東乘公麻凍土地層低溫沖洗液研究與應(yīng)用

丁付利，段 曉，皮建偉

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局西寧自然資源綜合調(diào)查中心，青海西寧，810000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西西安，710000）

1 礦區(qū)概況

東乘公麻金礦區(qū)位于青海省甘德縣西北部，與甘德縣城直距約50 km，隸屬于青海省果洛藏族自治州甘德縣柯曲鎮(zhèn)管轄。地處青藏高原東南部，阿尼瑪卿山的南側(cè)，海拔高度為4500～5100 m，相對高差400～600 m。這里具高原冰蝕地形地貌特點(diǎn)，屬中深切割高山區(qū)，區(qū)內(nèi)凍土發(fā)育較好，覆蓋深度在2～20 m 之間，碎石流廣布。該區(qū)氣候?qū)俑咴箨懶詺夂?，一年無四季之分，只有寒暖之別，具高寒濕潤的特點(diǎn)，年平均氣溫為-2～4 ℃，年降水量500～600 mm。每年的5—8 月為暖季，氣候溫和濕潤，經(jīng)常有雨雪冰雹天氣；9 月至次年4 月為寒季，天氣情況惡劣，天寒地凍，常有大雪封山的情況發(fā)生，野外施工困難。

2 凍土地層的鉆進(jìn)特點(diǎn)及困難

2.1 凍土地層的鉆進(jìn)特點(diǎn)

凍土地層的鉆進(jìn)主要是指在凍結(jié)巖層或凍土地層中的鉆進(jìn)。凍結(jié)巖層是由多種礦物顆粒、未凍結(jié)的水、冰塊以及充滿水蒸氣的空氣等在長期的低溫和壓力條件下形成的多成分巖系［1］。鉆進(jìn)時，由于外部溫度和壓力條件發(fā)生變化，進(jìn)而引起永凍層自身物理性質(zhì)發(fā)生本質(zhì)變化，對地層原有平衡造成破壞［2］。

鉆進(jìn)時，沖洗液沿鉆柱向下流動和返回孔中時，孔段內(nèi)部不同孔深溫度變化，沖洗液與地層不斷進(jìn)行的熱交換，造成沖洗液溫度發(fā)生變化。井內(nèi)溫度的變化主要因素有：

（1）鉆柱內(nèi)沖洗液灌入時的初始溫度。

（2）井眼周圍孔壁巖石的溫度。

（3）鉆頭在孔底破碎巖石過程中產(chǎn)生的熱量。

（4）沖洗液的性能特征和數(shù)量。

（5）沖洗液循環(huán)時間。

（6）其他影響因素［3］。

凍土層的鉆進(jìn)過程是一個非絕熱的過程，并且凍土地層又是多孔介質(zhì)體，沖洗液和凍土層地層會發(fā)生傳熱和傳質(zhì)作用，主要表現(xiàn)為沖洗液向孔壁地層滲透使凍土層受熱發(fā)生分解作用，滲透和分解的耦合作用造成孔壁圍巖孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力失衡，從而使孔壁發(fā)生力學(xué)失穩(wěn)［4］。要在凍土地層鉆進(jìn)時保證安全、持續(xù)的鉆進(jìn)作業(yè)環(huán)境并保證鉆井質(zhì)量，必須對井內(nèi)溫度變化和孔壁壓力平衡進(jìn)行嚴(yán)格的控制，從而保持孔壁的穩(wěn)定和鉆孔施工安全。

凍土地層鉆進(jìn)中使用的沖洗液體系與常用的沖洗液不盡相同，沖洗液的性能除具備良好的冷卻鉆頭作用、懸浮排出巖屑、清潔孔底、穩(wěn)定孔壁的能力外［5］，還要在凍土層鉆孔中滿足高壓、低溫下具有良好的流變性能［6］。

根據(jù)室內(nèi)的試驗研究和現(xiàn)場實(shí)踐來看，認(rèn)為高壓在一般情況下對水基沖洗液的性能并沒有顯著的影響，因此本文對凍土層沖洗液的研究，需要解決的核心問題是低溫下沖洗液仍然具有良好的流變特性。

2.2 凍土地層鉆進(jìn)存在的主要困難

（1）在凍土地層孔段施工時，由于沖洗液在進(jìn)口時與鉆孔中溫度不同，產(chǎn)生鉆孔上下溫度不均勻和對凍土層的浸泡；同時鉆桿回轉(zhuǎn)摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量，造成鉆孔孔壁局部溶蝕，致使凍土地層膨脹并不斷融化崩塌，開孔難度增大并引發(fā)各種次生鉆井事故［7］。

（2）在沖洗液配制過程中，受礦區(qū)晝夜溫差大、溫度變化較快的影響，沖洗液配制困難［8］。沖洗液在低溫環(huán)境下發(fā)生凍結(jié)，流變性變差，影響鉆進(jìn)的正常使用。在遇到停電、機(jī)械故障等問題時，鉆桿未能及時提出，容易造成整個鉆孔凍結(jié)，極易引發(fā)鉆孔凍結(jié)事故［9］。

