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1、wordSM植物胶在钻探中应用【关 键 词】 SM植物胶 钻探【容摘要】 本文着重论述了SM植物胶在岩心钻探领域的应用，特别是硬、脆、碎地层在取芯质量方面取得满意的效果。岩心钻探，仍然是目前和今后国外地质工作者获取直观地质资料的主要手段之一，是提高岩心钻探取心质量，获取地质资料的主要手段，是钻探工作者的主要职责和奋斗目标。取心质量从最早的概念和要求来说，就是岩心采取率，只要取出的岩心数量多就可以了。现代由于工程勘察的发展和质量要求的提高，还要求取出代表岩层结构、构造、成分、颗粒级配的原结构状岩心样。即使矿床勘探，取得原结构状岩心也是必要的，如金矿，可以防止分选和人为贫化；对于任何脉状矿体，都可
2、以防止打丢，并保证含矿层的真实厚度和品位。因此现在的取心质量应该包括岩心采取率和岩心的原状结构程度两个指标。1.关于泥浆的应用植物胶类钻井液的应用，金刚石单动双管钻具的改进和操作工艺技术的完善，为取原结构状岩心样创造了条件，它已成为一套完整的工艺技术。2.影响因素影响取心质量的因素可归纳为三个方面，即地质因素、技术因素和人为因素。掌握影响的因素就可探索提高取心质量的有利因素，消除不利因素。2.1地质因素地质因素是地质条件决定的取心难易程度，不论是覆盖层或者是基岩，大致可以分为三大类岩层：第一类，是比较容易取心的地层，如比较完整或不很严重破碎的基岩以及泥岩等，用常规的钻探方法就可以满足取心的质量
3、要求。第二类，取心比较困难，或者相当困难的复杂地层，如砂卵石覆盖层、基岩的断层带、软弱夹层、严重破碎的挤压破碎带、软酥脆岩层以及自然状态下完整，但一经钻进就成为粗砂颗粒的岩层（如白云岩、硅质岩等），这类地层必须经过人们采用特殊的工艺技术措施和特殊的工具才能满足取心的质量要求。第三类，取心非常困难，目前只能通过一定特殊工具采取部分代表性样品的地层，既不能保证岩心采取率要求，更不能保证岩样结构的地层，如基岩中已挤压破碎成均匀粗颗粒，又无粉状物充填的硬碎地层；砂卵石地层中的架空层，近代沉积的浅表层、人工堆积层、无细颗粒充填的均匀砾石层，石英砂岩卵石层，以及抽水井、降水井周围卵石层等等。后者砂卵石层通
4、过一定的措施在一定的围，可以提高岩心采取率，但不能取得原结构岩心样。下面解决的是第二类复杂地层钻进和取心问题。2.2技术因素技术因素是指人们采用的取心工具、材料和工艺技术措施对取心质量的影响。2.2.1冲洗液的影响从传统的要求来说，钻探冲洗液的作用只是冷却钻头，排除岩粉，保护孔壁（部分冲洗液）和润滑钻具（润滑冲洗液）四大功能。传统的冲洗液如清水、加润滑剂的水溶液、泡沫液、泥浆及聚丙烯类无固相冲洗液，都对岩心有冲刷、浸润和液化作用，岩心中的松软破碎的细颗粒成分都会溃散而被冲掉，因此很难取得高质量的岩心。现代植物胶类粘弹性钻井液的研究和应用，除了上述功能以外，还具有保护岩心（护胶作用），粘弹性减振
5、作用和降摩阻效应三大特殊功能，这三大特殊功能为上述第二类复杂地层提高取心质量创造了必须的先决条件。S系列植物胶钻井液是目前使用最简单，效果最好的粘弹性钻井液。2.2.2取心钻具的影响取心钻具的影响包括钻具的种类、结构和加工质量。单管钻具只在完整岩层和取心质量无严格要求的地层中使用，孔底反循环钻具因为岩心严重分选和混乱，现在也很少应用。技术性能是指所用钻头的种类、技术参数和加工钻具的材料质量及磨损程度。单动双管钻具所用钻头可以是热压孕镶金刚石钻头、电镀金刚石钻头、硬质合金钻头和复合片钻头，其基本要钻进速度快，不易堵岩心，不磨损岩心，不因切削具的振动而破碎岩心。不难理解：选择的钻头进尺快，岩心在钻
