川南煤田古叙矿区复杂地层泥浆研究与应用.pdf

Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY川南煤田古叙矿区位于四川盆地南部，处于叙永-筠连叠加褶皱带，为背、向斜叠加构造，经过多期构造运动，构造极为复杂，受后期南北向挤压应力，区内地层普遍褶皱抬升，含煤地层大面积遭受剥蚀破坏，煤层主要赋存于保存较好的向斜内部和背斜的翼部1-2。矿区地处川黔边界，地形及气候属云贵高原类型，属中低山侵蚀、剥蚀、溶蚀地貌。古叙矿区出露的最老地层为寒武系，最新地层为白垩系，主要地层为二叠系和三叠系，岩性*收稿日期：2023-07-11作者简介：龙海涛（1990-），男，四川资阳人，工程师，主要从事钻探技术与施工管理工作。基金项目：中铜矿产资源有限公司重点科技计划项目（2208YZKC008）。Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY川南煤田古叙矿区复杂地层泥浆研究与应用*龙海涛1，2，曾文斌3（1.云南冶金资源股份有限公司，云南 昆明 650000；2.中铜矿产资源有限公司，云南 昆明 650051；3.青岛地质工程勘察院，山东 青岛 266100）摘要：川南煤田古叙矿区构造上位于四川前陆盆地南缘叙永-筠连叠加褶皱带，由古蔺复式背斜和若干次级褶曲组成，受构造地质作用的影响，断裂发育，岩层局部直立、部分倒转，地层岩石破碎。矿区浅部发育裂隙溶洞，岩石破碎，钻孔漏失，深部煤系地层松散，钻孔垮塌，导致卡钻、烧钻和埋钻等孔内事故频发，钻探效率低，甚至出现钻孔报废，严重影响矿区的勘探进度。针对上述钻探技术难题，经过一系列的研究和泥浆实验，探索出了适用于该矿区复杂地层钻探的泥浆，现场应用效果较好，有利保障了该矿区钻探工作的实施。关键词：复杂地层；泥浆；应用研究；古叙矿区中图分类号：TD263文献标识码：A文章编号：1006-0308（2024）02-0030-04Study and Application of Complex Stratigraphic Mudin Guxu Mining Area of Chuannan Coal FieldLONG Hai-tao1,2,ZENG Wen-bin3(1.Yunnan Metallurgical Resources Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650000,China;2.China Copper Mineral Resources Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650051,China;3.Qingdao Geo-Engineering Surveying Institute,Qingdao,Shandong 266100,China)ABSTRACT：The Guxu mining area construction of the Chuannan coal field is located in the Nanyuan Xuyong peripheral forelandbasin of the Sichuan-Junlian superposed fold belt,it is made up of Gulin duplex anticline and several secondary pleats,it is affected bystructural geology,fracture development,partial rock stratum is vertical,partial rock stratum is inverted,the stratigraphic rock is broken.The mining area is shallowly developed,the rock is broken,the drill hole is leaked,the deep part coal measure strata is loose,and theboreholes collapse,which can lead to sticking,sintered