DWY系列多功能无固相钻井液用于岩土工程勘察的可行性研究

ＤＷＹ系列多功能无固相钻井液　用于岩土工程勘察的可行性研究　　何世鸣　　　　　　　　　　　　王文臣　靖向党　裴向军　（中非地质工程勘查研究院　１００１０２）（长春工程学院　１３００２１）　

［摘要］本文较系统的介绍了ＤＷＹ系列多功能无固相钻井液的研究经过，介绍了该钻井液的组成和性能指标及与其他常用钻井液性能比较，分析了钻井作用机理，并列举了几个在岩心钻探中的实施例，提出了在岩土工程勘察钻探取芯中应用的可行性。　

关键词　　　　ＤＷＹ钻井液　　　钻井性能　　　钻井作用机理　　　　　　　　　　　　　　岩土工程勘察钻探　

１．　　ＤＭＹ系列多功能无固相钻井液概况　　

　　　　ＤＭＹ系列多功能无固相钻井液的研究始于１９７８年，是在长春冶金专科学校王文臣教授为课题组长带领下研制的，于１９８３年研制出ＤＷＹ－Ⅰ多功能无固相钻井液，１９８４年开始推广应用，取得显著的应用效果，１９８６年３月通过冶金工业部组织的技术鉴定，并于当年被评为冶金工业部科技进步四等奖。　

　　　　为进一步提高金矿钻探生产的效率和质量，于１９８５年研制出适合于金刚石钻进和绳钻的，具有低流变参数和胶结岩芯及钻井性能强的ＤＷＹ－Ⅱ无固相钻井液。该钻井液于１９８７年在冶金部地质局下达山东省冶金地质公司的重点科研项目“复杂地层金刚石钻进钻井堵漏试验研究”中被采用于山东招远东风矿区破头青断裂带的金刚石钻进，取得了显著的胶结岩芯和护孔的应用效果。之后，在山西冶金地质二队、武钢地质队、辽宁１０３队、首钢地质勘查院一队、三队，江西煤田地质２２３队、吉林有色地质６０４队、黑龙江有色地质７０６队等单位，在破碎地层钻进中得到了成功的应用，取得了显著的应用效果。１９９２年３月通过冶金部组织的技术鉴定，并被评为冶金部科技进步三等奖。　

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该系列钻井液是以高聚物为基础的无固相钻井液，本课题针对的岩层：绢英岩化、绿泥石化、高岭石化蚀变带、断层泥和泥页岩等极为水敏的地层；极松散的流砂、风化岩层；脆，碎的破碎岩层。钻进方法：普通金刚石钻进和金刚石绳钻，这类钻进方法要求钻井液具有低密度、低流变参数和少含或不含固相等特点。　

２．　　ＤＷＹ系列钻井液的组成与性能　　

　　　２．１　　ＤＷＹ系列钻井液的基本组成与性能特点　　如表１　表１　

钻井液类型　　　　　　

ＤＷＹ－Ⅰ　

性能特点　

　密度：１０－１０．２ＫＮ／ｍ３　　视粘度：ηａ＝（２－１０）×１０－３Ｐａｓ　　　　　　　　　　　　　　　漏斗粘度：１７－２５ｓ　无机聚合物：水玻璃８％有机静切力和动切力：近似为零　

高聚物：ＰＨＰ或植物胶类失水量：２０ｍｌ／３０ｍｉｎ到全失水（压差

０．１ＭＰａ）　２００－５００ｐｐｍ　

润滑系数：μ≥０．３３　凝聚剂：适量　

松散粗砂样浸泡时间：久泡不散，调节凝聚剂加量，钻井液能在相应的时间内凝聚，可用于不提钻堵漏和随钻堵漏．　

　密度：１０－１０．１ＫＮ／ｍ３　　视粘度：ηａ＝（３－５）×１０－３Ｐａ．ｓ　　漏斗粘度：１８－３０ｓ　高聚物：２００－３００ｐｐｍ；　静切力：０－０．５Ｐａ　

高聚物（ＰＡ－１７）：０．５－１．５％；　失水量：７．５－２０ｍｌ／３０ｍｉｎ（压差０．７ＭＰａ）　交联剂Ａ：２００－５００ｐｐｍ；　滤饼：薄而致密，光滑　交联剂Ｂ：０．１－０．２％　润滑系数：不加润滑剂与水近似，加入

０．５％皂化油μ＝０．１１－０．１２　ＰＨ值：８－９　

固结砂样能力：钻井液中浸泡１ｓ，立即移至清水中并搅拌，长泡不散．　

ＰＡＢ（粉剂）：０．３－０．５％　与ＤＷＹ－Ⅱ－１相近　ＰＡＫ（液体）：５－１０％　　密度：１０．２－１０．４ＫＮ／ｍ３　　视粘度：ηａ＝（３－１８）×１０－３Ｐａ．ｓ　ＰＡＡ（液体）：１０－１５％　漏斗粘度：１８－３６ｓ　交联剂Ｆ：３００－８００ｐｐｍ　静切力：０－０．５Ｐａ　

