西藏羅布莎科學鉆孔沖洗液技術

翟育峰，王魯朝，丁昌盛，盛海軍，楊 芳

(1.山東省地礦局第三地質大隊，山東煙臺264004;2.山東省地礦局第八地質大隊，山東 日照276800)

1 項目概況

西藏羅布莎科學鉆孔是深部探測技術與實驗研究下屬課題“大陸科學鉆探選址與鉆探試驗”(Sino-Probe－05)的內容，在區(qū)域上研究區(qū)屬于雅魯藏布江縫合帶東段的羅布莎蛇綠巖體，在大地構造位置上，西藏羅布莎巖體位于特提斯－喜馬拉雅構造帶西藏雅魯藏布江蛇綠巖帶的東端。區(qū)域上受控于雅魯藏布江縫合帶，北鄰岡底斯－念青唐古拉構造帶，南接喜馬拉雅構造帶。該項目于2012年9月順利竣工，先后施工2個鉆孔，終孔孔深分別為1477.80 m和1853.79 m。礦區(qū)地層復雜且位處構造帶，巖石極為破碎，鉆孔上部地層為卵石層，膠結極差，存在漏漿、難鉆、坍塌、掉塊等問題。下部地層為蝕變嚴重的超基性巖體，對鉆探的主要影響特點是：塌、酥、漏、蝕變(蛇紋石化)嚴重，且范圍(深度)大。

2 礦區(qū)鉆進護壁存在的主要問題及原因分析

2.1 鉆進護壁存在的主要問題

2.1.1 鉆孔裂隙發(fā)育，漏失嚴重

鉆孔從開孔至198 m都存在漏失嚴重的問題，全孔不返漿，局部孔段甚至全孔漏失，這樣就造成沖洗液還未來得及在孔壁形成泥皮或者充分滲透到孔壁間隙來形成有效的護壁膜就已經漏失掉，完全起不到相應的護壁效果。

2.1.2 地層巖性多為蛇紋蝕變嚴重的超基性巖，破碎嚴重

鉆孔從開孔到終孔均無完整地層，局部破碎嚴重，沖洗液一旦維持不好就會發(fā)生坍塌、掉塊事故，主要的破碎地層見表1。

從表1可以看出，開孔階段第四系地層近200 m，巖心采取率較低，地層不穩(wěn)定性非常高，泥漿的護壁能力已經達不到要求，最好的護壁方式就是下入套管。對于破碎孔段超過10 m的地層則采取水泥封孔灌漿的方式。施工封孔次數達到了30余次。

表1 鉆遇的主要破碎地層

2.1.3 孔壁出現坍塌以后，泥漿的護壁效果基本失效，只能采用其他方法處理

鉆孔坍塌以后，往往會形成“大肚子”，對于攜粉能力較差的無固相泥漿來說，基本上起不到膠結孔壁的作用。對于攜粉能力較強的LBM沖洗液來說，雖然攜粉能力很強，但是對于大顆粒巖粉，受環(huán)狀間隙限制也無法攜帶出鉆孔，因此在掃孔過程中一旦掃至事故孔段就會出現憋泵、憋車現象。

2.2 護壁困難的主要原因

2.2.1 地質構造因素

鉆孔所在位置為印度板塊和亞洲板塊碰撞邊界，地層相對位移近3 km，由于受兩大板塊的碰撞，造成地層嚴重破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，為鉆探施工造成了很大的困難。

2.2.2 鉆進工藝因素

(1)無固相泥漿能起到很好的護壁作用，但是由于其攜粉能力相對于固相泥漿來說較低，隨著鉆孔的加深，巖粉不能及時地排除鉆孔，造成鉆進泵壓急劇增高，影響壓力平衡鉆進。

(2)固相泥漿雖然有很好的攜粉能力，但是易在鉆桿內部結垢，而且受環(huán)狀間隙的影響，不利于深孔鉆進使用。

為了保證鉆孔的順利實施，針對施工中遇到的問題結合前期施工經驗，開展了對沖洗液的一系列研究。試驗采用了LBM低粘增效粉泥漿、聚乙烯醇無固相沖洗液，取得了較好的效果。

3 聚乙烯醇(PVA)沖洗液

聚乙烯醇(PVA)多為絮狀、顆粒狀、片狀。現場使用的聚乙烯醇主要有17－99、20－99兩類，“99”代表聚乙烯醇的醇解度，“17、20”代表聚乙烯醇的聚合度。聚合度越大，水溶液粘度越大，成膜后的強度越高。聚乙烯醇護壁機理：溶解的聚乙烯醇有很好的流動性、粘結性，能夠滲入到破碎地層中，把巖塊、巖屑膠結在一起，在一定的條件下能形成具有一定強度的膜，起到穩(wěn)定孔壁的作用。

