2. 青海省第二地质矿产勘查院, 西宁 810028;
3. 青海省岩心钻探工程技术研究中心, 西宁 810028;
4. 中国地质大学(武汉)工程学院, 武汉 430074
2. Qinghai Second Institute of Geology and Mineral Resources Exploration, Xining 810028, China;
3. Qinghai Core Drilling Engineering Technology Research Center, Xining 810028, China;
4. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China
0 引言
随着地质找矿的深入，复杂地层的钻进问题已严重制约了矿产勘查任务的完成[1]。在岩心地质钻探中，岩石的结构和破碎程度、蚀变矿物性质、钻井液性能、钻进技术参数是影响孔壁稳定性的重要因素[2-5]。其中，钻井液性能对孔壁稳定性影响至关重要：乌效鸣等[6]对野马泉整装勘查矿区构造带蚀变炭质灰岩的主要成分及破碎程度与钻井液关系进行了分析；朱发宪等[7]对果洛龙洼金矿火山碎屑岩易崩塌和采取率不足的问题进行了研究，提出复合型低固相防塌泥浆与多种钻进方法相结合的方法；青海省岩心钻探工程技术研究中心[8]对东昆仑夏日哈木地区构造带岩性与孔内事故关系进行了分析，认为构造蚀变带中糜棱岩化辉长岩在钻井液浸泡下崩解性强，其中碎裂岩化的混合脉岩钻进中容易产生钻柱纵振，两种作用共同引发孔壁失稳、泵压骤增现象，并造成埋钻和钻头轻烧问题。以上研究表明，孔壁稳定性与钻井液密切相关。但以上多为研究高岭土化的强蚀变地层，且主要关注了钻井液的黏度和失水量，存在一定的认识误区。
本文以阿克楚克塞矿区火山碎屑岩为研究对象，对岩石样品的粒径组成及矿物成分进行分析，并对其进行不同性能钻井液作用下的烘干、浸水循环实验，研究岩石崩解性与钻井液性能指标间的关系，提出了钻井液的优化配方，以期提高矿区火山碎屑岩地层钻进时的稳定性。
1 研究区地层特点研究区位于青海阿克楚克塞矿区，是青海省地质勘查的主要规划范围之一[9-10]。青海阿克楚克塞地区经历了多期强烈的造山、海陆变迁过程。出露地层有古元古代片麻岩和大理岩段、奥陶纪－志留纪白云质和含炭质大理岩，以及晚三叠世晶屑凝灰岩、流纹质晶屑凝灰岩、流纹岩、英安岩等。根据此前的钻孔资料，地层垂直分布大致如下：0~10 m，风成沙，季节性冰碛、冲积、湖积物等冻土层，底部多为强风化碎裂岩；10~70 m，大部分为中等成岩的火山碎屑岩；70~84 m，松散的构造带火山碎屑岩，其高岭土化、褐铁矿化明显；84~672 m，以火山碎屑岩为主，分布少量的流纹质凝灰岩。研究区火山碎屑岩地层的性质相似，常见压力胶结，断裂构造带火山碎屑岩蚀变相对较强，多为高岭土化，糜棱岩化次之。
根据RZK1702孔的地质资料，自上而下有6条氧化破碎带分布其中，最大连续厚度16.0 m，最小约2.6 m，动力变质作用明显。
研究区受多期叠加的强烈构造活动形成的破碎带和反复侵入的岩浆热液蚀变活动影响，火山碎屑岩胶结强度弱、结构松散，近两年来已致使4个设计550 m以深的钻孔未能钻到设计孔深，严重制约了该区地质找矿工作。
2 火山碎屑岩地层钻进问题阿克楚克塞矿区不稳定地层主要沿竖直方向分布厚度不等的构造带火山碎屑岩。为了解孔壁失稳的原因，重点对70.25~84.60 m和210.25~219.25 m两段性质相近的火山碎屑岩层及应用钻井液进行了比较研究。
