钻井泥浆产品与使用工艺技术

目 录 一、企业简介

二、钻井泥浆处理剂基础知识 三、产品专题介绍 四、钻探工程实践应用

一、企业简介

华利钻井泥浆材料公司是国内一家专业生产泥浆材料处理剂的中小型精细化工企业。公司下设四川华利钻井泥浆材料厂和江西利华钻井泥浆材料有限公司两个生产实体。拥有职工86人，年生产各种泥浆材料处理剂3000多吨，年产值4000多万元。众所周知由于泥浆是钻井的“血液”，泥浆处理剂是泥浆体系质量的核心。随着国民经济的快速发展，从20世纪90年代起我国钻探界不断引进国外新技术、新设备、新工艺，新材料。为了适应新形势的发展，我公司先后与成都理工大学、西南石油学院、中南大学、四川石油局钻探材料研究所等科研机构挂钩，大量引进这些科研机构的新技术，在这些科研机构的支持下确定了我公司产品发展的方向，逐步确定了以高分子聚合物类、腐植酸类、纤维素类、木质素类、淀粉类、沥青类等六大类产品作为我公司主导产品体系。现有主要产品36个，广泛应用在石油、天然气、水文、煤田、有色金属、工程勘查、地质普查等钻探领域。产品质量得到广大的用户的认可和好评。近几年来，部份产品还随我国钻探施工队伍一起出口到南美、非洲、东南亚、南亚、蒙古等国家和地区。未来泥浆处理剂发展的趋势：绿色环保、高效方便、

原料来源丰富、经济实惠、综合多功能化。

二、钻井泥浆处理剂基础知识

（一）钻井液的定义：钻井液又叫钻井泥浆，是指具有多种功能，能够保证钻井工作安全顺利进行的循环流体。

（二）钻井泥浆的组成：由膨润土、分散介质（水或油）、多种化学处理剂按一定的配方配制而成。

（三）钻井泥浆的作用： 1、携带和悬浮岩屑。

携带作用：钻进液通过循环将井底钻碎的岩屑携带到地面，以保持井孔清洁，使起下钻畅通无阻，保持安全快速钻进。

悬浮作用：在接单根，起下钻或因故停止循环时，钻井液将井内的钻屑悬浮，使钻屑不会很快下沉，以防止泥砂卡钻或下钻下不到底等事故发生。

2、平衡地层压力和稳定井壁、抑制井壁水化膨胀、缩径。

3、冷却和润滑钻头钻具、延长钻头钻具使用寿命。 4、传递水动力。 （四）钻井液的分类

1、接密度分：非加重钻井液和加重钻井液。

2、按抑制粘土水化作用的强弱分：抑制性钻井液和非抑制性钻井液。

3、按固相含量分：高固相细分散钻井液、低固相相不

分散钻井液、无固相钻井液三类。

4、按流体介质分：水基钻井液、油基钻井液和气体型钻井液。

（五）水基泥浆

以水为分散介质，它又可分为淡水泥浆、盐水泥浆、钙处理泥浆、无固相泥浆和混油泥浆，其基本组分是膨润土、水和化学处理剂。

1、淡水泥浆：含盐量<1％，含钙量<120mg／L用于一般地层的钻探。

2、盐水泥浆：含盐量>l％，用于含盐地层的钻探。 3、钙处理泥浆：含钙量>120mg／L，用于含石膏地层的钻探。

4、无固相泥浆：不含膨润土泥浆，适合于小口径金刚石钻进。

5、泥油泥浆：泥浆中加入少量原油或柴油，使其润滑性好，失水量低，用于坚硬地层的钻探。

（六）油基泥浆

以柴油为分散介质，由膨润土和化学处理剂配制而成，可分为：

1、油包水乳化泥浆：以柴油(或原油)作为分散介质，水及亲油物质，乳化剂配制而成。主要特点：热稳定性、塌效果好，常用于超深井的高温井段，对油气层的损害较小。

2、油基泥浆：由柴油(或原油)和沥清及有关处理剂配成，

可抗盐、抗钙、对油层损害小。

（七）泥浆的主要技术参数

1、粘度：指流动时内部各层间摩擦阻力大小的反映特性。常用漏斗粘度计和六速旋转粘度计测定。

（1）漏斗粘度计：在标准漏斗装置中装入700ml流体让其漏出500ml所用的时间为漏斗粘度，单位（秒），（水为15秒）。

（2）旋转粘度计：分为中Φ600、Φ300、Φ200、Φ100、中Φ6、Φ3六个调节档位，不同转速下的金属转子在流体中所反映的数据。单位为毫帕/秒（mpa·s），其中：

表观粘度=1/2Φ600 塑性粘度=Φ600－Φ300 动切力=5（2×Φ300－Φ600）

静切力：旋转粘度计停止转动1分钟后，开启3档所反映的数据。

2、滤失量和泥饼厚度

（1）滤失量：泥浆中的自由水在压差作用下会向具有孔隙的地层渗透，造成失水。试验室常用以下两种形式表示（指失水仪在30分钟所滤出的水量）：

A、API（美国石油学会的英文缩写）水：指中压失水量，压力为7kg/cm2，温度为常温。

B、HTHP失水：指高温高压失水量，压力为35kg/cm2，温度150℃。泥浆失水量大，易引起孔壁的膨胀缩径、滑落、

坍塌等事故，因此一般要求失水量控制在10－30ml/30分钟，超过此值时，应予更换泥浆。

（2）泥饼厚度：泥浆中的粘土颗粒在失水过程中积累起来的滤饼，泥饼薄而致密对钻井有利，泥浆厚而疏松会引起泥包钻头等井下事故，一般要求泥饼厚度<1毫米。

（3）比重：泥浆重量与同体积水重量之比，测量时一般使用杆杠比重秤。

（4）含沙量：泥浆中存在>74微米（不能过200目筛网）的砂子占泥浆总体积的百分数。对于高固相泥浆含砂量应<4%，对于低固相泥浆含砂量应

A、使泥浆密度增大，对提高钻速不利；

B、形成的泥饼松软，滤失量大，不利于井壁稳定； C、泥饼中粗沙含量过高，会造成卡钻问题； D、对钻头钻具磨损很大，缩短其使用寿命。 （5）PH值：指泥浆的酸碱度，对泥浆的稳定性和化学处理剂的溶解性有影响。

高PH值的泥浆会引起泥页岩中的粘土分散，影响井壁的稳定性，造成井壁坍塌，因此PH值要控制在8－11范围内，PH值可使用PH试纸或PH计两种方法测量。

（6）钻井液酸碱性（PH值）的调整：加入烧碱、纯碱皆可。

钻井液性能与钻进的关系

一、比重

l、比重跟钻速成反比。比重高，意味着钻井液中固相含量即岩屑和膨润土含量高，钻速会明显降低。比重每增加1%，钻速下降10%。

2、低比重钻井液能降低钻头的磨耗及延长钻头寿命，反之亦然。

3、降低钻井液比重，能减轻和消除钻井液漏失。 4、低比重钻井液有利于岩屑在地面沉淀。 5、适当调整钻井液比重可以平衡地层压力。 6、钻进喷、涌地层，增加比重可以防止井喷井涌。 二、流变性与钻进的关系

钻井液的流变性是指在外力作用下，钻井液流动与其内部结构变形的特征。它包含钻井液表观粘度、塑性粘度、静切力、动切力、触变性、流动指数和稠度系数等参数。

l、与钻头破碎岩石速度的关系。

钻速随粘度的降低而增加，反之亦然，其原因是： a、泥浆泵功率一定，粘度减少，泵压降低，排量增加，钻头水马力增加，喷射能力增强；

b、喷嘴紊流粘度降低，钻井液的清洗和排屑作用增加； c、粘度低的钻井液易渗入井底微裂隙，能降低岩屑的压持力和岩石的可钻强度。

2、与悬浮岩屑和携带岩屑的关系。

紊流时的高流速对井壁冲蚀严重，如果泥浆泵偏小，不可能达到紊流状态。层流使岩屑翻转，并推向井壁，有的在井壁上形成“假泥饼”，有的向下滑落，发生埋钻事故。

因此，提高动塑比τ／μp，使层流变为平板型层流，可实现环空返速在0.5－0.6m/s就可满足携粉的要求，并避免了紊流对井壁的破坏。

3、与井内液柱压力激动的关系

压力激动对钻井是有害的，它与钻井液粘度、切力、触变性成正比。压力激动易引起井漏井塌，因此，在钻遇易漏易塌地层时，一定要控制好钻井液的流变性，在起下钻和开泵的操作上不宜过猛，开泵之前最好先活动钻具，以防止因为压力激动而引起的各种井下复杂情况。