drills,buried drills and frequent other accidents in the drill hole,the explorationdrilling efficiency is low,even borehole scrapping,it seriously affects the exploration progress of mining area.For the above-mentionedexploration drilling technical difficulties,it explores the proper slurry for drilling of complex strata after a series of studies and slurrytests,the on-site application result is good,which provides a convincing guarantee for exploration drilling work of the mining area.KEY WORDS：complex strata;slurry;application study;Guxu mining area30为海相碳酸盐岩和海陆过渡相碎屑岩。由新到老钻遇的地层分别是三叠系下统嘉陵江组（T1j）、飞仙关组（T1f），二叠系下统长兴组（P2c）、龙潭组（P2l），二叠系下统茅口组（P2m）3。主要岩性有灰岩、泥灰岩、砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥岩、炭质泥岩、粘土岩、煤层和硫铁矿、菱铁矿层。矿区主要含煤地层为二叠系下统龙潭组（P2l），含煤地层为总厚度约 110 m，含煤层 1018 层。通过总结矿区复杂地层特点及对钻探施工的不利影响，开展泥浆试验和泥浆方案优选，探索适用于矿区的泥浆方案。1复杂地层特点钻探施工钻遇的主要复杂地层为三叠系下统嘉陵江组（T1j）、飞仙关组（T1f）和二叠系下统龙潭组（P2l）4。1.1三叠系下统嘉陵江组（T1j）和飞仙关组（T1f）嘉陵江组（T1j）、飞仙关组（T1f）地层岩石破碎，岩溶及裂隙十分发育，受此影响，钻进过程中岩心易堵塞，发生卡钻、烧钻等孔内事故，导致钻探效率低。1.2二叠系下统龙潭组（P2l）龙潭组（P2l）地层含大量的泥岩、炭质泥岩，煤系地层岩层多为粉煤层，其结构松散、破碎，具有极强的水敏性，造浆性，遇水易膨胀，从而导致缩径、掉块甚至大面积失稳坍塌5。使用绳索取心钻进，外环状间隙小，冲洗液上返时对孔壁造成冲刷，影响孔壁的稳定。此外，起下钻具过程中孔内冲洗液压力变化的压力激动对孔壁稳定性造成极大的影响，孔壁极不稳定，易发生埋钻事故，来回扫孔导致进度慢。2复杂地层对泥浆性能的要求2.1合适的密度地层被钻开前，地下的岩石受到上覆压力、水平方向地应力和孔隙压力作用，孔壁所处的应力状态为原地应力状态，且处于平衡状态。孔眼被钻开以后地应力被释放，破坏了地层和原有应力的平衡，引起孔壁周围应力的重新分布。维护孔壁的稳定关键在于维持孔内压力的平衡状态，实现压力平衡钻进。压力平衡钻进的一般数学表达式为6：Pfrac跃Pw逸Pf式中：Pfrac为地层压裂压力，MPa；Pw为环空外压力，MPa；Pf为地层压力，MPa。从上式可以看出，维持孔壁稳定，就要使钻孔环空外压力即孔内液压力始终等于或者稍大于地层压力而又小于地层压裂（压漏）压力。结合现场实际情况，采用适量增大膨润土的加量或者加入加重剂来提高密度，从而使泥浆在孔内的液柱压力与地层压力达到相对平衡稳定，防止围岩压力作用挤垮孔壁、造成掉块、卡钻等孔内事故的发生。2.2较强的抑制性能龙潭组（P2l）泥岩中的黏土矿物含量高，遇水膨胀后缩径，导致孔壁失稳。这就要求泥浆必须有较强的抑制性能，能够抑制泥岩的水化分散，维护孔壁的稳定性。通过在泥浆中加入磺化沥青（SAS），在孔壁形成一层憎水膜，阻止泥岩水化分散，达到稳定孔壁的目的7。2.3较低的滤失量钻遇松散、破碎和泥岩地层，泥浆滤液渗入地层后会破坏岩层颗粒之间原有的胶结状态，加之岩石长时间在泥浆中浸泡后会发生水化、膨胀和分散，机械强度变低，造成钻孔垮塌，缩径8。