70.25~84.60 m孔段钻进采用1#钻井液：水+4%膨润土+3%Na2CO3+0.06%NaOH+1.5%CZ-25(无荧光润滑防塌剂)+0.2%MV-CMC(中黏钠羧甲基纤维素)+0.02%PHP(水解聚丙烯酰胺)，室内配制，主要参数见表 1。现场应用中需扫孔下钻，但部分孔段出现卡钻、轻埋钻现象。随钻进深度增加，钻具内泥皮现象加重，影响取心管的打捞及投送，使钻头受损。
| 编号 | FV/s | ηb/(mPa·s) | τd/Pa | τ10s/Pa | FL/mL | τd/ηb | pH |
| 1# | 19.5 | 9.5 | 2.3 | 3.7 | 14.5 | 0.24 | 10 |
| 2# | 26.8 | 11.2 | 4.3 | 3.8 | 10.0 | 0.38 | 11 |
| 注: FV为漏斗黏度；ηb为塑性黏度；τd为动切力；τ10s为静切力；FL为失水量；τd/ηb为动塑比。 | |||||||
210.25~219.25 m孔段采用2#钻井液：水+4%膨润土+3%Na2CO3+0.07%NaOH+0.2%MV-CMC+0.4%LV-CMC(低黏钠羧甲基纤维素)+2%SPNH(褐煤树脂)+0.05%PHP，室内配制，主要参数见表 1。同时采取增加钻头、扩孔器外径等措施以增大钻具环空间隙。钻进过程中埋钻现象得到一定程度的缓解，但没有得到彻底解决，孔内埋钻隐患依然存在，3个回次后距离孔底2.2 m需冲孔下钻。
采集现场钻井液测试其性能，对比发现与室内钻井液参数有较大差距。经调查, 矿区地表水枯水期平均矿化度为7 g/L，丰水期平均矿化度为4 g/L，矿区地表水中Na+、Ca2+等阳离子和SO42-、Cl-等阴离子对钻井液性能产生较大影响。
1#和2#钻井液剥落、崩解岩心的效果有所不同，但所钻取的岩心均破碎严重，分析原因主要为：钻井液体系不能够有效护壁，导致井壁中易分散矿物分散剥落；并且钻井液体系不能够及时地携带岩屑排出钻孔，造成岩屑堆积，不利于维持孔壁稳定和正常钻进。
3 研究区火山碎屑岩特性与崩解性 3.1 火山碎屑岩特性为掌握研究区地层粒径组成，对现场采样进行实验分析，称取胶结松散的岩心样品337 g，采用振动筛分析其粒径及分布情况(表 2)。由表 2可知，粒径＜20目的岩屑质量分数为53.80%。
| 粒径/目 | 质量/g | 质量分数/% |
| 5 | 67.40 | 20.00 |
| 10 | 55.60 | 16.50 |
| 20 | 58.30 | 17.30 |
| 40 | 56.30 | 16.71 |
| 60 | 10.30 | 3.06 |
| 80 | 9.90 | 2.94 |
| 100 | 3.93 | 1.17 |
| 120 | 4.80 | 1.42 |
| 140 | 16.50 | 4.90 |
| 160 | 5.65 | 1.68 |
| 180 | 3.86 | 1.15 |
| 200 | 8.96 | 2.66 |
| ＞200 | 35.50 | 10.53 |
构造带火山碎屑岩在钻进中表现出一定程度的水敏性。采用XRD(X射线衍射仪)检测样品中的主要矿物成分，结果表明：研究区火山碎屑岩矿物成分主要为石英、钾长石、角闪石和绢云母，其质量分数分别为48.1%，11.4%，9.6%和7.6%；钠长石、高岭石、伊利石和其他矿物质量分数分别为6.25%，6.15%，5.28%和5.62%。其中泥质胶结的主要黏土矿物类型是高岭石和伊利石。由于高岭石和伊利石具有比表面积大和亲水性强的特性[11-13]，因此这种结构的火山碎屑岩在浸水后，水分子容易被吸引而向岩石孔隙运动，从而引起岩石体积松散膨胀、软化及崩解。
