鹽類礦產深部小口徑鉆探施工探討

王太平， 周祥衛， 向 成

(湖南省地質礦產勘查開發局四○三隊，湖南 常德 415000)

1 工程概況和地層情況

二十世紀六七十年代，湖南省石油隊、物探隊及湖北江漢油田在澧縣盆地開展了重力物探及電測深等物探測量工作，在鹽井—申津渡盆地存在重力負異常，圈出了負異常凹陷區。湖南省地質局四○三隊于1982年提交的調研報告中，將本區鹽井-申津渡盆地劃為鹽類礦產A類找礦遠景區，地質工作程度為鹽類礦產成礦遠景科學研究。 2011年，地質科學院礦產資源所、江漢油田在離礦區北東50 km處施工了崗鉀1、2號井、沙鉀3井；在江陵凹陷西南部施工路13、SKD1、SKD2井，發現了含鉀鹵水。“湖南湘澧鹽礦邊深部鹽類礦產詳查”項目為了探鹽找鉀，在收集區域鉀鹽礦區資料的基礎上，在礦區北部01～03線之間(湘澧鹽礦中部)布置探鹽找鉀深孔ZK0303，設計孔深1 600 m。ZK0303孔鉆進至孔深1 560 m時，因古新統含礦巖系增厚，特申請加深300～500 m，至見白惡系為止。孔深至2 302.03 m時，仍為古新統沙市組(E1sh)含礦(石膏)巖段下部巖層，因主要含礦層已穿過，經申請專家組現場核查，認為繼續加深已無意義，即于孔深2 0302.03 m終孔。施工結果為：探獲多層巖鹽及鈣芒硝巖，在鈣芒硝泥巖中偶見有厚度≤3 cm的裂隙充填的棕紅色的含鉀石鹽(石膏)，探獲多層硬石膏巖(見圖1)。

圖1 巖芯照片

地層情況：①第四系(Q)：主要為亞黏土；②下第三系始新統(E2)：主要為粉砂質泥巖、粉砂巖、泥質云巖、云質泥巖、鈣芒硝巖、巖鹽層、石膏巖；③下第三系古新統沙市組(E1sh)：主要為粉砂質泥巖、泥灰巖、石膏巖、粉砂巖、石英砂巖、泥晶灰巖。

2 設備選型

根據設計孔深及初步判斷地層情況，主要設備選型如下：①鉆機：XY-6B型巖心鉆機，長沙探礦機械廠制造；②泥漿泵：BW-320型泥漿泵，長沙探礦機械廠制造；③鉆塔：SGZ四角塔，張家口探礦機械廠制造；④泥漿處理系統：旋流除砂器+振動篩，自制；⑤鉆桿鉆具：75繩索，無錫探礦工具廠。

3 鉆探施工

ZK0303鉆孔于2015年10月3日正式開鉆，開孔口徑130 mm，鉆至12.5 m穿過第四系亞黏土進入粉砂質泥巖。10月4日于18.00 m處下放井口套管，隨后改為110 mm口徑鉆進至25 m，再改為91 mm口徑鉆進至26.5 m，下放二級套管，配管為25 m 108套管，1.5 m 89套管，變徑連接。10月5日調制好泥漿改用75 mm繩索取芯工藝繼續鉆進。10月15日，孔深于480 m處見鹽礦標志層，改調制飽和鹽水泥漿鉆進。于10月22日鉆穿含鹽地層，進入粉砂質泥巖，孔深675 m(最后一層含巖鹽層深度為592 m)，探獲主鹽層6層。隨即起鉆拔出二級套管，用91 mm口徑擴孔鉆頭擴孔鉆進。10月29日擴孔至675 m，孔內沖洗干凈后，下放套管675 m，配管為25 m 108套管，650 m 89套管，變徑連接，10月31日注漿固管。固管深度自615～675 m，目的為隔離含鹽地層，防止鹽侵破壞泥漿，對下部施工造成影響，固井完成后放假待凝7 d。11月8日重新制作循環液繼續75繩索鉆進。2016年1月23日鉆進至2 302.03 m,經專家組現場驗收，同意終孔(見圖2)。813～1 530 m為含硬石膏巖層，其中813～1 080 m探獲硬石膏共計約65 m。

圖2 終孔照

4 施工難點剖析及應對措施

4.1 設備選型及安裝

鉆孔深度越大，對鉆機的扭矩、立軸、起重力、卷揚機要求越高；對鉆塔天車負荷要求高，孔深較深，鉆桿較多，故對移擺立根長度要求較高；對泥漿泵流量和壓力要求較高；安裝地基考慮設備自重負荷及工作負荷累加，地基承載力要求較高。

應對措施：鉆機，選用長探XY-6B，立軸最大扭矩8 500 N·m，立軸最大起重力200 kN，卷揚機單繩最大提升力90 kN；鉆塔，張家口探礦廠SGZ24塔，天車正常負荷50 T，最大68 T，移擺立根18 m；泥漿泵，長沙探礦廠BW-320型，流量118 L/min，壓力8 mPa；安裝地基，經現場簡易原位實驗，地表為亞黏土，地基承載力為13 T/m2。鉆塔四角澆筑1.8 m×1.8 m×0.6 m鋼筋砼墩臺，鉆機底座下澆筑0.6 m×0.6 m×2.0 m鋼筋橫梁3根。