基本组成　

ＤＷＹ－Ⅱ－１　

ＤＷＹ－Ⅱ－２　

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ＤＷＹ－Ⅱ－３　ＫＣｌ：１－４．５％　

失水量：８－１５ｍｌ／３０ｍｉｎ（压差０．７ＭＰａ）　ＰＨ值：８－９．５　

固结砂样能力：同ＤＷＹ－Ⅱ－１对泥质类岩石的抑制水化分散作用增强　

　　２．２　与其它几种钻井液性能比较（如表２）：　　　　　ＰＨＰ水ＳＭ胶　性能指标　溶液　３　１０　１０　密度ＫＮ／ｍ表观粘度（ｍＰａｓ）　８．２５　９．２５　漏斗粘度（ｓ）　２５　２５．２　失水量Ｂ１　１６８　１１．５　（ｍｌ／３０ｍｉｎ）　Ｂ７　全失水　２３．５　水洗砂样浸泡时间　〈２４ｈ　蚀变带样浸泡时间　冷滚试验（８目回收率％）　液流冲射试验　１ｈ软　－　－　钻井液类型　　田菁胶　１０　１６　２４　９　２８　　人工钠土ＤＷＹ－泥　浆　Ⅱ－２　１０．２　１０　５．２５　５　２０．２　１９．５　７．５　４　１４　１３　５ｍｉｎ散开　３６ｍｉｎ软　４４．６　－　久泡不散　２．５ｈ软　６２．４　无变化　表２　　　ＤＷＹ－８０Ａ　Ⅱ－３　５１　１０　１０　８　２１．５　２２　４５　４　６０　１２　全失水　久泡久泡不散　不散　数日２ｈ软　后软　－　－　－　－　１２ｍｉｎ５ｍｉｎ散开　散开　２５ｍｉｎ３０ｍｉｎ散　软　５４．８　４９．８　１．５ｍｉｎ出凹出水坑　坑　　注：　

１）水洗砂样为水洗过的粒径在２０目以下的河砂，加水做成Φ１９圆柱，烘干而成；　

２）蚀变带样为绿泥石化蚀变带原样，该岩样遇水立即散落；　３）冷滚岩样回收率试验，用吉林小五家子构造登娄库组混合岩样２５克，

０

放到陈化釜中加入３５０ｍｌ钻井液，在滚子炉中恒温４０Ｃ滚动５ｈ，倒出冲洗液，换成清水继续滚动１ｈ后取出，岩样用清水洗净，过４０目筛，

０

将筛余恒温１０５Ｃ烘６ｈ后取出，用４０目，２０目，８目筛后，计算各粒

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组的回收率，本表只取８目筛的回收率；　

４）液流冲射试验，以相同的水洗砂做成板状砂样，钻井液经Ф２水管以７．９ｍ／ｓ的出口流速冲射砂样（立放）表面，冲１５ｍｉｎ观察砂板被冲表面的变化情况；　

５）失水量Ｂ１为０．１ＭＰａ压差下失水量，Ｂ７为０．７　ＭＰａ压差下失水量，都实测３０ｍｉｎ；　

６）ＰＨＰ水溶液，ＳＭ胶，田菁胶，人工钠土泥浆，８０Ａ５１，本表中的配方分别为：　

　・　ＰＨＰ水溶液：ＰＨＰ（Ｍ＝３００万，Ｈ＝２２％）３０００ｐｐｍ；　　・　ＳＭ胶：　ＳＭ胶粉１％；　

　・　田菁胶：田菁粉０．５％．ＮａＯＨ　　０．０１％，硼砂０．０１％；　

　・　人工钠土泥浆：　人工钠土３％　　ＫＨｍ　０．４％，　Ｎａ－ＣＭＣ　０．１５％；　　・　８０Ａ５１：　　８０Ａ５１粉　０．５％．　　

３．　　胶结岩土作用机理探讨　　

　３．１　　聚合物在液－固界面上的吸附情况　　　　３．１．１　　聚合物吸附的作用力　　

　　　　聚合物分子自流液向界面上吸附，包括向界面的迁移，从固体表面上排除水分子，以及结合到固体表面上等过程，推动这一过程的作用力，可能有来自远程作用力（静电和范德华引力）和短程化学力（共价键、氢键、憎水作用、空间位阻等）。除非固体表面对某种聚合物具有特殊亲合力（如静电引力），否则，聚合物分子在高能表面上的聚集，主要由于憎水效应。憎水作用随分子链节上ＣＨ２基团增加和亲水基团的亲水性减弱而增强，因此，非离子型聚合物在中性表面上比离子型聚合物有更强的吸附作用。　

由于存在憎水作用和范德华引力，使聚合物可在任何岩土表面上吸附，包括带相同电荷符号的岩土表面上。　

　　３．１．２　　　聚合物在界面上的吸附构型　

　　　　具有一定柔顺性的链状大分子，在界面上的吸附构型是多种多样的，图１指出几种可能出现的吸附构型。　　

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　　　　　　　　　　　　　ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｃ　　

　　　　　　　　　　　　　ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｅ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｆ　　