三、滤失性能

钻井液失水量过大≥10mL/30min，形成的泥皮厚而疏松，对钻井工作有下列影响。

1、使水敏性泥岩、页岩等岩层吸水膨胀、坍塌、缩径； 2、增加起下钻阻力； 3、易发生泥皮卡钻事故；

4、泥皮过厚，环状空间减小，泥包钻头，使起下钻压力激动增大，会导致坍塌和漏失；

5、损害产层； 6、影响下套管；

钻井泥浆处理剂的分类和选择

分类：

（一）无机处理剂：指分子量较小，分子结构比较简单化合物，如膨润土、纯碱、烧碱、氯化钙、食盐、水玻璃、重铬酸钠等。

膨润土分为钙基膨润土、钠基膨润土和改性膨润土三种。

1、钙基膨润土：造浆率8－12立方米每吨。钙基膨润土必须加纯碱钠化，才能使用。

2、钠基膨润土：造浆率15－18立方米每吨。 3、改性膨润土：通过加入纯碱、烧碱、纤维素、低分子量聚丙烯酰胺等材料，来提高膨润土的造浆率，达到钠基膨润土性能指标。

膨润土的作用：

1、堵漏：黄土层漏失、基岩裂隙漏失都需要用来配浆，配合堵漏剂堵漏。

2、护壁：配合护壁剂在井壁上形成泥饼，减少钻井液内的水份向井壁渗透，起到保护井壁稳定的作用。

3、携砂：配制一定数量的高比重大粘度的膨润土泥浆定期打入井内，将井内掉块、岩屑顺利携带出井外，保持井内干净。

4、配制塌泥浆：井壁长时间浸泡发生垮塌，常规泥浆仍不能维护井壁时，就要加膨润土以提高比重、切力、粘度达到稳定井壁之目的。

5、配加重泥浆：遇到涌水或高压油气层时，都需在泥浆中加膨润土来平衡地层压力。

6、配完井液和封闭浆：为顺利测井，完钻时需配完钻液；在易塌井段需配封闭浆，这些都需加膨润土。

加重剂材料

指标 名称 碳酸钙 超细碳酸钙 重晶石粉 铁矿粉 方铅矿粉 密度 2.7～2.9 2.8～3.1 3.9～4.2 4.9～5.3 7.4～7.7 目数 200 600 200 150 150 可配最高密度 1.68 1.80 2.30 4.00 5.20 加重剂作用：主要调节泥浆比重。 碳酸钠：又称纯碱、苏打，注意防潮。

作用：沉淀交换膨润土中的钙离子、镁离子，改善水化性能，促进膨润土分散造浆，降低泥浆的失水，提高泥浆的粘度和切力，改善泥饼的质量。加量一般为膨润土重量的5%（100公斤土加5公斤纯碱）。

氢氧化钠：又称烧碱、火碱或苛性钠。

作用：a、调节泥浆PH值。b、促使膨润土分散造浆。c、加快有机处理机溶解。加量一般为泥浆的0.1%～0.5%。

硅酸钠：又称水玻璃或泡花碱，水溶液呈碱性，加入泥浆中，能增加泥浆的粘度，促进泥浆胶凝，阻止漏失，对页岩水化膨胀起一定的抑制作用，与硝酸铵反应，可配制冻胶

泥浆堵漏。

氯化钠：即食盐。 主要作用：

1、配制盐水泥浆（加量8-10%），防治岩盐层溶蚀和井径扩大。

2、平衡地层水中矿化度，减少滤液向地层渗透，达到抑制泥面岩地层水化渗透的目的。

氯化钙： 主要作用：

1）配制抑制泥浆阻止水敏性地层水化膨胀。 2）加入水泥浆中，作为水泥速凝剂用。

氢氧化钙：又称熟石灰或消石灰，加入泥浆中主要是提供钙离子，配制钙处理抑制泥浆。

石膏：即硫酸钙 主要作用： 1）提供钙离子。 2）防止泥浆PH值过高。

重铬酸钠：又称红矾钠，是一种热稳定剂，能显著提高有机聚合物的使用寿命。

（二）有机处理剂：分子量较大、分子结构比较复杂的高分子化合物，具体分类：

l、降失水剂： S-1降失水剂、磺化树脂、中低粘度羧甲基纤维素。其作用：加入降失水剂的目的，就是要通过在井

壁上形成低渗透率、柔韧、薄而致密的泥饼，控制井壁水化膨胀缩径。

2、稀释剂（降粘剂）：如铁铬盐、磺化树脂系列、铬腐植酸等。

其作用：泥浆使用过程中，常常由于温度升高、盐侵或钙侵、固相含量增加或处理剂失效等原因，使泥浆粘度、切力增大，会造成开泵困难，钻屑难以清除、激动压力过大等现象。加入降粘剂，使其具有适宜的流动性，防止事故发生。

3、絮凝剂：如水解PHP等。其作用：主要是清除钻屑和劣土的有害固相的含量，同时又起增粘、包被和降滤失的作用。

4、增粘剂：如XC系列黄原胶、高粘度纤维素等。其作用：除起增粘作用外，还往往兼有抑制作用，有利于井壁稳定。

5、抑制泥、页岩水化膨胀剂：如护壁王、X-1成膜剂、无荧光特效防塌护壁剂。其作用：能有效地抑制页岩水化膨胀和分散，防止井壁坍塌，稳定井壁的作用。

6、润滑剂：如T型液体润滑剂、HL特效润滑剂、防钻头泥包剂等。其作用：减低钻具的磨损、防止压差卡钻、泥包钻头，有利于提高钻速，延长钻头使用寿命。

7、堵漏剂：如堵漏王、随钻堵漏剂801、803等。 处理剂的选择：

（一）开孔地段，岩石破碎、节理发育、漏失地层，应

选择增粘剂、防塌、堵漏处理剂，其性能要达到高粘度、低失水、低比重。主要能起起到护壁、防塌、堵漏作用。

（二）水敏性地层，断层破碎带、易膨胀坍塌地层，应选用粗分散泥浆和防塌防护壁、降失水剂、配合加重剂、堵漏剂，提高矿化度，加大比重，提高粘度，降低失水量，使泥浆液柱压力与地层压力处于基本平衡，抑制水化膨胀，防止地层坍塌。

（三）严重漏失地段，较大的裂隙或洞隙地层，选用堵漏王堵漏剂；水玻璃与水泥浆灌注封闭；非煤系地层可选用清水加润滑剂顶漏钻进。

（四）正常地段选用润滑冲洗液；无固相冲洗液。 三、低固相泥浆的原浆配制

l、原配浆材料：膨润土含蒙脱石不少于85%的粘土，要求其造浆率大于15立方/吨（推荐山东潍坊和安邱产的粘土）。

钙基膨润土要加土重5%的纯碱，使之转化为钠膨润土后方可使用。

2、水：一般就地取水，用于配制泥浆，但遇到硬度或浑浊度太高的水应进行预先处理后方可使用。

3、纯碱：工业纯碱或食用级纯碱皆可。 4、粘土使用量的计算

每配制1立方的泥浆所需粘土量按下式计算：

r1?r2?r3??1000kg

r2?r3式中：r1为粘土的比重（2.2－2.6)；

r2为要配制泥浆的比重； r3为水的比重；

如对所配泥浆的比重无特殊要求，可按每1立方水加50公斤粘土的比例计算粘土量。

5、配制：按钻孔设计深度配制适量的泥浆，首先在配料槽中加入计量好的水然后开启搅拌机，加入计量好的粘土（要缓慢加入），搅拌30分钟后，停留24小时待用。

附：配制钻井液几种常用计算公式

一、配制水基钻井液所需材料的计算

1、配制定量、定密度的水基钻井液所需的粘土量 已知：钻井液重量=粘土重量+水重量 其中：钻井液重量=p1V1 粘土重量=p2V2 水的重量=p3V3

所以：p1V1 = p2V2 +p3V3???????（1） 所以：V3?V1?V2?????????（2）

（2）代入（1）则得：

V1p1?V2p2??V1?V2?p3

整理后

V1?p1?p2?V2?????????（3） p2?p3

又因 V2?