3.1 性能特點

(1)聚乙烯醇沖洗液具有良好的成膜效果，與地層膠結能起到很好的護壁效果。圖1(a)為現場制備的聚乙烯醇成膜;圖1(b)為巖心散塊簡單粘著后放入制備好的聚乙烯醇沖洗液中浸泡，巖樣不但不分散，而且取出后強度還有一定程度的提高。

圖1 聚乙烯醇護壁效果

(2)聚乙烯醇沖洗液的成膜效果隨著聚乙烯醇加量的加大而增加。

(3)聚乙烯醇沖洗液失水量較大。聚乙烯醇沖洗液性能指標見表2。

從表2可以看出，隨著PVA加量增加，沖洗液的動切力增大，粘度增大，這樣雖然可以提高沖洗液的攜粉能力，但是同時使沖洗液的流變性能變差，增大了泵壓，不利于孔內壓力平衡鉆進。

3.2 現場應用情況

3.2.1 現場制備

現場按照10%的比例與冷水混合，然后加熱至開鍋，待絮狀的聚乙烯醇完全溶解于熱水中為止，然后將熬好的聚乙烯醇存放于新漿池中待用。

表2 不同配方的聚乙烯醇沖洗液性能

3.2.2 現場應用

溶解好的聚乙烯醇溶液，可以直接按比例加入到循環(huán)池中使用，PVA的加量要根據孔內狀況而定，常用比例0.5% ～1%，即10%的溶液要加入10～20倍的水稀釋。

為了增強護壁效果和減少聚乙烯醇的用量，在現場往往將溶解后的聚乙烯醇溶液(10%)直接加入到鉆桿內，使?jié)舛雀叩娜芤合冉涍^一次孔內循環(huán)，更有利于保護孔壁穩(wěn)定。對于局部嚴重破碎地層孔段，還可以通過計算沖洗液量，將加入到鉆桿內的聚乙烯醇濃溶液，到達破碎段時停止循環(huán)1～2 h，使?jié)馊芤撼浞譂B入破碎地層，達到護孔的目的。

聚乙烯醇沖洗液具有較好的護壁性能，其他性能(如潤滑、攜粉、絮凝)并不理想，因此常常與其他材料配合使用，如纖維素CMC、PAC141等。

(1)PVA+CMC。在 PVA沖洗液中只加入CMC(加量0.2% ～0.5%)，能起到降低聚乙烯醇沖洗液失水量，提高沖洗液潤滑性能，降低泵壓、提高沖洗液攜帶巖粉的能力，性能見表2。

(2)PVA+PAC141。主要應用在LSD－2鉆孔1533 m以深的S59繩索取心鉆進工藝中。加入PAC141的作用同CMC相似，但是PAC相對于CMC加量更小，只需0.1%，性價比更高，而且潤滑、攜粉效果更好，其性能見表2。

3.3 存在的問題

PVA沖洗液有較好的護壁效果，但不能解決沖洗液的所有問題，主要存在以下幾方面問題。

(1)攜帶巖粉能力較差。PVA類沖洗液密度小，切力小，攜帶能力較弱，對較大顆粒的巖粉帶不出來，而是懸浮在環(huán)狀間隙的沖洗液中或沉淀在孔底，造成循環(huán)阻力大，泵壓升高。

(2)潤滑性差。PVA沖洗液有較強的吸附能力，與孔壁、鉆桿均有吸附作用，分子間的作用也成網狀結構，因此潤滑性能不好。

(3)不能與粘土泥漿、潤滑油等混合使用。實踐證明，PVA沖洗液與粘土泥漿混合，不但影響粘土的分散，還直接影響PVA的護壁作用，這與兩者分子之間的相互作用力有關，因此不能混合使用。理論上說，PVA具有抗油性，但經過幾次的使用發(fā)現，PVA沖洗液中加入皂化油類會影響護壁效果。

(4)不利于處理大面積坍塌。孔內一旦發(fā)生坍塌，由于PVA沖洗液攜帶能力差，不能把孔底的坍塌物攜帶上來，還會使泵壓升高，壓漏、壓裂地層，因此PVA沖洗液對預防坍塌是最有效的，但出現坍塌后還得應用其他辦法處理孔底坍塌物。