4.2 水敏不穩定地層

水敏不穩定地層主要集中在亞黏土、粉砂巖、泥巖、泥質云巖、云質泥巖，在全孔均有體現。水敏地層吸水膨脹與分散，容易產生膨脹縮徑、泥漿增稠、鉆頭泥包、粘附卡鉆、孔壁表面剝落、崩解垮塌超徑等情況。在以往相同地層的某鉆孔中，采用繩索取芯工藝，因未重視泥漿調配(清水鉆進)，導致孔壁吸水膨脹風化，加上鉆桿攪動碰壁，造成孔壁嚴重超徑，斷鉆多次，發生孔內事故多起。

針對以上可能出現的問題，應對方法：調制具有形成優質泥壁、低失水、低滲透、高潤滑特性的強抑制性泥漿，孔壁形成堅韌薄狀泥皮，減少自由水對孔壁的侵入，效果明顯，孔壁完整。配方：1 m3水+5～10 kg膨潤土+0.3%低黏纖維素+0.8%銨鹽。

膨潤土：形成優質泥皮不可缺少的材料。

低粘纖維素：抗鹽污染，降濾失，具有一定的抑制泥頁巖的水化膨脹能力。濾失量≤10 mL，可促進優質堅韌泥皮形成。

銨鹽：是良好的鉆井液處理劑，具有降濾失、降黏和抑制泥頁巖膨脹分散的作用，能顯著降低黏度和濾失量，并具有一定的抑制黏土水化分散能力，具有一定的抗鹽、鈣污染能力，抗溫能力強。

4.3 水溶性地層

本鉆孔水溶性地層主要集中在鹽膏層。鉆進時主要表現：①泥漿黏度下降，濾失量增大，Cl-含量升高，pH值降低；②水溶導致巖心采取率嚴重偏低；③鉆具扭矩增大，鱉卡嚴重。鹽膏層鉆井復雜情況可以用“溶、縮、塌、脹、漏、卡、噴、損”8個字形容。起因可歸結為5個方面：①塑性變形及蠕變流動；②鹽膏層中所含石膏和鈣芒硝的膨脹；③鹽的溶解過飽和與芒硝重結晶；④巖鹽下部泥頁巖的復雜問題；⑤異常壓力問題。

針對以上可能出現的問題，應對方法：調制飽和鹽水泥漿，增加泥漿抗鹽、鈣能力。該方法效果明顯，確保了孔壁完整，保證了礦芯采取率。

配方：1 m3飽和鹽水+5 kg膨潤土+1.2%低黏纖維素+1.0%銨鹽+0.6%抗鹽共聚物。

飽和鹽水：確保鹽膏層不再溶解。

膨潤土：形成優質泥皮，保護孔壁。

低黏纖維素：抗鹽污染，降濾失，抑制水化膨脹，促進堅韌泥皮形成。

銨鹽：降濾失，降黏，抗鹽鈣污染。

抗鹽共聚物：降失水，抗污染。

5 幾點認識與探討

(1)沖洗液首先應滿足孔壁穩定需要，強水敏性地層易膨脹縮徑、分散造漿、粘附性強。一是由于地層膨脹縮徑、粘附性強，繩鉆鉆桿較粗，極易發生抱鉆、粘附卡鉆事故，二是由于地層造漿增加泥漿的黏度和固相含量，引起鉆桿內壁結泥皮而影響巖心管打撈。該類地層如果沖洗液性能控制不好，風險很大。沖洗液的設計與使用應首先保證鉆孔安全，在此基礎上盡可能與工藝方法相適應。

(2)明確不同地層孔壁穩定機理，在此基礎上設計和靈活使用沖洗液；溶蝕性地層是指遇水發生溶解的地層，因此要抑制地層中水溶性礦物的溶解，就必須加入具有抑制地層中水溶性礦物溶解的泥漿處理劑。最普遍的做法是向泥漿中加入相同成分的材料使其達到飽和，抑制地層中同類礦物的溶解。如鹽膏層鉆探采用的飽和鹽水泥漿就是利用這個原理，但對于像溢晶石等溶解度超高的地層，最好采用油基沖洗液。

(3)復雜地層除正確選擇沖洗液體系外，還要重視沖洗液參數的調整。

(4)降低摩擦阻力，需從鉆孔軌跡、沖洗液質量上下功夫。沖洗液對摩擦阻力的影響更多體現在沖洗液在孔壁所形成的泥皮質量，它是影響摩擦阻力大小的重要因素。泥皮質量好壞是由沖洗液濾失量、固相含量、固相顆粒特性及泥漿材料特性等因素決定的。對深孔來說，摩擦阻力可能更多受鉆孔深度、鉆孔傾角和鉆孔軌跡的影響，但鉆井液的影響不可忽視。

(5)正確的操作程序有利于保護孔壁、減少孔內事故發生。任何的操作不當都可能引起復雜的孔內事故。孔壁薄弱孔段長時間定點循環泥漿，沖刷孔壁；提鉆速度過快，由于抽吸作用造成孔壁坍塌、掉塊；強水敏性地層長時間、長孔段鉆進不掃孔，造成卡鉆；提鉆遇阻強行提拉等，都會引起復雜孔內事故。因此需要制定完善的操作程序，并加以嚴格執行。