陶士先，李曉東，吳召明，黃衛(wèi)東，柳福德

(1. 北京探礦工程研究所，北京 102405；2. 山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東臨沂 276000；3. 中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì)青海分隊(duì)，青海西寧 810000)

強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系的研究與應(yīng)用

陶士先1，李曉東1，吳召明2，黃衛(wèi)東3，柳福德3

(1. 北京探礦工程研究所，北京 102405；2. 山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東臨沂 276000；3. 中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì)青海分隊(duì)，青海西寧 810000)

強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系是地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“重點(diǎn)成礦帶鉆探?jīng)_洗液關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目的研究成果之一，是以強(qiáng)成膜性護(hù)壁劑GCMJ-2為主要處理劑而配制的一種護(hù)壁沖洗液體系。該沖洗液體系主要針對(duì)松散破碎地層及強(qiáng)水敏性地層的鉆探施工中遇到的難題，具有強(qiáng)成膜性、抑制性和膠結(jié)性。通過(guò)在寧夏銀川盆地第四系環(huán)境科學(xué)鉆探、新疆黃土鉆探以及四川若爾蓋湖泊科學(xué)鉆探中應(yīng)用，該體系顯示出較強(qiáng)的護(hù)壁和護(hù)心效果：孔壁穩(wěn)定、取心質(zhì)量好，有效地保證了項(xiàng)目的順利實(shí)施。

強(qiáng)成膜性 抑制性 護(hù)壁沖洗液

Tao Shi-xian, Li Xiao-dong ,Wu Zhao-ming, Huang Wei-dong, Liu Fu-de. Research and application of the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system for drilling[J]. Geology and Exploration, 2014, 50(6):1147-1154.

地質(zhì)鉆探中經(jīng)常遇到松散破碎地層及強(qiáng)水敏性分散剝落地層，導(dǎo)致一系列問(wèn)題，諸如孔壁坍塌、掉塊、分散、剝落等，成孔困難，鉆進(jìn)效率低。因此，研究具有強(qiáng)膠結(jié)性、隔水性及抑制性沖洗液體系，施工中結(jié)合與地層條件相適應(yīng)的工藝參數(shù)，對(duì)于有效防止孔內(nèi)事故，提高鉆進(jìn)效率和取心質(zhì)量具有重要意義。為此，依據(jù)此類(lèi)地層特性及地質(zhì)鉆探特點(diǎn)，開(kāi)展了強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系的研究。

1松散破碎及強(qiáng)水敏性分散剝落地層孔壁 穩(wěn)定原理

1.1松散破碎及強(qiáng)水敏性分散剝落地層孔壁失穩(wěn) 原因

孔壁穩(wěn)定性是指孔壁保持其原始狀態(tài)的能力。影響孔壁穩(wěn)定性的因素包括三個(gè)方面，即地質(zhì)因素、沖洗液影響及施工過(guò)程中對(duì)孔壁的破壞。地層沒(méi)有鉆開(kāi)之前處于一種力學(xué)平衡狀態(tài)，當(dāng)鉆開(kāi)形成井眼后，平衡被破壞，地應(yīng)力的二次分布所產(chǎn)生的指向孔內(nèi)引起孔壁向孔內(nèi)移動(dòng)的應(yīng)力，是孔壁不穩(wěn)定的根本原因(胡繼良等，2011)。沖洗液影響主要體現(xiàn)在水化作用、溶蝕作用和沖蝕作用等方面，與沖洗液性能及其參數(shù)有關(guān)。施工過(guò)程中對(duì)孔壁的破壞主要體現(xiàn)在鉆頭對(duì)孔壁的碰撞、提下鉆過(guò)程中的抽吸作用和沖擊作用。

