賈宏福，羅 剛，付兆友，蓋志鵬，李曉東

(1．新疆地質礦產勘查開發(fā)局第六地質大隊，新疆 哈密839000;2．北京探礦工程研究所，北京100083)

0 引言

沖洗液技術是鉆探工程的重要組成部分，隨著鉆孔深度、難度的增大，它在確保安全、優(yōu)質、快速鉆探施工中起著越來越重要的作用。目前，水基沖洗液在實際應用中占據(jù)主導地位。通常，大部分沖洗液處理劑在淡水中才能高效地發(fā)揮作用。而在新疆戈壁區(qū)域施工時，當?shù)厮∷幸话愣己幸欢康柠}分，使得常用沖洗液處理劑不能有效發(fā)揮作用。這既浪費了材料又危及孔內安全。因此，尋求一種能夠在鹽水中有效發(fā)揮作用的處理劑，配制出性能穩(wěn)定、優(yōu)良的沖洗液，維護鉆孔施工過程中孔壁穩(wěn)定勢在必行。新疆若羌縣坡北銅鎳礦是一個使用鹵水進行鉆探施工的典型工區(qū)。本文以該工區(qū)為主介紹筆者近年來在鹽水沖洗液技術方面的探索與實踐。

1 工區(qū)概況及對沖洗液性能的要求

1．1 工區(qū)概況

坡北工區(qū)2012年被列為全國找礦突破戰(zhàn)略行動整裝勘查區(qū)。鉆遇巖石主要有輝長巖、輝石巖、橄欖巖以及它們之間的過渡巖石，如輝石輝長巖、輝長蘇長巖、輝橄巖、輝長閃長巖等。上部孔段(700 m以淺)，巖性一般均勻、較完整，研磨性中等，可鉆性6～9級。700 m以深，巖石蝕變現(xiàn)象很普遍，部分地層強烈蝕變后的巖石松軟、疏脆，吸水易膨脹剝落。蝕變地層巖性分析見表1。

表1 巖性分析結果 %

ZK2－6孔與ZK38－4孔巖樣礦物組分基本相同，值得注意的是粘土礦物成分較多，達到25%。其中蒙脫石含量達到15%，極易發(fā)生水化膨脹。綠泥石和伊利石含量10%，易水化分散和剝落。

該工區(qū)鉆探施工遇到的最大問題是中深部、深部孔段存在強烈蝕變破碎地層，鉆遇該層則施工進度緩慢，甚至發(fā)生事故。鉆探用水均取自工區(qū)周邊干涸鹽湖淺層地下水或礦井排出的廢水，水的礦化度較高，達到鹵水級別，密度達到1.05 g/cm3。水中離子成分較為復雜，對配制沖洗液都具有很大的影響。水質分析結果:Ca2+821.90 mg/L，Mg2+311.80 mg/L，Na+19900.00 mg/L，K+157.70 mg/L，HCO－3143.50 mg/L，CO32－0 mg/L，SO42－11300.00 mg/L，CI－23900.00 mg/L。

1．2 典型鉆孔

近年來，隨著深孔數(shù)量增加，個別鉆孔鉆遇多層、厚層蝕變破碎帶，軟硬互層現(xiàn)象明顯(見圖1)，鉆孔施工難度很大，個別鉆孔因事故多次施工無果。其中最為典型的案例即ZK2－6孔和ZK38－4孔。

圖1 蝕變破碎帶與軟硬互層地層巖心

ZK2－6孔設計孔深1600 m，傾角90°。自2011年起由新疆地礦局第六地質大隊和國內其它兩家單位機臺歷經3次施工，均在800～1100 m孔段蝕變破碎地層發(fā)生復雜事故，處理無效而報廢鉆孔。2013年我隊重新制定施工方案后，由XY－6B型鉆機重新施工該鉆孔。上部孔段以PQ、HQ口徑為主，施工至952 m，接近鉆機施工最大能力，下入套管。

