賈宏福，羅 剛，付兆友，蓋志鵬，李曉東

(1．新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第六地質(zhì)大隊(duì)，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(shù)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(zhì)、快速鉆探施工中起著越來(lái)越重要的作用。目前，水基沖洗液在實(shí)際應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)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(shí)，當(dāng)?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(fèi)了材料又危及孔內(nèi)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(hù)鉆孔施工過(guò)程中孔壁穩(wěn)定勢(shì)在必行。新疆若羌縣坡北銅鎳礦是一個(gè)使用鹵水進(jìn)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(lái)在鹽水沖洗液技術(shù)方面的探索與實(shí)踐。

1 工區(qū)概況及對(duì)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(guó)找礦突破戰(zhàn)略行動(dòng)整裝勘查區(qū)。鉆遇巖石主要有輝長(zhǎng)巖、輝石巖、橄欖巖以及它們之間的過(guò)渡巖石，如輝石輝長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)蘇長(zhǎng)巖、輝橄巖、輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)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(jí)。700 m以深，巖石蝕變現(xiàn)象很普遍，部分地層強(qiáng)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(jiàn)表1。

表1 巖性分析結(jié)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(dá)到25%。其中蒙脫石含量達(dá)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(wèn)題是中深部、深部孔段存在強(qiáng)烈蝕變破碎地層，鉆遇該層則施工進(jìn)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(dá)到鹵水級(jí)別，密度達(dá)到1.05 g/cm3。水中離子成分較為復(fù)雜，對(duì)配制沖洗液都具有很大的影響。水質(zhì)分析結(jié)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(lái)，隨著深孔數(shù)量增加，個(gè)別鉆孔鉆遇多層、厚層蝕變破碎帶，軟硬互層現(xiàn)象明顯(見(jiàn)圖1)，鉆孔施工難度很大，個(gè)別鉆孔因事故多次施工無(wú)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(shè)計(jì)孔深1600 m，傾角90°。自2011年起由新疆地礦局第六地質(zhì)大隊(duì)和國(guó)內(nèi)其它兩家單位機(jī)臺(tái)歷經(jīng)3次施工，均在800～1100 m孔段蝕變破碎地層發(fā)生復(fù)雜事故，處理無(wú)效而報(bào)廢鉆孔。2013年我隊(duì)重新制定施工方案后，由XY－6B型鉆機(jī)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(jī)施工最大能力，下入套管。

ZK38－4孔設(shè)計(jì)傾角89°，設(shè)計(jì)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(shí)610 d，施工進(jìn)展緩慢(未鉆遇蝕變破碎地層的鉆孔鉆月效率可高達(dá)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(gè)鉆孔用HQ套管護(hù)壁的方法已經(jīng)達(dá)到鉆機(jī)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(hù)孔壁的作用。

1．3 沖洗液性能要求

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，在蝕變破碎地層鉆進(jìn)時(shí)沖洗液應(yīng)該具有以下特點(diǎn)。

(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(duì)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(guò)大會(huì)引起蝕變地層孔壁巖石膨脹、剝落，導(dǎo)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(guò)復(fù)雜地層。故濾失量應(yīng)較小，濾失形成的泥餅要薄而韌。

(2)適宜的流變性。相對(duì)于堅(jiān)硬完整巖層，蝕變破碎地層鉆進(jìn)時(shí)沖洗液粘度、懸浮巖屑的能力應(yīng)增大，觸變性要好，以利于攜帶和排除巖屑，保證孔內(nèi)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(yīng)稍高，以避免孔壁坍塌。pH值應(yīng)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(jìn)，避免事故。

2 常用沖洗液體系應(yīng)用效果及失效機(jī)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(rùn)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(wèn)題主要是各類(lèi)沖洗液材料在鹵水中溶解性、分散性差，利用率不高，導(dǎo)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(zhì)快，浪費(fèi)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(wú)固相沖洗液基本可以滿足施工要求。

2008年我們引進(jìn)了抗鹽一號(hào)處理劑，沖洗液性能得到了改善，但仍然沒(méi)能解決沖洗液性能不穩(wěn)定，分層較快的問(wèn)題?？果}一號(hào)沖洗液雖然提高了沖洗液粘度和對(duì)巖粉的攜帶能力，但其懸浮能力和護(hù)壁效果還是不能滿足深孔或復(fù)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(zhì)。同時(shí)由于拉淡水運(yùn)距遠(yuǎn)、運(yùn)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(jī)理