1.1.1 松散破碎地層孔壁失穩(wěn)原因

鉆探過(guò)程中遇到的松散破碎地層一般分為兩類(lèi)(劉燦銘，2010)。

一是由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用形成的復(fù)雜破碎地層，即由地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的擠壓、張拉、剪切等作用，使巖層產(chǎn)生節(jié)理、裂隙、裂縫、斷層和片理，其中堅(jiān)硬的脆性巖石受構(gòu)造力的劇烈作用最易形成復(fù)雜破碎地層。

二是在外力地質(zhì)作用下形成的松散破碎地層，如風(fēng)化層、河流沖積層、洪積層，風(fēng)積層。巖層經(jīng)風(fēng)化作用變?yōu)閹r性較松散、膠結(jié)性差的風(fēng)化層，而沖積、洪積、風(fēng)積作用形成的各種沉積層一般含有粘土、流砂、卵石、礫石、漂石等。這類(lèi)地層孔壁不穩(wěn)定的主要原因如下(楊月堂，2010)。

(1) 由于孔隙、裂隙發(fā)育，膠結(jié)性差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散、機(jī)械強(qiáng)度低，在地層坍塌壓力作用下易產(chǎn)生掉塊、孔壁坍塌、巖心采取率低等情況。

(2) 地層滲透性強(qiáng)，沖洗液或沖洗液濾液進(jìn)入松散破碎地層裂縫后，使地層裂縫加寬，膠結(jié)物減少，巖石碎塊之間的摩擦力降低，孔壁機(jī)械強(qiáng)度降低；同時(shí)沖洗液對(duì)孔壁的沖刷，使孔壁的不穩(wěn)定因素進(jìn)一步加劇。

(3) 施工過(guò)程中，鉆頭對(duì)孔壁的碰撞、提鉆過(guò)程中對(duì)孔壁的抽吸作用(繩索取心鉆進(jìn)，抽吸作用更加明顯)、下鉆過(guò)程中對(duì)孔壁的沖擊以及提鉆不灌漿等，是導(dǎo)致孔壁坍塌、掉塊的直接誘因(周桂芝等，2011)。

1.1.2 水敏性分散剝落地層孔壁失穩(wěn)原因

水敏性地層主要指泥頁(yè)巖地層。泥頁(yè)巖與水接觸后，由于水化作用，引起孔壁不穩(wěn)。地層中若含膨脹性粘土，如蒙脫石、伊蒙混層為主時(shí)，可能引起膨脹和分散；若含非膨脹性粘土，如伊利石、高嶺石為主時(shí)，則可能剝落掉塊；變質(zhì)巖千枚巖化或糜棱巖化地層遇水也可能分散剝落。水敏性分散剝落地層主要指后面兩種情況。

水敏性巖層水化，造成孔壁地層變化的原因主要有：

(1) 抗剪切強(qiáng)度下降。由地質(zhì)作用而壓實(shí)的頁(yè)巖和粘土礦物，存在分子、磁性、毛細(xì)管及離子靜電等的引力，強(qiáng)度可高達(dá)幾百個(gè)大氣壓，脫水后引力還要增大。水化作用會(huì)引起地層吸附水分子，降低了粘土體系的表面能，同時(shí)擴(kuò)大了層間間距，減少了顆粒間引力，從而導(dǎo)致孔壁圍巖的抗剪強(qiáng)度下降。

(2) 水化使巖層產(chǎn)生很大的膨脹壓力，膨脹壓力增加了孔壁周?chē)]圈應(yīng)力。如果閉圈應(yīng)力大于頁(yè)巖的屈服應(yīng)力，孔壁穩(wěn)定性下降。

(3) 地層層面、紋理和裂隙是良好的毛細(xì)管通道，水進(jìn)入毛細(xì)管產(chǎn)生的壓力使巖層骨架遭受破壞。水化膨脹弱的伊利石等因毛細(xì)管水侵入而崩解，造成孔壁垮塌。