ZK38－4孔設計傾角89°，設計孔深2200 m。該孔自1100 m后遇到多層破碎蝕變地層，頻繁發(fā)生事故，施工歷時610 d，施工進展緩慢(未鉆遇蝕變破碎地層的鉆孔鉆月效率可高達900 m)。該孔上部孔段以HQ口徑為主，施工至1318 m后下入套管。

上述2個鉆孔用HQ套管護壁的方法已經達到鉆機施工最大能力，下部孔段施工則需要沖洗液充分發(fā)揮保護孔壁的作用。

1．3 沖洗液性能要求

根據(jù)以往施工經驗，在蝕變破碎地層鉆進時沖洗液應該具有以下特點。

(1)較小的濾失量與良好的造壁性。沖洗液的濾失與造壁性能對蝕變破碎地層或遇水失穩(wěn)地層的孔壁穩(wěn)定有重要影響。濾失量過大會引起蝕變地層孔壁巖石膨脹、剝落，導致鉆頭壽命銳減、鉆孔超徑，引起埋鉆、斷鉆桿事故，不利于快速穿過復雜地層。故濾失量應較小，濾失形成的泥餅要薄而韌。

(2)適宜的流變性。相對于堅硬完整巖層，蝕變破碎地層鉆進時沖洗液粘度、懸浮巖屑的能力應增大，觸變性要好，以利于攜帶和排除巖屑，保證孔內清潔和孔壁穩(wěn)定。

(3)合適的密度、pH值和固相含量。沖洗液密度應稍高，以避免孔壁坍塌。pH值應控制在8～11之間，以利于處理劑發(fā)揮作用。固相含量要偏低，以利于快速鉆進，避免事故。

2 常用沖洗液體系應用效果及失效機理

2．1 常用材料使用效果

2008年以前采用的沖洗液材料主要有膨潤土、純堿、CMC、植物膠、聚丙烯酸鉀、聚丙烯酰胺和KP共聚物等常用材料。使用鹵水配制沖洗液存在的問題主要是各類沖洗液材料在鹵水中溶解性、分散性差，利用率不高，導致沖洗液性能不穩(wěn)定，膠體率很低，其中的固相材料易沉淀分層，不能有效懸浮攜帶和清除巖粉，沖洗液變質快，浪費大。但由于之前大部分孔都屬于淺孔或中深孔，蝕變破碎層少，用上述沖洗液材料配制的沖洗液或無固相沖洗液基本可以滿足施工要求。

2008年我們引進了抗鹽一號處理劑，沖洗液性能得到了改善，但仍然沒能解決沖洗液性能不穩(wěn)定，分層較快的問題?？果}一號沖洗液雖然提高了沖洗液粘度和對巖粉的攜帶能力，但其懸浮能力和護壁效果還是不能滿足深孔或復雜地層的施工要求。

2012年施工中又嘗試使用淡水配制沖洗液，淡水沖洗液雖然性能較好，但容易受鹵水侵蝕而變質。同時由于拉淡水運距遠、運量小、成本高等原因，放棄使用淡水配制沖洗液。

2．2 常用材料失效機理

一般，常用沖洗液材料配制的溶液的流變性大多會受到鹽離子的影響。陽離子較陰離子影響大，高價陽離子較低價陽離子影響大。

2．2．1 鹽對膨潤土－水分散體系的影響

膨潤土－水分散體系中粘土顆粒之間由于顆粒表面都帶有負電荷而產生排斥力，粘土顆粒表面存在雙電層和水化膜。具有同種電荷(負電荷)的粘土顆粒因靜電斥力不能靠近而保持分散狀態(tài)。同時粘土顆粒四周的水化膜，也阻礙了土顆粒彼此接近或聚結。因此，粘土分散，沖洗液性能穩(wěn)定。當水中含有大量高價陽離子時，雙電層厚度下降，粘土膠粒間的吸引力大于排斥力，從而產生顆粒聚結沉淀現(xiàn)象。宏觀表現(xiàn)為沖洗液固液分層，濾失量增大，泥皮增厚，性能不穩(wěn)定。

