羅永統(tǒng)，馬維明，王振東

（青海省地質(zhì)調(diào)查局，青海西寧810001）

青海地區(qū)永凍層鉆探技術(shù)沖洗液配置應(yīng)用研究
——以青海大場(chǎng)及周邊地區(qū)鉆探技術(shù)為例

羅永統(tǒng)*，馬維明，王振東

（青海省地質(zhì)調(diào)查局，青海西寧810001）

通過分析大場(chǎng)地區(qū)凍土層特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)配置合適的無固相和低固相沖洗液，并分析沖洗液性能指標(biāo)及影響因素，較好解決青海大場(chǎng)地區(qū)永凍層鉆探施工難題。

鉆探；永凍層；沖洗液；繩索取芯

大場(chǎng)礦區(qū)及周邊地區(qū)海拔在4500m以上，年平均氣溫0℃以下，霜凍期長(zhǎng)，凍土發(fā)育，1.5m以下屬永凍層，部分永凍層最深可達(dá)180m，永凍層溫度自-1.9℃～12℃不等。礦區(qū)第四系以下的基巖包括：泥質(zhì)板巖、砂巖等常見永久冰凍現(xiàn)象。該部分在鉆進(jìn)過程中由于孔壁間隙小停鉆取芯的過程中極易發(fā)生凍鉆事故，而泥質(zhì)板巖則容易在地溫泥漿循環(huán)熱交換后易發(fā)生熱融性的縮徑和坍塌，從而形成埋鉆事故。此外，沖洗液在地溫環(huán)境中容易發(fā)生絮凝現(xiàn)象，泥漿材料不能更好地溶于水中，固相顆粒容易聚結(jié)，沖洗液性能不穩(wěn)定甚至被破壞，地表循環(huán)系統(tǒng)易凍結(jié)和流凌淤積，以及送水困難等現(xiàn)象的存在。因此，系統(tǒng)分析和解決這些問題對(duì)現(xiàn)實(shí)正常鉆進(jìn)、提高鉆探施工效益。滿足青藏高原地區(qū)的地質(zhì)找礦要求具有十分重要的意義。

1 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)礦區(qū)地層多年凍土層的特征，同時(shí)考慮鉆孔孔徑、孔深、傾角等因素，以及繩索取芯鉆進(jìn)，鉆具高轉(zhuǎn)速，防止鉆桿折斷的要求，采用的鉆孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 適宜地溫永凍層的鉆孔結(jié)構(gòu)圖

為預(yù)防低溫泥質(zhì)永凍層的熱融膨脹，簡(jiǎn)單有效的方法是跟管護(hù)壁。為保證高粘、低失水低溫鉆井液的正常循環(huán)，可通過適當(dāng)加大環(huán)空間隙的方法，降低鉆井液紊流狀態(tài)時(shí)對(duì)永凍層孔壁的沖蝕。

在正確選擇鉆孔結(jié)構(gòu)的同時(shí)，采用NQ口徑進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，可將NQ鉆頭外經(jīng)增大到76.5mm，以保證高粘鉆進(jìn)液足夠的上返環(huán)空間隙和適當(dāng)降低上返流速的條件。

2 沖洗液

現(xiàn)場(chǎng)隨鉆調(diào)研凍土層在鉆進(jìn)過程的影響形式，低溫環(huán)境對(duì)鉆探生產(chǎn)的主要影響，分析永凍層在低溫鉆井液環(huán)境中的融散縮經(jīng)、坍塌機(jī)理、鉆進(jìn)液的雙向熱交換后的溶蝕機(jī)理配置基漿。

2.1 無固相沖洗液

無固相低溫鉆進(jìn)液主要針對(duì)相對(duì)完整的低溫巖層——泥質(zhì)板巖和破碎的長(zhǎng)石砂巖低溫巖層。

基漿一：水700mL+PVA-1788（3%）+PAM（0.1%）+乙二醇（25%）+中粘Na-CMC(0.1%)+NaCl（10%）+NaOH（0.1%）+KHM（1%）+木質(zhì)素磺酸鈉（0.2%）。

該鉆井液在低溫下未發(fā)生絮凝現(xiàn)象，流動(dòng)性好，泥皮薄而致密，溫度達(dá)到-19℃時(shí)開始出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，鉆進(jìn)液粘度隨溫度降低增大，失水量隨溫度降低減小，比重變化不大，加入腐植酸鉀，具有降失水作用，稍降粘，加入木質(zhì)素磺酸鈉后，粘度下降，略降失水，鉆鉆井液粘度和失水性能基本達(dá)到要求。

基漿二：水700mL+PVA（2%）+NaCl（10%）+乙二醇（20%）+PVM（0.1%）+聚丙烯酸鈉（0.1%）+Na-CMC（0.1%）+NaOH(0.1%)+KHM(1.5%)+木質(zhì)素磺酸鈉（0.05%）。