(4) 混合層粘土礦物如伊-蒙、綠-蒙、綠-蛭、滑-皂混層，其水化能力各異，導(dǎo)致非均質(zhì)膨脹，而使孔壁不穩(wěn)。

1.2松散破碎及強(qiáng)水敏性分散剝落地層孔壁穩(wěn)定 措施

1.2.1 力學(xué)平衡

地層坍塌壓力的大小與上覆巖層壓力、最大水平地應(yīng)力、最小水平地應(yīng)力、地層孔隙壓力、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等因素有關(guān)。若沖洗液的液柱壓力能有效

平衡坍塌壓力，則能維持孔壁的穩(wěn)定(張曉靜，2007)。因此，沖洗液需具有合理的密度，以平衡地層的坍塌壓力。

1.2.2 降低水化作用影響

沖洗液中的水進(jìn)入地層，是引起地層不穩(wěn)定的主要外在因素，阻止或減少?zèng)_洗液中的水進(jìn)入地層是降低水化作用的關(guān)鍵。因此，降低沖洗液濾失量、采用具有良好隔水作用的成膜性材料是降低水化作用影響的最直接、最有效的手段。

1.2.3 強(qiáng)化孔壁

加入封堵性材料，堵塞孔隙或裂隙，防止由于沖洗液的浸泡造成孔壁強(qiáng)度降低；同時(shí)通過(guò)加入具有較強(qiáng)粘接性的材料，強(qiáng)化顆粒與顆粒之間的膠結(jié)，起到強(qiáng)化孔壁的作用。

1.2.4 規(guī)范操作

鉆井施工中，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作，避免由于人為的操作不當(dāng)而造成的孔壁不穩(wěn)。

2 強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系組成及性能

2.1 體系用材料及作用

強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系中所用的處理劑及其作用如下：

(1) 鈉膨潤(rùn)土：造漿材料，具有造漿和膠結(jié)孔壁的作用。

(2) 成膜護(hù)壁劑(GCMJ-2)：具有強(qiáng)成膜特性，粘接性和隔水性好，抑制作用強(qiáng)。

(3) 包被劑(BBJ)：具有包被和適度絮凝作用。

(4) 抗鹽共聚物(GTQ)：提高粘切、降低失水，利于重晶石懸浮。

(5) 降濾失劑(GPNA)：具有降低濾失量的作用。

(6) 防塌型隨鉆堵漏劑(GPC)：用于封堵孔內(nèi)裂隙，防止或降低沖洗液進(jìn)入地層。

(7) 重晶石：用于提高沖洗液密度，平衡地層的坍塌壓力。

2.2 體系配方

強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系配方如下：

0%～3%鈉膨潤(rùn)土 + 3%～10%GCMJ-2 + 0.5%～1%GTQ + 0.5%～1.0% GPNA + 1%～3%GPC + 重晶石(按需加入)

2.3 體系性能

2.3.1 體系常規(guī)性能

(1) 試驗(yàn)配方見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系試驗(yàn)配方Table 1 Experimental formula of strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system

(2) 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系常規(guī)性能Table 2 Regular properties of the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system

從表2可以看出，上述配方均具有較低濾失量和良好的流變性能。

2.3.2 體系抑制泥頁(yè)巖膨脹性能

試驗(yàn)巖心用安邱土壓制，儀器采用NP-01型頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀。分別用蒸餾水和沖洗液(配方見(jiàn)表1)浸泡巖心，測(cè)巖心線(xiàn)性膨脹量，并計(jì)算相對(duì)膨脹降低率。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，強(qiáng)成膜護(hù)壁沖洗液體系的相對(duì)膨脹降低率達(dá)到80%以上。

表3 強(qiáng)成膜護(hù)壁沖洗液體系抑制性能 Tab 3 Inhibitive properties of the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system

2.3.3 體系抑制分散及隔水性能

采用吉林紅旗嶺礦區(qū)采集的巖心碎塊(見(jiàn)圖1)直接壓制成巖心(見(jiàn)圖2)。該巖心滲透率高，水敏性強(qiáng)，見(jiàn)水即分散。

