芯鉆進工藝經驗總結據調查，永凍層鉆進預防孔內事故的發生主要在鉆井液的冰凍和熱融縮徑2個方面，因此工藝方法也需照2個方面進行。

針對大場礦區碎裂巖化粘土質永凍層的熱融縮徑問題，需要鉆進液的溫度接近永凍層溫度或低于3℃。施工經驗表明，在大場礦區施工季節由于晝夜溫差大，孔內溫度低，通常經晝夜、孔內地表熱交換后鉆進液溫度在最高氣溫時能維持在10℃以下。經驗表明，此時可以通過提高鉆速，降低鉆井液對泥質孔壁低溫地層的水化時間，可以在鉆探生產期間預防其熱融膨脹。

維持鉆進液在0℃以下正常循環的經驗。

優質的天然鈉基膨潤土，水化和膨脹能力強，充分水化膨脹后，可起到延緩水遇冷結凍的效果。在滿足如下條件的情況下，5%加量的鹽水泥漿可在-10℃環境下的正常循環：

（1）鉆桿始終保持轉動；

（2）配置鉆井液的水用蘇打（2kg/m3）來軟化處理，并維持鉆井液中具有一定濃度的Cl—，甚至是HCO3—都能對預防鉆井液的低溫冰凍起到一定的作用；

（3）為防止泥質地層的熱融膨脹，維持鉆井液的低溫，白天作業時可將整個泥漿系統遮蓋起來。

現有方法在應用過程中也存在一定的局限性主要如下：

（1）鉆井液在夏季高溫期間（大場礦區17℃～20℃）對粘土質的碎裂狀泥質板巖熱融脹作用不明顯，突出現象是溶脹縮徑和坍塌；

（2）當永凍層很發育，厚度較大、且由冰水膠結破碎地層時，穩定孔壁須將鉆井液的溫度降低在0℃以下，理論上加入干冰可降低鉆井液的溫度，但這一做法在巖芯鉆探中受成本、使用條件的限制較難實現；

（3）獲取永凍層低溫的粘度較大，低溫環境使泥漿抗剪切稀釋性增強，護壁性能下降，今后仍需做進一步研究。

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A

1004-5716(2015)11-0047-03

2014-11-28

2014-12-04

羅永統（1989-），男（漢族），青海西寧人，助理工程師，現從事固體礦產科研工作。