孟祥森，蔡順山，董瑞

（核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011）

現(xiàn)代鉆井液技術(shù)是現(xiàn)代鉆探科學(xué)的重要組成部分［1］，特別是隨著鉆井新工藝、新技術(shù)的發(fā)展，對鉆井液性能的要求日益提高［2］。實(shí)踐證明，鉆井液性能與鉆井液的維護(hù)和處理［3］，直接關(guān)系著鉆井機(jī)械鉆速的快慢、鉆頭壽命的長短、井下異常情況是否發(fā)生、地面設(shè)備是否容易故障和整個鉆井綜合成本高低［4］。

車排子勘探區(qū)位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地西北部地區(qū)，近年來在該勘探區(qū)進(jìn)行了鈾礦地質(zhì)調(diào)查和鉆探施工，取得了一定成果的同時，也在鉆探施工中遇到了許多問題。在該地區(qū)上部第四系、新近系、白堊系和目的礦層均存在有大量松散砂礫巖和水敏性泥頁巖，在鉆孔施工中易發(fā)生孔壁坍塌、掉塊、黏土層膨脹縮徑等問題，由此造成埋鉆、粘鉆、卡鉆等孔內(nèi)事故，嚴(yán)重時導(dǎo)致鉆孔降級或報(bào)廢等質(zhì)量事故。除此之外，隨著國家和企業(yè)對環(huán)境保護(hù)問題的不斷重視，對鉆井液綠色環(huán)保性能的要求不斷提高，而使用的傳統(tǒng)細(xì)分散鉆井液顯然不能滿足以上這些要求。

在2022 年車排子勘探區(qū)的鉆探生產(chǎn)中，研究人員通過鉆井液文獻(xiàn)調(diào)研和開展現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的方法，優(yōu)選出了一套不分散低固相鉆井液體系、配置和維護(hù)方法，這種新型的不分散低固相鉆井液與傳統(tǒng)的細(xì)分散鉆井液相比，不僅使鉆進(jìn)效率大大提高，而且能夠大幅度降低鉆井液對地層的侵入，抑制地層黏土質(zhì)對鉆井液性能的破壞，且在加入抑制劑后，也能起到很好的防止孔壁坍塌的效果。

同時，現(xiàn)代化的鉆井液技術(shù)是現(xiàn)代鉆探工程的重要組成部分，對不分散低固相鉆井液的性質(zhì)和功能進(jìn)行更深入的探究，并推動其不斷發(fā)展和完善，將直接提高鉆探作業(yè)的安全性、工程質(zhì)量、鉆進(jìn)效率，有利于產(chǎn)層保護(hù)等，也是鉆探技術(shù)步入科學(xué)鉆探階段的重要標(biāo)志［5］。

1 車排子勘查區(qū)地質(zhì)背景

車排子勘查區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，構(gòu)造上屬于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起的次一級構(gòu)造單元，西鄰扎伊爾山，東面以紅車斷裂帶為界，南面為四棵樹凹陷及伊林黑比爾根山，北面與克夏斷褶帶相接。區(qū)內(nèi)地層自下而上由石炭系包古圖組凝灰?guī)r，白堊系吐谷魯群、新近系的沙灣組、塔西河組、獨(dú)山子組的碎屑巖以及第四系松散堆積物組成。

其中勘探區(qū)內(nèi)第四系主要為砂土、礫石、淤泥、鹽漬化亞砂土、風(fēng)成砂沉積。風(fēng)成堆積多由半固定的沙丘、沙垅組成，相對高度3～5 m，最高可達(dá)200 m；新近系主要為褐紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾礫巖，底礫巖為石灰質(zhì)礫巖或含礫泥灰?guī)r，下部為灰色砂礫巖、含礫砂巖、中細(xì)砂巖夾灰色泥質(zhì)巖；白堊系分布范圍廣，以盆地腹部為主，出露于克拉瑪依到夏子街一帶。

在該區(qū)內(nèi)鉆遇地層以白堊系、新近系和第四系地層為主。因新近系和第四系地層厚度較大、無固結(jié)、成巖性差，較為松散，在鉆孔施工中易發(fā)生砂層坍塌、掉塊，黏土層膨脹縮徑，極易造成埋鉆、粘鉆、卡鉆、找不到原孔等孔內(nèi)事故，甚至導(dǎo)致鉆孔降級或報(bào)廢。

2 鉆探工程中所遇問題

車排子勘探區(qū)內(nèi)以沉積巖地層為鈾礦鉆探主攻地層。其下部地層主要為疏松的砂巖和泥巖、礫石層等，總體上具有一定的砂巖型鈾礦勘探潛力，但勘查程度較低，鉆探遇到的主要問題包括：卡鉆、鉆進(jìn)效率低、孔斜超標(biāo)、斷桿埋鉆及卡、埋探管等問題（表1）。

