三種沖洗液在不同地層巖心鉆探中的應(yīng)用探討

周大偉，王志勇

吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林 長春 130012

0 引言

在巖心地質(zhì)鉆探施工中沖洗液的使用，要因地制宜，根據(jù)不同的地層情況選配不同的沖洗液。在同一鉆孔中，往往會出現(xiàn)多種復(fù)雜的情況和地層，這時既要注意個性，又要考慮共性，適時調(diào)整沖洗液的配方。同時在一個鉆孔施工時要盡量選用同一種主材料，以求成本最小化。在巖心地質(zhì)鉆探施工中，沖洗液起到攜帶及懸浮巖屑、清潔孔底、堵漏、保護(hù)孔壁、預(yù)防塌孔埋鉆卡鉆、冷卻鉆頭和潤滑減阻的作用[1]，所以在巖心鉆探中，沖洗液就像人體里的血液一樣重要。沖洗液的正確使用是保證巖心采取率和成孔的關(guān)鍵，并能大大降低鉆探生產(chǎn)成本。

1 巖心地質(zhì)鉆探?jīng)_洗液的特點(diǎn)要求

目前金剛石巖心鉆探的沖孔流體仍以液體為主，采用空氣或空氣泡沫鉆進(jìn)工藝的比較少。本文主要介紹沖洗液的應(yīng)用。金剛石鉆進(jìn)的主要特點(diǎn)是巖粉顆粒細(xì)小、孔壁間隙小、鉆具轉(zhuǎn)速高和繩鉆可能發(fā)生鉆桿內(nèi)壁結(jié)皮、提升內(nèi)管卡死等，因此對沖洗液有以下幾點(diǎn)要求。

(1)沖洗液應(yīng)有很小的黏度和切力，以減小沖洗液在孔壁間隙內(nèi)上返的流動阻力，并有利于細(xì)小巖粉的沉降和清除。

(2)用泥漿鉆進(jìn)時，為防止繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)皮，應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)膨潤土配漿，膨潤土的加量要少，又要分散好。

(3)沖洗液的防坍塌性應(yīng)滿足在較大液壓下，維護(hù)斷層泥和蝕變帶以及粉碎型破碎層等孔壁的穩(wěn)定，失水性應(yīng)小。

(4)沖洗液應(yīng)具備潤滑鉆具的減阻和減磨性能。

2 沖洗液的作用

巖心鉆探是施工難度較大的工作，要保證巖心鉆探施工的質(zhì)量必須正確地選擇鉆井沖洗液，沖洗液可以為巖心鉆探施工安全質(zhì)量提供充分的技術(shù)保障，將從以下幾點(diǎn)談?wù)勩@探施工中沖洗液的作用。

2.1 攜帶巖屑的作用

巖心鉆探施工中，鉆頭不斷地切削巖石會生成大量的巖屑，巖屑若不及時清除，就會在鉆孔底部聚集、堆積，導(dǎo)致鉆頭重復(fù)破碎，造成鉆進(jìn)進(jìn)尺變慢，嚴(yán)重時發(fā)生埋鉆事故。沖洗液具有攜帶巖屑的作用，能夠保證孔底干凈，進(jìn)而解決由巖屑導(dǎo)致的問題。影響沖洗液攜帶能力的因素包括沖洗液的密度、黏度和流速，這三者相輔相成。

2.2 沖洗液具有冷卻和潤滑鉆具的作用

巖心鉆探施工中，鉆頭和鉆具都高速轉(zhuǎn)動，鉆頭線速度能達(dá)到3 m/s，鉆頭與巖石發(fā)生高速摩擦，產(chǎn)生大量的熱量，如果鉆頭得不到充分冷卻，熱量大量聚集，會發(fā)生燒鉆事故。使用繩索取心鉆具，孔壁和鉆桿外壁間隙很小(也叫滿眼鉆進(jìn))，鉆具的阻力非常大，如果得不到及時很好的潤滑，那么需要的動力功率就會成倍增大，鉆具的強(qiáng)度需求加大，磨損變大，鉆探成本也隨之增大。所以選用正確配比的沖洗液能完美解決上述問題。

2.3 防塌堵漏的作用

巖心鉆孔孔壁的規(guī)則穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)鉆探安全、優(yōu)質(zhì)、快速成孔，提高巖(礦)心采取率，防止孔斜的基本條件。性能良好的沖洗液能借助液相的濾失作用，在孔壁上形成一層薄而帶韌性的泥皮，以穩(wěn)固已鉆穿的地層并阻止液相侵入孔壁地層，減弱水敏地層的膨脹和分散。與此同時，在鉆進(jìn)過程中還需要根據(jù)孔內(nèi)情況的變化，不斷調(diào)整沖洗液的參數(shù)使其密度隨地層而變化，使液柱壓力能夠平衡地層壓力，從而防止孔壁坍塌、沖洗液漏失或孔內(nèi)涌水等復(fù)雜情況的發(fā)生[2]。還有的地層有細(xì)小的裂縫，通過調(diào)整沖洗液的成分，配成堵漏沖洗液，達(dá)到少漏失或不漏失。