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

2．2．1 鹽對(duì)膨潤(rùn)土－水分散體系的影響

膨潤(rùn)土－水分散體系中粘土顆粒之間由于顆粒表面都帶有負(fù)電荷而產(chǎn)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(fù)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(shí)粘土顆粒四周的水化膜，也阻礙了土顆粒彼此接近或聚結(jié)。因此，粘土分散，沖洗液性能穩(wěn)定。當(dāng)水中含有大量高價(jià)陽(yáng)離子時(shí)，雙電層厚度下降，粘土膠粒間的吸引力大于排斥力，從而產(chǎn)生顆粒聚結(jié)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(duì)纖維素類(lèi)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(wú)機(jī)鹽溶液后不僅Na+會(huì)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(shí)在鹽溶液中水化基團(tuán)受到一定限制，分子鏈的水化膜斥力會(huì)有所削弱，所以NaCl濃度的增加會(huì)使CMC溶液粘度下降。同樣，Ca2+及Mg2+等二價(jià)離子對(duì)CMC的作用明顯強(qiáng)于單價(jià)離子Na+或K+?？傊?，不同種類(lèi)的鹽溶液對(duì)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(yáng)離子對(duì)聚陰離子纖維素(PAC)溶液也有類(lèi)似的作用，導(dǎo)致其粘度下降。

2．2．3 鹽對(duì)聚丙烯酰胺溶液的影響

試驗(yàn)表明，陰離子對(duì)聚丙烯酰胺溶液粘度沒(méi)有影響。陽(yáng)離子會(huì)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(yáng)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(duì)植物膠類(lèi)的影響

沖洗液常用植物膠有黃原膠、瓜爾膠等。有關(guān)研究表明，外加鹽濃度在一定范圍內(nèi)會(huì)使黃原膠溶液濃度下降。鹽濃度達(dá)到一定值時(shí)，黃原膠溶液迅速轉(zhuǎn)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(cè)鏈的羧酸根與高價(jià)金屬離子形成難溶性的鹽而致，也可能是高價(jià)陽(yáng)離子在不同分子間通過(guò)離子鏈產(chǎn)生架橋作用，使分子成束狀凝聚所致。而對(duì)瓜爾膠而言，由于其結(jié)構(gòu)上不含易解離基團(tuán)，分子與陰陽(yáng)離子通過(guò)較強(qiáng)的化學(xué)鍵相互作用的可能性較小，也不存在靜電屏蔽效應(yīng)，因而它對(duì)大多數(shù)陰陽(yáng)離子表現(xiàn)出很強(qiáng)的耐受性［11］。

2．2．5 鹽對(duì)腐植酸鹽類(lèi)的影響

腐植酸鹽除靠它的水化作用強(qiáng)的官能團(tuán)起降失水作用外，它本身又是聚電解質(zhì)，在泥漿分散系中，聚陰離子吸附在粘土顆粒表面時(shí)，提高粘土粒的電動(dòng)電位，增大土粒聚結(jié)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(xì)土粒的含量，形成細(xì)而致密的泥皮，從而使泥漿失水量減少。當(dāng)泥漿中的鈣離子含量一定范圍內(nèi)時(shí)，泥漿的粘度和失水量保持較好水平，超過(guò)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(jī)理

多功能復(fù)合劑MBM是以鈉膨潤(rùn)土為基材，通過(guò)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(fù)合制備而成的沖洗液多功能復(fù)合材料。MBM具有較強(qiáng)的抑制性能，適合于在水敏地層和破碎地層中使用，鉆進(jìn)過(guò)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(jìn)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(nèi)無(wú)結(jié)垢。配制、使用簡(jiǎn)單方便。

MBM作用機(jī)理:粘土造漿主要取決于粘土的水化作用，粘土水化時(shí)晶層間距增加，形成擴(kuò)散雙電層，而鹵水中大量的陽(yáng)離子進(jìn)入擴(kuò)散雙電層會(huì)破壞粘土水化。MBM是通過(guò)將粘土晶體的層片剝離和對(duì)晶粒破碎細(xì)化，與有機(jī)改性劑發(fā)生作用，形成的雙電層不受陽(yáng)離子的影響，因此能夠在鹵水中形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

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

GTQ作用機(jī)理:GTQ分子鏈上有大量的－COONa基團(tuán)和－SO3Na存在，這兩種基團(tuán)為強(qiáng)水化基團(tuán)，使黏土顆粒表面的溶劑化水膜增厚，電動(dòng)電位提高，從而顯著提高黏土顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性。當(dāng)遇到大量的鈉離子、鈣離子或鎂離子等時(shí)，不易產(chǎn)生去水化作用和鹽析現(xiàn)象。

3．2 MBM鹵水沖洗液體系室內(nèi)試驗(yàn)

3．2．1 配方確定試驗(yàn)

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

經(jīng)檢測(cè)，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(shí)間延長(zhǎng)基本保持穩(wěn)定。