（3）在鉆進(jìn)永凍層及局部蝕變嚴(yán)重的孔段，巖心易水化產(chǎn)生膨脹，使用的沖洗液對孔壁的護(hù)壁效果不佳。不但對采取巖心造成困難，而且容易引起孔壁坍塌、憋泵、鉆孔越打越淺等問題，無法保證正常鉆進(jìn)，給施工整體進(jìn)度造成較大影響。

3 凍土地層問題的解決及沖洗液配方的優(yōu)選

3.1 解決問題的研究方向

針對存在的諸多問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐，從以下幾個方面對解決問題的方向進(jìn)行簡單分析。

（1）施工工藝方面：目前我們采用的施工工藝為地質(zhì)巖心鉆探的繩索取心工藝，工藝流程相對成熟，應(yīng)用也較為廣泛。

（2）鉆進(jìn)設(shè)備方面：施工設(shè)備主要為體型輕、分體式、運(yùn)輸要求低的CSD500C 型全液壓鉆機(jī)和XY-44A 型立軸式鉆機(jī)，兩種鉆機(jī)在以往的鉆探生產(chǎn)應(yīng)用中表現(xiàn)穩(wěn)定，能夠滿足各類地層鉆進(jìn)要求。

（3）施工管理方面：施工技術(shù)人員和操作人員都有比較豐富的鉆探施工經(jīng)驗，在施工的機(jī)械操作、流程管理上嚴(yán)格按照規(guī)范施工，沒有產(chǎn)生因為施工管理不當(dāng)而引起的施工問題。

綜合上述分析來看，在凍土區(qū)鉆探施工遇到的問題并不是由設(shè)備和人員造成的。因此，在查閱了大量文獻(xiàn)之后，排除施工工藝、施工設(shè)備和施工管理等方面原因，解決上述問題的方向重點(diǎn)在沖洗液，從沖洗液的低溫性能研究方面入手，根據(jù)礦區(qū)前期的施工實(shí)踐，因地制宜，節(jié)約成本，通過在沖洗液中添加工業(yè)鹽來降低沖洗液凝固點(diǎn)［10-11］，從而防止凍結(jié)事故的發(fā)生。

3.2 NaCl 溶液及低溫性能

通過在現(xiàn)有沖洗液配方中添加NaCl 得到鹽水沖洗液，可以有效降低沖洗液的冰點(diǎn)。對NaCl 溶液進(jìn)行冰點(diǎn)試驗，得到NaCl 溶液的冰點(diǎn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 NaCl 溶液冰點(diǎn)測試結(jié)果Table 1 Test freezing temperature of NaCl solution

3.3 沖洗液配方優(yōu)選

3.3.1 凍土層沖洗液的技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)俄羅斯凍結(jié)巖層鉆進(jìn)經(jīng)驗，抗低溫、散熱系數(shù)小、粘度適中、濾失量低的沖洗液在凍土層鉆進(jìn)中是最有效的［12-13］。在凍土層鉆進(jìn)中除了考慮沖洗液的抗低溫性能和適合的密度外，沖洗液對井壁穩(wěn)定和井內(nèi)安全控制的作用也是沖洗液體系設(shè)計必須考慮的重點(diǎn)［14-15］。在凍土地層沖洗液體系設(shè)計時，塑性粘度、表觀粘度、動切力和濾失量4 項指標(biāo)是影響沖洗液性能的主要因素。

3.3.2 沖洗液配方的試驗室優(yōu)選

在取得NaCl 溶液的凝固點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，為了確定各個組分較好的加量結(jié)果，委托北京探礦工程研究所對配方進(jìn)行優(yōu)選試驗，采用四因素三水平正交試驗設(shè)計，在“正交表”指導(dǎo)下來安排試驗［16］。在正交試驗中，選擇NaCl 作為抗凍劑，鈉膨潤土作為造漿材料，多功能劑MBM 作為增粘劑和降濾失劑，聚丙烯腈Na-HPAN 作為降濾失劑，設(shè)計NaCl 的加量分別為10%、15%、20%，Na 膨潤土的加量為2%、3%、4%，Na-HPAN 的加量為0.3%、0.6%、0.9%，MBM 的加量為3%、4%、5%，通過塑性粘度、表觀粘度、動切力和濾失量指標(biāo)比對，選擇出凍土層低溫沖洗液體系的最佳配方。正交試驗設(shè)計的因素與水平見表2。

表2 低溫沖洗液體系因素與水平Table 2 Low temperature drilling fluid factor and level

按照四因素三水平正交試驗的規(guī)則，沖洗液組成配方及正交規(guī)則見表3。分別按照配方設(shè)計的處理劑含量配制沖洗液，以備測試。

表3 沖洗液配方設(shè)計Table 3 Formulation design of drilling fluid

測試了低溫沖洗液配方在常溫下的性能之后，為了考察其抗凍性能是否滿足要求，需要在低溫條件下對其性能進(jìn)行測試。在-5 ℃條件下，老化24 h后，所有配方均沒有凍結(jié)，流動性良好，在低溫時測試各個配方的性能。測試結(jié)果如表4 所示。

