西嶺勘查區(qū)海水沖洗液的研究與應(yīng)用

周雪風(fēng)，王林鋼，所建成，游魯南，潘 垚

（山東黃金地質(zhì)礦產(chǎn)勘查有限公司，山東煙臺261400）

1 概況

西嶺勘查區(qū)位于山東省萊州市三山島［1］。勘查區(qū)地處膠東半島西部，以濱海平原沉積地貌為主，北部局部地區(qū)被海水覆蓋?？辈閰^(qū)內(nèi)鉆孔造漿用水多數(shù)為海水或海浸水，使用傳統(tǒng)泥漿體系無法滿足鉆孔在攜帶巖粉、潤滑鉆具、保護(hù)孔壁等方面的需要，且容易造成憋車、卡鉆等事故。為了解決生產(chǎn)實際問題［2］，滿足海浸水鉆孔施工需求，研究一種海水沖洗液體系是十分必要的。

1.1 地層情況

西嶺勘查區(qū)礦床工業(yè)礦體主要賦存在三山島斷裂帶中，區(qū)內(nèi)地層較單一［1］，根據(jù)礦床巖性及工程地質(zhì)條件自上而下分為軟弱第四系松散巖組、半堅硬風(fēng)化及構(gòu)造蝕變巖組、半堅硬-堅硬塊狀侵入巖組。

軟弱第四系松散巖巖組在整個勘查區(qū)均有分布，巖性主要以中細(xì)砂、粉質(zhì)粘土為主，局部夾粗砂和礫石，且互層，厚度51～75 m，松散，不均勻，力學(xué)強(qiáng)度低，工程地質(zhì)條件較差。

基巖風(fēng)化層分布于第四系松散巖層以下，厚度一般為2.90～19.73 m，巖心破碎，RQD 值在10%～25%，風(fēng)化裂隙發(fā)育，裂面粗糙，被泥質(zhì)充填，工程地質(zhì)條件差。

構(gòu)造蝕變巖分布于巖石構(gòu)造斷裂帶中，巖性為絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質(zhì)碎裂巖、絹英巖等，礦體斷裂帶厚度一般為150～360 m 不等，巖石強(qiáng)度極不均勻，多為軟弱-半堅硬巖，工程地質(zhì)條件較差-較好。

半堅硬-堅硬塊狀侵入巖組大面積分布于構(gòu)造蝕變巖上下盤，巖性為絹英巖化花崗巖、中細(xì)粒二長花崗巖、似斑狀花崗閃長巖、中細(xì)粒變輝長巖等，RQD 值在75%～92%，工程地質(zhì)條件良好。

1.2 工程概況

項目在一個試驗孔開展，該孔編號ZK92-7，設(shè)計孔深1600 m，頂角13°，方位角305.5°。巖心鉆探采用 XY-6B 型鉆機(jī)鉆進(jìn)［3-4］，配備 BW-250 型泥漿泵，繩索取心工藝。根據(jù)地質(zhì)設(shè)計，要求鉆孔平均巖心采取率≮70%［5］，礦心及礦層頂?shù)装寤卮稳⌒穆省?0%，頂角彎曲≯2°/100 m。采用四開孔身結(jié)構(gòu)，終孔口徑75 mm，具體鉆孔結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 ZK92-7 鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Borehole ZK92-7

2 海水沖洗液研究

2.1 針對固相沖洗液體系的研究

繩索取心鉆進(jìn)需要適合的沖洗液，一般要求既可穩(wěn)定復(fù)雜地層，又可避免鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮，且需適當(dāng)提高pH 值，防止鉆桿腐蝕性損害［6］，根據(jù)地層情況不同，沖洗液的選擇也相對有所差異。

開孔穿過第四系以及強(qiáng)風(fēng)化層時，對沖洗液的要求是既要有利于砂礫石的攜帶，又要使風(fēng)成砂地層不易垮塌，保證表層套管的順利下入，即需要保證沖洗液的攜砂能力以及護(hù)壁能力［7］。因此該孔段選擇的沖洗液是高粘切的膨潤土沖洗液［8］。