W???????????（4） p2（4）代入（3）整理后

V1p2?p1?p3?W?p2?p3

W—粘土重量；V1—钻井液体积；V2—粘土体积；V3—水体积；

p1—钻井液密度；p2—粘土密度；p3—水的密度。

水量=欲配钻井液体积－所需粘土体积 其中：所需粘土体积=

粘土重量

粘土密度二、调整钻井液密度所需材料 1、加重钻井液所需加重材料数量计算 （1）定量钻井液加重时所需加重材料的计算：

V浆?p2?p1?W?p3?p2

式中 W—加入的加重材料重量；

V浆—原浆体积；

p1—原浆密度； p2—欲配钻井液密度；

p3—加重材料的密度。

（2）配制定量加重钻井液时所需加重材料的计算：

Vp2?p2?p1?W?p2?p3

式中 W—所用加重材料的重量；

V—欲配的钻井液体积；

p1—原浆密度； p2—欲配钻井液密度；

p3—加重材料的密度。

2、降低钻井液密度所需水量（或低密度钻井液量）之计算：

V浆?p1?p2?V水?p2?1

式中 V—降解低密度时需要的水量；

V浆—原浆体积；

p1—原浆密度；

p2—加水稀释后的钻井液密度（即要求的钻井液密度）。

三、钻井液的循环容积

1、井筒容积计算（即井内钻井液量计算） （1）经验式

井眼内的钻井液量V1?m3/1000n井段??井径?井径 2如果计算不是要求特别精确，井径可以四舍五入成整数，如93/4in可以简化为10in，93/4in可以简化为9in。

（2）算术式 井眼内的钻井液量V1???D24?H

式中D—井径，m； H—井深，m。 2、泥浆罐容积V2 泥浆罐容积V2=长×宽×高 3、泥浆槽容积计算

V3=槽宽×槽长×槽深（钻井液液面一般只达槽深的4、循环管汇容积计算

V?4?4D2?管长=0.785×D2×管长

5、钻井液循环量计算 V=V1+2V2+2/3V3+V4

四、起钻时井内钻井液液面下降高度

H?H1V5V 式中 H—钻井液液面下降高度：

H1—井深； V5—每米钻杆体积； V—每米井眼容积。

五、钻井液循环一周所需时间

1、处理钻井液时加约一个循环周所需时间计算

t?V60Q 式中 t—循环一周所需时间，min； V—钻井液循环量，L或m3；

2/）

Q—钻井液排量，L或m3/s。

2、由入井口到出井口所需的循环时间计算

t??V?V'?60Q

式中 t—所需循环时间，min；

V—井筒体积，m3/s； V'—井内钻杆体积，m3/s。

六、钻井液在井内环形空间上返速度

QV?

0.785D2?d2??式中 V—钻井液流速,m/s；

Q—泥浆泵排量，m3/s； D—井眼直径，m； D—钻杆外径，m。

单位换算关系： 1英尺=0.3048m 1英寸=0.0254m 三、产品专题介绍

DLW堵漏王使用说明

产品简介：

DLW堵漏王是采用多种天然植物胶体、惰性材料、增效剂、增强剂等，按特定工艺条件制成的一种颗粒状和纤维状复合产品。该产品具有对漏层适应性广、承压能力高、封堵效果好、配置使用简单、施工安全可靠等优点，能较好地达到减少钻孔漏失，防治钻孔事故，节约成本之目的。

技术指标： 项 目 外观 水分，% 堵塞能力，MPa， 流动度，mm 技术特点：

DLW堵漏王是一种新型高效复合堵漏剂，能用于多种钻孔漏失的堵漏作业。特别适用于漏层不清、漏性不详的情况，堵漏效果好、成功率高，明显优于目前市场上的其他堵漏产品。

DLW堵漏王系列高效堵漏剂有不同的堵漏适应性，可依据钻进过程中漏失的不同特点，选用相应型号使用。 使用说明：

1、尽可能准确判定漏失层位和漏失量；

将堵漏王干粉配制成堵漏浆液，注意加水量不宜过多，一般调配成粘稠的浆糊状即可。

2、将钻杆下放到距离漏层层位置10m左右；

3、用漏斗把调配好的堵漏王浆液直接从孔口倒入钻孔中； 4、泵送清水或泥浆将堵漏王浆液顶替至漏失层位。若能保持泵压2～3小时，使浆液完全进入漏层，效果更好。（另外提供具体的使用方案） 包装贮运：

1、DLW堵漏王采用牛皮纸袋包装，每袋重25kg。

2、DLW堵漏王属非危险品，可按常规化工产品贮存和运输。 3、DLW堵漏王应贮存于干燥通风处，在规定贮存条件下，有效期为2年。

特别提示：如遇复杂地层、特殊情况，可与我厂技术人员联系，共同探讨，以便及时解决问题。

SZ随钻堵漏王使用说明

指 标 纤维状、颗粒状和片状的混合物，无霉变 ≤15.0 ≥3.0 ≥130

产品简介：

SZ随钻堵漏王是由多种特性纤维粉末、野生植物胶和适量聚合物交联剂按一定级配复合而成的堵漏剂，在钻井过程中对微小裂缝性漏失和渗透性漏失有较好封堵效果。其典型特点一是能与循环钻井液同时使用，边打边堵，较好地实现了不停钻堵漏的要求。二是能改善钻井液滤饼特性，增加滤饼强度和韧性，提高护壁效果。 技术指标：

项目 外观 细度（0.45mm筛余量） 漏失泥浆量 防透失水降低率 技术特点：

1、在钻井液中加入SZ随钻堵漏王时，对钻井液性能无明显影响，不会影响正常的钻进。

2、能随钻井液的侵入迅速封堵微裂缝和微孔隙，提高地层承压强度。

3、能随钻使用，操作简单，使用方便。 使用说明：

对微裂缝性、孔隙渗透性漏失层，推荐加量为0.4%~0.8%，直接加入泥浆中即可，并注意经常补充。 包装贮运：

1、SZ随钻堵漏王采用牛皮纸袋包装，每袋重25kg。

2、SZ随钻堵漏王属非危险品，可按常规化工产品贮存和运输。 3、SZ随钻堵漏王应贮存于干燥通风处，在规定贮存条件下，有效期为2年。

指标 灰褐色纤维状粉末 ≤5% ≤15ml ≥35%

特别提示：如遇复杂地层、特殊情况，可与我厂技术人员联系，共同探讨，以便及时解决问题。

推荐加量：

一般地层推荐用量为0.1—0.3%，复杂地层为0.5—1%。 使用方法：

将按本品与水为1：10的比例加入到泥浆桶中充分搅拌溶解后再倒入泥浆池中循环搅拌均匀即可，泥浆池中的PH值应保持在9—11。 包装与贮存：

防水纸袋25kg/袋，应存于通风干燥库房。

S-1降失水剂

简介：

S-1是一种优良的耐高温抗盐液降滤失剂, 作为深井泥浆处理剂，它具有优良的抗高温、高压降失水性能，能显著降低泥饼磨擦系数，对于巩固井壁，防塌、防卡具有重要作用。建议加量0.3-0.6%。

理化指标：

项目指标 外观 10%的水溶液颜色为棕色 干基含量，% 水不溶物，% 动力粘度，MPa.s - -浊点盐度(以CL-计))，g/l

S-1降失水剂 自由活动的粉末 ≧90.0 ≦8.0 ≧160

表观粘度，MPa.s 高温高压滤失量

包装运输储存：

≦50.0 ≦35 本产品采用“三合一”袋包装，内衬聚乙烯薄膜袋，每袋净重25kg；储存于阴凉、干燥、通风处。避免与眼睛、皮肤接触，否则要用大量的清水清洗，还应远离火源。

T型润滑剂

组成：磺化琥珀酸二辛酯钠盐等 类型：阴离子 技术指标：

外观：淡黄至无色粘稠液体

渗透力：≦5秒（1％水溶液，25℃） PH值：4.0~7.0（1％水溶液） 性能与应用：

1. 易溶于水，溶液为乳白色，不耐强酸、强碱、重金属盐和还原剂，渗透快速、均匀，具有良好的润湿、渗透、乳化、起泡性能；温度40℃以下，PH值在5~10之间效果最好。

2. 本品能显著提高钻井液润滑性，具有减摩、抗损、耐温、抗污染等功能，还能降低钻井液高温高压失水，改善流变性能，能

有效延长钻头使用寿命。适用于各类钻井液体系，还能与其它钻井液处理剂配合使用，完全能满足目前对钻井液润滑剂的要求。

3. 用量：本产品加量为0.3—0.6%。 包装与贮存：

200kg铁桶，50kg塑料桶包装。贮存期二年。

钠 土

组份：以富含氧化铝，氧化硅的蒙脱石经机械加工而成。 特征：外观为微红偏黄的粉末状物质，易吸潮。 质量标准：

指标 项 目 造浆率，米3/吨 滤失量，毫升 动切力，Pa 湿度，% 湿筛分析200目筛余，% 一级膨润土 二级膨润土 ≥16 ≤15 ＜1.5×PV值 ≤10 ≤4 ≥16 ≤17 ≤10 ≤4 三级膨润土 ≥12 ≤22 ≤15 ≤4 用途：是基础配浆材料之一，适用于淡水和矿化度小于20克/升的咸

水钻井液，也可作为降滤失剂，增粘剂和堵漏剂。

用法用量：将本品加入清水中搅拌30分钟左右。 包装：采用内塑外编装袋，25kg/袋。 贮存：应存于干燥通风库房。

关于泥页岩水化膨胀引起缩径、坍塌问题的探讨

一、缩径与坍塌现象虽然都是水敏地层所引发的孔内复杂情况，

由于它们矿物成分各自不同，因此治理的方法截然不同。

缩径地层所含粘土矿物成分主要是蒙脱石，且胶结性很好，吸水晶格增大膨胀后连结力仍然很强，导致井径缩小，上下钻遇阻。而坍塌地层含粘土矿物成分主要是伊利石，并且胶结性差，吸水晶格增大后失去连结力而发生剥落、坍塌掉块，出现超径。因此，二者防治办法会截然不同。