圖1 水敏性巖心碎塊Fig.1 Chippings of water sensitive core samples

圖2 壓制的巖心Fig.2 Compressed core samples

分散試驗(yàn)方法：按2.3.1中的1#配方配制沖洗液，用該沖洗液浸泡圖2的巖心，同時(shí)采用清水和LBM沖洗液(水+5%LBM)做對(duì)比，浸泡后的巖心情況見(jiàn)圖3、圖4和圖5。

圖3 用清水浸泡巖心30 s后Fig.3 Core sample soaked in water for 30 s

圖4 用LBM沖洗液浸泡巖心40 h后Fig.4 Core sample soaked in LBM system for 40 h

圖5 用強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系浸泡巖心30天后Fig.5 Core sample soaked in the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system for 30 d

從圖3可以看出，該巖心的水敏分散性很強(qiáng)，僅30 s左右即全部散掉；一般情況下，巖心經(jīng)過(guò)普通沖洗液浸泡幾小時(shí)后就會(huì)變得比較松軟，浸泡2～3天后，基本都不成型(見(jiàn)圖4)；而用強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液浸泡過(guò)的巖心則能夠保持完整，從圖5可以看出，巖心表面有一層結(jié)實(shí)致密的膜，將巖心掰開(kāi)后可發(fā)現(xiàn)，巖心除濕度稍有增加外，整體形狀依然完好。

3 強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系在銀川盆地第四系 科學(xué)鉆探工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1.1 項(xiàng)目概況

銀川盆地第四系科學(xué)鉆探工程源于中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所的《中央造山帶與南北構(gòu)造帶交匯區(qū)地殼深部地質(zhì)調(diào)查》項(xiàng)目。該工程共完成鉆孔2個(gè)，其中ZK-1號(hào)孔位于平羅縣高莊鄉(xiāng)，完鉆孔深為1168.64 m，ZK-2號(hào)孔位于平羅縣頭閘鎮(zhèn)，完鉆孔深為720.78 m。

該項(xiàng)目實(shí)施的鉆孔位于銀川盆地平羅縣北部，屬于銀川地塹式斷陷盆地的北端，地處賀蘭山東麓洪積扇沖積平原與黃河沖積平原交界處。地層內(nèi)堆積有巨厚的第四系沉積物，其巖性主要以中、細(xì)砂為主，夾有少量粘土，地層松散堆積，成巖性差，砂層基本無(wú)膠結(jié)，部分地層含水豐富，且存在流沙層。

3.1.2 施工中存在的問(wèn)題

由于地層膠結(jié)性差，巖心采取率低，普通沖洗液攜砂和防塌護(hù)壁性能不佳，孔內(nèi)巖粉沉淀較多，孔壁不穩(wěn)定，給施工帶來(lái)安全隱患。

在0～450 m孔段施工中，使用的沖洗液為膨潤(rùn)土+CMC體系，其性能見(jiàn)表4。

表4 原沖洗液體系各項(xiàng)性能Table 4 Properties of the former flushing fluid system

該沖洗液具有較好的懸浮性能，但粘度較高，巖粉不易沉淀，導(dǎo)致體系內(nèi)含砂量過(guò)高，不僅影響沖洗液性能，還增加了對(duì)泥漿泵、管線(xiàn)及鉆具的磨損；加重后沖洗液可平衡地層壓力，有一定的防塌效果，但是濾失量較大，水進(jìn)入地層后會(huì)加速坍塌，而且形成的泥皮虛厚，不能有效的保護(hù)巖心和孔壁。因此施工過(guò)程中出現(xiàn)了以下問(wèn)題：

(1) 孔內(nèi)坍塌。鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生坍塌現(xiàn)象，在ZK-1號(hào)孔鉆進(jìn)施工中，前40 m沖洗液未加重，地層極易坍塌，后加重至1.35～1.40 g/cm3，坍塌現(xiàn)象有所減少，但每隔3～4 d仍有坍塌，下鉆經(jīng)常遇阻，需掃孔才能下鉆到底。

