鄭明雄，李保珠

(1.昆明理工大學 計算中心，昆明 650500；2.昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650031)

在礦山勘查鉆井中常遇到凝灰?guī)r。一些高分解性凝灰?guī)r在水中迅速分解，難以防塌，嚴重時可造成卡鉆事故。如在對云南瀾滄鉛礦深部接替資源勘查鉆井時，由于井塌嚴重很難鉆過凝灰?guī)r地層，并曾多次發(fā)生卡鉆事故。在對瀾滄鉛礦凝灰?guī)r的物質成分、防塌鉆井液及防塌原理等前期工作基礎上，基于影響凝灰?guī)r分解的各因素，本文研究靜電場對瀾滄鉛礦凝灰?guī)r在鹽溶液及部分配方溶液中的防塌作用，以探索新的防塌措施，進一步明確防塌原理，并為其它高含黏土巖石鉆井防塌做參考。

關于靜電場對巖石性質影響的研究并不多，主要是因為一般的巖石性質十分穩(wěn)定，受電場影響小。但是由電泳現(xiàn)象可知黏土帶有電性，所以黏土可受電場影響，故靜電場對巖石性質影響的研究主要集中在含黏土巖石上。如：孫虎等[1]研究了電場對黏土礦物顆粒粒度的影響；李先杰等[2]研究了外加直流電場下黏土礦物的膨脹特性；石振明等[3]試驗了含鹽量對蒙脫石黏土電滲的影響；杜偉等[4]討論了電場中極化效應對黏土礦物中離子交換吸附的影響；LI等[5]討論了黏土材料中的電場對金屬離子吸附的影響。這些研究都從一個方面探索了電場對含黏土巖石的影響。但總體來說，靜電場對巖石影響的研究不多，有待繼續(xù)。

瀾滄鉛礦凝灰?guī)r中黏土礦物含量多在40%以上(隨層位不同有差別)，是典型的高黏土化凝灰?guī)r，適用于靜電場影響的研究范圍。瀾滄鉛礦凝灰?guī)r的物質成分十分復雜，凝灰?guī)r中還含有較多易溶解的無機鹽，溶出離子測試表明凝灰?guī)r在水中有多種離子快速溶出，主要有Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，這些離子的快速溶出可促進凝灰?guī)r分解，阻止離子溶出可從一定程度上阻礙凝灰?guī)r分解[6]。瀾滄鉛礦凝灰?guī)r在水中可在數秒至1 min內分解成泥沙。對分解十分迅速難以防塌的凝灰?guī)r來說，雖然最重要的防塌措施是成膜隔水、防鹽溶和離子交換，但需要考慮每一個防塌因素，探討新的防塌措施，這就有必要討論靜電場對凝灰?guī)r穩(wěn)定性的影響。通過靜電場研究，還可進一步明確防塌機理，討論凝灰?guī)r微片端部電荷作用以及雙電層的實際效應等。目前，將靜電場與凝灰?guī)r鉆井防塌相結合的研究很少。

1 實驗方法

實驗表明純水中電場沒有任何效果，研究電場影響需在對凝灰?guī)r有防塌效果的鹽溶液或者防塌配方溶液中進行。前期對云南省瀾滄鉛礦凝灰?guī)r進行了系列化學實驗獲得能有效防塌的鉆井液配方及防塌原理[6-7]：主要是堿性可溶淀粉膠聯(lián)成膜隔水防塌、鹽溶液阻溶防塌及離子交換改性防塌?；诖耍谟行Х浪芤褐袑Ρ扔袩o電場時的凝灰?guī)r的穩(wěn)定性，分別在鹽溶液、堿性淀粉溶液、堿性淀粉+KCl混合溶液中進行對比。高濃度鉀鈉鹽中瀾滄干凝灰?guī)r較為穩(wěn)定，故在鹽溶液中的電場影響對比時，在對應的降低濃度的半可防塌鹽溶液中進行。因為在已經能很好防塌的鹽溶液中難以進行比較，完全沒有防塌效果的鹽溶液施加電場也沒有任何效果。