3.2 火山碎屑岩崩解性评价破碎地层由弱胶结甚至无胶结的破碎体与结构面构成。影响岩体破碎程度的基本因素包括岩体单轴抗压强度、岩体完整度、岩石质量、水的作用及其他综合因素[14-16]。为更好地评价分析地层破碎程度，以破碎块度(ρv)、岩体完整性系数(Kv)、岩石单轴抗压强度(σc)、岩石耐崩解性指数(Id)、破碎比表面积(S)、岩石空隙率(n)6个评价指标确定地层的破碎程度模数函数[17]：
(1) 岩石崩解性是指岩石被水浸泡后失去黏结性，变成完全失去强度的松散破碎的性能[17]，针对该项指标的研究能够有针对性地评价钻进过程中钻井液对破碎地层的剥落与崩解程度。岩石的崩解性一般通过岩石试样的烘干、浸水循环实验确定[17-18]，用Id表示：
(2) 式中：mr为实验后残留试样的烘干质量，g；md为原试样烘干质量，g。
由于2015年钻进施工时坍塌埋钻多在400.00 m以深孔段发生，因此以更具代表性的436.00~437.00 m孔段为分析对象采取岩石样品(图 1)，对其进行烘干、浸水循环实验。
|
| a.现场采集烘干的岩石样品；b.实验后粉末状岩样。 图 1 火山碎屑岩样品及烘干、浸水循环实验 Fig. 1 Pyroclastic rock samples and drying, soaking cycle experiment |
|
|
对现场钻井液和岩样进行两个标准烘干和浸泡循环实验：首先将选取的岩心样品放入烘干箱, 在105 ℃下烘干至恒质量；然后将烘干后的岩心样品称质量后放入透明敞口容器，注入泥浆直至浸没岩心样品，浸泡8 h后带水过筛滤去泥浆；接着将浸水后的残留样放入烘干箱在105 ℃下烘干至恒质量，且烘干时间不小于8 h；最后对残留样进行称质量。实验测得岩石耐崩解性指数为46.7%。
3.3 火山碎屑岩孔壁稳定性分析压力失衡是发生孔壁坍塌埋钻的重要因素，水化分散是导致孔壁坍塌埋钻的诱因之一[2, 6]。通常，不稳定地层的剥落与坍塌均与水敏膨胀的矿物相关，按理论经验，一般通过调整钻井液的滤失量和黏度来提高护壁能力，预防这类地层失稳[6]。针对青海高原东昆仑、柴北缘地区多数矿区的各类复杂地质条件，以及小口径地质取心钻探钻井液循环的较小环空间隙情况，适当控制黏度、降低滤失量是配制适于绳索取心钻进工艺低固相钻井液的主要措施。由此，腐植酸钾、无荧光润滑防塌剂、褐煤树脂、磺化沥青、钠羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺等材料在该区域的地质钻探中已经被广泛应用；但研究人员发现，在阿克楚克塞矿区火山碎屑岩构造带钻进中，调整钻井液黏度及滤失量无法有效预防埋钻事故的发生。
根据前述调研评价，该区构造带火山碎屑岩富含高岭石和伊利石等易水化分散的黏土矿物，采用钻井液配浆水的矿化度随丰水期和枯水期在4~7 g/L变化，以上均会影响钻井液性能。现场测试表明，受配浆水高矿化度的影响，现场配制钻井液与室内设计钻井液的性能有明显差别，结果导致钻进中岩屑浓度上升，岩屑浓度上升又导致破碎带火山碎屑岩崩解，形成恶性循环。矿区构造带火山碎屑岩破碎严重，崩解后不同粒径的岩屑颗粒对机械钻速、钻井液携带岩粉能力、流变性等产生较大影响[11]，同时由于地层剥落，进一步促使火山碎屑岩在钻井液浸泡下水化分散。
分析认为孔壁岩层黏土矿物含量高、钻井液配浆水矿化度高，以及孔壁岩层破碎等级高是钻遇70.25~84.60 m孔段火山碎屑岩不能顺利下钻到底、钻头触底泵压升高并最终形成埋钻的主要原因。
4 钻井液配方优化及性能评价1#、2#钻井液在不同岩屑质量分数时的主要参数见表 3；对岩石样品进行烘干、浸水循环实验，得到其在各钻井液作用下的耐崩解性指数，结果见表 3。