(2) 取心率低。松散砂層在鉆具與沖洗液的作用下容易擾動(dòng)分散，且存在流沙層，容易被沖洗液直接沖散帶出，導(dǎo)致實(shí)際取心率較低。另外在提鉆取心過(guò)程中有巖心脫落的現(xiàn)象，也導(dǎo)致取心率下降。圖6為整段地層出現(xiàn)最多的松散砂層，圖7為含水量較高孔段的巖心，呈流動(dòng)狀。

(3) 鉆進(jìn)效率低。由于地層松散，巖心剛進(jìn)入巖心管，便松散垮掉，堵塞巖心管，從而頂住鉆具，導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)尺。現(xiàn)場(chǎng)所用巖心管長(zhǎng)度為250 cm，鉆進(jìn)時(shí)，初始機(jī)械鉆速可達(dá)到1～2 m/h，但是在進(jìn)尺50 cm后機(jī)械鉆速明顯下降，甚至不進(jìn)尺，只能提鉆，從而大大降低了鉆進(jìn)效率。

3.1.3 強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液的現(xiàn)場(chǎng)配制與維護(hù)

ZK-1號(hào)孔鉆進(jìn)至450 m時(shí)，因鉆塔基礎(chǔ)沉陷，將孔位移動(dòng)至距離原孔20 m左右的位置，重新開(kāi)孔鉆進(jìn)，并換用強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系進(jìn)行施工。

強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系配方如下：

圖6 松散砂層巖心Fig.6 Cores of loose sand formation

圖7 流砂層的巖心Fig.7 Cores of quick sand formation

1%～3%膨潤(rùn)土+0.5%～1%GTQ+1%～2%GPC+0.5%～1.0%GPNA+3%～5%GCMJ-2+重晶石沖洗液性能見(jiàn)表5。

表5 強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系各項(xiàng)性能Table 5 Properties of the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system

強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液粘度適中，既有良好的懸浮性能，又可有效地沉淀巖粉，保證穩(wěn)定的沖洗液性能；強(qiáng)成膜護(hù)壁劑能提高沖洗液的膠結(jié)性，當(dāng)形成泥皮時(shí)，強(qiáng)成膜護(hù)壁劑粘結(jié)在孔壁上，形成堅(jiān)韌致密的保護(hù)膜，牢固的粘結(jié)松散砂層，同時(shí)有效包裹巖心，保護(hù)巖心的完整性?，F(xiàn)場(chǎng)使用和維護(hù)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

(1) 初次配制沖洗液時(shí)，配方里各處理劑加量均按最大加量加足，由于上部地層含水較多，可能會(huì)稀釋沖洗液，導(dǎo)致粘度降低，影響懸浮能力，同時(shí)會(huì)增強(qiáng)沖洗液對(duì)孔壁的沖刷，容易造成孔壁垮塌。

(2) 嚴(yán)密監(jiān)測(cè)沖洗液性能變化，當(dāng)沖洗液性能變化超出表5所示的范圍時(shí)，根據(jù)實(shí)際變化情況調(diào)整處理劑加量，使各項(xiàng)性能維持在表中所示的范圍內(nèi)。

(3) 除砂器在沖洗液粘度較高的情況下除砂效率較低，可以在沖洗液過(guò)篩前加入清水稀釋?zhuān)缓笱a(bǔ)充加水量對(duì)應(yīng)的處理劑加量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使用此方法可提高除砂器的效率。

(4) 隨著孔深越來(lái)越深，孔底的液柱壓力越來(lái)越大，沖洗液實(shí)際失水量會(huì)顯著增大，加之水在松散砂層內(nèi)極易擴(kuò)散，因此必須嚴(yán)格控制沖洗液濾失量與泥皮質(zhì)量。