预防缩径地层的泥浆要求低比重、低粘度、低失水，更重要的是使地层分子晶格高密度化，在使用高分子材料后，让井壁表层充分水化膨胀，而深层不水化，二层之间失去连结力，最终表层岩石剥落而恢复原来井径。一旦发生缩径，就要采用扩孔、修孔（划眼）或上下串动办法处理，而不用处理钻井液本身。

预防坍塌的钻井液需要低的失水量，适当的比重和粘度。井壁一旦发生坍塌，第一要做的事就是调整钻井液性能，如增加比重和粘度，降低失水量等。

二、砂岩本身不水化膨胀，可为什么砂岩井段还发生缩径？ 砂岩不含粘土矿物，不存在水化膨胀，也就不存在缩径了。 但砂岩含有孔隙，具有渗透性，钻井液内的岩屑被吸附在砂岩井壁上。如果钻井液内固相含量超过4%，失水量大于10ml/30min，井

壁上的泥饼厚度就会大于3毫米，井径就会缩小到小于钻头外径，上下钻就会遇阻。

因此，在长段砂岩钻进，钻井液比重不要超过1.06g/cm3，固相含量不要超过6% g/cm3，如此，砂岩就不会出现假缩径。

三、为什么在缩径严重井段要每钻进15—20分钟就要扩孔、修孔一次（划一次眼）？

由于水敏性泥页岩所含蒙脱石粘土矿物成分多少不一样，因此，缩径的程度和快慢也不一样。当蒙脱石在岩层中含量≥70%时，井壁在20分钟内就会膨胀2—3毫米，井径缩小到小于钻头所形成的井径，上钻就会遇阻。

所以，在缩径严重井段要每钻进15—20分钟就要提钻扩孔（划眼），在膨胀引起的缩径还未小于钻头外径时，就提钻扩孔（划眼）消灭掉已缩小的井径，恢复钻头原已形成的井径。这一处理井壁膨胀措施可避免缩径卡钻及其诱发的许多井内事故。

四、起下钻遇阻，是缩径还是掉块，该怎样判断?

起下钻遇阻，应及时判断出缩径还是掉块，及时做出处理，否则，会引起埋钻事故。例如，上钻遇阻是由于井壁掉块引起，如果未及时开泵循环并调整泥浆比重和粘度，仍采用象处理缩径一样的办法上下串动，那么就很快会发生掉块埋钻事故。

起钻遇阻，如果是掉块造成的，那么它遇阻的位置就不固定，而是每上下串动一次，遇阻位置会下降一小段，当合上钻杆，开泵循环时，上钻就畅通无阻。如果是缩径造成的，那它遇阻的位置就是固定的，每上下串动一次，上升一小段，当同样开泵循环时，遇阻位置不变。

下钻遇阻，如果是缩径造成的，如开泵扩孔（划眼），遇卡的井段是断断续续的，返出井口的钻井液无大的岩屑和掉块，加杆能下到

已扩孔（划眼）的位置甚至更深一些。如果是掉块造成的，那开泵循环后，泵压会略有上升，井口有大的岩屑和掉块，扩孔（划眼）后加杆下不到已扩孔（划眼）的位置，无法加杆，卸掉方钻杆后，钻杆内喷浆。

判断出遇阻原因后，要很快拿出解决方案。对于缩径遇阻，就不用处理钻井液，只需上下串动，扩孔（划眼）即可。对于掉块遇阻，就需要开泵循环，在钻井液循环的过程中，加防塌护壁剂、钠土??等材料，快速提高钻井液比重和粘度，稳定住井壁不再坍塌掉块并且将已落于井内的岩块携带出井外。

五、关于预防缩径问题上的误区

在砂岩成分占65%的地层中，一般为负压地层，具有极强的渗透性，泥岩层理发育，钻井液的固相极易在压差作用下被吸附在井壁上，砂岩段出现“假缩径”现象。泥岩膨胀（失水量不可能降为零）加泥饼，再加上钻头泥包，这就是起下钻困难的根本原因所在。

因此，为了防治缩径，最好使用高分子材料配成的无固相钻井液，使砂岩段无泥饼、膨胀的泥岩脱落，钻头干干净净，起下钻也就畅通无阻了。现场还应配备除泥机、除砂器等固控设备，及时清除有害固相。

推荐配方 (每立方米处理剂加量) ： （本产品配方为成都理工大学研究提供） 四、钻探工程应用实践

小口径金刚石绳索取心钻进冲洗液

绳索取心钻进的特点

绳索取心钻进的主要特点是内管总成要在钻杆柱内升降，因此，钻杆内外径都比较大，使钻杆与孔壁，内管与钻杆内壁之间距非常小，最小为0.5～1㎜，最大也不过2～3

㎜，这会导致冲洗液循环时泵压高，造成循环漏失，压垮孔壁，钻具高速旋转时钻杆内壁易结垢造成打捞内管困难，上下钻具时会产生抽吸作用，易挤塌不稳定地层，为此必须采取一定的措施，提高冲洗液的质量，使其性能满足冲洗液的要求，才能保证绳索取心钻进的正常进行。

二、绳索取心钻进对冲洗液的要求

1、不含或少含固相，以防钻杆内壁结泥皮，固相含量小有利于防止漏失和提高钻速，因此有条件尽量使用无固相泥浆。

2、要有较好的润滑性，这对小口径金刚石钻进特别重要，以利开高转速，因此要重视泥浆的润滑性，在泥浆中要使用优良的润滑剂。

3、要有良好的流变性，以提高钻速，降低冲洗液的流动阻力，减少泵压损失，同时更好的排除岩粉。

4、要有低的失水量，能在孔壁上形成薄而坚韧的泥皮，并且能有效抑制水敏地层吸水膨胀的作用，防止升降钻具或打捞岩心时的抽吸作用，造成冲洗液冲垮孔壁。

三、绳索取心冲洗液的性能指标

1、低固相冲洗液比重一般控制在1.02～1.06g/㎝间。

2、金刚石小口径钻进含砂量要求严格，固相颗粒应小于20 um，大于20 um的颗粒即属清除范围。入孔泥浆中80%～90%的固相颗粒应小于20um。

3、低粘度低切力：粘度对钻进影响很大，粘度大，开

3

之

泵困难，流动困难，净化也困难。因此，在保证携带钻屑、护壁性能的基础上，尽量降低粘度。

4、失水量应适当，要求有一定的抑制水敏性地层的能力，一般API失水量应小于或等于15ml/30分钟，水敏性强的地层还要再降低（5-7ml/30分钟），地层较稳定时可以适当放宽。

5、泥浆的pH值对泥浆的性能影响很大，应尽量控制在8～11的范围内。

四、钻孔冲洗液对泵的要求

金刚石绳索取心钻进的孔壁间隙小，过大的泵量会使循环阻力增大，孔壁失稳、钻具浮动，孔底有效钻压降低，钻头易产生“打滑”现象，改善冲洗液应从改进水道设计和冲洗液质量方面着手，切忌盲目加大泵量冲洗。钻孔冲洗液对泵提出了要求，有如下几个方面：

1、在一定孔深和孔径条件下，不同钻进方法对泵的要求是不一致的。但泵压和泵量均需满足钻进工艺的要求。

2、小口径金刚石钻进与一般口径岩心钻探比较，在同样孔深条件下，小口径金刚石钻进泵压损失较大，所需的泵量较小，而后者泵压损失较小，而所需的泵量较大，因而对泵的要求不一致。目前，泵量为250L/min，而泵压为40atm的泵，只适用于一般的岩心钻进需要，对小口径金刚石钻进并不合适。有些钻场用这种泵进行小口径金刚石钻进，用三通阀调小输入孔内的泵量，大部分冲洗液由回水管回水，当孔内遇阻力较大或孔深时，就容易造成水不进入孔内甚至发

生烧钻事故。

3、因此，对千米以内孔深的小口径金刚石钻进来说，要求专配泵量较小（每分钟40～100L以内）而泵压较高（可达60～80atm）的泵，并且不要用三通阀调节泵量，而采用变量泵形式。

4、为了满足不同孔深和孔径的要求，泵的缸套应能变换，即深孔或小径时改用小缸套，以提高泵压，减少泵量。还可采用带变速箱、电机变速、液压马达无级调速等方法，制成变量泵。

5、为了使冲洗液供给均匀，减少波动，满足钻进要求，应在泵上设置空气室或其他缓冲装置。也可采用工作特性不同的螺杆泵。

6、小口径金刚石钻进时，钻杆连接处在高泵压条件（孔深时）下易产生漏失。如漏失量达10%～30%时，整个泵压损失可降低15%～40%。因此，必须重视钻杆丝扣连接的精度和密封端面的设计和加工，有些现场，在钻杆连接处采用垫圈密封，可以减少钻杆连接处的漏失量。

