淺析海洋地質(zhì)鉆孔純裸鉆繩索取心工藝對泥漿材料的要求

羅旭龍

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760)

1 泥漿的作用

1.1 冷卻鉆頭、潤滑鉆具和破碎巖石

在淺海地質(zhì)鉆井中，用清水(海水)做為沖洗液開孔，一般情況下常遇到粉質(zhì)黏土層，鉆孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，取樣率高。在繼續(xù)鉆進(jìn)過程中，逐漸會出現(xiàn)粉沙質(zhì)黏土、粉砂及砂礫層，若遇致密性粉砂地層而沖洗液不能正常噴射，很可能會使鉆頭得不到及時(shí)冷卻而發(fā)生燒鉆事故，鉆柱也可能出現(xiàn)泥包卡鉆現(xiàn)象[1-3]。

為了避免此類情況的發(fā)生，需提前將泥漿泵泵沖加大，提高鉆速，同時(shí)將海水沖洗液換成充分?jǐn)嚢杌旌系哪酀{(海水+膨潤土)沖洗液，此時(shí)泥漿的注入可保護(hù)鉆孔井壁，避免燒鉆或塌孔等現(xiàn)象發(fā)生。因此，泥漿泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)以及正確操作顯得極其重要。

1.2 泥漿沖洗液的排出和攜帶巖粉能力

由于海洋地質(zhì)十號船采用直徑150 mm的牙輪鉆頭，鉆進(jìn)過程中鉆頭旋轉(zhuǎn)切削地層產(chǎn)生的大量泥土碎屑需要選擇不同的泥漿泵沖及時(shí)將孔內(nèi)鉆渣排出，保證鉆孔的暢通。

1.3 平衡地層壓力

不同的地層對泥漿的稀釋濃度是不同的，若遇砂礫含量較高的漏失性地層，就需要配比較高濃度的泥漿，才能維持地層的平衡，保護(hù)井壁。

1.4 保護(hù)孔壁和處理孔內(nèi)復(fù)雜情況

海洋地質(zhì)鉆探過程中，極易出現(xiàn)塌孔和漏失現(xiàn)象，這是由于地層疏松和含水量較高等原因造成的。因此，泥漿濃度的配比就起到至關(guān)重要的作用，根據(jù)近年來海洋地質(zhì)十號船的施工經(jīng)驗(yàn)來看，不同的地層、不同的深度，都要及時(shí)調(diào)整泥漿配比，才能保證鉆孔的順利進(jìn)行。

2 鉆孔對泥漿沖洗液的要求

(1)沖洗液應(yīng)具有良好的冷卻和散熱能力。在海洋地質(zhì)鉆井中，開孔階段常采用清水作為沖洗液，由于海水低溫的特性，鉆進(jìn)過程中具有較好的冷卻散熱能力，對鉆頭、鉆具起到很好的散熱作用。

(2)沖洗液應(yīng)具有良好的潤滑性。針對鉆井中遇到的致密性地層，鉆進(jìn)過程中往往需要提高鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到正常鉆進(jìn)的施工需求，具有良好潤滑性的乳狀液、表面活性劑和潤滑泥漿就會減少鉆柱卡頓現(xiàn)象。

(3)泥漿應(yīng)具有良好的剪切稀釋作用。這有利于破碎巖石和攜帶碎屑，對高壓噴射鉆井特別重要。

(4)泥漿應(yīng)具有良好的護(hù)壁、防噴、防漏作用。為避免水敏地層發(fā)生坍塌，應(yīng)采用能抑制巖層水敏的泥漿(各種鈣處理泥漿、鹽水泥漿、聚丙烯酰胺泥漿等)。對無膠結(jié)破碎地層的坍塌，應(yīng)采用適當(dāng)黏度、濾失量和密度的泥漿，以維持孔壁穩(wěn)定。對易溶巖層應(yīng)采用飽和鹽水或飽和鹽水泥漿，防止孔壁和巖心被溶解。對漏水和井噴地層，應(yīng)適當(dāng)增大泥漿密度。對漏失層應(yīng)降低泥漿密度，并同時(shí)調(diào)節(jié)泥漿黏度以及向泥漿中加入堵漏材料等[4-6]。

(5)沖洗液應(yīng)能抵抗各種外界影響。鹽鈣侵對泥漿和乳狀液的性能均有較大影響，黏土侵增加泥漿固相，影響鉆進(jìn)，均必須設(shè)法去除。

(6)沖洗液質(zhì)量要有利于取心、防斜、測井等工作的進(jìn)行。要防止沖洗液污染巖心品質(zhì)，減小鉆孔縮徑，泥漿切力不應(yīng)過大。一般在黏土層、粉砂層取心的回次，都采用低轉(zhuǎn)速、小泵量以免巖心遭到外力破壞。

(7)其他要求。應(yīng)防止鉆具被腐蝕，沖洗液不會發(fā)酵變質(zhì)且環(huán)保，不對海洋生物造成污染和傷害。

3 泥漿的循環(huán)方式

泥漿循環(huán)有正循環(huán)和反循環(huán)兩種基本方式，而海洋鉆井中，受海水深度及潮水變化的影響，一般采用直噴純裸鉆的鉆進(jìn)工藝，對泥漿的配比和環(huán)保屬性提出了嚴(yán)格的要求。

4 泥漿材料的選擇

常規(guī)泥漿一般包括水、黏土、化學(xué)處理劑、惰性物質(zhì)及其他材料。在海洋地質(zhì)鉆探工作中，受所處地理環(huán)境限制常采用海水和膨潤土作為原材料，結(jié)合地層需要添加部分化學(xué)處理劑。

