耐高溫環(huán)保型沖洗液體系在西藏甲瑪3000 m科學(xué)深鉆中的應(yīng)用研究

田志超，翟育峰*，林彬，劉振新，馬云超，付帆

（1.山東省地礦局鉆探工程技術(shù)研究中心，山東 煙臺(tái) 264004；2.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺(tái) 264004；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所自然資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037；4.北京探礦工程研究所，北京 100083）

1 概況

西藏甲瑪銅多金屬礦床3000 m科學(xué)深鉆是青藏高原固體礦產(chǎn)調(diào)查領(lǐng)域首個(gè)3000 m深鉆，是科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目——深地勘查開采專項(xiàng)“青藏高原重要礦產(chǎn)資源基地成礦系統(tǒng)深部探測(cè)技術(shù)與勘查增儲(chǔ)示范”的課題“甲瑪-驅(qū)龍銅多金屬資源基地深部勘查與增儲(chǔ)示范”的重點(diǎn)工作內(nèi)容［1-2］。

鉆孔位于西藏自治區(qū)墨竹工卡縣甲瑪鄉(xiāng)轄區(qū)，地處岡底斯山脈東段郭喀拉日居山主峰果沙如則東北部高山深切割區(qū)海拔5150 m位置［3-6］。設(shè)計(jì)孔深3000 m，設(shè)計(jì)頂角3°，終孔孔深3003.33 m，終孔孔徑98 mm［7］，創(chuàng)造了青藏高原小口徑固礦勘查領(lǐng)域最新的孔深紀(jì)錄，為國(guó)家深部資源勘查開采與技術(shù)裝備研發(fā)提供了支撐，實(shí)現(xiàn)了深部資源勘查增儲(chǔ)示范效果，為完善陸陸碰撞造山背景下斑巖銅礦勘查模型及成礦理論創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。圖1為鉆探現(xiàn)場(chǎng)全景。

圖1 鉆探現(xiàn)場(chǎng)全景Fig.1 Panoramic view of the drilling site

由于鉆孔位置屬于青藏高原高寒植被分布區(qū)域，環(huán)保要求十分嚴(yán)格，要求采用對(duì)環(huán)境無害的環(huán)保沖洗液材料［8］，同時(shí)鉆孔孔深3000 m，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)深部地層溫度較高［9-10］，但目前常用的環(huán)保沖洗液體系抗溫能力一般不超過130℃，不能滿足目前鉆探需求。因此，針對(duì)西藏甲瑪3000 m科學(xué)深鉆需求，研發(fā)一套耐溫150℃環(huán)保沖洗液體系，不僅可以解決現(xiàn)有環(huán)保體系耐溫性差的問題，還可以解決復(fù)雜地層護(hù)壁難題［11-12］。

2 西藏甲瑪3000 m科學(xué)深鉆地層特點(diǎn)

西藏甲瑪3000 m科學(xué)深鉆施工區(qū)域地層主要為被動(dòng)陸緣火山沉積巖系，包括上三疊統(tǒng)麥隆崗組，中—下侏羅統(tǒng)葉巴組，上侏羅統(tǒng)卻桑溫泉組和多底溝組，下白堊統(tǒng)組林布宗組、楚木龍組、塔龍拉組，并以侏羅系、白堊系為主［4］。

在鉆孔施工中存在的主要問題如下：

（1）上部第四系地層較松軟，存在孔壁坍塌的風(fēng)險(xiǎn)；矽卡巖和花崗巖交界部位，地層較破碎［5］，存在坍塌掉塊問題（參見圖2）；部分地層存在水敏性蝕變地層，浸泡后易吸水分散，導(dǎo)致孔壁坍塌［6］（參見圖3）。