图１　聚合物分子的吸附构型　

　　　　　ａ－－　端头吸附　　　ｂ－－多点环吸附　　　　ｃ－－多点卧吸附　

　　　　　ｄ－－无规则绒团　　ｅ－－非均键段分布　　ｆ－－多点平卧环吸附　

具有ａ，ｂ，ｄ，ｅ吸附构型的聚合物在界面上的聚合物吸附后厚度大，而具有ｃ，ｆ吸附构型的聚合物对岩土的吸附胶结作用强于多点环吸附聚合物。　　

　　３．１．３　　聚合物吸附层　　

　　　　聚合物可有多层吸附，吸附层的厚度和层内聚合物分子的密度，与聚合物的分子量，吸附构型和聚集态结构类型等有关。分子量高又为多点环吸附和非晶态结构的吸附层厚，但层内分子密度低。相反，较低分子量的呈平卧吸附构型又为晶态结构的聚合物，吸附层内分子密度高，但厚度较小。　

　　　　吸附量主要随聚合物与水亲合性弱而上升。固存在多分子层吸附，所以，吸附达到平衡的时间很长，多以天数计。　

另外，聚合物分子在界面上的其它一些特性，如吸附的不可逆性，吸附速度和无机电解质的影响，也不同程度地关系到聚合物对岩土的胶结作用。　

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３．２　　聚合物在岩土表面上的吸附过程　　

聚合物在岩土表面上的吸附过程大致包括初始吸附阶段、吸附膜发育阶段和吸附达到平衡阶段。　

　　３．２．１　　初始吸附阶段　　

　　　　是指岩土与聚合物溶液接触的初始瞬间，聚合物的吸附速度和聚合物分子与水分子的竞争形势。对于孔壁是松散的流砂层，该竞争吸附形势对孔壁的稳定有至关重要的影响。水分子吸附对颗粒间的接触部位有润湿锲入，因此产生剥离、剥落颗粒的作用。聚合物大分子吸附到相邻两个颗粒表面，对两个颗粒产生胶结作用。如果初始吸附瞬间水分子的竞争吸附占有明显优势，孔壁上或岩芯上颗粒坍落便不可避免；反之，孔壁或岩芯表面则趋于稳定。　

影响聚合物在初始吸附阶段对岩土表面的稳定作用的主要因素，是聚合物的吸附速度，而吸附速度与聚合物的憎水效应、聚合物分子上离子型基团与岩土的电性符号、聚合物的分子量有关。通常是聚合物憎水性相对强的、聚合物与岩土的电性符号相反的以及聚合物分子长度既有可跨越两个岩土颗粒的足够尺寸，又不过长时，吸附速度快。非离子型的和阳离子型的聚合物，比阴离子型聚合物有较快的吸附速度，其原因可由憎水作用和电性符号关系加以解释。　

　　３．２．２　　　聚合物吸附膜的加密发育阶段　　

聚合物经初始吸附阶段，在极短时间内，便在岩土表层的颗粒表面和凡有聚合物溶液渗入的岩土孔隙内表面上，聚合物分子形成网状吸附。随吸附连续进行，吸附网逐渐发育成膜，吸附由网到膜的加密程度、吸附膜的致密程度以及聚合物分子与岩土间的吸附键合程度等，是岩土表面保持稳定的重要条件。吸附膜的加密速度与聚合物的吸附速度有关；膜的致密程度则与聚合物的吸附构型和聚合物的聚集态结构有关，多点平卧吸附构型和晶态结构的聚合物，其膜的致密程度高。　

　　３．２．３　　聚合物吸附平衡阶段　　

聚合物吸附因有不可逆性和多分子层吸附的特点，使吸附达到平衡

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的时间较长。对于胶结岩土来说，吸附何时达到平衡并不十分重要，重要的是聚合物初始阶段的吸附速度和随后吸附膜的发育和膜的致密程度。　

３．３　　ＤＷＹ系列钻井液胶结岩土机理　　

以高聚物为基础的ＤＷＹ系列无固相钻井液的胶结岩土机理，主要有高聚物的吸附胶结作用和渗析胶结作用。　

　　３．３．１　　高聚物的吸附胶结作用　　

　　　　无固相钻井液中用的高聚物以线型为主，线型分子在液－固界面上的吸附作用达到平衡以前，如３．２所述，高聚物吸附层的发育，经历初始时吸附成网，随后吸附成膜的过程。当岩土表面形成一定厚度和致密度的高分子膜时，便对岩土产生相应的胶结作用。高聚物吸附膜达到吸附平衡时的厚度可能较厚且坚韧，经历时间较长。然而，对于那些软、散、碎等易坍、掉的岩土胶结，至关重要的是高分子的初始吸附速度，即由吸附成网到吸附成膜的过程越快越好，也就是说，在瞬间吸附形成有足够胶结性能的高聚物膜，否则岩土壁面稳定将失去控制。　

影响高聚物吸附成膜的速度和膜的致密程度的因素有：　　

　　３．３．１．１　　高聚物的分子量（分子链的长度）　　

　　　　对于线型的高聚物，其分子链长度对成膜速度的影响主要表现在吸附形态上。　

　　　　高聚合度的长链高分子，较多的表现为图１中ａ、ｂ、ｄ、ｅ的吸附形态，分子链的大部分链节伸于液相中，成为链环和链端，只有少数链节（链序）吸附于固相表面。长链高分子的这种吸附形态，由于分子链与岩土的吸附链段少，对岩土的胶结作用较弱，伸向液相的链环部分又将成为其他高分子向岩土表面迁移吸附的障碍，使高分子吸附成膜的发育缓慢　，膜不致密；长链高分子间容易相互缠结，也使高分子向岩土表面迁移缓慢。　