3.1.4 強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液現(xiàn)場(chǎng)使用效果

(1) 防塌護(hù)壁效果明顯

用現(xiàn)場(chǎng)配制的沖洗液對(duì)巖心進(jìn)行浸泡，可以發(fā)現(xiàn)，巖心在清水中浸泡幾分鐘后便松散垮掉；而用沖洗液浸泡巖心24 h后，如圖8所示，巖心依然完好如初，且?guī)r心內(nèi)部無(wú)沖洗液侵入巖心內(nèi)部。從現(xiàn)場(chǎng)取出的巖心來(lái)看，如圖9所示，可以看到在巖心表面有一層致密堅(jiān)韌的保護(hù)膜，有效地防止了地層水對(duì)巖心的侵入破壞，證明強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系具有強(qiáng)成膜性，可有效包裹保護(hù)巖心，同時(shí)可在孔壁上形成致密結(jié)實(shí)的保護(hù)膜，從而有效保護(hù)孔壁，防止孔內(nèi)坍塌掉塊。

圖8 強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液浸泡12 h的巖心Fig.8 The core soaked in the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid for 12 h

(2) 取心率顯著提高

ZK-1號(hào)孔0～450 m孔段所用原沖洗液體系，總?cè)⌒穆蕛H為85.09%，低于設(shè)計(jì)要求(≥90%)；450 m以下孔段換用強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系，總?cè)⌒穆矢哌_(dá)96.87%，取心率明顯提高。ZK-1號(hào)孔各孔段取心率見(jiàn)表6。ZK-1號(hào)孔最終全孔段總?cè)⌒穆蕿?2.33%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。ZK-2號(hào)孔全孔使用強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系，最終取心率高達(dá)94.68%，完全滿(mǎn)足鉆探設(shè)計(jì)要求。

表6 ZK-1號(hào)孔各孔段使用不同沖洗液體系時(shí)的取心率Table 6 Coring recovery rates of the two flushing fluid systems in the ZK-1 hole

圖9 強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液包裹完好的巖心Fig.9 The intact core coated by the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid

(3) 鉆進(jìn)效率提高

ZK-1號(hào)孔前450 m施工時(shí)間將近4個(gè)月，純鉆時(shí)平均機(jī)械效率不足1 m/h，而使用強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系后，從450 m鉆至1168.64 m、進(jìn)尺718.64 m的施工時(shí)間僅為2個(gè)月，純鉆時(shí)平均機(jī)械效率達(dá)到2～3 m/h，考慮到隨著孔深的增加，提下鉆取心所占用的時(shí)間也大大增加，可見(jiàn)鉆進(jìn)效率有了明顯提升。另外由于沖洗液保護(hù)巖心的效果良好，鉆進(jìn)時(shí)巖心可順利進(jìn)入巖心管，正常情況下，基本每個(gè)回次都可以打滿(mǎn)巖心管，從而減少了鉆進(jìn)回次，節(jié)省了提下鉆的時(shí)間，使得鉆進(jìn)更加高效(使用不同沖洗液體系時(shí)的鉆進(jìn)效率對(duì)比情況見(jiàn)表7)。

表7 不同沖洗液體系鉆進(jìn)效率對(duì)比Table 7 Comparison of drilling efficiencies by using different flushing fluid systems

ZK-2號(hào)孔自開(kāi)孔至終孔，共用時(shí)44天，終孔孔深720.78 m，平均機(jī)械鉆速超過(guò)3 m/h。采用強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系，不僅提高了鉆進(jìn)效率，同時(shí)保證施工過(guò)程中未發(fā)生孔內(nèi)事故，使鉆井施工得以順利進(jìn)行。

3.2強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系在新疆黃土科學(xué) 鉆探項(xiàng)目中的應(yīng)用

新疆黃土科學(xué)鉆探是中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所經(jīng)過(guò)多年的前期野外考察、區(qū)域地質(zhì)資料的收集與研究、孔位論證，在新疆伊犁盆地開(kāi)展的鉆探項(xiàng)目，旨在揭示中亞干旱區(qū)干旱化歷史與西風(fēng)氣候變遷，為研究晚新生代以來(lái)我國(guó)季風(fēng)-干旱環(huán)境耦合系統(tǒng)演變的動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供重要證據(jù)。