實驗設計的電場為兩種電場：使用平行金屬板施加的模擬平行電場(圖1～2)，平板直徑25 cm；點電場采用直接在凝灰?guī)r上鉆孔插入導線接電源正/負極，分別實驗凝灰?guī)r接觸端為正負電壓的情況，另一極零電壓端接金屬容器，外金屬容器為直徑13 cm的圓柱金屬口缸，凝灰?guī)r半浸沒于燒杯溶液中并連同燒杯置于金屬容器中。實驗使用靜電壓設備來產生電場，設備型號HB-S302-3AC，設備輸出靜電壓范圍-3 000 V ～+3 000 V，2路電壓輸出且電壓可調，內電流3 mA。

圖1 直流高壓電源Fig.1 DC high voltage power supply

圖2 金屬平板 Fig.2 Metal plate

本文中的堿性可溶淀粉溶液為自來水+可溶淀粉+NaOH并充分攪拌使得淀粉交聯(lián)枝接聚合而成膠狀液體，原乳白色的可溶淀粉溶液無任何防塌功能，需攪拌至發(fā)生明顯黏度變化并變得較透明，本文中的堿性可溶淀粉溶液的pH值均為13。

2 靜電場對凝灰?guī)r防塌的影響

2.1 鹽溶液中靜電場的影響

實驗表明，對純水及多數低濃度水溶液來說，電場的影響可以忽略不計。但是在較低濃度鉀鹽或鈉鹽溶液中，電場對瀾滄凝灰?guī)r的影響較明顯，未施加電場的凝灰?guī)r分解相對較快，電場中的凝灰?guī)r在低濃度鉀鹽溶液中仍能較長時間保持較大塊狀，除去電場后在較長一段時間內仍不會迅速分解為泥砂。圖3中左側燒杯置于1 000 V平板電場(平板間距15 cm)中5 min后取出，右側為相同濃度溶液中無電場的對比，可見電場有一定影響。但是，隨著樣品放置時間的長期變化，瀾滄凝灰?guī)r樣品干燥后相對變硬，土狀光澤變?yōu)榫哂幸欢ǖ恼渲楣鉂?，且在能防塌的鹽溶液中更穩(wěn)定。實驗表明，新采凝灰?guī)r的電場影響對比較明顯，電場對久置干燥凝灰?guī)r塊的影響越來越弱甚至沒有影響。

圖3 在5 g/100 mL KCl中5 min電場影響對比Fig.3 Comparison of electric field effect in 5 min and in 5 g/100 mL KCl

圖4為在10 g/100 mL NaCl溶液中的點電場實驗(電壓+200 V)，起初有對比效果，但是久置后凝灰?guī)r泥沙化。平板電場實驗中的凝灰?guī)r久置后亦分解為細小層片等(凝灰質硬塊除外)。實驗表明，電場對凝灰?guī)r在鹽溶液中的影響對穩(wěn)定性不具有決定性，較長時間后，凝灰?guī)r在多數低濃度鹽溶液中均泥沙化，或者能保持塊狀也十分軟弱(能對凝灰?guī)r進

圖4 在10 g/100 mL NaCl中久置后分解Fig.4 Decomposition in 10 g/100 mL NaCl for a long time

實驗還表明，鹽溶液中，對直接接觸凝灰?guī)r的點電場情況，使用正負電壓的差別不大。同時，點電場下，電壓大小的影響不明顯，數十伏和數百伏區(qū)別不明顯。

2.2 堿性可溶淀粉溶液中靜電場的影響

堿性淀粉膠狀溶液的防塌功能主要是在凝灰?guī)r表面成膜[6，8]，該膜十分細膩，可有效防止水進入凝灰?guī)r內部引起垮塌；膠狀液體同時具有對自由水的控制作用，并可極大增加溶液向凝灰?guī)r內部運動的阻力。圖5～7中的堿性可溶淀粉溶液濃度8 g/100 mL，經充分攪拌成膠狀。圖5中采用平板電場電壓500 V，平板間距15 cm。圖5中左側燒杯為電場中5 min后取出的樣品，右側為無電場的同濃度溶液中5 min的樣品，均輕微攪動以檢驗塊狀態(tài)。圖6點電場實驗中電壓+200 V接凝灰?guī)r端，溶液未直接接觸金屬導體，零電位極接外殼。圖7點電場實驗中電壓-200 V接凝灰?guī)r端，零電位極接外殼。