3．2．2 巖樣膨脹與分散試驗(yàn)

為驗(yàn)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(jìn)行了膨脹量測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 巖樣膨脹與分散試驗(yàn)結(jié)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(duì)比試驗(yàn)

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(chǎn)商提供的2種材料，即抗鹽一號(hào)和抗鹽土做了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)配方見(jiàn)表3，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 試驗(yàn)后的沖洗液配方

表4 試驗(yàn)的沖洗液性能

試驗(yàn)結(jié)果表明:淡水條件下沖洗液膠體率很高。使用鹵水時(shí)，唯有MBM－GTQ沖洗液膠體率較高。沖洗液濾失后形成的泥皮質(zhì)量?jī)?yōu)劣次序?yàn)?8號(hào)，1號(hào)，5號(hào)，3號(hào)，4號(hào)，6號(hào)，2號(hào)，7號(hào)。

1、2號(hào)對(duì)比可知:其他條件相同時(shí)，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(hào)對(duì)比可知:使用鹵水時(shí)，用MBM配制的沖洗液較用膨潤(rùn)土配制的沖洗液性能好。

2、4號(hào)對(duì)比可知:使用鹵水時(shí)，GTQ與膨潤(rùn)土配合使用未能有效改變沖洗液性能。

4、5號(hào)對(duì)比可知:使用鹵水時(shí)，用 MBM+GTQ配制的沖洗液性能較用膨潤(rùn)土+GTQ配制的沖洗液性能好。(注:實(shí)際施工中5號(hào)未加CMC)。

2、6號(hào)對(duì)比可知:使用抗鹽一號(hào)后沖洗液的性能有所改善，但不夠理想。

2、7號(hào)對(duì)比可知:使用鹵水時(shí)，用抗鹽土與膨潤(rùn)土配制的沖洗液性能接近。

1、8號(hào)對(duì)比可知:使用淡水時(shí)，用膨潤(rùn)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(chǎng)試驗(yàn)

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(jī)為攪拌機(jī)，配專(zhuān)人攪制并監(jiān)控沖洗液性能。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明隨著攪拌時(shí)間的增加，沖洗液漏斗粘度逐漸提高到一定程度。由于鉆機(jī)只能開(kāi)動(dòng)較低的轉(zhuǎn)速，攪拌所需時(shí)間較長(zhǎng)。一般需要攪拌3～5 h，然后靜置1～2 h浸泡(浸泡時(shí)間長(zhǎng)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(dá)27～35 s(隨靜置時(shí)間延長(zhǎng)，漏斗粘度可達(dá)60 s)，膠體率可達(dá)95%以上，濾失量10 mL/30 min，泥皮薄而韌。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)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(wú)分層現(xiàn)象)、粘度高、濾失量低、懸浮能力強(qiáng)，可以滿足施工要求?？裳h(huán)使用的時(shí)間為10～15 d，隨孔深或時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)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?yàn)闆_洗液內(nèi)部組分降解或地下鹵水侵蝕污染所造成。

4 應(yīng)用成果與推廣情況

4．1 MBM－GTQ沖洗液體系的應(yīng)用成果

MBM－GTQ沖洗液體系的應(yīng)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(guò)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(jī)臺(tái)員工的高度認(rèn)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(shù)難題。

4．2 MBM－GTQ沖洗液的推廣應(yīng)用

在新疆，尤其在東疆眾多工區(qū)施工時(shí)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(jìn)，但不能有效滿足深孔、復(fù)雜地層施工。因此我隊(duì)在多個(gè)工區(qū)推廣應(yīng)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(yīng)用

該礦區(qū)多個(gè)鉆孔鉆遇較厚第四系覆蓋層，最厚達(dá)175 m。鉆進(jìn)時(shí)，孔壁坍塌嚴(yán)重，每次提鉆后，均無(wú)法下到位，要進(jìn)行掃孔和沖孔。采用當(dāng)?shù)佧}水配制的沖洗液性能不穩(wěn)定，在循環(huán)過(guò)程中固液分層，不能有效護(hù)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(jīng)測(cè)定，漏斗粘度達(dá)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(yīng)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(diǎn)。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(jīng)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(jìn)，施工效率提高。

5 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用成果表明，MBM－GTQ沖洗液體系是用鹽水或鹵水配漿時(shí)，順利鉆進(jìn)復(fù)雜地層和處理事故期間維護(hù)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(jìn)的難題。同時(shí)，使用當(dāng)?shù)佧u水也很大地降低了運(yùn)水成本和等待時(shí)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(chǎng)容易操作，維護(hù)簡(jiǎn)單。值得在類(lèi)似工區(qū)推廣應(yīng)用。

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