該鉆井液在地溫下未發(fā)生絮凝現(xiàn)象，流動(dòng)性較好，泥皮薄而致密，溫度到達(dá)-19℃時(shí)開始出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，鉆進(jìn)液粘度隨溫度降低增大，失水量隨溫度降低減小，比重變化不大，加入腐植酸鉀，具有降失水作用，稍降粘，加入木質(zhì)素磺酸鈉后，粘度下降，略降失水，鉆井液粘度和失水性能基本達(dá)到要求。在-15℃時(shí)，初切為0，表觀粘度24.5mPa·s，塑性粘度24mPa·s,動(dòng)切力為0.511Pa，動(dòng)塑比0.02。

基漿三：水700mL+PVA（2%）+NaCl（10%）+乙二醇（20%）+PAM（0.05%）+聚丙烯酸鈉（0.05%）+PAC-142（0.1%）+NaOH（0.1%）+KHM（2%）+Na-CMC (0.05%)。

該鉆井液在低溫下未發(fā)生絮凝現(xiàn)象，流動(dòng)性能較好，泥皮薄而致密，溫度達(dá)到-19℃時(shí)開始出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，鉆井液粘度隨溫度降低增大，失水量隨溫度降低減少，比重變化不大，加入腐植酸鉀，具有降失水作用，效果明顯，加入羥甲基纖維素鈉具有曾粘降失水作用，鉆進(jìn)液粘度和失水性能基本達(dá)到要求。在-15℃時(shí)，動(dòng)切為0，表觀粘度15mPa·s，塑性粘度15mPa·s,動(dòng)切力為0 Pa，動(dòng)塑比0。

以上3種無固相鉆井液配方-15℃左右，漏斗粘度小于35s、失水量小于13mL/30min、pH值為10、比重1.07～1.075g/cm3均達(dá)到要求，低溫環(huán)境下未發(fā)生絮凝現(xiàn)象，流動(dòng)性較好，克抵抗低溫-19℃。但無固相鉆井液由于沒有固相成分，所以動(dòng)切力很難實(shí)現(xiàn)。

為此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性較好的原則進(jìn)行低固相低溫鉆井液的實(shí)驗(yàn)。

2.2 低固相低溫抗鹽鉆進(jìn)液

低固相低溫鉆井液必須滿總3個(gè)條件：首先要防止鉆進(jìn)液發(fā)生絮凍；其次要防熱融縮徑；同時(shí)，還要滿足預(yù)防高嶺土化、粘土質(zhì)碎裂泥質(zhì)板巖的水化。

基漿一：鈉土4%+純堿3%+抗鹽共聚物（GTQ）1%+聚陰離子纖維素0.15%+鹽10%+XY-27降粘劑0.2%（或用0.5%的KHM代替）。

基漿二：鈉土4%+純堿2%+（GTQ）抗鹽共聚物0.6%+KCl氯化鉀0.5%+鹽15%+鈉羥基纖維素0.15%。

測(cè)試性能如表1所示。

表1 低固相低溫抗鹽鉆進(jìn)液

如上，基漿一鉆進(jìn)液具有材料易購、使用簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)，在低溫條件和永凍層鉆孔中應(yīng)用后取得了良好的效果，而基漿二鉆井液在膠結(jié)松軟的泥炭質(zhì)板巖中平衡防塌效果明顯。套管以深部分，在碎裂巖化高嶺土、粘土質(zhì)泥質(zhì)板巖的地層中可采用的無固相低溫鉆進(jìn)液：

（2）PAC1%～5%+FA-1 2%～4%+KCl1%～3%+ Na-CMC0.5%～0.8%；

（3）KCl1%～3%+Na-CMC0.5%～0.8%+PVA2%～5%；

（4）PAC1%～5%+(HOCH2)21%～4%+KCl1%～3%+Na-CMC0.5%～0.8%。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）根據(jù)低溫泥漿特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析融散臨界點(diǎn)。

（2）雙向熱交換對(duì)鉆井液粘度和流動(dòng)性的影響規(guī)律，低溫鉆進(jìn)液性能與冰水沉積物地層的防塌性能和碎裂巖化泥質(zhì)板巖的熱融膨脹縮徑以及融散坍塌的鉆進(jìn)液配置技術(shù)。

（3）通過實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選低溫鉆井液配置方案和低溫鉆井液材料。

（4）根據(jù)鉆井液在循環(huán)過程中壓力作用下產(chǎn)生的熱、鉆進(jìn)過程產(chǎn)生的熱力系數(shù)，結(jié)合低溫材料制定預(yù)防低溫冰凍的工藝技術(shù)方案。