3 不分散低固相鉆井液選擇與配制

在鉆探工程中，鉆井液的主要功能是對鉆孔井壁進(jìn)行保護(hù)。以往車排子勘探區(qū)內(nèi)，鉆探作業(yè)中所應(yīng)用的多為細(xì)分散淡水鉆井液，此類鉆井液在現(xiàn)場配置中，一般以淡水和鈉基膨潤土為主要材料。實(shí)際使用中，蒙脫石等黏土質(zhì)礦物在這種鉆井液體系內(nèi)保持高度分散，并在孔內(nèi)循環(huán)中因鉆井液液柱壓力與地層孔隙壓力的壓力差，而存在明顯的失水情況。與此同時，這種鉆井液維持孔壁穩(wěn)定性的能力，主要來源于鉆井液失水后形成的粘附于孔壁上的黏土質(zhì)泥餅。這種黏土質(zhì)形成的泥餅韌性低、厚度大、粘附性差、護(hù)壁性能不良，作業(yè)中容易引起環(huán)空間隙縮小、壓差卡鉆等問題。

通過對相關(guān)鉆井液文獻(xiàn)的調(diào)研［6-10］，利用有機(jī)高分子材料取代黏土質(zhì)礦物的方法，可以使鉆井液體系由懸濁-膠體分散系轉(zhuǎn)化為膠體-溶液分散系。這種鉆井液體系被稱為不分散低固相鉆井液，在這種鉆井液體系下，整體表現(xiàn)為抑制黏土質(zhì)礦物分散的性質(zhì)。其中高分子材料在溶液中形成膠聯(lián)網(wǎng)格，達(dá)到砂層膠結(jié)的目的，增強(qiáng)孔壁的穩(wěn)定性以達(dá)到保護(hù)孔壁的作用，能夠獲取較好的鉆井液護(hù)壁效果。

根據(jù)工區(qū)的地層情況，在室內(nèi)鉆井液小型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出一套適合本區(qū)鉆進(jìn)的新型鉆井液配方?；A(chǔ)鉆井液配方：1 m3水+2 kg片狀氫氧化鈉+25 kg 磺化瀝青粉+15 kg 無熒光潤滑防塌劑+15 kg 廣譜護(hù)壁劑Ш 型，對其進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使其均勻溶解分布。預(yù)配的鉆井液的蘇氏漏斗粘度為25～32 s、密度為1.02～1.08 g/cm3、API 失水量為10～12 mL/30 min、pH 值為8～9，其基本性能已完全達(dá)到傳統(tǒng)細(xì)分散淡水鉆井液的性能。不同地層條件下的低固相鉆井液配方見表2。

4 低固相鉆井液的現(xiàn)場應(yīng)用

車排子勘探區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，松散層巨厚，砂層多且松散，黏土層易膨脹，鉆井液與地層配伍性差，這些都給鉆井液的選型和處理帶來挑戰(zhàn)。區(qū)內(nèi)勘查鉆孔均為全孔取心孔，為配合新型不分散低固相鉆井液的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，根據(jù)孔深和孔徑，選用XD-10DK 型電動直驅(qū)鉆機(jī)配合唐山金石HC 系列繩索取心鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)；為降低鉆探成本，鉆孔使用Φ100 mm 復(fù)合片鉆頭一徑到底。開孔后，采用新型不分散低固相鉆井液繩索取心鉆進(jìn)，在滿足鉆孔護(hù)壁和繩索取心鉆進(jìn)工藝的要求條件下，根據(jù)鉆場的水質(zhì)礦化度情況，適當(dāng)調(diào)整鉆井液材料的配比。

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，隨著鉆孔的不斷加深，孔內(nèi)鉆井液流變性會發(fā)生變化，在鉆進(jìn)循環(huán)時注意補(bǔ)充新鉆井液，監(jiān)測鉆井液性能指標(biāo)。根據(jù)鉆進(jìn)地層和鉆井液性能變化情況，不斷地進(jìn)行維護(hù)和調(diào)整，不斷補(bǔ)充少量廣譜護(hù)壁劑和磺化瀝青粉，就可以保持鉆井液性能的穩(wěn)定。

同時在鉆探過程中，不分散低固相鉆井液同樣會侵入巖層和在井壁上形成泥餅（圖1），但與傳統(tǒng)的提鉆取心工藝使用的細(xì)分散鉆井液不同的是，其形成的最大泥餅厚度小于1 mm，遠(yuǎn)低于細(xì)分散鉆井液形成的3～5 mm 的泥餅厚度。泥餅厚度對于普通地質(zhì)鉆桿與孔壁間約19 mm 的環(huán)空間隙造成影響較小，但對于繩索取心鉆進(jìn)而言，鉆桿與孔壁間僅有5 mm的環(huán)空間隙，要求鉆井液形成的泥餅厚度小（＜1 mm）、韌性好，以維持孔壁穩(wěn)定。在繩索取心鉆進(jìn)時，即使采用低固相鉆井液形成薄且致密的泥餅，其在不同孔深下，鉆井液循環(huán)壓力（泵壓）仍要遠(yuǎn)高于使用傳統(tǒng)普鉆工藝時的循環(huán)壓力（圖2）。

圖2 繩索取心工藝與普鉆工藝鉆探時泵壓變化Fig.2 Comparison of pump pressure between wire-line drilling and conventional drilling at different hole depths