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失水量ｍｌ６０５０４０３０２０１００１２３４５６（百万）ＰＨＰ分子量图２　　ＤＷＹ－Ⅱ－１无固相钻井液失水量与ＰＨＰ分子量的关系（压差０．７ＭＰａ）　　　　图２是高聚物ＰＨＰ分子量不同时，对ＤＷＹ－Ⅱ－１无固相钻井液失水量的影响。　

　　　　图２说明，高分子（６００万）ＰＨＰ，因吸附成膜缓慢，膜不致密，使失水量增大。　

某些低聚合度的高分子，如ＰＡ－１７有可能较多的表现为平卧式吸附形态，如图１中ｃ、ｆ的吸附形态。当然能否产生平卧吸附，还需高分子具备其他条件，平卧吸附较之有明显的链环吸附，会加快成膜速度，提高膜的致密程度。　

　　　３．３．１．２　　　　高聚物分子链节上的官能团　　

　　　　无固相钻井液中的高聚物分子，按分子链上官能团类型分有：阴离子型、非离子型、阴离子型和非离子混合型和阳离子型四种。　

　　　　非离子型高分子上的官能团有－ＮＨ２，－ＣＯＮＨ２，－ＯＨ，－Ｏ－等弱亲水性基团。此类高分子排斥水的作用较强，向界面迁移的趋势大；高分子周围水化膜薄而疏松，产生吸附时的水膜阻碍小；非离子基（－ＯＨ，－ＮＨ２等）能与某些表面裸露多氧的岩土，产生氢键结合；非离子基与表面是否带电的各类岩土的吸附无明显的选择性。以上说明，带非离子基团的高分子，具有吸附成膜的有利条件。　

－－－

　　　　聚阴离子高分子，带有亲水性基团－ＣＯＯ、－ＳＯ３、－ＯＳＯ３等，具有分子链伸展好等对吸附成膜有利的因素，但是，由于此类高分子与水的亲合作用强，分子周围水化膜厚而致密，高分子带电岩土的吸附具有选择

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性等，不利于其吸附成膜，所以，通常情况下，阴离子型高分子的吸附成膜性没有非离子型高分子好。　

　　　　阴－非离子混合型分子，一般分子伸展性较好，具有较好的吸附特性。　

阳离子型高聚物，钻进带负电的岩土时，增强高分子与岩土的吸附作用。　

　　　３．３．１．３　　　高分子的结晶性　　

结晶高分子在岩土表面吸附（富集）时，分子间易形成分子排列有序的晶态结构，分子排列紧密，即高分子膜致密。即分子链的化学结构愈简单，主链的立体构型规整性及对称性愈大，主链上侧基团的空间位阻愈小。主链上存在一定的极性基团等，都能增大链间作用力或形成氢键，使高分子具有结晶性。水解聚丙烯酰胺（ＰＨＰ）和水解聚丙烯腈分子链上的－ＣＯＮＨ２和－ＣＯＯＮａ等基团，因在分子链上的分布是无规则的，所以结晶性差。在ＤＷＹ－Ⅱ无固相钻井液中的ＰＡ－１７，为结晶态高聚物，具有很好的成膜性。　

　　３．３．１．４　　　高分子浓度　　

　　　　钻井液中对于低聚合度，非离子基为主的，又含有结晶态的高分子，随其浓度增加，成膜速度加快，表现为失水量减少，固结砂样性能增强。图３为ＰＡ－１７在ＤＷＹ－Ⅱ－１钻井液中，其浓度的变化而引起钻井液失水量的变化。　

　　　　非结晶性的高聚合度的高分子（ＰＨＰ），当与结晶性高分子混同时，其浓度在某一范围内增大，钻井液的吸附胶结性能下降，失水量有所增加（图４）。　　

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失水量ｍｌ１６１２１４１２１０８６４４２００．５１．０１．５ＰＡ－１７　％图　３　ＰＡ－１７浓度与ＤＷＹ－Ⅱ－１钻井液失水量的关系２０１０８６失水量ｍｌ１２３４５ＰＨＰ（×１０００ｐｐｍ）图　４　　ＰＨＰ浓度与ＤＷＹ－Ⅱ－１钻井液失水量的关系　

　３．３．２　　高聚物的渗析胶结作用　　

　　　　渗析胶结作用是高聚物（线型的或团状）进入岩土微隙中，因与孔壁表面吸附粘结和在孔道狭窄处被阻留而聚结，起到封堵孔隙和胶结岩土的作用。高聚物渗析胶结作用是在钻井液进入孔壁岩土的同时发生的，钻井液（或其滤液）进入的部位都伴有渗析胶结作用。可见渗析胶结作用与吸附胶结作用的机理是不同的。　