下表为绳索取心钻进转速及泵量推荐值

参 考 直 径 值 46㎜ 59㎜ 75㎜ 91㎜ 参 数 转速 -1/（r·min） 泵量/（L·min） -1表镶 孕镶 孕镶 400～850 600～1200 25～30 300～650 500～1000 35～40 300～500 400～800 40～70 220～430 320～640 70～90 五、绳索取心钻进常用冲洗液

1、低固相泥浆不分散冲洗液

低固相不分散泥浆是由清水、膨润土、高分子聚合物、润滑剂??组成，它既有类似清水适宜开高转速，又有较好的净化、携带岩粉和防塌抑制性能，该冲洗液具有选择性絮凝，即只絮凝岩屑和劣质粘土，而对膨润土则起保护作用，使泥浆中岩屑和劣质粘土处于不分散的絮凝成团，有利于把岩屑、劣土携带至地面沉淀或用机械固控设备将其消除。

不分散低固相泥浆的标准

a、固相总含量不大于4%（比重不大于1.06）； b、岩屑/造浆粘土不大于2（配制时加入粘土20～30㎏/m）；

c、动塑比1：1；

d、粘土颗粒尺寸1～30μm；

e、粘度一般为17～20s，动切力15～29mg/㎝，失水量一般不超过12ml/30min。

2、无固相冲洗液

无粘土冲洗液，也称无固相（指原浆）冲洗液，是不用粘土，仅加入化学处理剂配制的具有一定性能的冲洗液，这种冲洗液是在低固相泥浆的基础上发展起来的，它与清水相比，具有较好的携带和悬浮岩屑的能力，且能在井壁上形成薄的吸附膜，具有一定的护壁能力，有较好的润滑和减阻作用，它与含有粘土的泥浆相比，则有较低的比重，同时粘度可调整，流动性好，因而能提高孔底钻头的碎岩效率，条件

2

3

许可时，绳索取心金刚石钻进应尽可能地选用无固相冲洗液。

以下是低固相、无固相泥浆在钻探工程上的几个应用实例：

例1：低固相冲洗液在寨上金矿区钻探中的应用 1. 概述

垄上矿区是我队2001年发现的金矿区，自2002年进人大规模钻探控制以来，历经8年的勘探施工，储量已经突破100t。但是，由于矿区地层复杂，钻探施工难度大，尤其是钻孔护壁难的问题一直困扰着矿区的勘探速度，成为我部找矿工作的“瓶颈”。针对钻孔护壁难题，我们先后采用了PHP、HJ-1、DWY-I和PAA型等多种冲洗液护壁，虽有一定的效果，但都不明显，不能从根本上解决矿区钻进中坍塌、缩径的问题；而裸孔钻进一径长度平均100m左右，中深孔钻进护壁主要还是依靠套管，这样就大大增加了扩孔、下套管的时间和重复钻进时间。2008年底开始，我们改用HL生物胶低固相泥浆护壁，效果显著，从根本上解决了钻进中出现的坍塌和缩径等问题，裸孔钻进一径长度平均250m以上，从而大大提高了施工效率，降低了钻探成本。

2. 地层、岩性及可钻性级别

垄上金矿区含金地质体主要分布在泥盆系及二叠系板岩、粉砂岩地层中，严格受NWW向断裂控制，容矿构造为该断裂派生的次级断裂、次级层间断裂，总体呈平行带状分布。

2.1 矿区地层

（1）中泥盆统e组一段（D2

2-e1

）

分布于矿区中部寨上村南，出露较少，岩性主要为灰色、浅灰色板岩，薄一中厚层石英砂岩与粉砂质板岩互层，紫红、淡黄色泥质、粉砂质板岩。

（2）上泥盆统大草滩群b组上段（P1）

由紫红、灰绿色粉砂质板岩、粉砂岩组成，并夹绿灰色石英砂岩、绿灰色粗砂岩，局部夹灰色薄层微粒灰岩，本区可分为下部和中上部。

（3）下二叠统b组（P1）

分布于矿区中部，底部为厚约20m的灰色巨厚一块状砾岩，下部为砾岩、含砾石英砂岩、含炭板岩、砂岩；中部为灰黑色含炭板岩、泥质板岩、粉砂质板岩夹棕灰、深灰色含石英细砾和岩屑的不等粒含铁质石英砂岩、深灰色角砾状生物碎屑微晶灰岩；上部为灰黑色含炭板岩、泥质板岩夹棕色中厚层含石英砾石、岩屑的不等粒石英砂岩。

（4)下二叠统c组二段

分布于矿区北部，主要为灰黑色含炭板岩夹薄一中厚层石英砂岩。

（5）老第三系b组

主要分布于矿区西部，上部为紫红色厚一巨厚层砾岩，比较松散，部分钙质胶结，偶夹紫红色薄。中厚层中粗粒砂岩，粒径一般为(0.5～3)mm×(0.3×0.8)mm，多为半棱角状，

1-b

1-b

少数浑圆状，成分复杂，分选一般。

2.2 矿区主要岩层

矿区钻进遇主要岩层为：第四系氧化层或坡积物，老第三系巨厚层砾岩、泥岩、板岩、砂岩等互层产出。从采取的岩心看大致分以下几类。

（1）第三纪上部为紫红色厚～巨厚层砾岩，比较松散，部分钙质胶结，偶夹紫红色薄一中厚层中粗粒砂岩，粒径一般为(O.5～3)mm×(0.3～0.8)mm，多为半棱角状，少数浑圆状，成分复杂，分选一般。适于硬质合金钻进，个别石英含量高砂岩碎块钻进困难，宜用金刚石钻进。坡积物护壁困难，宜干孔钻进。可钻性级别Ⅲ～V级。

（2）砂岩、石英砂岩、砾岩，局部可见黄铁矿化。岩性硬、脆，进尺快，岩心较完整。部分砂岩呈碎屑状，破碎，取心、护壁困难，可钻性级别V级。

（3）炭质板岩、泥质板岩、炭质硅板岩互层。遇水膨胀、沿层理分裂成薄片。矿体及蚀变带的炭质板岩、泥质板岩部分似橡皮泥，有可塑性，胶结性好，岩心完整柱状；大部分蚀变泥质中胶结坚硬石英颗砾：水敏性强，遇冲洗液泥质溶入循环系统，只剩下坚硬石砾等不溶物，不易采取。可钻性级别Ⅲ一Ⅳ级。

矿区钻进护壁存在的主要问题及原因分析

我部从2002年开始在垄上矿区进行岩心钻探施工，截止2008年底，共计施工98个钻孔，因矿区地层复杂，护壁

困难，除浅钻外，均靠套管多级成孔，而且每径钻进深度均在150m以内，还需要反复扩孔，严重影响施工效率，且反复扩孔导致孔内事故增多。过去垄上矿区复杂地层钻进中，冲洗液护壁主要是采用高分子化合物为主，这些冲洗液刚配制好时因其吸附、胶联的作用在孔内循环时形成一层胶联的保护膜，随着钻进过程中，孔内岩屑、岩粉的增多，孔内高分子聚合物保护膜和孔内的岩屑、岩粉及孔壁上水敏性较强的碳质、泥质板岩絮凝、聚沉后，很快破坏了孔壁上的保护层，因此，单纯依靠冲洗液护壁，往往只能暂时保护孔壁，难以达到理想效果。我们曾采用了灌注高标号水泥或地勘水泥护壁，但矿区脆碎岩地层及裂隙水活动强烈，灌注水泥浆容易被稀释，而软地层强度低，胶结差，灌注水泥护壁成功率不到20%。通过不断摸索总结，2004年以后确定了多级成孔，冲洗液与套管综合护壁的方法保护孔壁。冲洗液主要是PHP、HJ一1号、PAA等，护壁时效一般在1个星期左右。因此，钻孔多用Φ150—Φ130—Φll0—Φ95—Φ75—Φ60 mm六径成孔，虽然起到了一定的效果，但是套管下得越多也就意味着起拔套管的数量也就越多，难度也就越大，往往有部分套管难以完全成功起拔，无形中也增加了生产成本。

通过对垄上矿区地层的综合研究和科研攻关，获知矿区护壁困难的主要原因为：矿区地层中的碳质、泥质板岩中含有大量的蒙脱石、伊犁石等粘土矿物，尤其在含矿破碎带中，蒙脱石、伊犁石含量更高，这些地层遇冲洗液后吸水膨胀，