在泥浆中加入具有抑制泥页岩效果的聚合物如磺化沥青，磺化沥青中由于含有磺酸基团，水化作用很强，当吸附在泥页岩晶层断面上时，可阻止泥页岩的水化分散，从而起到降失水的效果。2.4润滑防卡性能泥浆必须具有较好的润滑防卡功能，以减钻具磨损、冲洗循环流动阻力、设备功率的消耗和压力激动对孔壁的破坏9。3泥浆试验方案通过一些列的试验研究，结合古叙矿区地层的实际特点，优选出了适用于古叙矿区的三种泥浆配方。3.1方案玉：聚丙烯酰胺无固相泥浆泥浆配方：0.2%水解聚丙烯酰胺（PHP）+高效润滑剂。泥浆性能指标：漏斗粘度控制在 2025 s之间。龙海涛，等：川南煤田古叙矿区复杂地层泥浆研究与应用31Apr.2024Vol.53.No.2（Sum 305）2024 年 4 月第 53 卷第 2 期（总第 305 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY以聚丙烯酰胺高聚物为基础的无固相泥浆，具有钻进效率高，护壁性能优越，密度低、流变参数可调整范围大，配置简单等优点，具有较好携带和悬浮岩粉的能力和一定的护壁防塌性能，较好的润滑减阻作用10。适用于完整地层的施工。3.2方案域：聚丙烯酰胺低固相泥浆泥浆配方：3%膨润土，5%纯碱，0.3%0.5%纤维素（CMC），0.2%水解聚丙烯酰胺（PHP）。泥浆性能指标：pH 值 78，比重 11.02 g/cm3，漏斗粘度1618 s，含砂量0.5%，失水量约25 mL。聚丙烯酰胺低固相泥浆是目前绳索取心钻探中常见的泥浆类型之一，该类泥浆具有较好的选择絮凝作用的显著特点，并有一定的护壁作用，加入一定的润滑剂能满足绳索取心开高转速的要求，配合固控设备能够较好控制泥浆的比重和固相含量，且配制方法简单、使用方便、成本较低，适合在破碎、垮塌地层11。3.3方案芋：聚合物防塌泥浆聚合物防塌泥浆能够有效阻止泥页岩水化膨胀和分散，封堵裂隙，防止孔壁坍塌，且具有较好的润滑性能和降失水性能，适用于适用于松散煤系地层施工12。泥浆配方：5%膨润土，0.3%纯碱（Na2CO3），0.3%0.5%纤维素（CMC），0.02%0.04%聚丙烯酰胺（PAM），0.2%0.4%SM 植物胶，0.5%1.5%润滑剂，1%2%磺化沥青（SAS）。泥浆性能指标如表 1 所示。上述泥浆方案在现场施工过程中，可根据施工钻遇到的实际地层情况，在确保安全钻进的前提下，适当增减处理剂的用量，并根据需要适当加入重晶石来提高泥浆密度，平衡地层压力，达到维护孔壁稳定性的效果。4现场应用效果4.1方案玉在古叙矿区 0300 m 浅部孔段完整的砂岩、灰岩地层中钻进，采用方案玉的聚丙烯酰胺无固相泥浆，施工取得了良好的效果，日平均进尺达到了 2025 m，且未出现卡钻、掉块和岩心堵塞等孔内复杂情况，实现了高效率、安全、优质钻探。4.2方案域聚丙烯酰胺低固相泥浆在古叙矿区复杂破碎和垮塌孔段使用起到了较好的作用。ZK3008 孔325.5 462.3m、ZK2806 孔 343.6 456.4m、ZK3006 孔 355.4耀427.8 m 等复杂孔段在钻进过程中岩石水化膨胀、钻孔缩径、憋泵、卡钻等现象突出，采用方案域聚丙烯酰胺低固相泥浆，孔壁稳定性得到极大提高，钻进过程中减少了扫孔工作量，未出现钻孔缩径和卡钻等现象。4.3方案芋聚合物防塌泥浆主要在古叙矿区煤系地层中使用，特别是煤层孔段。如 ZK3008 孔设计孔深990 m，施工中钻遇的主要厚煤层有五层，且煤层都以粉煤为主，地层极其松散。第一层厚煤层在570578.5 m，煤层厚度 8.5 m；第二层厚煤层在591.5599.8 m，煤层厚度 8.3 m；第三层厚煤层在604.4616.5 m，煤层厚度 15.1 m；第四层厚煤层在 630.2637.5 m，煤层厚度 7.3 m；第五层厚煤层在 665.7676.5 m，煤层厚度10.8 m。施工过程中每 8 h 对泥浆的各项性能参数进行了测试与监测，其结果如下表 2 所示，从使用结果来看，聚合物防塌泥浆在煤系地层尤其是在厚煤层中的使用效果达到了预期，未发生卡钻、埋钻及缩径等孔内复杂情况和孔内事故。考虑到煤层厚度大，裸眼钻进时间长，为确保孔内安全，在该泥浆体系上适当增加泥浆的密度，以此来平衡地层的压力，达到压力平衡钻进的目的，使用该泥浆体系，顺利完成了钻孔的施工，终孔孔深1 001.2 m。