圖2 破碎地層巖心Fig.2 Cores from the broken formation

（2）矽卡巖地層存在較多孔隙和裂縫，滲透性強(qiáng)，易發(fā)生漏失［7］（參見圖4）。

（3）深部花崗巖地層存在高地應(yīng)力，沖洗液密度過大會(huì)導(dǎo)致粘卡、滲漏、流變性變差等不利影響（參見圖5）。

圖3 水敏性蝕變地層巖心Fig.3 Cores from the water?sensitive altered formation

圖4 易漏失地層巖心Fig.4 Cores from the leaky formation

圖5 高地應(yīng)力地層巖心Fig.5 Cores from the high in?situ stress formation

（4）礦區(qū)周邊為牧區(qū)，對(duì)于環(huán)保要求較高，沖洗液不可以隨意排放。

3 耐溫150℃環(huán)保沖洗液體系設(shè)計(jì)

耐溫150℃環(huán)保沖洗液體系組分及作用詳見表1。

表1 耐溫150℃環(huán)保沖洗液體系組分及作用Table 1 Composition and function of the environment?friendly drilling fluid system with temperature resistance of 150℃

3.1 耐溫150℃環(huán)保沖洗液用處理劑優(yōu)選評(píng)價(jià)

3.1.1 粘土優(yōu)選

本體系共收集3種市售膨潤(rùn)土樣品，分別為山東鈉膨潤(rùn)土、內(nèi)蒙古鈉膨潤(rùn)土和新疆鈉膨潤(rùn)土［14］。通過對(duì)不同溫度老化16 h后3種膨潤(rùn)土基漿進(jìn)行性能測(cè)試，探究溫度對(duì)粘土基漿性能的影響。

從圖6~圖9可看出：

（1）隨著溫度增加，3種膨潤(rùn)土基漿的表觀粘度均呈先增加后逐漸降低趨勢(shì)，在90℃時(shí)均達(dá)到粘度最高，隨后開始下降。（2）在溫度高于90℃時(shí)，山東鈉膨潤(rùn)土和內(nèi)蒙古鈉膨潤(rùn)土基漿的表觀粘度與動(dòng)塑比明顯降低，濾失量變大，說明這2種鈉膨潤(rùn)土抗溫性差。（3）新疆鈉膨潤(rùn)土基漿動(dòng)切力保持良好，這說明新疆鈉膨潤(rùn)土在150℃時(shí)仍能保持其性能，可以滿足高溫沖洗液要求。因此，優(yōu)選新疆鈉膨潤(rùn)土作為沖洗液體系用的造漿材料。

圖6 不同溫度老化后粘土基漿表觀粘度對(duì)比Fig.6 Comparison of apparent viscosity of clay?based mud aging at different temperatures

3.1.2 環(huán)保增粘劑優(yōu)選

在150℃條 件 下，對(duì)GZDJ、GHMC、GHAC、ZWXC等環(huán)保沖洗液增粘劑的增粘性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用4%新疆鈉膨潤(rùn)土漿作為基漿，并在25℃陳化16 h。陳化后的基漿中分別加入1%的增粘劑樣品，測(cè)試加樣后的基漿在不同溫度老化16 h后的性能。

圖7 不同溫度老化后粘土基漿塑性粘度對(duì)比Fig.7 Comparison of plastic viscosity of clay?based mud aging at different temperatures

圖8 不同溫度老化后粘土基漿動(dòng)塑比對(duì)比Fig.8 Comparison of yield point and plastic viscosity ratio of clay?based mud aging at different temperatures

圖9 不同溫度老化后粘土基漿濾失量對(duì)比Fig.9 Comparison of filtration loss of clay?based mud aging at different temperatures

從圖10~13可看出，雖然環(huán)保增粘劑GZDJ具有最優(yōu)的抗高溫增粘效果，但是基漿的動(dòng)塑比明顯增加，導(dǎo)致基漿的流動(dòng)性很差，而且濾失量明顯增大。對(duì)比另外3種環(huán)保增粘劑結(jié)果，可知GHMC具有最佳的增粘效果。因此，優(yōu)選GHMC作為耐150℃環(huán)保水基沖洗液體系用環(huán)保增粘劑。

3.1.3 環(huán)保高溫穩(wěn)定劑優(yōu)選

本體系收集了3種環(huán)保高溫穩(wěn)定劑樣品，分別為GHTS、CGSJ和GMSJ。在配制好的基漿沖洗液（蒸餾水+4%鈉膨潤(rùn)土+1%環(huán)保增粘劑GHMC）中分別加入1%樣品，測(cè)試加樣后的沖洗液在150℃高溫老化16 h后的性能，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖10 不同溫度老化后增粘劑表觀粘度對(duì)比Fig.10 Comparison of apparent viscosity of thickeners aging at different temperatures

