肖冬順， 符 文， 吳 瓊， 孫 榮， 黃 帆， 譚松娥， 張 瑩， 方小紅

(1.長江巖土工程總公司〈武漢〉，湖北 武漢 430014； 2.中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430074；3.西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，西藏 拉薩 850000；4.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710000；5.中南建筑設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430071； 6.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

0 引言

水敏性地層以泥巖、頁巖為主，遇水時易吸水膨脹、分散，導(dǎo)致井壁縮徑、垮塌等事故[1-5]。同時粘性泥巖鉆屑對鉆頭表面具有很強(qiáng)的粘附性能，一定程度上增強(qiáng)了鉆屑與鉆頭表面的粘合力，造成鉆頭泥包、增加扭矩和壓持效應(yīng)、降低鉆頭的切削深度和破巖效率[6-8]。

許多學(xué)者對泥巖水敏性地層進(jìn)行了研究，主要是研究井壁失穩(wěn)的機(jī)理以及針對特定水敏性地層研發(fā)有效配方。劉曉棟等[9]以聚胺抑制劑和防泥包快鉆劑為主要處理劑，研制出一套解決活性泥頁巖鉆井中縮徑、井壁坍塌的快速沖洗液體系。盧運虎等[10]通過室內(nèi)試驗分析了深部泥巖在沖洗液浸泡下強(qiáng)度弱化規(guī)律。許春田等[11]分析了裂隙發(fā)育硬脆性泥巖井壁失穩(wěn)機(jī)理，并通過醋酸鉀、聚胺、大分子聚丙烯酰胺作為抑制劑解決了井壁失穩(wěn)問題。

青海五龍溝礦區(qū)是重要的成礦帶，趙瑩、陸露、袁萬明、張延林等[13-16]對五龍溝區(qū)的金礦進(jìn)行了研究，五龍溝礦區(qū)含有豐富的礦產(chǎn)。五龍溝礦區(qū)鉆探過程中經(jīng)常遇到規(guī)模較大的泥巖地層，使得該區(qū)鉆探取心困難以及易發(fā)生縮徑坍塌造成埋鉆事故，這是近年困擾該區(qū)正常鉆井和完成找礦目標(biāo)的主要因素。本文針對五龍溝礦區(qū)水敏地層的特點，研發(fā)解決水敏性地層鉆探問題的沖洗液，對該區(qū)找礦具有重要的意義。

1 泥巖地層分析

五龍溝礦區(qū)內(nèi)地層中存在水敏性地層，其組成為炭質(zhì)泥巖，導(dǎo)致鉆探施工中產(chǎn)生取心困難、縮徑、坍塌等問題。為了能夠有針對性地研發(fā)沖洗液配方，對該礦區(qū)水敏性地層巖樣進(jìn)行了微觀分析和礦物成分分析。

1.1 形貌儀分析

利用三維非接觸式表面形貌儀，對五龍溝礦區(qū)泥巖地層巖心樣品進(jìn)行拍照，并對結(jié)果進(jìn)行分析。拍攝的微觀結(jié)構(gòu)特征如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2中可以看出，泥巖地層微裂隙較發(fā)育，沖洗液濾液在壓差作用下首先沿著微裂隙進(jìn)入地層內(nèi)部，為泥巖提供水化空間，使粘土礦物顆粒之間的粘結(jié)力減小，泥巖強(qiáng)度降低。

1.2 XRD分析

圖1 泥巖放大100倍圖Fig.1 Microscopic image of mudstone at 100 times amplification

圖2 泥巖放大500倍圖Fig.2 Microscopic image of mudstone at 500 times amplification

X射線衍射是粘土礦物分析的有效手段之一，能夠定性、半定量、定量研究各種粘土礦物，而且分析迅速、簡便，并能給出大量反映粘土礦物各方面特征的信息，五龍溝泥巖地層XRD分析結(jié)果如表1所示。

表1 巖樣定量分析結(jié)果Table1 Quantitative analysis of rock samples %

由表1可知，五龍溝礦區(qū)泥巖粘土總含量為38%～57%，其中伊利石的含量為15%～46%，因此易在沖洗液作用下水化膨脹，影響泥巖地層強(qiáng)度，造成地層不穩(wěn)定，也影響巖心采取率。

1.3 小結(jié)

五龍溝礦區(qū)鉆探過程中發(fā)生縮徑、孔壁坍塌、巖心采取率不足等問題的根本原因是該區(qū)泥巖地層粘土含量高，易吸水膨脹，且微裂隙多。沖洗液設(shè)計與性能優(yōu)化主要是加強(qiáng)封堵、降低失水量和抑制粘土水化膨脹。