根据三个方案现场应用情况，在钻孔浅部地层使用泥浆方案玉，复杂破碎和垮塌孔段使用泥浆方案域，煤系垮塌地层使用泥浆方案芋。表 1泥浆室内试验、现场测试性能参数表Tab.1The performance parameters of indoor testand on-site test of slurry塑性粘度/（mPas）动切力/Pa表观粘度/（mPas）123.512.592.210.5比重/（g/cm3）pH值漏斗粘度/s失水量/mL泥皮厚度/mm现场测试1.0892080.7室内试验1.0591860.732（上接第 29 页）参考文献：1 张晓常.元谋变质核杂岩及其控矿作用J.云南地质，2003（1）：107-115.2 杨宗良，张正清，李石英，等.牟定安益地区超贫磁铁矿产出特征：云南省有色地质局建局 60 周年学术论文集C.北京：中国地质科学院地球学报编辑部，2013.3 李石英.牟定大湾山磁铁矿成矿规律J.云南地质，2014，33（1）：85-90.4 罗文军，徐腾，李毅超.云南大姚县秀水河金铜矿特征及找矿标志J.云南地质，2017，36（3）：350-354.5 代清华，罗显辉.“元谋古陆”斑岩型金矿J.云南地质，2004（3）：310-320.6 纪辉，张正清.云南大姚秀水河金铜矿区勐岗河矿段矿床成因J.云南地质，2009，28（3）：295-298.7 杨宗良，杨世坤，王正常，等.云南姚安老街子铅矿地质及银的赋存状态J.云南地质，2007（1）：106-111.8 何幸萍，杨登菊，杨从府.铁铜矿的矿床地质特征及找矿潜力分析J.世界有色金属，2017（7）：288-289.5结 语现场实践表明，古叙矿区复杂地层钻探采用的泥浆方案是合理的、适用的，确保了矿区钻探工作安全高效的实施，对类似地层钻探有一定的参考作用，不足之处在于聚合物防塌泥浆体系的处理剂种类较多，有待进一步研究探索。参考文献：1 朱志敏，陈岑，尹中山.川南煤田晚二叠世含煤系统分析J.煤炭科学技术，2010，38（7）：104-108.2 门玉澎，陈小炜，戚明辉，等.川南古叙矿区煤层气资源有利区优选J.沉积与特提斯地质，2019，39（1）：68-74.3 李得新，首照兵，杨刚.川南煤田古叙矿区大村勘查区复杂地层钻探施工技术J.探矿工程（岩土钻掘工程），2017，44（9）：44-48.4 陈保忠，黄冰.川南煤田钻进快速堵漏方法探索J.地质装备，2012，13（1）：35-37.5 黄平.川南煤田古叙矿区两河矿段 25-2 钻孔事故分析及处理J.探矿工程（岩土钻掘工程），2010，37（8）：29-31.6 王达，何远信.地质钻探手册 M.长沙：中南大学出版社，2014.7 王维，韩金良，亓宗凯，等.临汾区块煤系地层泥页岩防塌钻井液技术研究J.非常规油气，2023，10（2）：107-114.8 韦猛，曾一芳，朱金勇，等.含煤地层封堵抑制型钻井液添加剂的研究J.煤田地质与勘探，2018，46（6）：212-216，222.9 李勇，陈怡，王虎，等.磺化沥青钻井液在贵州地热勘探井中的应用J.探矿工程（岩土钻掘工程），2015，42（1）：27-30.10 韩建，隆威，郑克清.煤系复杂地层钻探护壁浆液研究与应用J.煤田地质与勘探，2013，41（6）：90-92.11 邹杰，陈礼仪，王胜，等.罗平煤矿勘探复杂地层组构分析与防塌技术研究J.科学技术与工程，2015，15（7）：161-166.12 徐铮，陈礼仪，章述，等.云南罗平复杂地层煤矿勘查泥浆体系的研究与应用J.探矿工程（岩土钻掘工程），2014，41（3）：29-32.表 2煤系层泥浆性能监测指标Tab.2The performance monitoring indicatorsof coal stratum slurry时间/h孔深/mpH值比重/（g/cm3）漏斗粘度/s失水量/mL8579.691.081960578.591.0719616589.291.0920624598.891.0822632608.491.0921740618.091.0820664646.891.1024772656.491.1125780666.591.1024748627.691.1023856637.291.10239龙海涛，等：川南煤田古叙矿区复杂地层泥浆研究与应用33