隨著中美貿(mào)易戰(zhàn)持續(xù)發(fā)酵，美國農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格下跌明顯，但農(nóng)民購肥熱情卻依舊高漲。加拿大肥料商N(yùn)utrienLtd(NTR.TO)首席執(zhí)行官恰克·馬格羅（Chuck Magro）稱，若中美貿(mào)易戰(zhàn)不斷升溫，農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格跌破到農(nóng)民所能接受的最低限度，就會(huì)加劇美國農(nóng)民對(duì)自身經(jīng)濟(jì)狀況的擔(dān)憂。

（5）按地表溫度的不同交換，通過實(shí)驗(yàn)和優(yōu)選材料，復(fù)配冰水對(duì)鉆井液稀釋降粘和抑制粘土質(zhì)泥質(zhì)板巖縮徑坍塌性能穩(wěn)定的鉆進(jìn)液。

3 低溫環(huán)境繩索取芯鉆進(jìn)工藝經(jīng)驗(yàn)總結(jié)據(jù)調(diào)查，永凍層鉆進(jìn)預(yù)防孔內(nèi)事故的發(fā)生主要在鉆井液的冰凍和熱融縮徑2個(gè)方面，因此工藝方法也需照2個(gè)方面進(jìn)行。

針對(duì)大場(chǎng)礦區(qū)碎裂巖化粘土質(zhì)永凍層的熱融縮徑問題，需要鉆進(jìn)液的溫度接近永凍層溫度或低于3℃。施工經(jīng)驗(yàn)表明，在大場(chǎng)礦區(qū)施工季節(jié)由于晝夜溫差大，孔內(nèi)溫度低，通常經(jīng)晝夜、孔內(nèi)地表熱交換后鉆進(jìn)液溫度在最高氣溫時(shí)能維持在10℃以下。經(jīng)驗(yàn)表明，此時(shí)可以通過提高鉆速，降低鉆井液對(duì)泥質(zhì)孔壁低溫地層的水化時(shí)間，可以在鉆探生產(chǎn)期間預(yù)防其熱融膨脹。

維持鉆進(jìn)液在0℃以下正常循環(huán)的經(jīng)驗(yàn)。

優(yōu)質(zhì)的天然鈉基膨潤(rùn)土，水化和膨脹能力強(qiáng)，充分水化膨脹后，可起到延緩水遇冷結(jié)凍的效果。在滿足如下條件的情況下，5%加量的鹽水泥漿可在-10℃環(huán)境下的正常循環(huán)：

（1）鉆桿始終保持轉(zhuǎn)動(dòng)；

（2）配置鉆井液的水用蘇打（2kg/m3）來軟化處理，并維持鉆井液中具有一定濃度的Cl—，甚至是HCO3—都能對(duì)預(yù)防鉆井液的低溫冰凍起到一定的作用；

（3）為防止泥質(zhì)地層的熱融膨脹，維持鉆井液的低溫，白天作業(yè)時(shí)可將整個(gè)泥漿系統(tǒng)遮蓋起來。

現(xiàn)有方法在應(yīng)用過程中也存在一定的局限性主要如下：

（1）鉆井液在夏季高溫期間（大場(chǎng)礦區(qū)17℃～20℃）對(duì)粘土質(zhì)的碎裂狀泥質(zhì)板巖熱融脹作用不明顯，突出現(xiàn)象是溶脹縮徑和坍塌；

（2）當(dāng)永凍層很發(fā)育，厚度較大、且由冰水膠結(jié)破碎地層時(shí)，穩(wěn)定孔壁須將鉆井液的溫度降低在0℃以下，理論上加入干冰可降低鉆井液的溫度，但這一做法在巖芯鉆探中受成本、使用條件的限制較難實(shí)現(xiàn)；

（3）獲取永凍層低溫的粘度較大，低溫環(huán)境使泥漿抗剪切稀釋性增強(qiáng)，護(hù)壁性能下降，今后仍需做進(jìn)一步研究。

[1]烏效明，胡郁樂，等.鉆井液與巖土工程漿液[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2002.

[2]西藏羅布莎深鉆繩索取心鉆井液的研究與應(yīng)用[D].中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），2011.

[3]張永勤，孫建華.高原凍土水合物鉆探?jīng)_洗液的研究[J].探礦工程，2007（34）：16-19.

[4]湯鳳林，等.生產(chǎn)條件下凍結(jié)巖石鉆進(jìn)的試驗(yàn)研究?jī)鐾零@探專題之三[J].探礦工程，2002.

[5]陳禮儀，王勝，張永勤，等.高原凍土天然氣水合物鉆探低溫泥漿基礎(chǔ)液研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2008，23（5）：469-473.

[6]劉海波.祁連山區(qū)永凍地層鉆探工程施工方法[J].探礦工程，2008，35（12）：12-14.

[7]靖向黨.巖土鉆孔工程學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

P634.6

A

1004-5716(2015)11-0047-03

2014-11-28

2014-12-04

羅永統(tǒng)（1989-），男（漢族），青海西寧人，助理工程師，現(xiàn)從事固體礦產(chǎn)科研工作。