復雜地層地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液技術(shù)分析

曾申

摘 要：本文以復雜地層地質(zhì)鉆探為論述對象，以沖洗液技術(shù)應用為論述手段，以強化鉆探效率及可靠性為論述目的，就此展開專業(yè)分析。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)鉆探；復雜地層；沖洗液；技術(shù)要求

中圖分類號：P634.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0120-02

1 地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液的作用

1.1 攜帶巖石碎屑

地質(zhì)鉆探過程中，在鉆頭的回轉(zhuǎn)、沖擊作用下，會使巖石因破壞而于孔底形成巖粉、巖屑等沉淀物，此時為保持孔底清潔，則需利用沖洗液的攜帶作用將所產(chǎn)生的巖石碎屑采用正循環(huán)或者反循環(huán)形式排至地表；同時基于沖洗液觸變特性的利用，沖洗過程中可利用沖洗液的比重變化產(chǎn)生浮力使巖石碎屑上浮，或者使用泥漿泵的正壓力上舉、氣舉反循環(huán)的負壓吸出巖屑、巖塊而防止孔底沉渣，從而既避免埋鉆現(xiàn)象的發(fā)生，又能促進鉆進效率的提高。

1.2 冷卻鉆頭

鉆進過程中，鉆頭所帶機械功大部分用于巖石破碎，而剩余小部分則會因與巖石摩擦而轉(zhuǎn)化為熱能，從而導致鉆頭溫度升高。例如金剛石鉆頭，其在鉆進過程中溫升可達300℃以上，如若不能及時冷卻，必然造成鉆頭因碳化作用而出現(xiàn)燒鉆現(xiàn)象，最終降低使用壽命。此時通過沖洗液的循環(huán)作用，可有效帶走鉆頭熱量，達到降溫目的，避免其因溫度過高而受損和變形。

1.3 潤滑減阻

在與巖壁的摩擦作用下，高速旋轉(zhuǎn)的鉆桿、鉆具會產(chǎn)生較大震動現(xiàn)象，使動力裝置因負荷增大而降低鉆進效率。乳化沖洗液具有良好的潤滑效果，可以極大程度減小鉆桿、鉆具、鉆頭與孔壁的摩擦阻力，進而降低震動現(xiàn)象，減少機械能損失，確保鉆進作業(yè)平穩(wěn)進行。沖洗液的潤滑減阻作用還有利于保護鉆桿鉆具不至于受到額外磨損，既減少了孔內(nèi)事故的發(fā)生，又提高了生產(chǎn)效率。

1.4 維護孔壁

由于沖洗液在循環(huán)過程中可于孔壁上形成一層較大密度的輕薄泥皮，從而起到護壁效果，防止孔壁塌陷、漏水以及井噴事故的發(fā)生，有效提升鉆進過程的安全系數(shù)。此外，對于強水敏性地層而言，部分沖洗液（如硅酸鹽沖洗液、正電膠沖洗液、優(yōu)質(zhì)聚合物泥漿與粗分散泥漿等）還可顯著提升孔壁穩(wěn)定性，防止鉆進過程中因孔壁失穩(wěn)而出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

2 地質(zhì)鉆探特點及其對沖洗液的要求

對于地質(zhì)繩索取芯鉆探而言，其泵量較低（一般為15～30L/min），巖粉細（粒度一般≤200目（74μ））且濃度高，在地表除砂條件下，上返液體的巖粉體積濃度通常超過3～5%。繩索取芯鉆進過程中，由于泥漿固相含量較高，地表泥漿凈化較差，加之離心力因鉆桿高速旋轉(zhuǎn)而表現(xiàn)較大，故而在鉆桿內(nèi)壁容易產(chǎn)生泥皮，對運行于鉆桿柱中的取芯內(nèi)管總成與打撈器造成影響，從而導致巖芯地質(zhì)觀察失效甚至無法撈取巖芯。因此針對繩索取芯鉆探，要求其地表固控系統(tǒng)良好且泥漿剪切力較低[1]。

對于小口徑金剛石地質(zhì)巖芯鉆探而言，由于鉆具轉(zhuǎn)速極高，回轉(zhuǎn)阻力較大，因此要求沖洗液（泥漿）潤滑性能表現(xiàn)良好。一般情況下，當鉆孔深度>400m時，Φ56mm孕鑲鉆頭轉(zhuǎn)速為700r/min；而當鉆孔深度≤400時，鉆頭速度可達1623r/min。

故此，在地質(zhì)巖芯鉆探過程中，對于沖洗液的綜合要求為泥漿剪切力、粘度以及固相含量較低，潤滑性能良好（具體指標見表1所示），尤其是在小口徑繩索取心鉆探中，對于沖洗液性能指標要求更為嚴格。除此之外，對于鹽膏地層，沖洗液除上述要求外，還需具備良好的抗鹽鈣能力、抑制性與失水造壁性等特征[2]。