2.4 沖洗液傳遞動力

在液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、射流反循環(huán)、螺桿鉆進(jìn)等特殊鉆探方法中，通過沖洗液傳遞動力，可以提高鉆探效率及鉆探質(zhì)量。

3 沖洗液的類型及適用范圍

現(xiàn)階段鉆探?jīng)_洗液主要分為三大類，即清水加潤滑劑類、無固相聚合物類和固相泥漿類。

3.1 清水加潤滑劑類

這種沖洗液適用于特別完整的巖礦層，使用清水鉆進(jìn)時必須加入潤滑劑，主要常用的為皂化油，能提高轉(zhuǎn)速，降低磨擦系數(shù)，缺點(diǎn)是隨著鉆孔深度的增加，清攜帶巖屑的能力變差，容易發(fā)生埋鉆事故。

3.2 無固相聚合物類

無固相聚合物類沖洗液選用高分子聚合物配制，分為一般復(fù)雜地層的常用配方和特殊復(fù)雜地層研究配制的商品類聚合物。無固相聚合物沖洗液具有絮凝、包被的作用，可以有效地防止巖屑分散、巖屑沉降。目前被廣泛應(yīng)用在地質(zhì)巖心鉆探中，取得了很好的效果。

3.3 固相泥漿類

固相泥漿沖洗液分為不分散低固相泥漿、細(xì)分散泥漿和粗分散泥漿。

不分散低固相泥漿選用優(yōu)質(zhì)膨潤土和高分子處理劑組成，它具有選擇性絮凝、包被作用于水敏性地層，在巖心鉆探施工中可以有效解決黏、附、卡的問題，從而提高鉆進(jìn)效率。細(xì)分散泥漿由淡水、黏土和一般處理劑配置而成，在泥漿發(fā)展初期廣泛使用，一般用于松散、膠結(jié)性較差的地層和破碎層。粗分散泥漿加入了鈣、鈉、鉀等無機(jī)鹽絮凝劑，可以使泥漿分散的顆粒變粗，主要用于水敏性、水溶性的地層。

總之每一種巖心鉆探?jīng)_洗液都具有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在巖心鉆探施工中，必須根據(jù)巖層的情況合理的選擇最佳的沖洗液，使鉆探?jīng)_洗液能夠完全發(fā)揮出自身的優(yōu)勢，為鉆探施工安全提供充分的保障。

4 巖心鉆探?jīng)_洗液的實(shí)際應(yīng)用

4.1 巖層概況

施工地點(diǎn)位于臨江市西北側(cè)，距離市區(qū)約20 km花山鎮(zhèn)，我單位于2019年6月受勘查單位委托施工老嶺成礦帶勘查鉆孔，該礦區(qū)巖石自上而下為白云石大理巖，厚度為1～140 m，140～160 m為礦化體及蝕變帶，160～250 m為白云石大理巖，250～270 m為礦化體及蝕變帶，270 m至終孔仍為白云石大理巖，進(jìn)入完整大理巖20 m達(dá)到地質(zhì)要求可終孔。

4.2 鉆探設(shè)備及器具選擇

我單位依據(jù)現(xiàn)有設(shè)備及本工程的特點(diǎn)，鉆機(jī)選用無錫探礦廠生產(chǎn)的鉆機(jī)Y-4型1臺，該機(jī)操作簡單，性能可靠，能夠滿足本次勘探的要求[3]；泥漿泵采用衡陽探礦廠生產(chǎn)的BW-250型1臺，該泵泵量壓力可調(diào)范圍大，且維護(hù)簡單方便；鉆塔選用張家口探礦廠生產(chǎn)的直斜兩用HCH-13型鉆塔，該塔安全性高，起拔能力強(qiáng)，適用范圍廣；鉆桿為Φ71 mm普通繩索取心鉆桿，以及相互配套的鉆具、鉆頭。

4.3 沖洗液的應(yīng)用

4.3.1 開孔

地表巖層為風(fēng)化破碎層，厚約10 m，采用普通鉆具，開孔用直徑Φ110 mm的金剛石鉆頭，沖洗液采用不分散低固相類泥漿，基本配方[4]為：

沖洗液 1 000 L

膨潤土粉 5% 50 kg

火堿 0.15% 1.5 kg

Na-CMC 0.2% 2.0 kg

取2%Na-CMC溶液=2/2×100=100 L

PHP 0.08% 0.8 kg

取1%PHP溶液=0.8/1×100=80 L

皂化油 0.2% 2 L

水=1 000 L-50/2.5-100 L-80 L-2 L=798 L

施工中結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況略做了調(diào)整，因為孔淺沒有放皂化油，地層輕微漏失，膨潤土粉適當(dāng)增加了5 kg，充分?jǐn)嚢韬螅瑴y得漏斗黏度為27 s，失水量為15 mL/30 min，施工中不斷補(bǔ)充沖洗液維持其性能，用時4個臺班鉆到完整地層，孔深12 m，下入Φ108 mm套管，為下部正常鉆進(jìn)打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