(5)相比于其他無固相沖洗液，同種工藝情況下鉆進泵壓偏高。聚乙烯醇具有較高的表觀粘度、塑性粘度，流變性能較差，因此循環(huán)過程中造成泵壓偏高。

(6)成本較高。當地聚乙烯醇價格為27000元/t(80袋)，鉆孔存在漏失時每班需消耗6袋聚乙烯醇熬制的沖洗液，相當于一天的沖洗液鉆進成本近6100元，加上其他費用，一天沖洗液成本近7000元。

4 LBM沖洗液

低粘增效粉LBM是由三元共聚物LPA和膨潤土經化學改造升級而成的高級造漿材料，是一種集造漿與泥漿處理劑功能于一體的多功能“方便面”式復合泥漿材料。

4.1 性能特點

LBM沖洗液具有低密度、低粘度、低切力、低失水和高分散性(四低一高)等特性(見表3)。

表3 不同加量LBM沖洗液性能測試

從表3可以看出，LBM沖洗液具有以下特點。

(1)良好的流變性能。沖洗液的動塑比維持在0.35左右，這樣可以降低泵壓，有利于壓力平衡鉆進。

(2)低失水量和良好的造壁性。LBM沖洗液實驗形成的泥皮薄而韌，能夠起到很好的護壁作用，低失水量對于水敏性地層有很好的抑制作用。

(3)粘附系數低。同普通的膨潤土相比不易在鉆桿內壁結泥皮，更利于繩索取心鉆進。

4.2 現場應用情況

4.2.1 現場制備

按照3%～8%比例用泥漿攪拌機攪拌均勻，然后存放在現場專門存放新漿的16 m3的泥漿池中，根據需求補充更換泥漿。

4.2.2 現場應用

LBM沖洗液具有高動切力、低失水性，處理坍塌地層有很好的效果。LBM沖洗液主要應用在LSD－2鉆孔960 m處處理孔內坍塌事故及960～1469 m擴孔繩索取心特殊鉆進工藝。其中在960 m處的坍塌事故就是加大環(huán)狀間隙、靠LBM沖洗液的攜粉能力，把孔內“大肚子”處的坍塌大顆粒都帶出孔外，解決了憋車、憋泵現象，順利處理好了孔內事故。

4.3 存在問題

(1)粘附卡鉆。LBM沖洗液在配制過程中一定要控制加量，加量過大、鉆具在孔內靜止時間過長、停泵的情況下很可能發(fā)生粘附卡鉆事故。

(2)性能要保持穩(wěn)定。LBM沖洗液具有很好的攜粉能力，同時具有較高的靜切力，這樣不利于循環(huán)槽、泥漿池中巖粉的沉淀，需專用的除砂器，對于現場不具備條件的需及時更換新漿，會造成一定的浪費。

(3)相對于無固相沖洗液，使用LBM沖洗液，繩索取心鉆進的環(huán)狀間隙小，泵壓會比較高，有時甚至會壓漏地層。最好采用加大鉆頭直徑等措施，增大環(huán)狀間隙。

(4)成本較高。

5 鉆探工藝技術對沖洗液應用效果的影響

5.1 鉆探工藝技術對聚乙烯醇沖洗液的影響

聚乙烯醇沖洗液受自身流變性限制，隨著鉆孔孔深的加大，鉆進泵壓升高較快，因此，適當的加大環(huán)狀間隙能很好的降低泵壓，有利于實現壓力平衡鉆進，同時泵壓的降低能很好地減輕沖洗液漏失，也能起到很好的護壁效果。

5.2 鉆探工藝技術對LBM沖洗液的影響

LSD－2鉆孔在960 m處發(fā)生坍塌事故以后，采用聚乙烯醇沖洗液掃孔，正常掃至接近事故孔段就會出現憋泵、憋車現象，換用LBM沖洗液效果一樣。但是采用肋骨鉆頭加大鉆頭外徑(76 mm加大到96 mm)后，加大了環(huán)狀間隙，不僅處理好了事故孔段，還順利地鉆進至1460 m，因此，適當的加大環(huán)狀間隙對于LBM沖洗液發(fā)揮護壁優(yōu)勢更加有利。

6 結論

(1)聚乙烯醇沖洗液具有良好的護壁效果，但是其攜粉能力差，隨著孔深加大，泵壓增大，深部鉆探應用受限;

(2)LBM沖洗液有利于處理孔內坍塌事故;

(3)鉆探工藝技術及參數對泥漿的使用效果也會產生一定的影響，因此同種沖洗液應用效果應以實踐為準;

(4)任何一種沖洗液都存在一定的缺陷，作為鉆探技術人員，需根據孔內現場情況決定采用何種沖洗液。

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