6、头处停留的时间短，被冲洗液冲刷的时间短；钻头设计的保径效果好，径磨损小，不呈喇叭口，则不易堵岩心，避免岩心自磨；硬质合金双管钻头和复合片钻头不设计出刃，在软岩中钻进不会因为钻具的晃动使岩心直径变小；在某些硬度不高的脆性岩层中钻进如果选用硬质合金钻头和复合片钻头，会因为振动较大，岩心破碎呈小颗粒状和砂砾状而无法卡取（如白云岩、岩、硅质岩等），实践证明上述这些因素都对取心质量有重大影响。生产钻具的材料质量（主要是钢材质量）及其热处理效果，直接影响钻具零部件寿命和变形程度。零部件很快磨损和变形到一定程度，就不能保证钻具的单动性能，都会严重影响到取心质量。在实际生产过程中，考虑到我们的生产工作量不大的
7、实际状况，只能选取热压孕镶金刚石钻头。2.2.3操作技术的影响操作技术包括钻进参数和施工工艺。就岩心钻探来说，钻进参数是指钻进时的压力、转速和泵量。泵量是影响取心质量最关键的钻进参数。不论哪一种冲洗液，泵量越大，冲刷岩心越严重，对软弱、破碎的岩心十分不利，因此应根据岩石的性质选择冲洗液的种类，保证冷却钻头和排除岩粉的条件下，应尽量采用最小的泵量。在生产实际中，在松散破碎带的金刚石钻探中，为了保证岩心质量，泵量越小越好。泵压在正常条件下不作为钻进参数的要求，但是泵压在不正常时，会影响取心质量，应引起操作者注意，查明原因，采取措施排除。如泵压迅速增高或蹩泵，其原因如果是孔壁缩径坍塌或者粘性岩层糊钻
8、及钻头磨损后水口太浅，钻具泵压增高，冲洗液在高压下会破坏软弱、破碎和松散的岩心，因而会降低取心质量。如果是钻具或钻杆堵塞，则可能产生烧钻或金刚石微烧。这里的泵压就要求近可能的小。施工工艺包括施工设计方案和具体操作细则，容较多，这里不再叙述。2.3人为因素人为因素对取心质量的影响是人们对取心质量的要求和付出的努力的程度。由于工程勘探的目的不同，对取心质量的要求不一样，对于取心质量要求不高的钻孔，自然毋须花大的代价去追求高的取心质量。但对于取心质量要求高的工程和钻孔，特别是取心难度大的钻孔，不花代价是较难达到目的的。这个代价来源于普通常规方法无法满足去新的需要，经同行介绍使用该SM泥浆。S系列植物
9、胶钻井液最早创硏于1984年，当时只有唯一的一个产品，商品名称叫SM植物胶钻井液，系发明专利。在国地质勘探中畅销二十余年，由于原料资源减少，故已逐渐淘汰。2005年以来新研制开发的产品有SH和ST两种类型的植物胶，与SM胶一起统称为S系列植物胶。SH和ST与SM胶一样，它们配制的钻井液，都是粘弹性钻井液，不仅具有其他钻探冲洗液的基本性能，而且具有与其他冲洗液不同的特殊功能；它们不仅可以配制无固相钻井液，而且是多功能的泥浆处理剂。SH和ST植物胶配制的钻井液，与SM胶一样，由于胶体的吸附成膜作用，失水量较低，一般在10毫升/30分钟左右，在钻孔中，尤其是软、酥、脆地层和砂卵石地层护壁效果较好；使
10、用中因为配制的表观粘度比较高，即使采用较小的泵量，排粉的能力也很强，可以排除3毫米以上的砂砾；它本身具有一定的润滑性，可降低水的润滑系数，起到润滑钻具的作用。在采用必须的泵量保证冷却钻头的条件下，它们能够充分地起到普通钻探冲洗液四大功能的作用。3植物胶配制的粘弹性钻井液S系列植物胶配制的粘弹性钻井液表现出突出的特殊功能有三项：1、护胶作用（也叫护心作用）；2、粘弹性减振作用；3、减摩阻效应。3.1护胶作用S系列植物胶是天然多糖类支链型高分子材料，用水溶胀后形成体型网状结构，在岩心表面吸附形成胶膜，防止水份渗入和穿透，避免液化和崩塌，因此也避免岩心被冲刷，起到隔水的作用。浓度越高，网状胶膜越厚而
11、密实，因而护心、护壁的效果好。同时这种粘弹性胶体在砂样和软弱岩心表面及一定深度的表层具有胶结作用和粘弹性强度，抵抗钻具的振动破坏和地表其他外力的破坏，保持原状结构，而泥浆产生的泥皮是粘塑性体，胶体很少，大多是固体颗粒，护壁原理不一样，效果也就不一样，因而不能护心。3.2粘弹性减振作用粘弹性是指流体既有粘性又有弹性，是高分子类流体的一种特性。它的性能有一个很重要的特点是时间效应，外力作用于该流体的时间越短，该流体的弹性模量越高，流体的变形和位移也就越小。钻杆在粘弹性冲洗液的钻孔中高速旋转时，转速越高，横向振动力越大，但钻杆某一点横向作用于冲洗液某一点的时间就越短，冲洗液对钻杆的径向反作用力就越大