通過巖樣分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗得到五龍溝地區(qū)進(jìn)行鉆探所需沖洗液性能要求有：應(yīng)具有良好的流變性，漏斗粘度控制在30～35 s；API失水量控制在5 mL內(nèi)；能有效抑制泥巖地層膨脹和分散。

2 沖洗液配方設(shè)計

水敏性地層沖洗液設(shè)計主要考慮兩方面：一方面是盡量減少沖洗液對地層的滲水，也就是降低失水量；另一方面是即便沖洗液滲入井壁，也對泥質(zhì)不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生水敏或抑制水敏。

本試驗采用高粘聚陰離子纖維素(HV-PAC)來提高沖洗液的粘度，低粘鈉羧甲基纖維素(LV-CMC)、磺甲基酚醛樹脂(SMP-1)、無熒光防塌潤滑劑(FT-342)來控制沖洗液的失水量，正電膠(MMH)作為抑制劑來抑制粘土膨脹分散，含量為1%的白油作為潤滑劑以降低鉆具與孔壁之間的摩擦。

正交試驗法是一種科學(xué)的多因素試驗設(shè)計方法，利用正交試驗表設(shè)計試驗方案，在多種因素變化范圍內(nèi)均衡抽樣，能夠大幅度減少試驗次數(shù)并有效找到各因素最優(yōu)水平組合，得出最優(yōu)配方和工藝。下面采用正交試驗研究適用于五龍溝礦區(qū)的沖洗液配方。

2.1 降失水劑

由于FT-342對失水量有較大影響而對粘度影響不大，為了便于研究，配制基漿添加LV-CMC、HV-PAC和SMP-1三種添加劑的沖洗液進(jìn)行正交試驗研究。

沖洗液配方為：5%膨潤土+2%Na2CO3+0.3%～0.5%LV-CMC+0.05%～0.1%HV-PAC+1%+1.5%SMP-1。

本正交試驗設(shè)計3個因素，3個水平，共配制9組不同加量的沖洗液，分別測試其性能，將統(tǒng)計的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，數(shù)據(jù)見表2。為了評價不同材料對表觀粘度和失水量的影響，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析。

表2 正交試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 2 Summary of orthogonal test data

從表2中極差R的大小可以看出，影響表觀粘度的各因素從主到次的順序為： LV-CMC>HV-PAC>SMP-1。影響失水量的因素從主到次的順序為：LV-CMC>HV-PAC>SMP-1，LV-CMC對失水量影響最大。由表2可知，4號配方流變性更適宜于五龍溝礦區(qū)。

為了更準(zhǔn)確地評價每種添加劑對表觀粘度和失水量影響的顯著性，對試驗結(jié)果進(jìn)行了方差分析，得出的結(jié)果見表3。

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Results of variance analysis

注：**表示因素水平的改變對試驗指標(biāo)有高度顯著影響；*表示因素水平的改變對試驗指標(biāo)有顯著影響；0表示因素水平的改變對試驗指標(biāo)無顯著影響。

通過方差分析可知，LV-CMC、HV-PAC以及SMP-1對表觀粘度均有高度顯著的影響。LV-CMC對失水量有顯著影響，HV-PAC與SMP-1對失水量的影響不明顯。根據(jù)分析可適當(dāng)提高LV-CMC與SMP-1的含量來優(yōu)化4號配方。

2.2 抑制劑

正電膠的主要成分是混合金屬層狀氫氧化物(MMH)，它本身帶正電荷。水基沖洗液通常是由粘土分散在水中形成，所用處理劑也是帶負(fù)電的，強(qiáng)負(fù)電性導(dǎo)致鉆屑分散和井壁不穩(wěn)定，帶正電荷的MMH膠粒加入沖洗液體系后，會降低體系的負(fù)電性，甚至?xí)D(zhuǎn)化為正電性，這對抑制鉆屑分散和穩(wěn)定井壁非常有益；MMH能提高沖洗液體系的穩(wěn)定性，提高體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時MMH正電膠沖洗液具有極強(qiáng)的剪切稀釋性。基于上述優(yōu)點，選擇MMH作為沖洗液抑制劑來抑制粘土的水化分散。

為了評價MMH對五龍溝礦區(qū)泥巖地層的抑制性，采集五龍溝礦區(qū)泥巖制作成巖樣，配制不同含量的MMH沖洗液，泥巖巖樣在其中的膨脹量與時間的關(guān)系如表4所示，為了便于比較將泥巖的膨脹率隨時間變化規(guī)律繪制成圖3。