影响渗析胶结作用的主要因素有高聚物分子的形态、尺寸和吸附特性等。团状高分子，如聚硅酸胶团（分子量几百万），线型高分子的交

３＋３＋

联结构（ＰＨＰ被Ｆｅ，Ａｌ交联，植物胶被硼交联等），都有利于渗析胶结作用，并随胶团尺寸增大，胶团结构紧密而增强。　

３．３．３　　无机盐对无固相钻井液胶结岩土性能的影响　　

无机盐（如ＫＣｌ，ＣａＳＯ４，ＦｅＣｌ３等）除对粘土矿物具有抑制水化分散作用，提高岩土表壁稳定性，对高聚物的钻井作用有以下影响：　

　　　３．３．３．１　　无机盐对高聚物分子的交联作用　　

水溶性高分子都可在相应的无机盐参与下发生交联反应。在无固相

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钻井液中，高分子被交联的形态是复杂的，在适度交联后，成团状和条带状的交联物，增强了钻井液的渗析胶结和吸附胶结作用。　

　　　３．３．３．２　　　无机盐改变岩土表面的电性　　

３＋

无机盐提供的高价阳离子（如Ｆｅ）与表面带负电的硅酸盐类岩石，具有很强的吸附作用，使硅酸盐类岩石表面的电性由负变正，带阴离子基的高分子与岩石表面间由相斥变为相吸，从而增强高分子在该类岩石表面的吸附胶结作用。　

　　　３．３．３．３　　　无机盐使高分子的溶解度下降　　

无机盐加量达到临界浓度时，高分子会沉析出来。　　

４．　应用实例　　

４．１　　实例１　　

　　　　山东招远东风矿区破头青断裂带，先后有三个勘察单位在此施工，虽然采用了多种优质钻井液和其他护堵措施，结果都以废孔而退出，即使山东冶金地勘公司二队在１９８６年在此施工ＺＫ－１７－３和ＺＫ－２２－１两个钻孔，也都半途而废。此断裂带被称为金刚石钻探“禁区”。　

为了彻底改变在破头青断裂带钻探施工的局面，１９８７年冶金部给山东冶金地勘公司下达了“复杂地层金刚石钻进钻井堵漏试验研究”的课题。采用了长春冶金地质专科学校提供的ＤＷＹ－Ⅱ－１型多功能无固相钻井液。　　　

　　４．１．１　　地层情况　　

试验矿区选在东风矿区破头青断裂东段（１６０－１２０线），试验钻孔设计在东风矿区２０７号脉与破头青断裂带东段交汇处，该区主要岩石为玲珑花岗岩（碎裂状花岗岩、绢英岩化花岗质碎裂岩以及断层角砾岩），岩石可钻性８－９级，破碎蚀变带岩石４－６级，岩石主要矿物成份为石英、钾长石、绢云母、黑云母等，钻孔由浅至深依次穿过破头青断裂上盘花岗岩、碎裂状花岗岩、绢英岩化岗质碎裂岩、破头青断面（断层泥和断

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砾岩）以及下盘黄铁绢英化岗质碎裂岩、绢英岩化碎裂状花岗岩，并夹有煌斑岩脉，岩石蚀变作用强烈，破碎蚀变带厚度大，并且严重破碎，岩石呈块状或粉状，裂隙发育。钻探中经常出现孔壁岩石遇水松散，造成孔壁坍塌，掉块及钻井液严重漏失。这种破碎复杂地层连续可达几十米厚至百米以上。　

　４．１．２　　试验设备及仪器　　

钻机　　　　　　　　　　ＸＹ－４型　　　　　　　　　　１台　水泵　　　　　　　　　　吉林Ⅰ型　　　　　　　　　１台　电动机　　　　　　　　４０ＫＷ　１３ＫＷ　　４ＫＷ　　　各１台　搅拌机　　　　　　　　ＹＤ－３００型　　　　　　　　１台　

钻塔基枕　　　　　　１４．５米斜直两用型　　　　１台套　测漏仪　　　　　　　ＫＬ－１型　　　　　　　　　　　　１台　钻井液性能测试仪　　　　ＺＮＴ型　　　　　１套　钻具　　　　　　Ф７５／Ф６７单动双管　　　　１套　　　　　　　　　　　Ф６０／Ф５０单动双管　　　　１套　　

　４．１．３　　试验课题任务，方案及措施　　４．１．３．１　　课题任务　　

“复杂地层金刚石钻进钻井堵漏试验研究”课题，要求在８７年３月至９月的７个月的时间内，完成破头青断裂带东段ＺＫ－１７－３，ＺＫ－８－２和ＺＫ－５－５三个孔１４７０米试验的结果工程量，台效要求达到３５０米，台月实进尺达到２５０米，同时初步探索一套适应本矿区复杂地层钻进护孔的方法和工艺。　

　　　４．１．３．２　　　课题实施方案　　①　在复杂地层钻进中，以堵漏为基础，选用ＤＷＹ－Ⅰ和ＤＷＹ－Ⅱ型多功能无固相钻井液；　②　在钻进过程中，发生严重钻井液漏失时，采用水泥堵漏，在轻微漏失和渗漏的情况下，采用ＤＷＹ系列钻井液停钻堵漏；　③　地层破碎严重，钻井液和水泥钻井无效时，采用套管隔离；　