在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)中，因鉆場缺乏低固相鉆井液的配置材料，機(jī)組采用繩索取心工藝、細(xì)分散膨潤土鉆井液施工了ZKC1-3 號孔。在開孔初期，孔深30～50 m 處，泵壓升到1.2～1.8 MPa?？變?nèi)鉆井液柱壓力大于地層抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致地層壓裂，出現(xiàn)孔漏。

在該鉆孔施工中后期，細(xì)分散膨潤土鉆井液因循環(huán)壓力過高，大量鉆井液被壓入固相阻塞帶中，其中的自由水則在壓力差的作用下通過地層過濾壓入到過渡帶中，在鉆孔附近巖層中形成若干高壓區(qū)。完鉆后，鉆具提離鉆孔準(zhǔn)備測井，由于孔內(nèi)壓力驟然下降，阻塞帶中的固相會在壓差的作用下回流進(jìn)鉆孔內(nèi)，固相含量高的鉆井液具有極大的靜切力，一些重量較小的儀器，如測井儀等會被這種粘稠的鉆井液托住，導(dǎo)致無法下放到孔底。而使用低固相鉆井液施工的幾個繩索取心鉆孔，均未出現(xiàn)以上情況。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

2022 年，通過技術(shù)攻關(guān)和室內(nèi)鉆井液小型實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出一套適合鈾礦鉆探的新型不分散低固相鉆井液配方，具有鉆場配制簡單、性能穩(wěn)定、容易調(diào)整和維護(hù)的特點(diǎn)，在車排子勘探區(qū)繩索取心鉆進(jìn)施工中獲得成功應(yīng)用，較好地解決了工區(qū)內(nèi)巨厚、松散砂巖層中容易出現(xiàn)的埋鉆、卡鉆、泵壓過高和內(nèi)管打撈困難等難題。

不分散低固相鉆井液具有較好的護(hù)壁能力和較薄的泥餅厚度，減少了鉆具的磨損和動力的消耗，提高了鉆探效率和取心質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全鉆探、順利成孔［11-12］，為可地浸砂巖鈾礦的勘探開發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。在工區(qū)地層、施工機(jī)組、鉆探工藝、孔深等條件基本相同的條件下，采用不分散低固相鉆井液施工的鉆孔相比使用細(xì)分散鉆井液施工的鉆孔，其平均臺月效率提高了41.80%，日平均進(jìn)尺提高了47.19%。與此同時，與車排子勘探區(qū)其他使用普通提鉆取心工藝的機(jī)組取得的850.56 m/m 平均臺月效率相比，采用不分散低固相鉆井液配合繩索取心工藝施工鉆孔的臺月效率提高24.62%。同時采用繩索取心鉆進(jìn)工藝施工的鉆孔，其巖心采取率和孔斜等質(zhì)量指標(biāo)也有較大提高（表3）。

6 結(jié)論與建議

1）針對車排子勘探區(qū)地層情況，在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對比的基礎(chǔ)上，結(jié)合砂巖型鈾礦鉆探生產(chǎn)實(shí)際，優(yōu)選出了一套適合車排子勘探區(qū)鉆探工程的不分散低固相鉆井液配方。其基礎(chǔ)配方為：1 m3水+2 kg 片狀氫氧化鈉+25 kg 磺化瀝青粉+15 kg 無熒光潤滑防塌劑+15 kg 廣譜護(hù)壁劑Ш 型。配方根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)地層的不同，采用多種添加劑對基礎(chǔ)鉆井液性能進(jìn)行微調(diào)，具有較強(qiáng)的針對性。

2）通過不分散低固相鉆井液在鈾礦鉆探中的實(shí)驗(yàn)，證明不分散低固相鉆井液比傳統(tǒng)細(xì)分散鉆井液性能優(yōu)越，有利于繩索取心鉆進(jìn)工藝在鈾礦地質(zhì)勘查中的推廣應(yīng)用。不分散低固相鉆井液所特有的低循環(huán)壓力和良好的護(hù)壁性，對保證鉆孔質(zhì)量、鉆進(jìn)安全和降本增效有突出作用。

3）經(jīng)過不分散低固相鉆井液的鉆探實(shí)踐和時效分析，確認(rèn)不分散低固相鉆井液配合繩索取心工藝是鈾礦鉆孔實(shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆探的主要途徑。該工藝相比于細(xì)分散鉆井液體系和提鉆取心的鉆探工藝，具有鉆進(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量好、鉆孔事故少、鉆進(jìn)成本低的技術(shù)優(yōu)勢。

同時，通過本文的效率分析和多年以來其他不同單位的使用效果證明，繩索取心工藝配合不分散低固相鉆井液體系是一條提高經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑。但是其缺陷也是存在的，如鉆頭和鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)難以確定，以及鉆探生產(chǎn)一線施工人員的專業(yè)理論水平偏低等。建議廣大鉆探技術(shù)人員能共同攻關(guān)，加大繩索取心鉆進(jìn)的技術(shù)研究力度，以期更加合理地整合這些因素，使得不分散低固相鉆井液和繩索取心工藝在砂巖型鈾礦巖心鉆探中取得更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。