4.3.2 繩索取心完整地層鉆進(jìn)

表層Φ108 mm套管下完并固定好，先用Φ95 mm的金剛石鉆頭鉆進(jìn)20 cm導(dǎo)正孔，后換用Φ75 mm繩索取心鉆具，結(jié)合以前在該地區(qū)的施工經(jīng)驗，巖層的水敏性、水溶性強(qiáng)，并結(jié)合本工程的特點(diǎn)，我們配制了無固相聚合物沖洗液，其基本配方[4]為：

沖洗液 1 000 L

PHP 0.3% PHP干粉3 000 g，取1%PHP 300 L

水玻璃 8% 取水玻璃80 L

水=1 000 L-300 L-80 L=620 L

雖然此沖洗液具有一定的潤滑效果，但是因為是繩索滿眼鉆進(jìn)，為了保證潤滑性，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)添加了潤滑劑皂化油，提高潤滑效果，用此沖洗液在完整白云石大理巖中，每臺班進(jìn)尺平均在20 m以上。

4.3.3 繩索取心復(fù)雜地層鉆進(jìn)

在鉆進(jìn)到礦化體及蝕變帶時，因破碎塌孔嚴(yán)重，取心困難，來回幾個回次都無法施工進(jìn)尺。經(jīng)過分析研究，結(jié)合以前鉆探技術(shù)培訓(xùn)，及時咨詢了吉林省工程學(xué)院的老師，最后采用PAB無固相聚合物沖洗液解決鉆進(jìn)難題。此沖洗液是吉林省工程學(xué)院王文臣教授發(fā)明的高聚合物包被型沖洗液，它是由PA、PB兩種高聚物組成的，能在孔壁表面吸附成膜，膜致密隔水性和膠結(jié)性好，適用于金剛石繩索取心鉆進(jìn)斷層帶，蝕變帶等極易坍塌地層。其配方[4]用量為：

PA主劑 白色粉粒狀 用量0.5%～0.8%，需事先溶成4%溶液

PB助劑 白色粒狀 用量0.15%～0.2%用時現(xiàn)溶

溶劑 水

潤滑劑 孔淺時可不加。

結(jié)合本礦區(qū)巖層的特點(diǎn)，適配了PAB無固相聚合物沖洗液，按照配方的要求進(jìn)行了溶解配比，剛下孔鉆進(jìn)時，先用該沖洗液充分循環(huán)，使孔內(nèi)破碎體吸附成膜，膠結(jié)在一起，慢轉(zhuǎn)輕放，為了保證采取率，回次進(jìn)尺控制在1 m左右。該沖洗液防塌效果非常明顯，鉆進(jìn)順利穿過礦化蝕變帶，且?guī)r心采取率滿足地質(zhì)要求。鉆進(jìn)時設(shè)專人監(jiān)測沖洗液的性能變化，隨時調(diào)整，時刻保證沖洗液達(dá)到最佳效能，最終順利穿過兩個礦化蝕變帶，滿足地質(zhì)要求，并順利終孔。

4.3.4 三種沖洗液的對比

經(jīng)實(shí)地工作鑒定，三種沖洗液的性能對比見表1。

表1 三種沖洗液的性能對比表

不分散低固相沖洗液取材方便簡單，價格低廉，現(xiàn)場配制方便，適合用于開孔地層中，具有一定的防塌堵漏的作用。PHP聚合物自配沖洗液價格相對低，各種材料購買方便，雖然現(xiàn)場配制復(fù)雜，但是在相對穩(wěn)定的地層中應(yīng)用，具有一定的潤滑和防塌的作用。PAB無固相聚合物沖洗液，價格相對來說較貴，現(xiàn)場配制簡單，具有良好的防塌效果，適用于破碎坍塌取心困難地層。

5 總結(jié)

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求越來越大，不斷優(yōu)化和提升鉆井技術(shù)，為我國的能源安全提供有力的保障。通過巖心地質(zhì)鉆探生產(chǎn)實(shí)踐，我們體會到優(yōu)質(zhì)的鉆井沖洗液的重要性，在施工生產(chǎn)中要靈活應(yīng)用，根據(jù)地層和鉆進(jìn)方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，鉆進(jìn)中并不斷的調(diào)整沖洗液的參數(shù)，以求達(dá)到效率最大化，最大的降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。