原配方為：海水+10%膨潤土+0.5%燒堿。

沖洗液性能參數(shù)為：密度1.05 g/cm3，蘇氏漏斗粘度 22.5 s，API 濾失量 18.0 mL/30 min，pH 值 9。

存在的主要問題是：現(xiàn)場配好沖洗液短暫靜置后，出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。針對該情況，項目組對現(xiàn)場所用膨潤土進(jìn)行造漿試驗。試驗結(jié)果表明膨潤土（山東）在淡水中的造漿率為15 m3/t，而在海水中卻只有6.7 m3/t。這主要是由于海水中不僅含有大量的鈉離子，同時還存在一定量的鈣離子和鎂離子等高價離子，這些陽離子的存在嚴(yán)重影響膨潤土的造漿效果［9］，使得膨潤土在海水中的造漿率很低，泥漿穩(wěn)定性差。研究認(rèn)為：使用膨潤土造漿，膨潤土抗鹽效果差，普通粘土在海水中的分散效果差，故粘土懸浮液的濾失量大，泥漿易失去穩(wěn)定性；此外，由于粘土顆粒本身帶負(fù)電，必須在堿性條件下才能維持穩(wěn)定，而海水的pH 值在6～7 之間，呈弱酸性。

因此，如果繼續(xù)使用膨潤土進(jìn)行造漿，必須先用火堿及純堿對海水進(jìn)行預(yù)處理。一方面，對海水中的鈣、鎂離子進(jìn)行沉淀，另一方面，調(diào)節(jié)海水的pH值到8～10 之間，保證普通粘土顆粒的造漿環(huán)境符合要求；亦可選用抗鹽粘土進(jìn)行造漿。在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，項目組最終采用北京探礦工程研究所生產(chǎn)的新型抗鹽粘土進(jìn)行造漿，該抗鹽粘土雖然在淡水中的造漿率低，但在海水中的造漿率卻較高?，F(xiàn)場測得抗鹽粘土在淡水中的造漿率雖然只有10 m3/t，但在海水中的造漿率竟有18 m3/t。

改進(jìn)后采用的配方為：海水+5%抗鹽粘土+0.5%燒堿+0.2%純堿。

沖洗液性能參數(shù)為：密度1.03 g/cm3，蘇氏漏斗粘度 29.5 s，API 濾失量 11.0 mL/30 min，pH 值 10。測得的數(shù)據(jù)表明，新型沖洗液粘度顯著提高，API 濾失量減小，形成的泥餅薄而密，護(hù)壁性能明顯提高。

2.2 針對無固相沖洗液體系的研究

當(dāng)鉆進(jìn)穿過第四系及強(qiáng)風(fēng)化層后，為了提高鉆進(jìn)效率，采用無固相沖洗液體系。遇到的復(fù)雜地層主要為硬脆碎、裂隙、溶洞以及水敏性地層等，對沖洗液的要求是既要有良好的攜帶巖粉的作用，又要起到良好的護(hù)壁堵漏的作用。

原先采用的配方為：海水+1.2%腐植酸鉀+1%PAC141+1%廣譜護(hù)壁劑+0.2%純堿。

沖洗液性能參數(shù)為：密度1.01 g/cm3，蘇氏漏斗粘度 18.0 s，API 濾失量 16.0 mL/30 min，pH 值 8。

測得的數(shù)據(jù)表明，該沖洗液性能低，處理復(fù)雜地層的能力差。接近孔底部位鉆桿外壁有較多的巖粉粘連，說明沖洗液攜帶巖粉等性能較差，導(dǎo)致孔內(nèi)重復(fù)破碎和摩擦阻力增加，表現(xiàn)為時常出現(xiàn)憋車、鉆機(jī)開不起高轉(zhuǎn)速、鉆頭消耗過快、進(jìn)尺慢、效率低等現(xiàn)象，且遇到水敏性地層非常容易造成鉆孔縮徑、坍塌［3，10-11］。經(jīng)過研究認(rèn)為：海水是一種成分復(fù)雜的鹽水，許多處理劑會在海水中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生變質(zhì)、沉淀，進(jìn)而失去功效。例如，實驗研究表明，腐植酸鉀溶于水電離出腐植酸根離子與鈉離子，腐植酸根離子與鈣離子形成微溶性的腐植酸鈣，因此，在海水中使用腐植酸鉀，雖說鉀離子的功效不受影響，但腐植酸根離子的效果大打折扣。除此之外，海水含鹽量高，摩擦系數(shù)大，進(jìn)而造成鉆桿外壁有較多的巖粉粘連、憋車、鉆機(jī)開不起高轉(zhuǎn)速等現(xiàn)象。