海洋鉆井施工中常遇到砂層、礫石及破碎帶地層，成孔難度很大，這種機(jī)械分散地層，由于顆粒間缺乏膠結(jié)，鉆進(jìn)時(shí)井壁很容易坍塌[7]。若要增加井壁顆粒間的膠結(jié)力，黏性較大的泥漿適當(dāng)滲入井壁地層中，可以明顯增強(qiáng)砂、礫之間的膠結(jié)力，以此使井壁穩(wěn)定性增強(qiáng)。提高泥漿黏度，可通過增加泥漿中黏土含量、加入有機(jī)或無機(jī)增黏劑等措施來實(shí)現(xiàn)[5]。其組成除黏土、碳酸鈉和水外，為了滿足鉆井需要，往往加有提黏劑、降濾失劑和防絮凝劑。

海洋地質(zhì)十號船鉆探系統(tǒng)泥漿配制常采用Na-CMC(鈉羧甲基纖維素)泥漿，這是一種最普通的提黏性泥漿，Na-CMC起進(jìn)一步提黏和降濾失作用。具體配方為：黏土150～200 g，水1000 mL，純堿5～10 g，Na-CMC 6 g左右。泥漿性能：密度1.07～1.10 g/cm3，黏度25～35 s，濾失量<12 mL/30 min，pH約9.5。

還有一種鐵鉻鹽-Na-CMC泥漿，相比前一種該泥漿提黏且穩(wěn)定性較強(qiáng)，鐵鉻鹽起防絮凝(稀釋)作用。配方為：黏土200 g；水1000 mL；純堿濃度50%，加量約20%；鐵鉻鹽溶液濃度20%，加量0.5%；Na-CMC 0.1%。泥漿性能：密度1.10 g/cm3，黏度25 s，濾失量12 mL/30 min，pH約9.0。

5 泥漿的性能

(1)泥漿密度。工程鉆探用泥漿密度一般控制在1.03～1.20 g/cm3，泥漿密度指標(biāo)常用泥漿密度稱測評。

(2)泥漿固相含量。通常采用泥漿固相含量測定儀測定，泥漿中所含有用(黏土)、無用(巖粉、沉沙)固相顆粒占泥漿總量的百分率稱為泥漿固相含量。泥漿固相含量越低越好，低固相泥漿要求固相含量<4%。

(3)泥漿黏度。相對黏度一般用漏斗黏度表示，控制在18～30 s，有條件的情況下可采用旋轉(zhuǎn)黏度儀測定泥漿的絕對黏度和視黏度。泥漿黏度是指泥漿流動時(shí)，其內(nèi)部的液體分子間、固相顆粒間和液固相間所具有的內(nèi)摩擦力表現(xiàn)，它是泥漿流動難易程度的一種表現(xiàn)指標(biāo)。黏度大小對鉆進(jìn)、排粉、保持孔底清潔和安全施工影響很大。

(4)泥漿的觸變性與靜切力。一般采用泥漿靜切力計(jì)或旋轉(zhuǎn)黏度儀測定，泥漿攪動時(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，但在靜止時(shí)又恢復(fù)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稱為泥漿的觸變性。泥漿靜止時(shí)，受外力影響而開始流動所需最小的剪切應(yīng)力，稱為靜切力。

(5)泥漿含砂量?，F(xiàn)場多用含砂量測定儀測定泥漿中不能通過200目篩孔(即直徑大于0.074 mm砂粒占泥漿體積的百分?jǐn)?shù))來計(jì)算泥漿含砂量。

(6)泥漿濾失量與造壁性。現(xiàn)場多用泥漿失水儀來測定泥漿濾失量，即當(dāng)泥漿承受壓力差作用后，一部分自由水滲入孔壁巖層的數(shù)量。造壁性即泥漿失去自由水的同時(shí)，泥漿中的黏土等固相顆粒在孔壁上形成泥皮的能力。

(7)泥漿pH?，F(xiàn)場多采用pH試紙進(jìn)行測定，pH<7時(shí)泥漿呈酸性，pH=7時(shí)泥漿呈中性，pH>7時(shí)泥漿呈堿性。

(8)泥漿的膠體與穩(wěn)定性。表示泥漿中黏土顆粒分散和水化程度的指標(biāo)稱為泥漿的膠體率，表示泥漿中黏土顆粒分散的均勻程度的指標(biāo)稱為泥漿的穩(wěn)定性。

(9)泥漿的潤滑性與泥皮的黏滯性。此項(xiàng)指標(biāo)對鉆進(jìn)影響很大，可用其改善泥漿潤滑性，降磨減阻，提高轉(zhuǎn)速。

6 環(huán)保要求及建議

目前海洋地質(zhì)十號船鉆探泥漿多使用膨潤土加海水作為鉆具沖洗液，根據(jù)地層需要再添加適量的化學(xué)材料(黃原膠、聚丙烯酰胺)。膨潤土的主要成分是蒙脫石，經(jīng)無機(jī)酸化處理呈粉末狀，無味、無毒，具有良好的增稠性、潤滑性、懸浮穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、耐水性及化學(xué)穩(wěn)定性，和海水充分?jǐn)嚢枞芎?，是海洋地質(zhì)鉆探中常見的環(huán)保泥漿，能起到冷卻鉆具、護(hù)壁堵漏、穩(wěn)定鉆孔結(jié)構(gòu)的作用，且不會對海洋環(huán)境造成污染。

海洋地質(zhì)鉆探施工中，在保證泥漿材料安全可靠的同時(shí)，要樹立保護(hù)海洋環(huán)境的生態(tài)文明理念，在行動上盡可能減少施工過程中生活垃圾和物料垃圾對海洋環(huán)境的污染，文明施工，科學(xué)鉆井。