| 编号 | 岩屑质量分数/% | τd/ηb | τ10s/Pa | FV/s | FL/mL | Id/% |
| 1# | 0 | 0.24 | 3.7 | 19.5 | 14.5 | 88.7 |
| 2# | 0 | 0.38 | 3.8 | 26.8 | 10.0 | 96.0 |
| 1#-1 | 4.2 | 0.16 | 3.1 | 20.0 | 12.5 | 55.7 |
| 1#-2 | 5.1 | 0.10 | 2.5 | 18.7 | 14.0 | 48.6 |
| 1#-3 | 7.4 | 0.09 | 2.4 | 20.0 | 14.5 | 31.0 |
| 1#-4 | 11.6 | 0.07 | 2.2 | 20.5 | 15.0 | 13.4 |
| 2#-1 | 4.5 | 0.34 | 3.5 | 27.0 | 11.5 | 92.0 |
| 2#-2 | 4.9 | 0.26 | 3.1 | 27.5 | 13.0 | 88.0 |
| 2#-3 | 7.1 | 0.19 | 2.3 | 27.0 | 14.2 | 74.6 |
| 2#-4 | 12.0 | 0.12 | 2.0 | 23.5 | 16.0 | 51.2 |
| 注: 1#-1、1#-2、1#-3、1#-4为1#钻井液在70.25~84.60 m孔段不同岩屑质量分数时的测试数据；2#-1、2#-2、2#-3、2#-4为2#钻井液在210.25~219.25 m孔段不同岩屑质量分数时的测试数据。 | ||||||
为找出表 3中各指标对岩石耐崩解性指数的影响规律，采用多元线性回归分析法。假设耐崩解性指数与各自变量之间存在如下线性关系：
(3) 式中：b0为常数项；b1，b2, b3，b4为回归系数。
用Microsoft Excel就表 3数据对式(3)进行拟合，回归统计结果见表 4。
| 统计项 | 数值 |
| 相关系数 | 0.948 8 |
| 测定系数 | 0.900 2 |
| 校正测定系数 | 0.833 7 |
| 标准误差 | 0.117 3 |
| 观测值 | 11 |
由于各变量之间数值差距大，在回归统计前对各自变量数据作归一化处理。由表 4可知，相关系数为0.948 8，表明Id与各变量之间存在很强的相关性。校正测定系数为0.833 7，说明表 3中动塑比、静切力、漏斗黏度及失水量与耐崩解性指数的相关性达到83.37%，即这4个参数是耐崩解性指数的决定性因素，可决定耐崩解性指数的83.37%；耐崩解性指数的16.63%由其他因素决定。
计算获得回归方程常数项及自变量系数(表 5)，据此得出估算的回归方程为
| 常数项/回归系数的值 | 标准误差 | t | P | |
| b0 | -1.452 | 1.394 | -1.041 | 0.338 |
| b1 | 1.913 | 1.928 | 0.992 | 0.024 |
| b2 | 0.166 | 0.255 | 0.648 | 0.036 |
| b3 | 0.018 | 0.316 | 0.561 | 0.595 |
| b4 | 0.061 | 0.036 | 1.689 | 0.142 |
| 注：t.统计量是否有显著作用的检验值；P.显著性值。 | ||||
(4) 由式(4)可知，τ10s、τd/ηb、FV、FL与耐崩解性指数正相关。由表 5可知：回归系数b1、b2的P值分别为0.024，0.036，均小于0.05，可以认为模型在α=0.05的水平上显著，置信度达到95%；回归系数b3、b4的P值均大于0.05，说明在调研范围内对崩解指数的实际影响不显著。