2013年6月25日，新疆黃土鉆探第一個(gè)鉆孔在伊犁盆地北部開(kāi)鉆，該區(qū)域地層以第四系黃土層為主，地層較疏松，遇水后極易分散剝落，孔壁不穩(wěn)定，取心難度大，給鉆探施工帶來(lái)了諸多不利因素。該項(xiàng)目分別在伊犁州的霍城、新源、沙灣、吉木薩爾四個(gè)縣的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行鉆探施工，共完成8個(gè)鉆孔，各鉆孔孔深以及鉆井周期見(jiàn)表8。

表8 新疆黃土科學(xué)鉆探各鉆孔孔深及鉆井周期Table 8 Drilling depths and periods of the holes in loess drilling in Xinjiang

施工中使用強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系，其良好的護(hù)壁性能有效地保證了孔壁穩(wěn)定，使得鉆探施工得以順利進(jìn)行，同時(shí)體現(xiàn)出該體系對(duì)巖心的包裹保護(hù)作用，各鉆孔的平均取心率均在95%以上，且保證了較高的取心質(zhì)量(圖10和圖11為現(xiàn)場(chǎng)取出的巖心)。

圖10 沖洗液包裹的巖心Fig.10 The intact core coated by the flushing fluid

圖11 巖心內(nèi)部未受擾動(dòng)和污染Fig.11 The core’s inter part without disturbance and contamination

3.3強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系在四川若爾蓋湖泊 科學(xué)鉆探項(xiàng)目中的應(yīng)用

四川若爾蓋湖泊科學(xué)鉆探是中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所主持的鉆探項(xiàng)目，共完成2個(gè)鉆孔，第一個(gè)鉆孔完鉆孔深為106.37 m，鉆井周期為3天；第二個(gè)鉆孔完鉆孔深為573.31 m，鉆井周期為35天。

該地區(qū)地層比較復(fù)雜，斷層、裂隙多，巖石節(jié)理、劈理密集發(fā)育，巖性變化大，巖石軟硬不均，有8～10級(jí)硬、脆、碎的硅巖，有4～5級(jí)軟而疏松的炭質(zhì)板巖、千枚狀板巖，還有火山巖、變質(zhì)巖、侵入體，呈薄層穿插透鏡體產(chǎn)出。施工中經(jīng)常會(huì)遇到涌水、漏水、掉塊、縮徑、坍塌等復(fù)雜情況，給鉆探施工增加了不少困難。現(xiàn)場(chǎng)巖心的照片如圖12所示。

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中使用強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系，取得了良好的護(hù)壁效果和較高的取心率。從圖12中的巖心可以看出，該體系對(duì)于松散破碎地層具有非常出色的粘結(jié)包裹作用，既有效地保護(hù)了巖心，同時(shí)也起到穩(wěn)定的護(hù)壁作用，為鉆探施工提供了有利的保障條件。

4 結(jié)論

圖12 四川若爾蓋湖泊科學(xué)鉆探所取出的巖心Fig.12 The cores of Ruoergai lake scientific drilling in Sichuan

通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究以及多個(gè)鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可以看出強(qiáng)成膜性護(hù)壁沖洗液體系適用于松散破碎及強(qiáng)水敏性分散剝落地層，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需要，該體系主要特點(diǎn)如下：

(1) 具有優(yōu)異的成膜性和防塌護(hù)壁性能，對(duì)膠結(jié)性差的松散破碎地層及強(qiáng)水敏性分散剝落地層能夠起到穩(wěn)定的護(hù)壁作用。

(2) 具有優(yōu)異的粘結(jié)包裹作用，能夠在有效地包裹巖心，并在巖心表面形成致密堅(jiān)韌的保護(hù)膜，有效保證了取心率以及取心質(zhì)量。

(3) 具有優(yōu)異的攜砂能力與流變性能，有利于排出孔內(nèi)巖粉，并有效提高機(jī)械鉆速，保證鉆進(jìn)效率的高效及鉆探施工的順利進(jìn)行。