长时间浸泡在孔内的碳质板岩、泥质板岩及破碎带吸水后出现大面积剥离、崩塌，从而孔内出现严重缩径、坍塌。过去我们在矿区护壁主要使用PHP、PAA、HJ-1号等高分子聚合物无固相冲洗液，这种聚合物冲洗液由于选择了低聚合度、结晶性好的高分子聚合物，用于有水浸润和冲蚀下立即散落的水敏坍塌层有良好的效果。这些冲洗液高分子链中的官能团形成致密、坚韧、柔性好的网，在井壁表面或随冲洗液深入井壁形成比较坚韧的吸附薄膜或吸附圈。但这些高分子聚合物作为冲洗液在钻进过程中，在井壁表面或随冲洗液深入井壁形成比较坚韧的吸附薄膜或吸附圈的同时，对孔内的岩粉、岩屑尤其是在含矿破碎带中的蒙脱石、伊犁石等粘土矿物进行絮凝和吸附，从而很快地改变了冲洗液的性能，导致粘度迅速下降，排粉能力下降，在孔壁也无法形成保护膜，尽管现场对冲洗液的性能在不断调整，但由于矿区地层中粘土矿物含量大，絮凝沉淀快，冲洗液性能改变快，因而从经济上和施工效率上都无法满足其要求，从而最终靠套管护壁。过去曾经试用泥浆作为冲洗液护壁，但通过多次试验，因无法解决绳索取心钻进工艺中钻杆结垢问题和降失水的问题，最终导致失败。

4.低固相泥浆配方与护壁机理

鉴于以上原因，我们在垄上钻进技术研究过程中，着重对泥质含量高、水敏性强的地层，适合于绳索取心工艺的泥浆进行了大量的研究和实验，优选出HL生物胶与防塌护壁

王??相结合的低固相泥浆，HL是由野生植物提取物与XC系列复配而成的长链高分子有机物。

其配方为：980公斤清水＋30公斤优质钠土＋2公斤纯碱＋3-5公斤CMC＋15公斤S-1 +6公斤特效润滑剂。

配制成的泥浆性能为：胶体率98%以上，漏斗粘度22～26s，失水量6～8mL，泥皮厚1mm。

低固相泥浆的护壁机理为：它既有像PAA、PHP高分子聚合物无固相钻井液、“HJ-1”复合型无固相高分子聚合物钻井液一样，表面包裹一层粘弹性胶膜，起到隔离钻孔地层、减少冲洗液中的水分浸入孔壁地层中的作用，同时又可在孔壁上形成一层薄而坚韧的泥皮，这层泥皮具有一定的粘弹性和强度，又具有较好的润滑性，减轻了钻具对孔壁破坏的作用，同时利用HL生物胶的胶结性和S-2对水敏地层的抑制作用，较好地胶结地层，增强泥皮的韧性，降低了失水量，有效地抑制了矿区泥质、碳质板岩等水敏地层的水化膨胀，抑制了地层中的粘土矿物自然造浆。采用HL生物胶低固相泥浆由于其失水量低，泥皮薄，转速＜600 r/min时钻杆不结垢，有效地解决了绳索取心钻进钻杆结垢的问题。

5. 施用效果

通过对历年来施工的设计孔深大于500m的钻孔施工情况和施工效率较高、施工较顺利的2008年施工生产与2009年使用HL生物胶泥浆护壁后的施工情况对比(表1、2)，可以明显看出，HL生物胶泥浆对寨上矿区水敏性地层的护壁效

果良好。

表1 2008、2009年度施工主要条件及施工效率对比表

年度 2008 2009 地层 砂质板岩泥质、XY-4XY-44 BWB-250 绳索取心S95；S75 HJ-1；LBM 碳质板岩 生物胶泥砂质板岩泥质、XY-4XY-44 BWB-250 绳索取心S95；S75 浆 碳质板岩 钻机 水泵 钻进方法 冲洗液 最大孔深/m 534 545 平均孔深/m 408.0 409.7 表2 2008、2009年度施工生产情况对比表

年度 施工孔数 2008 8 2009 8 对比结果 年进尺/m 3264.90 3277.66 12.76 台月效台月时间纯钻时辅助时间机故时率/m /h 间/h /h 间/h 231.05 10174 2955 3567 769.33 398.06 5928.17 2510.83 2424.67 137.33 167.01 -4245.83 -444.17 -1142.33 -632 井故时其它时间/h 间/h 2142.5 840.17 399.5 452.50 -1743 -387.67 通过对2年施工情况对比可以看出，在施工设备、施工工艺、设计钻孔深度、施工地层以及施工人员均没有大的变化的情况下，2009年使用HL生物胶低固相冲洗液后，台月效率由2008年的231.05m提高到398.06 m，提高了72.30k，纯钻时间利用率由2008年的29.04%，提高到2009年的42.53%，提高了13.49个百分点，事故率由2008年的21.06%下降为2009年6.74%，下降了14.32个百分点；矿区采用HL生物胶冲洗液后，正常钻进时，一径平均达到200m以上；护壁时间从原来的一个星期提高到目前的半个月。目前最深裸孔钻进能力已超过300m。近日完成541.40m的钻孔也是五径成孔，裸孔钻进270m后终孔。完成的545.20 m的钻孔为四级成孔。

6. 结论

从国内近年来的研究应用情况来看，钻井冲洗液在煤炭行业中仍将以不分散低固相泥浆为主；在金属矿床勘探的复杂地层钻进中聚合物冲洗液的使用广泛，但低固相泥浆在金

矿复杂地层钻进中效果非常明显。通过一年来我们在垅上矿区使用HL生物胶低固相冲洗液所取得的成效，应该加强低固相泥浆的研究和应用，在降低失水量、提高护壁能力上下功夫。

例2：河坝井田复杂地层钻探施工技术难点及对策 1. 概况

四川叙永河坝井田勘探项目是四川省国土资源厅地质勘查基金项目，是川南古叙煤田尚未正式勘查和开发的普查钻探工作，矿段共设计钻孔41个，钻探进尺27950 m，我队于2007年7月2日第一台钻机进场开始施工到2009年1月21日顺利完成钻探任务。工程质量完成情况：竣工41个钻孔，按《煤田地质钻探工程质量标准》进行综合验收评级，甲级孔23个、乙级孔 18个，甲乙级孔率100%。

2． 地层情况及特点 2.1 地层情况

①第四系（Q）表土层：由风化层及滑坡物堆结组成，胶结非常差结构松散，深度一般5～20m，最深达40m，钻进时孔壁极易坍塌，很难形成孔眼，且漏失严重，重者全漏矢。

②三叠系下统嘉陵江组（T1j）：平均厚度360m，主要由灰质白云岩、泥灰岩、石灰岩组成，岩石裂隙、溶洞发育，形成的溶洞较大，最深达12m。

③三叠系下统飞仙关组（T1f）：平均厚度475m，主要由泥质粉砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥灰岩、生物碎屑灰岩等

组成。

④二叠系上统长兴组（P2c）：平均厚度45m，主要由中厚一厚层状含生物碎屑微晶、粉晶灰岩、泥灰岩组成，岩石裂隙比较发育，深部易发生涌漏，浅部岩石十分破碎，岩溶发育，形成的溶洞及早溶洞较多。

⑤二叠系上统龙潭组（P21）：平均厚度116m，为海陆交互相沉积的含煤岩系，岩性主要由灰、深灰、灰黑色泥岩、粘土岩、砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、砂岩、炭质泥岩和煤层等组成，底部为浅灰至灰白色含黄铁矿高岭石粘土岩，主要煤层有1l、13、16、18、19、23、24、25号。

⑥二叠系下统茅口组（P1m）：平均厚度220m，主要由深灰色中厚层状砂屑灰岩、微晶灰岩组成，含燧石结核，岩石裂隙比较发育。

2.2 矿段岩层主要物理特性及可钻性

矿段主要岩性有：泥岩、砂质泥岩、钙质泥岩、炭质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩、砂岩、灰岩、白云质灰岩、泥晶灰岩、微晶灰岩、砂屑灰岩、泥灰岩、粘土、亚粘土、砂砾、砾石和煤等。其中泥岩的主要矿物成分是高岭石、蒙脱石，泥岩类主要由泥质、砂质、钙质胶结，胶质致密，岩石较完整，比较软，研磨性弱一中等，可钻性2～4级；砂岩的主要矿物成分是长石、石英，砂岩类泥质胶结，胶结致密，岩石完整，比较硬，研磨性中等，可钻性5～7级；灰岩的主要矿物成分是碳酸钙、硅酸钙，灰岩类以硅质、泥质胶结为

主，岩石裂隙比较发育，破碎，研磨性中等偏上，可钻性7～10级，钻进中易发生涌漏现象。

矿段北翼地层倾角较平缓，一般25°～45°，构造简单，南翼地层较陡，一般倾角55°～75°，个别勘探线达85°～88°。

3. 钻探施工难点

（1）表土层中存在的风化及滑坡堆结层欠压实，胶结非常差，结构松散，钻进时，孔壁极易坍塌，很难形成孔眼，且漏失严重，普遍全漏失。

（2）灰岩地层岩石破碎，裂隙溶洞发育，溶洞最大的12 m，涌漏并存，并伴地下水活动，漏失孔段长、点多、面广，漏失性质确定困难，堵漏施工难度大，处理时间长。

（3）南翼地层陡，一般倾角55°～75°，最高达80°～88°，构造复杂，多属高陡构造，地层破碎。因而在处于地应力作用下泥页岩井壁极易遭受破坏，引起严重的坍塌，给钻井液的配制、维护增加较大的困难。

