優(yōu)質(zhì)沖洗液配方在復(fù)雜地層鉆進(jìn)中的應(yīng)用探討

張澤國(guó)，王圣勇，張進(jìn)忠

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第五地質(zhì)大隊(duì)，山東 泰安 271000）

1 復(fù)雜地層鉆進(jìn)中沖洗液的作用

1.1 復(fù)雜地層分類

復(fù)雜地層分為二大類，即漏失地層與不穩(wěn)定地層，其中漏失地層又分為洞穴類、裂隙類和孔隙類地層；不穩(wěn)定地層包括物理化學(xué)和力學(xué)不穩(wěn)定地層。

1.2 沖洗液在鉆探中的作用

鉆探工程施工中，要保證優(yōu)質(zhì)快速安全鉆進(jìn)，泥漿起著非常重要的作用，特別在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)，泥漿性能的優(yōu)劣直接決定了鉆進(jìn)的成敗。泥漿在鉆進(jìn)過(guò)程中的主要作用是：一是孔底清洗，懸浮和攜帶巖粉，借沖洗液循環(huán)將鉆頭破碎的巖屑、巖粉及時(shí)攜帶到地表，保持孔底潔凈；沖洗液中斷時(shí)，利用泥漿本身的觸變性能，懸浮巖粉，防止埋鉆事故的發(fā)生。二是鉆頭冷卻，鉆頭的使用壽命提高，鉆進(jìn)過(guò)程中，孔底產(chǎn)生高溫（200℃～300℃），借助循環(huán)的泥漿帶走熱量，從而達(dá)到冷卻鉆頭，鉆頭使用壽命延長(zhǎng)的目的。三是潤(rùn)滑鉆具和鉆頭，減弱鉆具振動(dòng)，使用乳化泥漿加潤(rùn)滑劑可減小鉆頭與孔底的巖石、孔壁與鉆具間的摩擦力，能減弱鉆具高速回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)及減輕動(dòng)力機(jī)等的負(fù)荷，使鉆頭工作平穩(wěn)。四是孔壁保護(hù)，利用泥漿性能，在鉆孔孔壁上形成堅(jiān)韌致密的泥皮，從而防止孔壁掉塊、坍塌；調(diào)節(jié)泥漿的比重，防止漏失、涌水等孔內(nèi)事故等。五是動(dòng)力的傳遞，如渦輪鉆、沖擊回轉(zhuǎn)鉆、螺桿鉆等，采用沖洗液可以作為其動(dòng)力的傳遞媒介。因此優(yōu)質(zhì)沖洗液對(duì)鉆探工程的成敗非常重要。

2 沖洗液的性能參數(shù)

沖洗液性能參數(shù)主要有：粘度、密度、比重、含砂量、濾失性、pH值、膠體率、剪切稀釋性、抑制性、潤(rùn)滑性以及泥漿的穩(wěn)定性。這幾項(xiàng)指標(biāo)是判斷沖洗液性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)。（1）沖洗液粘度大回轉(zhuǎn)阻力大，容易造成泥包鉆頭從而導(dǎo)致孔內(nèi)事故，粘度降低鉆頭容易切削巖石，而粘度低對(duì)保護(hù)孔壁不利。適當(dāng)調(diào)整沖洗液的相對(duì)密度可以平衡地層壓力，采用低密度沖洗液，對(duì)減輕和消除沖洗液漏失是較為有效的措施。（2）沖洗液濾失性大，使水敏性泥巖、頁(yè)巖等巖層吸水膨脹、坍塌、縮徑，提下鉆困難，易發(fā)生孔壁坍塌事故；泥皮過(guò)厚，鉆孔環(huán)狀間隙減小，鉆頭泥包，使提下鉆時(shí)的壓力激動(dòng)增大，會(huì)導(dǎo)致孔壁漏失和坍塌。（3）沖洗液的剪切稀釋性很重要，鉆進(jìn)施工中，對(duì)于不同的鉆孔部位要求有不同的粘度與切力，鉆頭水眼面積小，沖洗液流速快，剪切速率高，沖洗液粘度很低，有利于大流速?zèng)_洗液沖刷巖面，及時(shí)攜帶巖粉。（4）沖洗液的抑制性就是抑制巖屑分散能力和絮凝作用。（5）泥漿的潤(rùn)滑作用主要是減輕機(jī)械鉆進(jìn)中的回轉(zhuǎn)阻力。