3 復雜地層地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液技術(shù)的影響因素

3.1 地質(zhì)條件

地層地質(zhì)條件作為沖洗液類型選擇與參數(shù)確定的重要依據(jù)，同時也是影響沖洗液技術(shù)發(fā)揮的主要因素。因此，在復雜地層實施地質(zhì)鉆探前，應全面勘查鉆探區(qū)域的地質(zhì)條件，其主要包括地層深度、完整程度、地層應力、地質(zhì)年代以及巖石膠結(jié)性與巖性、水文地質(zhì)情況等，以此通過綜合考量，判定地層特性，合理選擇沖洗液。例如對于壓力地層，為避免漏失現(xiàn)象，沖洗液應選擇泡沫泥漿或充氣泥漿；對于蒙脫石含量較高的強水敏性地層，則應以優(yōu)質(zhì)聚合物泥漿為首選。

3.2 制備與日常維護

復雜地層地質(zhì)鉆探過程中，對于沖洗液還需做好制備與日常維護工作。沖洗液制備前，首先應以實際需求為依據(jù)明確沖洗液特性，然后利用配漿設(shè)備制作，同時確保配置儀器與測試儀器（如漏斗粘度計、含砂量測定儀、API失水儀與泥漿密度計等）運行正常。對于沖洗液日常維護而言，其過程主要涉及沖洗液地面管理與資料記錄兩方面內(nèi)容。

3.3 固控設(shè)備

固控設(shè)備以清理沖洗液固相含量為主要任務，在實際應用中，沖洗液使用時間越久，固相產(chǎn)生越多，進而對鉆進過程影響越大，最終反映為鉆進質(zhì)量與鉆進速率下降。調(diào)查統(tǒng)計顯示，沖洗液固相含量每增加1%，地質(zhì)鉆探鉆頭鉆速便會降低5%；而沖洗液固相含量每清除10%，鉆頭鉆速則會提升29%，由此可見，控制沖洗液固相含量對于地質(zhì)鉆探實施過程影響重大。固控設(shè)備對于沖洗液固相含量的控制，常用方法有沉淀池、循環(huán)槽撈渣法、化學絮凝法以及機械振動篩除法等。筆者曾結(jié)合工程實例針對某種固相設(shè)備對其作用進行了驗證，發(fā)現(xiàn)處理前沖洗液固相顆粒平均粒徑為22μm，處理后則下降至5μm；處理前沖洗液固相顆粒峰值為50～80μm，處理后則降低至10μm以下。

4 復雜地層地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液技術(shù)的應用

4.1 在破碎地層地質(zhì)鉆探中的應用

4.1.1 破碎地層的特征

作為地質(zhì)鉆探常遇復雜地層之一，破碎地層特征主要表現(xiàn)為：破碎、裂縫發(fā)育、膠結(jié)性差以及伴有地應力（地層壓力）等，而也正是基于這些特征，致使鉆探過程孔壁穩(wěn)定性較差，常會遇到孔壁坍塌、掉塊卡鉆等復雜孔內(nèi)事故，嚴重影響并阻礙了鉆進作業(yè)的順利進行。

4.1.2 孔壁不穩(wěn)定原因

（1）孔壁產(chǎn)生的坍塌壓力是引起孔壁失穩(wěn)的內(nèi)在因素。鉆孔形成后，在地層壓力二次分布作用下，使孔壁巖石向孔內(nèi)方向發(fā)生位移，同時由于破碎巖層裂縫發(fā)育、完整性差以及機械強度低等特征，致使在地層坍塌壓力作用下，極易產(chǎn)生掉塊與孔壁坍塌等現(xiàn)象。（2）施工操作不當是引起孔壁失穩(wěn)的外在因素。鉆進過程中如果起下鉆速度過快、不平穩(wěn)或是鉆具碰撞孔壁，均會產(chǎn)生不同程度的沖擊力造成孔壁破壞，從而導致孔壁失穩(wěn)。需要注意的是，如果制備的沖洗液對裂縫封堵效果較差，便對地層坍塌壓力無法起到平衡作用，在破碎地層鉆進過程中，一旦沖洗液（或濾液）進入裂縫，反而會進一步將其擴大，使孔壁機械強度因巖石碎塊間摩擦力的減小而降低，此時在沖洗液的沖刷作用下，孔壁失穩(wěn)便會加劇，形成嚴重的惡性循環(huán)。