由圖5可見，瀾滄鉛礦凝灰?guī)r在堿性可溶淀粉溶液中對比較明顯，電場中的凝灰?guī)r表面模糊且有少許掉塊，但主體硬塊還在，說明平板靜電場對黏土含量大的瀾滄凝灰?guī)r表面成膜有明顯影響，靜電場對防塌效果有明顯增強。將圖5中的電場中的凝灰?guī)r取出檢驗，可知少許水分已浸潤凝灰?guī)r內部，凝灰?guī)r軟化但不松散。

圖5 堿性可溶淀粉溶液中平板電場影響對比Fig.5 Comparison of the influence of flat electric field in alkaline soluble starch solution

由圖6可知，在+200 V電壓直接接觸凝灰?guī)r的近似點電場作用下(5 min)，凝灰?guī)r在堿性淀粉膠狀溶液中的穩(wěn)定性顯著增強，凝灰?guī)r基本保持原來的塊狀。表明直接接觸時的靜電場電荷作用較強，這種靜電作用可使得凝灰?guī)r表面的隔水膜的功效更好。圖7的-200 V具有與+200 V相近的功效。將圖6—7的電場中的凝灰?guī)r取出檢查，可見仍然有少許水分已浸潤凝灰?guī)r內部，凝灰?guī)r部分少許軟化但不松散。

圖6 堿性可溶淀粉溶液中點電場的影響對比Fig.6 Comparison of the influence of the point electric field in alkaline soluble starch solution

圖7 堿性可溶淀粉溶液中點電場的影響對比Fig.7 Comparison of the influence of the point electric field in alkaline soluble starch solution

點電場實驗表明直接電荷作用可增強成膜阻水，該發(fā)現(xiàn)具有一定的實際應用前景。

2.3 堿性可溶淀粉加KCl溶液中靜電場的影響

前期研究表明，NaCl、KCl等鹽溶液在達到一定濃度時對瀾滄凝灰?guī)r具有防塌作用，僅僅使用成膜隔水效果還有待提高，在膠狀的堿性可溶淀粉溶液中加入KCl等鹽將極大地增加凝灰?guī)r的穩(wěn)定性，且鹽溶液濃度越高防塌能力越強[9]。為增加對比效果，將圖8～10中的堿性可溶淀粉溶液濃度降為4 g/100 mL，KCl濃度也定為偏低的4 g/100 mL。圖8中平板電場電壓500 V，平板間距15 cm。圖9～10中點電場實驗中電壓分別為±200 V，溶液未直接接觸金屬導體。圖8～10中左側燒杯均為電場中5 min樣品，右側為相同溶液相同時間無電場對比樣。

圖8 堿性可溶淀粉+KCl溶液中平板電場的影響對比Fig.8 Comparison of the influence of the plate electric field in KCl+alkaline soluble starch solution

圖9 堿性可溶淀粉+KCl溶液中點電場影響對比Fig.9 Comparison of the influence of the point electric field in KCl+alkaline soluble starch solution

圖10 堿性可溶淀粉+KCl溶液中點電場影響對比Fig.10 Comparison of the influence of the point electric field in KCl+alkaline soluble starch solution

由圖8實驗可見，在堿性可溶淀粉及KCl鹽溶液中，凝灰?guī)r表面雖有局部少許分解，但平板靜電場對凝灰?guī)r的穩(wěn)定性有十分明顯的作用，電場中的凝灰?guī)r取出后仍具有之前的硬度，干凝灰?guī)r內部未浸潤軟化。同樣，對于圖9～10的點電荷也具有十分顯著的防塌增強作用。本實驗結果表明，靜電場對堿性可溶淀粉及KCl鹽溶液的防塌性能有顯著增強，自由水進入凝灰?guī)r內部更加困難，靜電場對配方防塌溶液的防塌能力有明顯增強。本發(fā)現(xiàn)具有實際應用價值。