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④　生产试验的基础是室内小样试验，在室内试验过程中，取得可靠的数据，指导生产试验，否则不得进行生产试验；　⑤　不经领导和试验小组研究决定，任何个人不得改变试验方案。　　４．１．３．３生产试验措施　　①　由试验小组和机台试验人员一起制定单孔施工技术设计，每个孔都要认真分析地质提供的地层预想柱状图，确定开孔口径，正常钻进口径和终孔口径，确定相应孔段的护孔方法，钻井液类型，做好各种材料的准备工作；　②　试验机台人员要听从指挥，统一行动，不经允许不能改变钻井液配方；　③　每个小班，必须确定二人专门负责钻井液的配制，测试和记录工作，把钻井液性能和孔内变化情况，及时汇报给试验小组，出现问题及时研究解决；　④　操作要谨慎，为避免孔内压力激动造成危害，稳定孔壁，规定提下钻速度不能过快，要缓慢平稳，同时，提钻时要坚持回灌，保持孔内有稳定的水头高度，维持液体对孔壁的压力平衡；　⑤　坚持使用试验用的钻井液，并保证其性能的稳定性；　⑥　用Ф７５ｍｍ钻头配Ф６７ｍｍ钻杆，采用较小泵量，尤其在深部漏失层，不要用过大泵量，否则会加剧漏失；　⑦　坚持下好孔口套管，这是下部复杂地层钻进，搞好护孔工作重要条件之一；　⑧　每施工一个钻孔，都要进行单孔小结，总结经验和存在问题，指导下一步的试验工作。　　

４．１．４　　钻井液的配制步骤及配方的选定　　　　　　　４．１．４．１　　　钻井液的配制步骤　　①　各种添加剂先配成水溶液，浓度如下：　

ＰＨＰ　　１℅，ＰＡ－１７　　　１℅，交联剂Ａ　　　１℅，交联剂Ｂ　　　５℅　②　计算出配制一定量钻井液所需ＰＨＰ、ＰＡ－１７、交联剂Ａ、交联剂Ｂ水溶液的体积，用钻井液体积减去各种溶液体积之和，即为所需水的体积；　③　量出所需的水，置于容器中，然后缓慢加入Ｎａ２．ｎＳｉＯ３或Ｎａ２ＣＯ３，调节ＰＨ值，充分搅拌，直至水的ＰＨ值达７．５－９；　

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④　将ＰＨＰ溶液倒入搅拌；　⑤　加入ＰＡ－１７溶液，充分搅拌均匀；　⑥　缓缓加入交联剂Ａ溶液，一定要缓缓加入，并且边加入边搅拌，当溶液出现交联状时即停止加入交联剂Ａ，继续搅拌；　⑦　缓缓加入交联剂Ｂ溶液，边加入边搅拌，使之与ＰＡ－１７充分交联，充分搅拌均匀　⑧　测定配制前的溶液性能指标；　⑨　做浸泡试验。　　

４．１．４．２　　　选定配方　　Ａ．　在正常钻进过程中，添加钻井液配方：　　Ｎａ２．ｎＳｉＯ３　０．５℅调ＰＨ值７．５－９　ＰＨＰ（１℅浓度）　８℅　

ＰＡ－１７（粉剂量）　０．５℅　交联剂Ａ（粉剂量）　０．０４℅　交联剂Ｂ（粉剂量）　０．０５℅　

Ｂ．在正常钻进过程，提高钻井液粘度，减轻漏失，提高钻井作用　　　　添加钻井液配方：　

Ｎａ２．ｎＳｉＯ３０．５℅调ＰＨ值７．５－９　ＰＨＰ（１℅浓度）　２０℅　ＰＡ－１７（粉剂量）　１℅　交联剂Ａ　　　０．２５℅　交联剂Ｂ　　　０．１℅　

Ｃ．停钻堵漏浆液选定配方：　ＰＨＰ（１℅浓度）　４－６℅　Ｎａ２．ｎＳｉＯ３　　　　９－１０℅　三乙醇胺　　１－２℅　铵盐　　　　２．１℅　

初凝时间　　　１５－２０分钟　　

　４．１．５　　　生产试验情况　　　　４．１．５．１　　　ＺＫ－１７－３号孔施工情况　　　　３４

　　　　该孔位于东风矿区２０７号脉西部与破头青断裂带东段交汇处的破碎带上。设计孔深３７０米，方位３０４°３０′，倾角７５°，１９８６年３－４月份施工时，由于１０４－１６４米孔段，岩石破碎，钻井液漏失严重，尤其是在１０４－１１８．５米，１３０－１３５米孔段，坍塌严重，处理无效，不得不在孔深１６４米处中途停止。　

　　　　１９８７年作为复杂地层钻进试验钻孔，在原设计孔位向前移６．８米，改变钻孔倾角为８０°，于８７年３月１日重新开孔，该孔用φ１１０ｍｍ硬质合金钻头开孔，钻穿第四系地层于１０．６米遇坚硬岩石，下入φ１０８ｍｍ套管，换φ９１ｍｍ硬质合金钻头钻至１１米，换φ７５ｍｍ金刚石钻头钻至终孔，终孔孔深３９６．６米，除开孔用普通泥浆外，从１１米以后直至终孔，均采用ＤＷＹ－Ⅱ－１型无固相钻井液。正常钻进过程中钻井液漏斗粘度一般为１８－１９ｓ（见４．１．４．２配方Ａ），钻进至３２．７米时，孔内漏失，而在提钻