（4）煤系地层普遍假厚在400 m左右，最厚达780m，煤层厚度最厚的也达37m以上（假厚），在厚煤层中钻进（特别是粉煤），由于钻孔护壁不稳定，极易造成煤层垮塌、孔壁垮塌，掉块易形成大肚子井眼，严重影响了岩粉的运移移，造成起下钻遇阻，接单根放不到底，被迫长孔段长时间划眼，延长了施工周期。

（5）龙潭组地层岩石多为泥页岩、粘土岩，很容易发

生水化膨胀，扩径，而且此段泥、砂岩交替频繁，形成大小不等的井径，成为“糖葫芦串”井眼，轻者易造成携署困难，重者会造成卡钴、埋钻等复杂事故。

（6）煤系地层岩性胶结性差，垮塌、掉块现象严重，由于钻进过程和起下钻中受外力作用的影响，环空岩屑不断增多，形成砂床、砂桥，引起泵压异常高，特别是绳索取心钻进工艺环空间隙小，不利于大泵量排渣。

4. 钻探施工技术对策 4.1 合理设计井身结构

合理设计钻孔结构，对胶结差，漏失、垮塌程度不同的地层，分别用表层套管、技术套管封隔，以减少上部地层复杂情况对下步施工的影响，这是顺利钻进的关键，也是直接影响钻探效率和成本的关键。

（1）对构造简单、钻孔较浅、岩石比较完整的钻孔，一般选用2～3级钻孔结构，下1～2层技术套管，如一开Φ150mm，二开Φ96mm，三开Φ77mm，为常用的钻孔结构。

（2）对上部比较复杂，钻孔较深，岩石破碎或存在灰岩，裂隙较发育，有溶洞的钻孔，一般选用4～6级钻孔结构，利用技术套管将上部复杂地层隔离后，用Φ96㎜钻具钻进至煤系地层，直至钻穿13号煤层，再换成Φ77mm钻具钻进至终孔层位。即一开Φ150mm或更大的Φ170mm，二开Φ130mm，三开Φ110mm，四开Φ96mm，五开Φ77mm终孔。

4.2 优选钻井液体系

钻井液是钻探的血液，是保证绳索取心钻探技术能否顺利应用的关键技术，针对河坝地层及岩石情况，既符合绳索取心钻进开高转速要求的“三低一好”（低粘度、低密度、低切力、润滑性好），又能满足复杂地层护壁要求的需要，我们选用了无固相、低固相防塌钻井液。

4.2.1 无固相钻井液

与清水相比，无固相钻井液具有较好的携带和悬浮岩屑的能力，且能在孔壁上形成薄的吸附膜，具有一定的护壁能力，有较好的润滑和减阻作用，配制简单，成本低，钻进时效高等特点。主要应用于无煤系地层和胶性好的嘉陵江组、飞仙关组和长兴组。无固相钻井液是在清水中添加聚丙烯酰胺（PAM）。

配比：清水（1m）+聚丙烯酰胺（PAM）（0.5公斤）+特效润滑剂（6公斤）。

性能指标：密度1.005～1.01g/cm。粘度16～20s，失水量15～25mL/30min，含砂量＜0.5%，pH值7～8，润滑系数0.12～O.15。

4.2.2 聚合物低固相钻井液

以优质钠膨润土为基本造浆材料，添加适量的处理剂调整性能，以适应高转速和护壁的需要，以3%～5%钠土配成基浆，添加PAM、HL生植物胶、CMC、润滑剂等制成。适用于破碎带、岩石胶结差的泥岩、泥质粉砂岩等遇水膨胀、坍塌水敏性地层。

3

配比：

性能指标：密度1.03～1.05g/cm。粘度20～25s，失水量12～15ml/30min，含砂量＜3%，pH值7.5～8.5，润滑系数O.13～O.15。

4.2.3 防塌钻井液

河坝井田煤系地层主要使用的钻井液。由于南翼地层属于高陡地质构造，最大地层倾角80多，煤系地层普遍假厚在400m左右，最厚假厚达780多米。钻遇煤层5～8层，单层最厚假厚达37.85m以上。因此，本地层的钻井液的技术关键就是优选钻井液体系，实现控制煤层、炭质泥岩、粘土、泥岩的坍塌和掉块。钻井液要有很强的抑制泥页岩水化膨胀，防止孔壁坍塌的能力。护壁王是一种复配的防塌剂，对页岩有很强的抑制作用，能阻止页岩水化膨胀和分散，封堵裂缝，防止孔壁剥落性坍塌。主要用作泥页岩微裂缝及破碎带的封闭，而起防塌作用，并有较好的润滑能力和降滤失能力，在破碎地层、厚煤层、粘土、泥岩等易塌地层，采用护壁王钻井液护孔，具有较好的防塌护壁效果。

配比：。

性能指标：密度1.03～1.05g/cm，粘度20～35s，失水量lO～12mL/30 min，泥皮＜1mm，pH值9～10，润滑系数0.13～O.15。

4.3 确保钻井液的防塌能力及性能稳定技术措施 （1）进入煤系地层1l号煤层前，变换钻井液类型，向

循环浆中一次性加足3%～5%的膨润土粉和1%～2%护壁王防塌剂，以最大限度的封堵煤层裂隙，防止煤层垮塌。根据现场情况也可以提高钻井液密度至1.2～1.3g/cm。以平衡煤层坍塌能力，严格控制失水，保持钻井液有较强的抑制能力，防止煤层物质成分的水化分散引起的煤层垮塌的加剧。钻遇煤层以快通过为主原则，钻进中时刻注意泵压、电流变化，发现异常及时调整钻井液性能，以适应地层的需要。

（2）在层理和裂隙发育孔段，根据孔内实际情况，定期加人防塌剂和封堵性处理剂。保持钻井液中的防塌剂在1%～2%。膨润土含量在6%左右，这样既能提高钻井液防塌能力，又改善钻井液的润滑性和泥饼质量，减少钻井液向地层的渗透。

（3）在钻孔施工过程中，加强对钻井液性能的测定（每班测2次，并记录在班报表上），分析，并及时对钻井液进行调整处理。

（4）煤系地层钻进阶段，维护钻井液具有较好的流变性和较低滤失量，可降低地层的吸水膨胀，又可降低对孔壁的破坏。根据地层实际，确定钻井液的处理方案，及时加入适量的防塌剂和膨润土，以增强钻井液的造壁性及护壁性能，保持钻井液性能的相对稳定性。

（5）钻进煤层及破碎易塌地层时，调整处理钻井液要平稳进行，避免大幅度调整钻井液性能。

（6）用好固控净化设备，循环槽、沉淀池要按循环系

统规格布置并及时清除钻井液中的有害固相，根据需要补充预水化膨润土，改善钻井液质量。

4.4 钻孔堵漏工艺措施

绳索取心钻进普遍存在着不同程度的钻孔漏失，孔内钻井液漏失是地层系统压力不平衡造成的。只要地层压力小于钻孔内液流的压力，就可能产生漏失现象。河坝井田地层大部分存在着渗透性、裂隙性漏失。其漏失部位主要存在于嘉陵江组、长兴组岩层、构造破碎地层以及飞仙关组的泥灰岩地层等。漏失程度从渗透性漏失、裂隙性漏失到小裂隙、大裂隙和空洞性漏失不一，个别钻孔涌、漏并存。钻进时漏失，停钻时涌水。钻井液的性能难以稳定。特别是岩石破碎，同时又存在着严重漏失的钻孔，给绳索取心钻探施工带来很大的困难。由此，我们根据地层的漏失特点以及漏失的不同程度，采用了不同的堵漏工艺。

4.4.1 水泥护壁堵漏

对于惰性材料堵漏不能堵住的钻孔，我们采用水泥堵漏。水泥堵漏的材料主要采用：普通水泥+20%～30%石灰粉＋锯末＋1%～2%食盐。配浆用水要清洁，水温≯30℃，灌注时应根据漏失孔段的长度、深度确定用量，选择水灰比。堵漏前，钻具应下在漏失孔段以下1～3 m，灌浆前应事先做好充分准备，灌浆时不得间断，全部灌浆量应一次灌完，并打入替浆量(替浆量一定要计算准确)，然后徐徐将钻具提离浆面30～40m，才能开泵清洗管路和钻具，并一定要掌握好水

泥候凝时间，以防止扫水泥塞时出现岔孔，12 h即为合适的候凝时间。

4.5 多工艺技术的应用 4.5.1 螺杆定向造斜

由于南翼地层地质构造复杂，岩性倾角大，个别勘探线达85°～88°，地面甚至陡直。在此种直立岩层中钻进，钻头很容易顺层走，不但造成施工风险，也很难达到地质目的，而且根据现有的机械设备、钻具而言，几乎成为不能完成的任务。为此采用先进的螺杆定向造斜工艺，人为控制孔斜、方位按其逆层发展，减少钻孔深度，压缩施工周期，都起到很好的效果。在69～22、73～23，77～24、77～40、8l～25、81～41等6个钻孔中实施后均满足地质设计要求，取得较好的经济效益。