2．2．2 鹽對纖維素類溶液的影響

鈉羧甲基纖維素分子中羧鈉基(－COONa)上的Na+在水溶液中易電離，將其加入無機鹽溶液后不僅Na+會阻止－COONa上Na+的解離，電荷屏蔽作用也促使CMC分子鏈發(fā)生卷曲，同時在鹽溶液中水化基團受到一定限制，分子鏈的水化膜斥力會有所削弱，所以NaCl濃度的增加會使CMC溶液粘度下降。同樣，Ca2+及Mg2+等二價離子對CMC的作用明顯強于單價離子Na+或K+?？傊?，不同種類的鹽溶液對CMC溶液的流變特性都有著不同的影響與作用。大量Na+、Ca2+等陽離子對聚陰離子纖維素(PAC)溶液也有類似的作用，導致其粘度下降。

2．2．3 鹽對聚丙烯酰胺溶液的影響

試驗表明，陰離子對聚丙烯酰胺溶液粘度沒有影響。陽離子會與HPAM鏈上的羧酸根陰離子之間的靜電引力使分子鏈節(jié)中原有靜電斥力減弱，舒展程度降低，分子表面的溶劑化層在金屬陽離子作用下變薄，釋放出大量“束縛水”，使溶液粘度明顯降低。

2．2．4 鹽對植物膠類的影響

沖洗液常用植物膠有黃原膠、瓜爾膠等。有關研究表明，外加鹽濃度在一定范圍內會使黃原膠溶液濃度下降。鹽濃度達到一定值時，黃原膠溶液迅速轉變成一種絮凝狀的不溶性沉淀。這種沉淀可能是由于黃原膠分子側鏈的羧酸根與高價金屬離子形成難溶性的鹽而致，也可能是高價陽離子在不同分子間通過離子鏈產生架橋作用，使分子成束狀凝聚所致。而對瓜爾膠而言，由于其結構上不含易解離基團，分子與陰陽離子通過較強的化學鍵相互作用的可能性較小，也不存在靜電屏蔽效應，因而它對大多數(shù)陰陽離子表現(xiàn)出很強的耐受性［11］。

2．2．5 鹽對腐植酸鹽類的影響

腐植酸鹽除靠它的水化作用強的官能團起降失水作用外，它本身又是聚電解質，在泥漿分散系中，聚陰離子吸附在粘土顆粒表面時，提高粘土粒的電動電位，增大土粒聚結阻力和靜電斥力，提高了土粒的穩(wěn)定性，使泥漿中易于保持和增加細土粒的含量，形成細而致密的泥皮，從而使泥漿失水量減少。當泥漿中的鈣離子含量一定范圍內時，泥漿的粘度和失水量保持較好水平，超過此范圍后，因生成微溶性的腐植酸鈣沉淀，泥漿的失水及粘度增加［12］。

3 MBM－GTQ鹽水沖洗液體系研究

3．1 MBM、GTQ及其作用機理

多功能復合劑MBM是以鈉膨潤土為基材，通過一定的工藝條件將自制的降失水劑和其它處理劑以晶面接枝共聚、層間插入、離子互換、物理吸附等方式復合制備而成的沖洗液多功能復合材料。MBM具有較強的抑制性能，適合于在水敏地層和破碎地層中使用，鉆進過程中可以保證孔壁的穩(wěn)定性，避免掉塊、卡鉆等情況出現(xiàn)，鉆進平穩(wěn)。其不論在淡水還是鹽水中都具有良好的懸浮能力，可以將鉆屑、泥沙帶出，保持孔底清潔，鉆桿內無結垢。配制、使用簡單方便。