Hu Ji-liang, Tao Shi-xian, Ji Wei-jun. 2011. Discussion of borehole wall stability technology in broken formation and the practice [J]. Exploration Engineering (Drilling & Tunneling), 38(9):30-32,64(in Chinese with English abstract)

Liu Can-ming. 2010. Research status and prospect of the crushing complex formation drilling technology in China [J]. Gansu Science and Technology, 26(14):50-52 (in Chinese)

Yang Yue-tang. 2010. Analysis of borehole wall stability in loose formation drilling [J]. Western science forum, (5):22-24(in Chinese)

Zhang Xiao-jing. 2007. Protection Principle Analysis and Applied Research on Drilling Fluid Using in Water Sensitive-Unconsolidated Formation [D]. Beijing: China University of Geosciences (Beijing): 1-65( in Chinese)

Zhou Gui-zhi, Guo Yang-hao. 2011. Difficulties and countermeasures of bare hole drilling technology in extremely thick loose soil layer in Yongxia coalfield [A]. Henan provincial Geological Society. Henan Geoscience Report, 2011 (3rd) [C]. Beijing: China Land Press: 262-264 ( in Chinese)

[附中文參考文獻(xiàn)]

胡繼良，陶士先，紀(jì)衛(wèi)軍．2011．破碎地層孔壁穩(wěn)定技術(shù)的探討與實(shí)踐[J]．探礦工程(巖土鉆掘工程)，38(9)：30-32，64

劉燦銘．2010．國(guó)內(nèi)破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]．甘肅科技，26(14)：50-52

楊月堂．2010．松散地層鉆進(jìn)孔壁穩(wěn)定性分析[J]．西部科教論壇，(5)：22-24

張曉靜．2007．水敏/松散地層鉆井液的護(hù)壁機(jī)理分析與應(yīng)用研究[D]．北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)：1-65

周桂芝，郭楊豪．2011．永夏煤田巨厚松散層裸孔鉆探技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策[A]．河南地質(zhì)學(xué)會(huì)．河南地球科學(xué)通報(bào)2011年卷(下冊(cè))[C]．北京：中國(guó)大地出版社：262-264

Research and Application of the Strong-Film-Forming Wall-Protecting Flushing Fluid System for Drilling

TAO Shi-xian1，LI Xiao-dong1，WU Zhao-ming2，HUANG Wei-dong3，LIU Fu-de3

(1.BeijingInstituteofExplorationEngineering,Beijing102405;2.The7thInstituteofGeology&MineralExplorationofShandongProvince,Linyi,Shandong276000;3.QinghaiBranch,NingxiaGeologicalProspectingBrigade,ChinaNationalGeologicalProspectingCenterforConstructionMaterialIndustries,Xining,Qinghai810000)

As one of the achievements of Geological Survey Project “Research on Key Technology of Drilling Fluids for Metallogenic Belts and its Demonstration”, the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system is based on a strong-film-forming wall-protecting agent that we call GCMJ-2 for short. This system is mainly aimed at the problems encountered in drilling loose broken formations and strong water-sensitivity strata. It has strong film forming ability, inhibitive capacity and cementation. The system has been used in the Quaternary Environmental Scientific Drilling at the Yinchuan basin in Ningxia, loess drilling in Xinjiang and Ruoergai lake scientific drilling in Sichuan, respectively. It shows remarkable protection to the hole wall and cores, making the hole wall stable and cores be of good quality, and ensures smooth implementation of projects effectively.

strong film forming ability, inhibitive capacity, wall-protecting flushing fluid

2014-06-12；[修改日期]2014-08-15；[責(zé)任編輯]郝情情。

地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目“重點(diǎn)成礦帶鉆探?jīng)_洗液關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(編號(hào)12120113097400)資助。

陶士先(1964-)，女，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用工作。E-mail：13641250082@139.com。

P634.6+4

A

0495-5331(2014)06-1147-08