3 沖洗液成分與作用

（1）純堿：鈣膨潤(rùn)土改性劑和堿度（pH值）的控制劑。（2）粘土：水分子。容易進(jìn)入晶胞層間，具有很好的分散性能，具有很好的護(hù)壁性能。（3）腐植酸鉀（KHm）：具有較好的離子交換和吸附性，主要作用是降失水，在水中能電離帶電荷的水化能力很強(qiáng)的水化基因；具有抑制粘土水化膨脹和防止巖心出現(xiàn)裂紋、裂隙等特點(diǎn)。（4）部分水解聚丙烯酰胺（PHP）（分子量500萬(wàn)～800萬(wàn)）：選擇絮凝作用，能抑制泥頁(yè)巖的水化。不同地層選用不同分子量應(yīng)用，可與鉛鹽、鉻鹽等交聯(lián)生成凝膠作用，生成聚合物網(wǎng)絡(luò)。（5）磺化瀝青粉：主要是抑制作用，含有磺酸基，水化作用很強(qiáng)，當(dāng)吸附在泥頁(yè)巖表面時(shí)，可阻止泥頁(yè)巖顆粒的水化，起到鉆孔防塌的作用。

在近年的探礦施工中，逐漸摸索總結(jié)出適合本項(xiàng)目復(fù)雜地層鉆進(jìn)的沖洗液配方。供大家參考、探討。

清水+鈉膨潤(rùn)土+水解聚丙烯酰胺（水解度30%左右,分子量500萬(wàn)～800萬(wàn)）+腐植酸鉀+燒堿+CMC +磺化瀝青粉。

沖洗液性能指標(biāo)：比重1.04g/cm3～1.05g/cm3，漏斗黏度 29s～32s，濾失性≤ 10ml/30min，pH值 8～9.5，泥皮厚度＜0.2～0.5mm，膠體率95%，含沙量＜0.1%，動(dòng)塑比1.83，視粘度14s。

從多年的鉆探工作中可得到：（1）腐植酸鉀（KHm）具有沖洗液降失水作用。KHm加量越多失水量越少。（2）加入腐植酸鉀與聚丙烯酰胺后沖洗液泥皮變薄且韌性變好，粘度變低，流動(dòng)性變好，能夠很好的抑制孔壁分散。（3）加入PHP與KHm處理劑的沖洗液對(duì)鉆孔孔壁具有很好的防塌作用。聚丙烯酰胺（PHP）的防塌能力隨濃度增加而增加。（4）施工中可得出，沖洗液的絮凝效果與KHm加量的關(guān)系不大，與PHP加量的關(guān)系很大。PHP在遇到固體顆粒時(shí)，能夠產(chǎn)生選擇性絮凝，沉淀劣質(zhì)顆粒和巖屑。因此加入PHP后的沖洗液具有絮凝效果好，剪切稀釋性能好，沉砂能力強(qiáng)的特性，同時(shí)磺化瀝青粉起到了很好的抑制作用。從而我們優(yōu)選了PHP—KHm低固相沖洗液作為我們鉆進(jìn)水敏性復(fù)雜地層的主要沖洗液配漿材料。

4 工程案例

南陵縣桂花沖銅鉬礦區(qū)位于安徽省南陵縣工山鎮(zhèn)桂花沖，屬于低山丘陵地貌；工作區(qū)出露地層為志留系上統(tǒng)茅山組石英砂巖、石英雜砂巖；泥盆系上統(tǒng)五組石英砂巖夾泥頁(yè)巖；二疊系下統(tǒng)棲霞組碎屑巖、碳酸鹽巖，孤峰組上、下段硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、猛質(zhì)頁(yè)巖，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M含煤地層，長(zhǎng)石石英砂巖、粉砂巖、頁(yè)巖夾煤層，大隆組硅質(zhì)巖、泥巖、砂巖及凝灰?guī)r，三疊系下統(tǒng)殷坑組鈣質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖夾灰?guī)r等；地層比較復(fù)雜，施工中坍塌漏失經(jīng)常發(fā)生，特別是水敏性復(fù)雜地層，鉆進(jìn)易塌孔、縮徑，外單位施工隊(duì)伍在此礦區(qū)鉆探施工一年多也沒(méi)有鉆進(jìn)通過(guò)該復(fù)雜水敏性地層，人力、物力造成很大的浪費(fèi)；在多年的探礦施工中，我們逐漸摸索總結(jié)出適合復(fù)雜地層鉆進(jìn)的優(yōu)質(zhì)沖洗液配方，有效的解決了鉆進(jìn)塌孔、縮徑及漏漿問(wèn)題，節(jié)約了鉆探成本，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。供大家參考、探討。