值得注意的是，回归系数b1的P值为0.024，说明动塑比对构造带火山碎屑岩的剥落、崩解相关性最强。
增加水解聚丙烯酰胺在钻井液体系中的质量分数可使钻井液τd值增大，同时钻井液的液相黏度也会相应增加，但由于τd值的增幅要大得多，因此，增加钻井液中水解聚丙烯酰胺的质量分数有利于动塑比的提高。褐煤树脂在基本不增大钻井液黏度的前提下有较好的抗盐及抗钙能力[17]，以及提高钻井液抗蚀变矿物侵蚀的能力，有利于维持钻井液性能，提高钻井液在钻进过程中的稳定性。
根据前述分析，选择在现场用水中添加0.3%的NaHCO3以降低矿化度，增加水解聚丙烯酰胺的质量分数来提高钻井液的动塑比，添加褐煤树脂以提高钻井液稳定性以抑制孔壁岩层崩解。在大量正交实验(详细过程略)的基础上，最终确定优选钻井液配方为：水+4%膨润土+3%Na2CO3+0.1%NaOH+0.15%MV-CMC+0.5%LV-CMC+2%SPNH+0.08%PHP。
优选钻井液主要参数见表 6，此时测得岩石样品的耐崩解性指数为99.2%。采用优选钻井液进行钻进，当钻进达到436.00~437.00 m深度时，孔口返出钻井液的岩屑质量分数为12.3%，此时测得岩石样品耐崩解性指数为76.5%。
| FV/s | ηb/(mPa·s) | τd/Pa | τ10s/Pa | FL/ml | τd/ηb | pH |
| 28 | 10.3 | 3.9 | 4.1 | 8.6 | 0.38 | 10.5 |
现场选择矿区3个钻孔，分别采用1#钻井液、2#钻井液和优选钻井液，自孔深150.00 m处开始下钻，测量孔底沉淀残留的岩屑厚度，结果见图 2。由图 2可知：随着钻进深度的增加，孔底沉渣厚度逐渐增加，其中采用1#钻井液沉渣厚度增加得最快；钻进到约429.00 m时，使用优选钻井液孔底残留岩屑厚度较1#钻井液下降了89.7%，较2#钻井液下降了80.3%，优选钻井液沉渣厚度最小，说明优选钻井液抑制孔壁坍塌、剥落的能力最强。
|
| 图 2 不同钻进深度时孔底残留岩屑厚度 Fig. 2 Residual cuttings thickness at the bottom of the hole at different drilling depths |
|
|
现场钻井液体系的应用表明优选配方性能最优，分析原因主要为：在钻井液体系中加入一定量的提黏剂和降滤失剂能够有效提高钻井液体系动塑比和稳定性；这一方面增强了钻井液的携岩能力，另一方面提高了孔壁岩石的耐崩解性指数，使孔底岩屑床厚度(即岩屑残留高度)明显减小，防止埋钻等钻井复杂情况出现；再加上聚合物吸附在孔壁起到了护壁作用，使孔壁趋于稳定，有利于实际现场钻进。
5 结论1) 阿克楚克塞岩石样品中起胶结作用的矿物主要为高岭石，高岭石具有比表面积大、亲水性强的特征，是造成研究区火山碎屑岩剥落、崩解、水敏性强的主要原因。
2) 通过多元线性回归分析法研究钻井液各性能指标对火山碎屑岩崩解性的影响可得：动塑比、静切力、漏斗黏度、失水量决定耐崩解性指数的83.37%，是耐崩解性指数的决定性因素，其中动塑比对火山碎屑岩的剥落、崩解影响尤为显著。
3) 优选钻井液配方为：水+4%膨润土+3%Na2CO3+0.1%NaOH+0.15%MV-CMC+0.5%LV-CMC+2%SPNH+0.08%PHP。现场试验表明该钻井液能够有效抑制火山碎屑岩的剥落与崩解，减少孔底沉淀残留的岩屑厚度，提高钻孔稳定性。
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