圖11 不同溫度老化后增粘劑塑性粘度對(duì)比Fig.11 Comparison of plastic viscosity of thickeners aging at different temperatures

圖12 不同溫度老化后增粘劑動(dòng)塑比對(duì)比Fig.12 Comparison of yield point and plastic viscosity ratio of thickeners after aging at different temperatures

從表2可以看出，環(huán)保高溫穩(wěn)定劑GHTS在150℃環(huán)保下能很好地起到提高增粘劑和降失水劑的抗高溫穩(wěn)定性。因此，優(yōu)選GHTS作為耐150℃環(huán)保水基沖洗液體系用環(huán)保高溫穩(wěn)定劑。

圖13 不同溫度老化后增粘劑濾失量對(duì)比Fig.13 Comparison of filtration loss of the thickeners after aging at different temperatures

表2 環(huán)保高溫穩(wěn)定劑優(yōu)選評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Optimal evaluation results of environmentfriendly high temperature stabilizers

3.1.4 環(huán)保降濾失劑優(yōu)選

本體系收集了4種環(huán)保降濾失劑樣品，分別為GLMC、GLAC、GSTP、GHMS。在150℃條件下評(píng)價(jià)了樣品的降濾失性能。配制好的基漿沖洗液（蒸餾水400 mL、鈉膨潤(rùn)土16 g和1%環(huán)保增粘劑GHMC、1%高溫穩(wěn)定劑GHTS）在25℃陳化16 h。在陳化后的基漿中分別加入2%降濾失劑樣品，測(cè)試加樣后的基漿在不同溫度下老化16 h后的性能。

從圖14、圖15可看出，在150℃條件下，GSTP的降濾失效果最好，其次是GLAC。因此，這里選用環(huán)保降濾失劑GSTP和環(huán)保降濾失劑GLAC作為耐150℃環(huán)保水基沖洗液體系用降濾失劑。

3.1.5 環(huán)保抑制劑優(yōu)選

本體系收集了4種環(huán)保抑制劑樣品，分別為CMBJ、GPNH、GBLQ和GBBJ。在150℃條件下評(píng)價(jià)了樣品的抑制性能。配制好的基漿沖洗液（蒸餾水400 mL、鈉膨潤(rùn)土16 g和1%環(huán)保增粘劑GHMC、1%高溫穩(wěn)定劑GHTS）在25℃陳化16 h。在陳化后的基漿中分別加入0.5%抑制劑樣品，測(cè)試加樣后的基漿在不同溫度下老化16 h后的性能。

圖14 降濾失劑API濾失量對(duì)比Fig.14 Comparison of API filtration loss of the filtration reducer

圖15 降濾失劑HTHP濾失量對(duì)比Fig.15 Comparison of HTHP filtration loss of the filtration reducer

從圖16、圖17可看出，在150℃條件下，抑制劑GBBJ頁巖膨脹降低率隨著溫度的增加而升高，可以達(dá)到84.91%，HTHP濾失量最低。因此，優(yōu)選GBBJ作為耐150℃環(huán)保水基沖洗液體系用抑制劑。

3.1.6 環(huán)保封堵劑優(yōu)選

圖16 抑制劑頁巖膨脹降低率對(duì)比Fig.16 Comparison of shale expansion reduction rates of inhibitors

本體系收集了3種環(huán)保封堵劑樣品，分別為HGPC、HGFD、HGHB。它們的粒徑大小不同，因此需要相互搭配使用。對(duì)它們搭配后在150℃條件下的沖洗液性能和抑制性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，調(diào)配基漿（蒸餾水400 mL、鈉膨潤(rùn)土16 g、1%環(huán)保增粘劑GHMC、1%高溫穩(wěn)定劑GHTS、0.5%抑制劑GBBJ和1%環(huán)保降濾失劑GSTP），在25℃陳化16 h。向陳化后的基漿中分別加入2%環(huán)保封堵劑樣品，測(cè)試加樣后的基漿在不同溫度下老化16 h后的性能。