使用海水造漿時，尤其是針對斜孔、深孔，必須調(diào)整沖洗液的性能，提高沖洗液的潤滑性能，降低沖洗液的摩擦系數(shù)。提高沖洗液攜帶巖粉能力，保持孔底干凈［12］。同時要滿足繩索取心鉆進(jìn)開高轉(zhuǎn)速的要求，提高鉆進(jìn)效率。

鑒于此，使用海水配漿時，第一，要選用抗鹽、抗鈣能力強(qiáng)的處理劑；第二，如若繼續(xù)使用抗鹽、抗鈣能力差的處理劑，首先要對海水進(jìn)行預(yù)處理，其次要提高這些處理劑的加量。后者成本太高，既浪費(fèi)材料、污染環(huán)境，且效果不如前者，所以，經(jīng)討論不建議采用。因此，項目決定引進(jìn)新型海水泥漿材料進(jìn)行造漿。

經(jīng)合作單位北京探礦工程研究所推薦，項目研究后決定引進(jìn)的新型海水沖洗液材料有：成膜B 劑、降失水劑、封堵劑、防塌型隨鉆堵漏劑［13］、增粘劑、包被劑、極壓潤滑劑。上述材料在體系中的作用如表1 所示。

表1 新型海水沖洗液中各種處理劑的主要作用Table 1 Main functions of various additives in the new seawater mud

研究后采用的配方：海水+3% 成膜B 劑（選加）+1%降失水劑+2%封堵劑（選加）+1.5%防塌型隨鉆堵漏劑（選加）+0.8%增粘劑+0.2%包被劑+0.2%潤滑劑+0.2%純堿。上述配方中選加材料要據(jù)實際情況而定：地層完整的情況下，為節(jié)約成本及提高生產(chǎn)效率可選擇不加或少加；若地層比較復(fù)雜，比如地層破碎嚴(yán)重、漏失、掉塊、坍塌等，可適當(dāng)多加。

沖洗液性能參數(shù)：密度1.06 g/cm3，蘇氏漏斗粘度 34.0 s，API 濾失量 8.0 mL/30 min，形成的泥皮薄韌［14］，pH 值 8。

3 海水沖洗液應(yīng)用效果

在西嶺勘查區(qū)小口徑巖心鉆探施工過程中，新型海水沖洗液有效解決了傳統(tǒng)淡水沖洗液攜帶巖粉能力弱、砂巖地層失水量大、泥皮厚、巖粉粘連鉆桿、憋車、鉆機(jī)開不起高轉(zhuǎn)速、遇水敏性地層易縮徑等問題，護(hù)壁防塌性能好，減振潤滑效果好，鉆機(jī)鉆速可以開到高速，鉆進(jìn)仍很平穩(wěn)，減少了對機(jī)械的破壞，延長了鉆機(jī)鉆具的壽命，大大地提高了鉆進(jìn)效率［15］，且沖洗液成本降低。

為了更直觀地對使用新舊沖洗液體系鉆孔的鉆進(jìn)效率及成本進(jìn)行對比，項目就布置在同一區(qū)域且孔深相近的3 個鉆孔進(jìn)行了統(tǒng)計。3 個鉆孔分別為ZK92-5、ZK92-6、ZK92-7，配置的設(shè)備相同，ZK92-5、ZK92-6 號鉆孔使用原先的沖洗液體系，ZK92-7 號鉆孔使用新型海水沖洗液體系。統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 統(tǒng)計結(jié)果（20 d）Table 2 Drilling results (20 days)

由表2 可以看出，與原沖洗液配方相比，使用新型沖洗液配方鉆進(jìn)成本平均降低11.73%，且鉆進(jìn)效率有顯著提高。

4 總結(jié)

（1）施工隊對沖洗液的選擇與處理需要根據(jù)施工環(huán)境謹(jǐn)慎選擇，合理的沖洗液調(diào)配對鉆探施工起到非常重要的作用，選用合適的沖洗液體系既可以保證孔壁穩(wěn)定，又可以節(jié)約下套管的數(shù)量，節(jié)約成本，保證施工順利。

（2）新型海水沖洗液攜帶懸浮巖粉效果顯著，解決了巖粉粘連鉆桿、憋車、鉆機(jī)開不起高轉(zhuǎn)速、遇水敏性地層易縮徑等問題。

（3）新型海水沖洗液保護(hù)孔壁效果良好，且具有良好的潤滑性，預(yù)防了燒鉆、卡鉆等事故的發(fā)生。

（4）新型海水沖洗液降低了孔內(nèi)事故率，降低了鉆探成本，提高了生產(chǎn)效率。