4.5.2顶漏钻进及套管护孔

河坝井田的地层漏失情况复杂，段长、点多，多数钻孔在开孔时就漏水，乃至全孔段漏水，特别是嘉陵江组和长兴组孔段。在绳索取心钻进这些地层遇孔内全漏失时，暂不堵漏，待穿过相关的漏失孔段再采取相应的措施方法。但是，在孔口不返水钻进时，要密切注意水泵的工作情况，时刻观察泵压、电流情况以免发生烧钻事故。

采用套管护孔时，首先要做好准备工作，选择套管所下孔段，要保证套管下到完整坚硬的岩石上，套管底部与孔口要密封可靠，我们采用的是套管底部和顶部缠胶带的方法，

效果很好。

4.5.3 用Φ50mm普通钻杆排除坍塌物

当孔内坍塌严重，形成砂桥、砂床，扫孔困难时。由于绳索取心钻进环空间隙小，泵压高，不利于大排量排除孔内坍塌物。我们换用Φ50mm普通钻杆，增大钻具的环空间隙，采用普通钻进工艺的方法，冲扫到孔底后再换成绳索取心钻具。2008年有5个钻孔采用此方法，分别是1～1、49～16、69～22、73～23、113～37号钻孔，收到了较好的效果。

5. 认识和建议

（1）由于复杂漏失地层较厚、段长、点多，有的钻机在施工中见漏就堵，堵了钻进时又漏，漏失后又再堵，所钻进尺都不多，反复处理堵漏，浪费较多的堵漏时间和材料。建议在今后的施工作业中，见漏后尽量顶漏钻进，或加深漏失孔段，减少堵漏次数的数量，节约堵漏材料的浪费。

（2）孔身结构上有的钻孔不太合理，不能千遍一律，增大了施工的复杂性，未发挥好绳索取心钻进工艺的优势，建议一定要认真分析所钻钻孔的地质构造和地层特征，结合已施工的钻孔经验，因地制宜采取一些有效技术措施，制订符合于本孔的钻孔结构，发挥绳索取心钻探的优势，提高钻进效率。

（3）在扩孔方面，一定要按扩孔钻具的有效组合，下部导向的直径要合理，上部的导向长度要长于6～8m，以保证所扩孔孔径能顺利下入套管。

（4）在钻井液的选型和使用上，一定要根据地层岩性特征和构造破碎程度，煤层厚度等因素，合理选择钻井液类型（或配方），确保钻孔安全，防止孔壁坍塌，杜绝孔内事故是绳索取心钻进工艺提高钻进效率、降低成本的有效途径。建议在钻井液的管理工作中，要加强对循环系统的规范化，在使用上的制度化，在配制上的科学化。

例3：沉积岩松软地层深孔绳索取心钻探技术实践 2006～2007年，我队在吉林省几个区块的油页岩钻探项目中，采用配套完善的钻探设备，完成钻孔15个（孔深500～1005m），累计工作量9499 m，平均钻月效率达810m，平均岩矿心采取率达95%，健康、安全、环保管理工作得到壳牌公司高层管理者认可并受到嘉奖，在钻探工艺上采取了一些新的技术措施，分述如下。

1. 沉积岩地层特点

主要为第三系、白垩系地层，岩石以泥岩、页岩、砂岩、砂卵砾岩为主，蕴藏有石油、天然气、油页岩、煤等矿种，可钻性Ⅲ一V级，岩石松软，胶结性差，在钻孔施工中，易发生钻孔超径、孔壁坍塌、局部缩径、涌水、漏水等现象，造成钻杆折断、孔壁粘卡钻杆、挤夹钻具等事故。另外，泥岩地层自然造浆给冲洗液的性能维护带来许多困难，冲洗液中的粘土颗粒不易分离出去，致使冲洗液粘度增高密度增大。抑制钻孔超径，控制冲洗液中的粘土含量是本项工程的一个关键技术环节。

2. 主要钻探装备配备

2006年施工使用的主要设备有：XY—44、XY—5、XY—6型立轴式钻机(开动3台钻机)；BW—250型、BW—320型泥浆泵；16米A型、SGl8型钻塔；ZQl90—2型除沙器；150t手动液压起重机；S95绳索取心钻具；Φ89mm、Φ71mm可退式捞矛；90kW柴油发电机组。2007年，为了提高整体装备技术水平，将立轴式钻机改配为性能更先进的全液压动力头式钻机，并增配了离心式除泥机，满足了钻进工艺的需求。具体配备主要设备有：YDX—3、HYDX—5型全液压动力头式钻机(开动一台钻机)；BW—250型泥浆泵；LW—400NJ型离心式除泥机；ZQl90—2型除沙器；150t手动液压起重机；PQ、HQ、NQ绳索取心钻具；Φ89mm、Φ71mm可退式捞矛；50kW柴油发电机组。

3. 钻进方法选择

根据地层条件和壳牌公司的要求以及地层特性采用HQ($95)规格绳索取心回转钻进为主的钻进方法，该种方法具有效率高，对孔壁破坏作用小，岩矿心的采取率高、完整度好，劳动强度低等优点，为进一步保证岩矿心的完整度，选用宝长年Q系列三层管(内壁管为半合管，长度3m)钻具总成。

2006年初选用了金刚石复合片钻头，但由于金刚石复合片刃角不锋利，且为负前角镶焊，在泥页岩层钻进中钻速较低，一般在2～3m/h，还需要很大的钻压，对孔壁的破坏作

用和对钻杆损耗也增大。在经过几种不同类型钻头试验对比，后期选用了人造金刚石聚晶尖环槽式钻头(见图1)。

图1 人造金刚石聚晶尖环槽式钻头

该型钻头具有钻进速度快、地层适应性强等优点，钻速在4～6 m/h之间，平均寿命达130m/个以上。在砂岩层段可以考虑采用PDC钻头，而砂卵石层则使用孕镶金刚石钻头。

4. 钻孔结构设计

开孔钻进采用Φ150mm口径，一般钻进6.20m深，下入Φ146mm孔口管，然后换Φ131mm口径至较完整较硬的岩层中，深度在50～80m，下入Φ127mm套管，然后采用Φ100mm口径钻进至终孔。

如设计钻孔深度较大，超过800m以深，且上部地层松软，超径现象严重时，则先用Φ100mm口径取心钻进约300～400m，再采用Φ13lmm钻头扩孔钻进下人Φ127mm×4.5mm套管，如深部孔段在冲洗液护壁仍难以控制孔壁稳定时，可用9113 mm钻头扩孔，下入Φ108mm套管护壁（理想套管尺寸是Φ96 mm×5mm，但我国无此规格管材）。采用NQ系列绳索取心钻具（Φ80mm）口径钻进至终孔。

关于钻头外径问题。考虑页岩地层有缩径现象，要保证

冲洗液有足够的外环呵隙。一般提钻取心钻探在泥页岩层中钻头外侧加有肋骨，钻头外径扩大一级，但绳索取心钻进不宜加到那么大，在2006年初从标准的Φ96mm加大到Φ98 ㎜，但在个别层段钻进中冲洗液排粉还是不够顺畅，时常有憋泵现象发生，将冲洗液压人地层而漏水，所以在后面的施工中均采用了Φ100mm口径。从钻进过程来看，冲溃液排粉顺畅。而在2007年从事本项工程施工的外省某钻探队在第一个钻孔(设计孔深1005m)施工时，选择的是常规标准直径HQ(096 mm)钻头、NQ(076 mm)钻头，设计的钻孔结构是孔口管下好后采用PQ(钻头外径Φ122 mm，钻杆Φ114.3 mm×5.55 mm)钻具钻进300m左右，下入Φll4 mm×6mm钻杆作为护壁套管，然后换HQ(钻头外径Φ96mm，钻杆Φ88.9mm×5.55 mm)钻具钻进700m左右，下入HQ钻杆作为护壁套管，再换NQ(钻头外径Φ76 mm，钻杆Φ69.9 mm×4.8 mm)钻具钻进至终孔。这种钻孔结构是国外通常的选择，适应于硬、碎地层，但在松、软、散地层不适用，结果当钻进到610m时HQ钻具由于外环间隙不够，造成钻具粘夹事故，处理无效，被迫将HQ钻杆作为套管，提前换NQ钻具钻进，当钻进到660m时NQ钻具又被粘夹，几经处理不果，钻孔报废。采用机械式内割刀将粗径钻具上部钻杆割断，将孔内作为套管的钻杆全部取回，但此时他们并没有认识到是钻孔结构设计问题，认为是意外事故。换新孔位重新开孔钻进，仍然采用原钻孔结构和技术方法(没有配备离心式除泥机)，结果重复了第一个钻孔

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