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后，从孔口涌水，涌水量为０．５ｍ／ｈ，孔深５１．８米时涌水量增加到１．４　ｍ／ｈ，调整钻井液粘度到２５ｓ（见４．１．４．２配方Ｂ），无效，灌注４２５＃火山灰硅酸盐水泥４００ｋｇ，止住漏失和涌水现象．　

钻至１１２米时，孔内严重漏失，并伴有严重掉块，灌注水泥６００ｋｇ，漏失量减少到０．３ｍ３／ｈ，提高钻井液粘度后，漏失基本达到控制，钻井液漏失量减少到０．１－０．２ｍ３／ｈ．在１１０－１８０米孔段，有五层计２３．１米极端破碎松散，遇水剥落的岩层．其中１２０－１２５米孔段为粗粒碎裂状花岗岩，夹有泥质成分，在１２４米处有０．２米石英脉．仅用２９天完成钻探进尺３９６．６米，各项质量指标均达到地质要求，单孔台月效率为５９１米／台月，护孔材料费１５．７４元／米，取得了试验研究的初步成功．　

　　　４．１．５．２　　　ＺＫ－８－２号孔施工情况　　

　　　　该孔位于破头青断裂带东段与东风矿区２０７号脉交汇处大破碎带上，

００＇

设计孔深４５０米，倾角８０，方位３０４３０．　

　　　　试验小组和试验机台总结了ＺＫ－１７－３号孔的经验，制定更加科学的单孔施工技术措施，试验机台管理严格，精心操作，　ＤＷＹ－Ⅱ－１型钻井液性能控制严格，在孔深１４７．３－１４７．３５米和２０１．８－２０１．９米遇到两层薄的断层片，但很顺利地穿过复杂层，在至孔深２３１米，没有发生任何孔内事故．　

　　　　在孔深２３１米后至终孔，出现孔内漏失，用水泥灌注和调整钻井液性能，止住漏失。　

该孔从４月４日开孔到４月２７日终孔，终孔孔深４７９．１０米，单孔台

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效达到７６２米／台月，时效２．０２米，护孔材料费用为９．１８元／米，取得了良好的技术经济效果．　

　　４．１．５．３　　　ＺＫ－５－５号孔的施工情况　　

　　　　该孔位于２０７号脉南端，在与破头青断裂带东段交汇处的边缘上，设

００＇

计孔深６５０米，　倾角７８，方位３０４３０．　

　　　　钻进过程中，试验机台不经试验小组同意，改变了钻井液配方，用了ＰＨＰ２０％，Ｎａ２．ｎＳｉＯ３０．５％，Ｎａ－ＣＭＣ０．３％，钻进至７５．７米时，孔内严重掉块漏失，用水泥灌注（用量６００ｋｇ），　　透孔后，钻进至９１米，其中７７－８９米为粉状，碎裂状花岗岩，地层破碎而松散，孔内掉块漏失严重，被迫换上ＤＷＹ－Ⅱ－１型钻井液，继续钻至９６．６米时，在９３米处缩径，灌注水泥．在透孔时，φ７５钻具被挤夹在７８．９ｍ处，不得已，下Ф７３的套管，用Ф６０钻头透过事故钻具继续钻进，使用ＰＨＰ－ＣＭＣ钻井液，钻至１８０　米时，发现孔内掉块挤夹钻具较为严重，因此起出Ф７３井壁管，进行扩孔钻进至９６．４米，重新下入Ф７３套管护孔，当钻进至３７２．７米时，井壁管在８９米处断开（估计７８－８７米处已形成空堂），在８０－１２０米孔段灌注水泥两次，又进行扩孔至１２０米，再次下入Ф７３套管（１２０．７７米），在钻至５４９．２０米时，发生了断钻事故，由于已穿过矿脉，达到了地质设计要求，提前终孔．　

该孔从５月４日开孔到８月２２日终孔，用３个半月时间只钻进了５４９．２米，全孔停工率占４１．３％，其中孔内事故占２８．４％，单孔台效为２２９米／台月．　

　　４．１．５．４　　　试验结论　　①　基本完成试验课题研究任务，打破了断裂破碎带上钻探施工“禁区”。开创了山东冶金地质勘探在断裂带上钻探施工的新局面；　②　ＤＷＹ－Ⅱ－１型钻井液有优越的性能：　ａ．　流变特性好，粘度低，切力低，可调范围广；　ｂ．　钻井性能好，性能易于调整；　ｃ．　排粉能力强，自身净化好；　ｄ．　钻井液冷却性能好，孔内事故少；　ｅ．　对岩矿芯有良好的保护作用，提高了破碎，松散地层的岩矿芯采取率．该钻井液对松散岩芯可达到固结作用．在破碎，松散层岩矿芯采取率达到９５－１００％．尤其在ＺＫ－８－２号孔，孔深１４７．３－１４７．３５米及

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２０１．８－２０１．９米孔段，两层很薄的断层泥，在原来已有的钻探中从未发现过，使用该钻井液能取出完整的薄饼，这说明该钻井液对岩芯的胶结性能是前所未有的；　ｆ．　该钻井液有利于水泥的钻井作用；　ｇ．　ＺＫ－５－５号孔，未经同意就采用ＰＨＰ钻井液，致使该孔复杂孔段坍塌，掉块，漏失严重，发生折断井壁管及多次断钻事故，这一反面教训，说明没有严格的科学态度，要突破复杂地层是完全不可能的．　　