12、，这个力阻止钻杆弯曲变形就象钻杆在同口径的直孔中旋转一样，这样就增大了钻杆弯曲的半波长度，减小了振动，也减轻了钻杆对孔壁的敲击作用，这就是粘弹性钻井液能减振的原因。现场实践证明，S系列植物胶钻井液粘度越高，钻杆转速越高，减振的效果越明显，振动越小，越平稳。在同等条件下，它比其他冲洗液钻进，转速可高开12档。在数十米砂卵石层钻孔中，94口径可开8001000转/分转速。金刚石钻进需要高转速，才可能高效率，进尺快，减少岩心在钻头处被冲刷的时间，有利于提高取心质量。同时，钻具旋转平稳，振动小，也减少了钻具对岩心的机械破坏作用。有利于提高取心质量，也减小了动力消耗。3.3减摩阻效应润滑冲洗液是为了降低
13、钻井液的摩擦系数，减少在循环通道中的摩擦阻力，而达到降低泵压，减小钻具振动的目的，在钻井液中加入润滑剂。S系列植物胶钻井液具有较好的减摩阻效应，不是因为本身摩擦系数大小的原因，而是一种层间滑动，它的摩擦系数为0.26，水中加入皂化油的摩擦系数是0.12，但是S系列植物胶钻井液比皂化液、清水、低固相泥浆（含PHP）的降摩阻效果都好。几十米的砂卵石钻孔，泵压不超过0.5MPa，而且粘度达10分钟以上，泵压也不增加，且不影响泵汲，而清水，低固相泥浆泵压则在1MPa以上，低固相泥浆能泵汲的最高粘度只有60S左右。泵压低，不仅减少动力消耗，减少机械故障，并为配制高粘度的粘弹性钻井液提供了可能性。在钻具冲
14、洗液的压力小，减小对岩心的冲刷力和浸润破坏程度，因而可提高取心质量。以上S系列植物胶粘弹性钻井液在很大程度上解决了复杂地层取心质量，金刚石钻进开高转速和降泵压的难题。4.单动双管机构SDB系列金刚石钻具（实用新型专利）是在SD系列金刚石钻具（发明专利）的基础上改进的换代产品。SDB系列金刚石钻具是双级单动机构的双层岩心管钻具。它适用于砂卵石覆盖层和中深孔以基岩复杂地层岩心钻探。它适用于植物胶钻井液和低固相泥浆钻进，也适用于清水钻进。它的特点是功能齐全，单动性能好。配合S系列植物胶钻井液在砂卵石覆盖层和基岩破碎地层钻进，岩心采取率可达95100，而且可以取得松散、破碎地层的原结构柱状岩心。SDB
15、系列金刚石钻具（以下简称SDB钻具）目前有三级口径：SDB110,SDB94,SDB77。它们是以非标准钻头外径标称钻具口径，当然也可以配其他口径的非标准钻头，因钢体长度不一样，应专门订制（如SDB91、SDB95、SDB75等）SDB钻具的结构包括导向除砂打捞机构，单向阀机构，双级单动机构，管机构和外管机构五大部分。4.1导向除砂打捞机构在钻具的上部，钻杆和单动接头之间增设一根与岩心外管同口径的，长度可任定的沉砂管，以便增加粗径钻具长度，防止孔斜，并作为除砂管用。外管接头装有单向阀机构，单向阀上阀座安有一根隔砂管，冲洗液不能从沉砂管下端直接进入单向阀，而必须从隔砂管上部的侧孔经隔砂管进入单向
16、阀，经外管接头进入外管之间。沉砂管径比钻杆径大，冲洗液进入沉砂管后流速降低，由于钻杆和钻具的高速旋转，带动冲洗液高速旋转使泥砂分离。沉砂管起到了离心除砂作用，冲洗液中的岩屑沉积于管壁和沉砂管下部。进入隔沙管的冲洗液则是比较纯净的，含砂量较低的浆液，起到净化钻井液的作用，这就是除砂机构的原理。SDB钻具单动机构比较复杂，掉钻具时打捞比较困难，因此在单向阀上阀座之上加工有打捞头（50方钻杆公接头丝扣），可用50方钻杆打捞。4.2单向阀机构由于砂卵石覆盖层和基岩破碎地层钻进，采用浓度较高的冲洗液（植物胶或泥浆），钻孔底部浆液含砂量较重，而且孔底沉积的岩屑和砂子也多，钻具下钻时，钻杆液柱压力低，快速下到孔底，造成较大的外压差，孔底冲洗液夹带着泥砂从钻头进入外管并从钻杆上返，有时直达孔口，停止下钻后，粗颗粒泥砂迅速下沉，堵塞在外管之