4.1 鉆進(jìn)中遇到的問(wèn)題

4.1.1 水敏性破碎地層

南陵縣桂花沖礦區(qū)ZK863孔附近屬于水敏性地層（見(jiàn)圖1），主要巖石有泥巖，泥沙巖，泥質(zhì)頁(yè)巖，高嶺石化，千枚巖，煤系地層，其特征為巖石結(jié)構(gòu)固結(jié)松散，水敏性，遇水膨脹，在鉆進(jìn)中孔壁受鉆桿柱敲打，孔壁坍塌、掉塊，鉆孔縮徑，起下鉆受阻，沖洗液漏失，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)速度和鉆孔質(zhì)量。

4.1.2 小孔隙類破碎漏失地層

在安徽省南陵縣桂花沖等銅鉬多金屬礦區(qū)鉆探工程施工中小孔隙類漏失地層普遍存在，主要表現(xiàn)為鉆進(jìn)中沖洗液斷續(xù)返漿，孔口返漿量?jī)H為送漿量的四分之一至五分之一，大量巖粉排不出，停泵容易出現(xiàn)卡、埋鉆事故。破碎帶由構(gòu)造角礫、綠泥石、泥頁(yè)巖、千枚巖、碳酸巖細(xì)脈構(gòu)成充填，具有細(xì)小裂隙的巖層節(jié)理等。鉆遇巖層蝕變嚴(yán)重，破碎，在斷層帶上有可塑性斷層泥和綠泥石化的蝕變帶，遇水容易膨脹，出現(xiàn)縮徑、坍塌、掉塊等現(xiàn)象，嚴(yán)重阻礙鉆探施工，嚴(yán)重影響鉆探施工質(zhì)量。

圖1 ZK863孔附近水敏性地層

4.2 優(yōu)質(zhì)沖洗液應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)上述問(wèn)題水敏性地層，主要以防漏、防塌、防滲為主，對(duì)沖洗液做增粘、降低沖洗液的濾失性處理增強(qiáng)沖洗液的抑制性，同時(shí)保證孔內(nèi)液柱壓力，輔助用套管隔離的辦法鉆穿該地層。經(jīng)過(guò)多次研究試驗(yàn)，我們采用的沖洗液配方為：

清水+鈉膨潤(rùn)土18kg/m3+水解聚丙烯酰胺（水解度30%左右,分子量500萬(wàn)-800萬(wàn)）0.4%-0.5%+腐植酸鉀0.4%～0.5%+燒堿3Kg/m3+CMC5kg/m3+磺化瀝青粉5kg/m3。

沖洗液性能指標(biāo)：比重1.04g/cm3～1.05g/cm3，漏斗黏度 29s～32s，濾失性≤ 10ml/30min，pH值 8～9.5，泥皮厚度＜0.2～0.5mm，膠體率95%，含沙量＜0.1%，動(dòng)塑比1.83，視粘度14s。

針對(duì)上述問(wèn)題小孔隙類漏失地層，我們采用的沖洗液配方為：

清水+鈉膨潤(rùn)土22kg/m3+水解聚丙烯酰胺（水解度30%左右,分子量500萬(wàn)～800萬(wàn)）0.4%～0.5%+腐植酸鉀0.4%～0.6%+燒堿4Kg/m3+CMC8kg/m3+磺化瀝青粉10kg/m3+801堵漏劑10kg/m3+鋸末20kg/m3（漏失稍嚴(yán)重的地層加鋸末，鋸末要進(jìn)行過(guò)篩，除去木質(zhì)碎塊；沖洗液、801堵漏劑、鋸末在水桶中攪拌均勻后直接倒入鉆桿內(nèi)）。

沖洗液性能指標(biāo)：比重1.05g/cm3～1.06g/cm3，漏斗黏度 33s～36s，濾失性≤ 10ml/30min，pH值 8～9.5，泥皮厚度＜0.2～0.5mm，膠體率9.5%，含沙量＜0.1%，動(dòng)塑比1.68，視粘度15s。

鉆進(jìn)施工采用上述的優(yōu)質(zhì)沖洗液，成功地解決了鉆進(jìn)施工漏失及塌孔問(wèn)題，圓滿的完成礦區(qū)鉆探施工任務(wù)，施工6年多，完成鉆探任務(wù)20.13萬(wàn)米。

5 沖洗液使用中還應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題

5.1 泥漿的配制

在現(xiàn)場(chǎng)為保證沖洗液質(zhì)量，配制沖洗液前應(yīng)做沖洗液小樣，試驗(yàn)確定沖洗液配方；施工攪拌嚴(yán)格按照配方計(jì)算加料，嚴(yán)格按照加料順序進(jìn)行攪拌。攪拌中先加分子量小的的無(wú)機(jī)化學(xué)材料，再加入有機(jī)高分子化學(xué)材料。