3 原理討論

鹽溶液中的電荷是帶電水合離子，防塌作用本質上來說是水合離子與凝灰?guī)r表面的電荷作用。當鉀鹽鈉鹽銨鹽等鹽溶液達到一定濃度時，較長一段時間內高分解性水敏凝灰?guī)r可在溶液中保持穩(wěn)定，但多數鹽溶液不具備防塌功能而凝灰?guī)r快速分解[9]。瀾滄鉛礦凝灰?guī)r中含大比例黏土而凝灰?guī)r表面可形成雙電層[10-11]，凝灰?guī)r微片端部電荷可吸附帶電水合離子，但是，由多數飽和鹽溶液不具備防塌功能來看，這種雙電層對水合離子的吸附阻礙效應或者端電荷對水合離子的吸附阻礙效應并不能起到較好的防塌作用，因為其他鹽溶液中的離子也是帶電水合離子卻完全沒有防塌效應。本文的中低濃度KCl溶液的靜電場增強電荷作用實驗效果有限，進一步證實了雙電層及對帶電水合離子的電荷吸引阻礙作用十分有限。結合前面的防塌原理研究[6]，可知僅僅鹽溶液的防塌作用在于防止溶出而防塌，防溶出是防塌的主要因素之一；當然，離子交換也是使得凝灰?guī)r穩(wěn)定的一個因素，對瀾滄鉛礦凝灰?guī)r十分有效。

由堿性可溶淀粉中的靜電場影響來看，仍然是電場中電荷對電荷的吸引，卻取得了明顯的效果。這是因為堿性可溶淀粉溶液中含有一定量的帶電離子(NaOH和自來水中的離子)，使得部分溶液整體帶有多電荷，相對于單個水合離子來說，這種電荷間作用大大增強，故凝灰?guī)r表面及裂縫中對致密膜的吸引顯著增強，可增加膜的厚度和強度，進而起到強化成膜效應的作用。當在堿性淀粉中加入KCl后，帶電離子濃度大增，對膜體/膜層的電荷吸附作用起到增強作用，防塌能力得到進一步增強。由本文研究結果可以推知：對于含黏土巖層等高風險塌的鉆井成膜防塌應用中，使用含鹽離子防塌劑混合隔水成膜劑時，靜電場具有增強防塌性能的作用。

4 結論

本文通過應用平板靜電場和點靜電場，對瀾滄鉛礦高黏土化凝灰?guī)r在具有防塌能力的鹽溶液、堿性可溶淀粉溶液、堿性可溶淀粉+KCl溶液中進行電場影響對比，并分析了現(xiàn)象的原理，得出以下結論：

1)高含黏土瀾滄凝灰?guī)r在具有一定防塌能力的中低濃度鹽溶液中時，靜電場對凝灰?guī)r的穩(wěn)定性有一定的影響，但這種影響十分有限。僅有凝灰?guī)r雙電層對帶電水合離子的作用并不能阻止水進入凝灰?guī)r內部。鹽溶液的防塌表現(xiàn)為防鹽溶防塌和離子交換穩(wěn)定。

2)堿性可溶淀粉溶液中，靜電場對防塌有明顯的增強作用。靜電場可增強對含帶電離子的致密膜層的吸附，使得水難以進入凝灰?guī)r內部。在堿性可溶淀粉中加入KCl后隔水膜中帶有更多電荷，靜電場的作用效果進一步加強，靜電場對瀾滄鉛礦凝灰?guī)r的防塌具有良好的實用價值。

3)在高井塌風險的防塌鉆井的成膜隔水應用中，使用含鹽防塌劑混合隔水成膜劑時，外加靜電場可增強防塌性能。