表4 泥巖膨脹高度隨時間變化數(shù)據(jù)Table 4 Mudstone expansion height vs time

圖3 泥巖膨脹率隨時間變化規(guī)律Fig.3 Mudstone expansion rate vs time

由圖3可知，當(dāng)MMH含量<0.4%時，增加MMH含量，泥巖膨脹率減小，沖洗液抑制性變強(qiáng)，當(dāng)MMH含量>0.4%，增加MMH含量，泥巖膨脹率增大，沖洗液抑制性減弱，由此可知，MMH的最優(yōu)加量是0.4%。

通過上述分析結(jié)果來優(yōu)化基礎(chǔ)配方，優(yōu)化后的配方為：5%膨潤土+2%純堿(Na2CO3)+0.05%高粘聚陰離子纖維素(HV-PAC)+0.4%低粘鈉羧甲基纖維素(LV-CMC)+2%磺甲基酚醛樹脂(SMP-1)+2.5%無熒光防塌潤滑劑(FT-342)+0.4%正電膠(MMH)+1%白油。測試配方性能見表5。

表5 配方性能Table 5 Formula properties

2.3 膨脹量試驗

利用ZNP型膨脹量測定儀測試了五龍溝礦區(qū)泥巖地層巖樣在沖洗液中的膨脹量，巖樣的直徑為25 mm，高度為11.62 mm，膨脹量隨時間變化見表6。

巖樣在清水中最終的膨脹率為：

表6 泥巖膨脹量Table 6 Mudstone expansion values

巖樣在沖洗液中最終的膨脹率為：

由圖4可以明顯觀察到泥巖膨脹率的變化，泥巖在清水中的膨脹率為20.26%，在沖洗液中降到了3.02%，表明沖洗液對泥巖有很強(qiáng)的抑制性。

圖4 膨脹率對比圖Fig.4 Comparison of the expansion rates

2.4 浸泡試驗

將五龍溝礦區(qū)泥巖研磨成粉，過200目的篩，壓制成直徑為25 mm、高度約為28 mm的巖樣進(jìn)行浸泡試驗，使用清水作對比。泥巖壓制后如圖5所示，將兩巖樣分別放入清水和沖洗液中浸泡24 h，24 h后兩巖樣的狀態(tài)如6所示。

圖5 壓制成的巖樣Fig.5 Pressed rock samples

圖6 浸泡24 h后的泥巖巖樣Fig.6 Mudstone samples after soaking for 24 hours

由圖6可以看出浸泡24 h后，在清水中的泥巖巖樣完全坍塌，而在沖洗液中的泥巖巖樣形狀保持良好。

沖洗液漏斗粘度為33 s，失水量為4 mL，能很好地滿足五龍溝礦區(qū)鉆探工作對于沖洗液流變特性和失水特性方面的要求。通過膨脹量試驗以及浸泡驗可以看出，優(yōu)化后的配方對五龍溝礦區(qū)泥巖地層抑制性強(qiáng)，能很好地適用于該區(qū)泥巖地層鉆進(jìn)。與一般的泥巖地層配方相比，添加劑種類少，故其配置工藝簡單，成本低，性價比高，能很好滿足地質(zhì)鉆探的要求。

3 結(jié)論

(1)五龍溝礦區(qū)鉆探施工中經(jīng)常發(fā)生縮徑、孔壁坍塌、巖心采取率不足等問題的根本原因是該區(qū)泥巖粘土含量高，易吸水膨脹，且微裂隙多。沖洗液設(shè)計與性能優(yōu)化主要是加強(qiáng)封堵、降低失水量和抑制粘土水化膨脹。

(2)通過正交試驗研制的水基沖洗液配方為：5%膨潤土+2%純堿(Na2CO3)+0.05%高粘聚陰離子纖維素(HV-PAC)+0.4%低粘鈉羧甲基纖維素(LV-CMC)+2%磺甲基酚醛樹脂(SMP-1)+2.5%無熒光防塌潤滑劑(FT-342)+0.4%正電膠(MMH)+1%白油，該配方流變性好，符合五龍溝礦區(qū)鉆探對沖洗液的要求。

(3)通過膨脹量試驗與浸泡試驗對優(yōu)化后的配方進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)該配方抑制性好，失水量低，適用于五龍溝礦區(qū)泥巖地層的鉆探，配制工藝簡單。