MBM作用機理:粘土造漿主要取決于粘土的水化作用，粘土水化時晶層間距增加，形成擴散雙電層，而鹵水中大量的陽離子進入擴散雙電層會破壞粘土水化。MBM是通過將粘土晶體的層片剝離和對晶粒破碎細化，與有機改性劑發(fā)生作用，形成的雙電層不受陽離子的影響，因此能夠在鹵水中形成穩(wěn)定的結構。

抗鹽共聚物GTQ中有多種官能團，具有增粘、提切、降失水，抗污染等功能，且不受電解質污染影響。

GTQ作用機理:GTQ分子鏈上有大量的－COONa基團和－SO3Na存在，這兩種基團為強水化基團，使黏土顆粒表面的溶劑化水膜增厚，電動電位提高，從而顯著提高黏土顆粒的聚結穩(wěn)定性。當遇到大量的鈉離子、鈣離子或鎂離子等時，不易產生去水化作用和鹽析現(xiàn)象。

3．2 MBM鹵水沖洗液體系室內試驗

3．2．1 配方確定試驗

根據(jù)性能要求，通過調整加量、多次試驗，確定出基本配方:1000 mL水+2 g純堿+40 g多功能復合劑MBM+2.5 g抗鹽共聚物GTQ。

經檢測，該沖洗液體系濾失量＜10 mL/30 min，漏斗粘度30 s，密度1.07 g/cm3，膠體率98%，性能隨時間延長基本保持穩(wěn)定。

3．2．2 巖樣膨脹與分散試驗

為驗證MBM－GTQ鹽水沖洗液體系的抑制性，取蝕變地層巖樣壓制成小巖心，分別在清水與MBM－GTQ沖洗液中進行了膨脹量測試，結果見表2。

表2 巖樣膨脹與分散試驗結果

由表2可以看出，MBM－GTQ鹽水沖洗液具有較好的抑制性能。

3．2．3 對比試驗

為了研究不同材料配制出的沖洗液的性能，選取了2家生產商提供的2種材料，即抗鹽一號和抗鹽土做了對比試驗。試驗配方見表3，試驗結果見表4。

表3 試驗后的沖洗液配方

表4 試驗的沖洗液性能

試驗結果表明:淡水條件下沖洗液膠體率很高。使用鹵水時，唯有MBM－GTQ沖洗液膠體率較高。沖洗液濾失后形成的泥皮質量優(yōu)劣次序為:8號，1號，5號，3號，4號，6號，2號，7號。

1、2號對比可知:其他條件相同時，淡水與鹵水配制的沖洗液，濾失量、漏斗粘度和膠體率等性能均有較大差別。

2、3號對比可知:使用鹵水時，用MBM配制的沖洗液較用膨潤土配制的沖洗液性能好。

2、4號對比可知:使用鹵水時，GTQ與膨潤土配合使用未能有效改變沖洗液性能。

4、5號對比可知:使用鹵水時，用 MBM+GTQ配制的沖洗液性能較用膨潤土+GTQ配制的沖洗液性能好。(注:實際施工中5號未加CMC)。

2、6號對比可知:使用抗鹽一號后沖洗液的性能有所改善，但不夠理想。

2、7號對比可知:使用鹵水時，用抗鹽土與膨潤土配制的沖洗液性能接近。

1、8號對比可知:使用淡水時，用膨潤土與MBM配制的沖洗液性能相近。MBM－GTQ沖洗液的濾失量和密度較低。

3．2．4 現(xiàn)場試驗

為了確保沖洗液性能穩(wěn)定并滿足施工需要，坡北工區(qū)建立了容積為10 m3的攪拌站，以XY－4型鉆機為攪拌機，配專人攪制并監(jiān)控沖洗液性能。

現(xiàn)場測試表明隨著攪拌時間的增加，沖洗液漏斗粘度逐漸提高到一定程度。由于鉆機只能開動較低的轉速，攪拌所需時間較長。一般需要攪拌3～5 h，然后靜置1～2 h浸泡(浸泡時間長則沖洗液粘度提高大)，再攪拌1～2 h即可。沖洗液漏斗粘度可達27～35 s(隨靜置時間延長，漏斗粘度可達60 s)，膠體率可達95%以上，濾失量10 mL/30 min，泥皮薄而韌。