4.1.3 沖洗液設(shè)計（制備）

針對破碎地層，地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液的設(shè)計（制備）在以地層基本特征為依據(jù)的基礎(chǔ)上，應以改善孔壁穩(wěn)定性為主要目的[3]。具體要求為：（1）增強破碎巖塊間膠結(jié)力。此類地層地質(zhì)鉆探應選用低固相沖洗液，不得使用無固相沖洗。具體可在沖洗液中加入具有粘結(jié)作用的泥漿處理劑或優(yōu)質(zhì)膨潤土，以促使進入地層的沖洗液在孔內(nèi)液柱壓力作用下失去水分，而粘結(jié)劑與膨潤土則因在破碎石塊間堆積而起到膠結(jié)作用。（2）造壁速度快，以防沖洗液大量進入破碎地層。在設(shè)計與制備過程中，可通過沖洗液濾失量的控制來提升泥皮質(zhì)量。（3）封堵裂縫，穩(wěn)定孔壁。對于掉塊、坍塌的破碎地層，由于其擁有較大的坍塌壓力，因此需通過沖洗液比重的提升來對此進行平衡，以此達到穩(wěn)定孔壁的效果。（4）粘度與比重較大。沖洗液粘度的提升，其意義為：1）降低對孔壁的沖刷作用；2）提升懸浮能力，避免掉塊或坍塌發(fā)生時固相物下沉過快。沖洗液比重的提升，則是為了通過液柱壓力的增大而對坍塌壓力達到更好的平衡效果。

4.2 在水敏性地層地質(zhì)鉆探中的應用

4.2.1 水敏性地層的特征

所謂水敏，是指當?shù)貙又羞M入與之不配伍的流體后使黏土發(fā)生膨脹、分解以及運移現(xiàn)象，最終導致滲透率降低。對于沖洗液中的自由水，部分巖層遇其會因吸水膨脹和遇水分解、電離（對泥漿有破壞作用）或發(fā)生水鎖反應（對油層滲透率有破壞性）而表現(xiàn)敏感，此類地層則稱為水敏性地層（如鹽巖地層、低壓油層、粘土地層以及粘土質(zhì)地層等）?；谒舻貙拥乃饔?，其特征表現(xiàn)為：（1）地質(zhì)鉆探過程中巖屑容易分散，造漿嚴重，使泥漿比重迅速提升，流變性能急劇惡化，對繩索取心鉆進技術(shù)影響嚴重；（2）地層因水化作用容易膨脹，會造成孔壁縮徑發(fā)生卡鉆、埋鉆和憋泵現(xiàn)象。

4.2.2 孔壁不穩(wěn)定原因

粘土遇水膨脹是水敏性地層孔壁不穩(wěn)定的主要原因。粘土水化是指粘土顆粒表面吸附水分子形成水化膜，粘土晶格層面間距增大，產(chǎn)生膨脹和分散的過程。粘土水化原因為：（1）表面水化。粘土晶體表面能使水分子吸附（物理吸附），引起表面水化。（2）滲透水化。晶層之間吸附的陽離子濃度大于溶液內(nèi)部的濃度，產(chǎn)生滲透壓，引起水分子向?qū)用鏀U散，使晶體間距增大，稱為滲透水化膨脹。相比而言，滲透膨脹增加的體積比遠大于晶格膨脹（即表面水化），晶格膨脹每克干土約吸收0.5g水，體積增大一倍；而滲透膨脹每克干土可吸收10g水，體積增大20～25倍。（3）毛細水化。在毛細管作用下，水分進入粘土層理和微裂隙引起粘土的水化。

4.2.3 沖洗液設(shè)計（制備）

水敏性地層地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液的設(shè)計（制備），應具備幾點要求：（1）控制巖屑分散?？稍跊_洗液中加入具有吸附交聯(lián)作用的泥漿處理劑。（2）盡量降低泥漿濾失量。在井壁快速形成堅韌、致密的泥皮，避免大量自由水進入地層。（3）提升沖洗液抑制性能。將含有NH4+或K+的處理劑加入泥漿，以此對其滲透水化形成抑制作用，以防蒙脫石含量較高地層發(fā)生水化膨脹現(xiàn)象。（4）封堵毛細管道。減少或避免自由水進入粘土層理或微裂隙而引起粘土水化。（5）流變性能良好。由于在其他條件相同時，沖洗液粘度越低，越有利于環(huán)空壓力的降低和鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的預防，因此在保證沖洗液正常攜帶巖屑的前提下，使其盡量保持低粘度狀態(tài)。此外，在水敏性地層鉆進中保持良好的流變性能，可以降低粘附卡鉆的風險。（6）潤滑性能良好。除滿足減摩降阻要求外，良好的潤滑性能有助于保護鉆具，提高鉆具的使用壽命。（7）控制泥漿pH值。實踐證明，泥漿pH值越高，對孔壁穩(wěn)定性越不利。

5 結(jié)語

基于以上論述，復雜地層鉆探任務的實施對沖洗液技術(shù)要求較高，盡管該技術(shù)在復雜地層礦產(chǎn)開采中得到了應用，并取得了良好的成果，但是依然在體系設(shè)計、材料研制與孔壁穩(wěn)定性方面存在一定的缺陷，對此仍需在實踐過程中不斷研究與不斷完善，以此更好的服務于我國礦產(chǎn)事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

[1]詹濤.面向復雜地層地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液技術(shù)研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2015，（7）：1996.

[2]周志雄.復雜地層地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液技術(shù)現(xiàn)狀[J].四川地質(zhì)學報，2014，（z1）：104-107.

[3]李舜豐.復雜地層地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液研究與應用[J].有色金屬文摘，2015，（5）：45-47.