5.2 泥漿性能參數(shù)的調(diào)配

沖洗液性能調(diào)整的主要內(nèi)容包括：增加或降低沖洗液粘度和切力、降低沖洗液失水量、沖洗液比重增加或降低及pH值調(diào)節(jié)等。

鉆進(jìn)過(guò)程中，沖洗液的性能會(huì)隨著鉆遇地層的變化而變化，要預(yù)估好鉆穿地層的巖性、水質(zhì)等對(duì)沖洗液性能的影響作用，預(yù)先對(duì)沖洗液性能進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)遇到孔壁坍塌掉塊或有少量漏失時(shí)，需要提高沖洗液的粘度和切力，具體可通過(guò)增加沖洗液中的粘土含量、加有機(jī)高分子增稠劑（如CMC）或加適量純堿等辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)；鉆進(jìn)泥質(zhì)頁(yè)巖層或泥巖層時(shí)，可通過(guò)加腐植酸鉀來(lái)降低沖洗液的切力和濾失性；鉆進(jìn)遇水膨脹、坍塌滲漏地層時(shí)，必須增加抑制劑（如有機(jī)高分子降失水劑（CMC））來(lái)降低沖洗液失水量和控制泥皮厚度。加入磺化瀝青粉，植物膠等處理劑；礦區(qū)不同沖洗液配方是不一樣的。工作中必須結(jié)合實(shí)際地層情況確定沖洗液類型，然后確定沖洗液配方。

5.3 泥漿性能的維護(hù)

（1）施工中巖屑進(jìn)入沖洗液后會(huì)使沖洗液性能發(fā)生變化，不利于正常鉆進(jìn)，甚至?xí)?dǎo)致孔內(nèi)事故的發(fā)生，需要增加固控設(shè)備。最簡(jiǎn)單的凈化裝置是沖洗液循環(huán)槽、沉淀箱；循環(huán)泥漿槽長(zhǎng)10m～15m（高0.2m，寬0.3m，坡度1/100—1/80）且每隔1.8米安設(shè)擋板，配旋流除砂器采用固相控制措施，清除占90%左右、粒度大于20μm的固相顆粒。每班設(shè)專人負(fù)責(zé)沖洗液的管理，負(fù)責(zé)沖洗液的配制、處理、凈化除砂和沖洗液性能的測(cè)定，隨時(shí)掌握沖洗液性能的變化情況及孔內(nèi)情況，并根據(jù)情況調(diào)整沖洗液性能參數(shù)；沖洗液的使用情況必須填入班報(bào)表中。（2）由于泥漿池中的泥漿長(zhǎng)期流動(dòng)容易形成凝聚沉淀，泥漿池底部及四周的沖洗液容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凝膠狀態(tài)，極大的影響沖洗液的質(zhì)量，經(jīng)過(guò)多方探討研究，鉆探施工中在泥漿池中安裝一臺(tái)2PN泥漿泵，2PN泥漿泵隨鉆進(jìn)施工一起運(yùn)轉(zhuǎn)，PN泵的吸排運(yùn)轉(zhuǎn)就是在不斷的攪拌沖洗液，這種攪拌稀釋作用就是阻礙沖洗液形成網(wǎng)狀凝膠狀態(tài)，使沖洗液保持在層流和紊流狀態(tài)；這樣既保護(hù)了沖洗液的性能，也延長(zhǎng)了沖洗液的使用時(shí)間，節(jié)約了鉆探成本。（3）復(fù)雜地層的孔壁穩(wěn)定性差，提下鉆要穩(wěn)，提鉆要進(jìn)行回灌沖洗液，保持液柱壓力平衡地層壓力。防止抽吸作用的產(chǎn)生。

5.4 復(fù)雜地層鉆進(jìn)操作

復(fù)雜地層鉆探施工中，地層穩(wěn)定性差，因此施工中提下鉆要穩(wěn)、慢，防止提下鉆速度過(guò)快壓力引起沖洗液激動(dòng)而造成塌孔事故或漏失事故；為保證孔壁壓力平衡，提鉆時(shí)要采用回灌沖洗液。

6 結(jié)語(yǔ)

在鉆探施工中，特別在復(fù)雜地層中鉆探施工時(shí)，選擇良好泥漿配方非常重要，根據(jù)不同地層采取不同配方的化學(xué)泥漿，能夠攜帶巖粉、冷卻鉆頭、保護(hù)孔壁、防漏、防塌，能夠保證鉆進(jìn)順利進(jìn)行，提高鉆孔施工質(zhì)量。