現(xiàn)場試驗和實際使用表明，該沖洗液性能穩(wěn)定，膠體率高(靜置數(shù)天亦無分層現(xiàn)象)、粘度高、濾失量低、懸浮能力強，可以滿足施工要求。可循環(huán)使用的時間為10～15 d，隨孔深或時間的延長會出現(xiàn)顏色發(fā)灰，固液分層，各種性能持續(xù)下降的現(xiàn)象，分析其原因為沖洗液內部組分降解或地下鹵水侵蝕污染所造成。

4 應用成果與推廣情況

4．1 MBM－GTQ沖洗液體系的應用成果

MBM－GTQ沖洗液體系的應用，確保了坡北工區(qū)ZK38－4孔及ZK2－6孔的成功施工。這既體現(xiàn)在保障正常施工的過程中，也體現(xiàn)在事故處理期間維持孔壁穩(wěn)定的有效性上，得到了機臺員工的高度認可。

ZK38－4孔終孔孔深2472.66 m，刷新了新疆小口徑金剛石繩索取心鉆探新記錄。ZK2－6孔終孔孔深1620.06 m，突破了在破碎蝕變地層施工中的技術難題。

4．2 MBM－GTQ沖洗液的推廣應用

在新疆，尤其在東疆眾多工區(qū)施工時通常只有鹽水可作為沖洗液用水。常用材料配制的沖洗液在淺孔、地層完整的工區(qū)可維持正常鉆進，但不能有效滿足深孔、復雜地層施工。因此我隊在多個工區(qū)推廣應用MBM－GTQ沖洗液體系，并均取得了良好的效果。

4．2．1 在哈密沙東鎢礦鉆探中的應用

該礦區(qū)多個鉆孔鉆遇較厚第四系覆蓋層，最厚達175 m。鉆進時，孔壁坍塌嚴重，每次提鉆后，均無法下到位，要進行掃孔和沖孔。采用當?shù)佧}水配制的沖洗液性能不穩(wěn)定，在循環(huán)過程中固液分層，不能有效護壁和防塌。改用MBM后順利鉆穿覆蓋層并下入套管，配方如下:

1 m3水 +0.3% ～0．5%Na2CO3+2% ～4%MBM+0.3% ～0.5%植物膠+0.2% ～0.3%CMC+0.1% ～0.2%PAC141。

經測定，漏斗粘度達到40 s，且性能穩(wěn)定，優(yōu)于常用沖洗液體系。

4．2．2 在新疆若羌縣某金礦鉆探中的應用

該工區(qū)以淺孔為主，鉆孔傾角60°～70°，下部地層具有破碎，且沖洗液普遍漏失的特點。施工中常有卡鉆現(xiàn)象，斷鉆桿事故頻發(fā)。工區(qū)使用鹵水配制沖洗液，經常因供水不足而停工。使用MBM、GTQ，并用交聯(lián)堵漏法堵漏后，事故次數(shù)減少，可基本維持正常鉆進，施工效率提高。

5 結論

現(xiàn)場實際應用成果表明，MBM－GTQ沖洗液體系是用鹽水或鹵水配漿時，順利鉆進復雜地層和處理事故期間維護孔壁穩(wěn)定的有效解決方案。

(1)MBM－GTQ鹽水沖洗液體系具有良好的流變特性，解決了常規(guī)鹽水沖洗液處理劑使用量大、性能極不穩(wěn)定、不利于蝕變破碎地層鉆進的難題。同時，使用當?shù)佧u水也很大地降低了運水成本和等待時間，利于施工。

(2)MBM－GTQ沖洗液集多種功能于一體，攪拌方便，現(xiàn)場容易操作，維護簡單。值得在類似工區(qū)推廣應用。

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