　　４．２　　　实例二　　

　　　　首钢勘查院一队，１９９０年在北京怀柔对石金矿区施工ＺＫ５号孔，该孔为全漏失钻孔，采用了“随时加入法”进行试验，事先将ＤＷＹ－Ⅱ型钻井液配好，存放于机台备用水箱内，待遇到水敏地层时，即向井内泵送ＤＷＹ－Ⅱ钻井液，直到穿过水敏层为止。　

　　　　ＺＫ５号孔钻进至３７５米时，遇到水敏层，第一班钻进了３米后，出现了下钻差１０米扫不到底的现象；第二班工作将事先配好的钻井液２ｍ３泵入井底，送完后开机一扫到底，且一直坚持正常钻进４个小班，直至３８９米被迫下管换径．于５３０处又遇水敏层，出现蹩泵，回次进尺降低（每回次只

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能钻进０．５０米），岩芯采取率不足等现象．此时又向井内泵送了１．５ｍ钻井液之后，保持了正常进尺，降低了回转阻力，保证了采芯率．之后于５６５．３０米，５７２．４０米均采用上述方法处理，都顺利地通过了水敏层．最大水敏层５米厚，最小在１米左右．　

水敏层多为断层泥和断层角砾等混杂质，此岩层遇水即大面积坍塌，以往绳钻在钻进该地层时，回次进尺低，岩芯不易采上来，穿过之后出现回转阻力大，蹩泵等现象，该钻孔采用ＤＷＹ－Ⅱ型钻井液后，穿过该复杂地层后没有回转阻力增大现象，电流平稳，且岩矿芯采取率得到了保证．　

　　４．３　　　实例三　　

　　　　武钢金山庄铁矿，矿体顶板围岩为英长角岩，变余砂岩及变余粉砂岩，近矿体部位有较强的矽卡岩化及绿泥岩化。矿体以粉砂状富磁铁矿为主，次为粉状及粉类块贫磁铁矿。最大厚度４５米，平均２７米，矿体属　　陡倾斜，倾角一般在５５度以上，最大可达８４度。粉矿特性，为细粉砂状，无粘性，松散。在钻探施工中，粉矿芯遇水流失，取芯十分困难。　

于８８年８月开始使用ＤＷＹ－Ⅱ型钻井液，分别在ＣＫ３１４－１－２孔（设计

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孔深１６０米，角度４３度）及ＣＫ３１４－１－３孔（设计孔深１１５米，角度为０即水平孔）进行试验，顺利完成任务，取得了明显的技术经济效果．　

５、在岩土工程勘察钻探施工中应用可行性分析　　目前在岩土工程勘察钻探施工中遇到砂层、卵石、碎石或其他易塌不易采取岩心的复杂地层，为采取原状土试样，采用单动、双动二（三）重取土器，钻井液采用泥浆或其他化学浆液。例如日本国东亚饭店勘察１９．６０ｍ～５０．９５ｍ，为砂与粘土互层，采用三重管式取土器，使用了泥浆钻进。沙特阿拉伯ＭＯＢＩＬ　大楼勘察，地层含有淤泥、砂、砾、珊瑚和贝壳碎屑，采用了膨润土泥浆护壁、排除岩屑。采用分裂式取土器。　

钻井液的冷却、排粉、护壁及胶结岩心的性能极为重要，尤其护壁及胶结岩心的性能是保证岩心采取率满足设计要求的关键。普通泥浆或优质泥浆的护壁性能及胶结岩心的性能就比较差，尤其瞬间胶结岩心的性能更差。　

因此笔者认为，如能在岩土工程勘察中推广使用ＤＷＹ系列多功能无固相钻井液，相信定能取得好的技术经济效果和社会效益。　　

主要参考资料　１、《无固相钻井液的研制与钻井作用机理探讨》王文臣　靖向党　何世鸣（《第五届全国探矿工程学术会议论文集》《地质与勘探》１９９０．４）　

２、《ＤＷＹ－Ⅱ．２型无固相钻井液室内研究及其在某金矿区的应用》何世鸣　　李振学（《长春冶金地质专科学校学报》１９９０．４）　

３、《平顶山矿区提高岩矿心采取率综合技术措施探讨》何世鸣　杨增智（《长春冶金地质专科学校学报》１９９１．２）　

４、《ＤＷＹ－Ⅱ．２型无固相钻井液研究及随时加入法的应用》何世鸣　张小仲（《第七届全国探矿工程学术会议论文集》１９９２．１０）　

５、《水溶性聚合物在冲洗液中的主要作用及其机理的研究》王文臣（中国金属学会冶金地质学会《岩土钻掘工程学术研讨会论文集》　

１９９６．１０）　６、《地下连续墙槽壁稳定液的稳定机理与性能指标的探讨》王文臣（《第九届全国探矿工程学术会议论文集》１９９７．１０）　

７、《聚合物冲洗液在吉镍富家矿的应用研究》裴向军（《西部探矿工程》２００１　ｖｏｌ　２１　Ｎｏ．１）　　

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