圖17 抑制劑HTHP濾失量對(duì)比Fig.17 Comparison of HTHP filtration loss of inhibitors

從圖18、圖19可看出，在150℃條件下，HGPC和HGFD的封堵效果最好。因此，優(yōu)選封堵劑HG?PC和封堵劑HGFD作為耐150℃環(huán)保水基沖洗液體系用抑制劑。

圖18 封堵劑API濾失量對(duì)比Fig.18 Comparison of API filtration loss of the plugging agent

3.2 耐溫150℃環(huán)保沖洗液配方優(yōu)化

經(jīng)過優(yōu)選試驗(yàn)，最終確定沖洗液體系中的泥漿材料為新疆鈉膨潤(rùn)土、增粘劑GHCM、降濾失劑GLAC、降濾失劑GSTP、抑制劑GBBJ、封堵劑HG?PC、封堵劑HGFD和高溫穩(wěn)定劑GHTS。

采用正交試驗(yàn)法對(duì)配方進(jìn)行優(yōu)化研究，通過對(duì)每組正交試驗(yàn)結(jié)果中的主要因素，如HTHP濾失量、表觀粘度、塑性粘度及API濾失量進(jìn)行極差分析，找出每個(gè)因素的最優(yōu)水平組合。分析得到了各項(xiàng)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的水平的影響大小和優(yōu)化水平取值，綜合考慮各指標(biāo)的影響因素的主次并結(jié)合體系目標(biāo)性能確定沖洗液的優(yōu)化配方范圍為：水+4%~5%鈉膨潤(rùn)土+0.5%~1%增粘劑GHCM+1%~2%降濾失劑GLAC+2%~3%降濾失劑GSTP+0.3%~0.5%抑制劑GBBJ+2%~3%封堵劑HGPC+2%~3%封堵劑HGFD+1%高溫保護(hù)劑GHPS。

圖19 封堵劑HTHP濾失量對(duì)比Fig.19 Comparison of HTHP filtration loss of the plugging agent

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

西藏3000 m科學(xué)深鉆現(xiàn)場(chǎng)采用的是環(huán)保沖洗液體系配方：水+3%~4%鈉膨潤(rùn)土+0%~0.5%增粘劑GHCM+1%~2%降濾失劑GLAC+1%~2%降濾失劑GSTP+0.2%~0.3%抑制劑GBBJ+1%~2%封堵劑HGPC+1%~2%封堵劑HGFD。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該沖洗液具有較強(qiáng)的抑制能力，起到了很好的護(hù)壁效果，順利完成了在極易出現(xiàn)坍塌的第四系、破碎地層、水敏性蝕變地層鉆探工作［15-16］，但鉆孔深部溫度較低，與設(shè)想有較大的差距，沖洗液體系的耐溫性沒有得到很好的應(yīng)用驗(yàn)證。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)現(xiàn)有常用的環(huán)保處理劑進(jìn)行性能優(yōu)選評(píng)價(jià)，最終確定新疆鈉膨潤(rùn)土、增粘劑GHCM、降濾失劑GLAC、降濾失劑GSTP、抑制劑GBBJ、封堵劑HGPC、封堵劑HGFD、高溫保護(hù)劑GHPS作為該體系用處理劑。

（2）研究了1套耐150℃高溫環(huán)保沖洗液體系配方：水+4%~5%鈉膨潤(rùn)土+0.5%~1%增粘劑GHCM+1%~2%降 濾 失 劑GLAC+2%~3%降濾失劑GSTP+0.3%~0.5%抑制劑GBBJ+2%~3%封堵劑HGPC+2%~3%封堵劑HGFD+1%高溫保護(hù)劑GHPS。

（3）該沖洗液體系的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明其具有較強(qiáng)的抑制能力，起到了很好的護(hù)壁效果，順利完成了在極易出現(xiàn)坍塌的第四系、破碎地層、水敏性蝕變地層鉆探工作，對(duì)環(huán)境無害，綠色環(huán)保。