表4 沖洗液性能測定結(jié)果（-5 ℃）Table 4 Test results of drilling fluid performance（-5℃）

按照正交試驗數(shù)據(jù)處理規(guī)則，分別對-5 ℃條件下表觀粘度、塑性粘度、動切力和濾失量的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，根據(jù)極差值大小確定該因素對沖洗液性能影響嚴(yán)重程度。極差越大，因素對沖洗液性能的影響越大。計算結(jié)果見表5。

表5 沖洗液體系流變性及濾失量處理結(jié)果Table 5 Data processing results of rheology and fluid loss of the drilling fluid system

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，在-5 ℃條件下，處理劑對表觀粘度的影響程度順序依次是：MBM＞Na-HPAN＞NaCl＞Na 膨潤土；對塑性粘度的影響程度順 序 依 次 是 ：NaCl＞Na-HPAN＞Na 膨 潤 土 ＞MBM；對動切力的影響程度順序依次是：MBM＞Na 膨潤土＞NaCl＞Na-HPAN；對濾失量的影響程度順序依次是：MBM＞Na 膨潤土＞Na-HPAN＞NaCl。

在-5 ℃低溫條件下，根據(jù)表觀粘度、塑性粘度和濾失量較小，動切力較大的原則，結(jié)合極差值的大小，得到了最佳因素條件的選擇結(jié)果。在-5 ℃低溫時沖洗液體系可選擇配方為：A2B3C2D1和A2B1C3D3兩組配方，綜合考慮低溫和加量的關(guān)系，確定配方為A2B3C2D1，即選擇的配方組成為：15%NaCl+4% Na 膨潤土+0.6% Na-HPAN+3.0%MBM。

繼續(xù)調(diào)節(jié)冰箱溫度至-12 ℃，觀察9 組配方的沖洗液的流動性，老化24 h 后，9 組沖洗液中的1、2、3 號配方有局部凍結(jié)，如圖1 所示，圖片為3 號配方在-12 ℃時的性狀，4～9 號配方流動性較好。

圖1 3 號配方在-12 ℃條件下的性狀Fig.1 Properties of the NO.3 formula at-12℃

3.3.3 沖洗液試驗室配方的改進(jìn)與性能

根據(jù)試驗室取得的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，在現(xiàn)有沖洗液的基礎(chǔ)上加入工業(yè)鹽，從而解決凍土地層鉆進(jìn)和防止孔內(nèi)沖洗液凍結(jié)等問題。為了避免重新購置沖洗材料造成浪費(fèi)，采用同類型沖洗材料替換的原則進(jìn)行礦區(qū)沖洗液的配制，利用工業(yè)鹽代替食鹽作為抗凍劑，利用聚丙烯酰胺鉀鹽代替聚丙烯腈Na-HPAN 作為降濾失劑，利用羧甲基纖維素鈉代替MBM 作為增粘劑，按照15% 工業(yè)鹽+4% Na 膨潤土+0.1%聚丙烯酰胺鉀鹽+0.3%羧甲基纖維素鈉+0.2%碳酸鈉的配方配制沖洗液。

對沖洗液的性能進(jìn)行測定，配方的凝固點(diǎn)為-12.5 ℃，沖洗液的其他性能如表6 所示。

表6 配方在不同溫度條件下的性能Table 6 Formulation performance at different temperature

4 沖洗液配方的現(xiàn)場應(yīng)用

在CZK031 孔孔內(nèi)凍結(jié)處理完畢之后，立即對沖洗液進(jìn)行更換，按照新配方進(jìn)行配制，選擇在0～10 m 永凍層和63.66～70.03 m 破碎蝕變帶進(jìn)行重點(diǎn)觀察，平均回次進(jìn)尺在1.12 m 以上，沖洗液對孔壁保護(hù)較好，未發(fā)生孔壁坍塌和掉塊事故，巖心采取率在90%以上。

在總結(jié)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，繼續(xù)在CZK4821 鉆孔應(yīng)用新配方進(jìn)行鉆進(jìn)，全孔施工進(jìn)展順利，未發(fā)生孔內(nèi)凍結(jié)等事故，單孔臺月效率達(dá)到972.88 m，取得了較好的施工效果。

5 結(jié)論

（1）通過對凍土層鉆進(jìn)的持續(xù)施工，研究了凍土地層鉆進(jìn)的特點(diǎn)，對容易發(fā)生的鉆進(jìn)事故進(jìn)行了總結(jié)，為開展試驗研究指明了方向。

（2）通過大量室內(nèi)試驗，優(yōu)選出性能較好的沖洗液配方：15%NaCl+4% Na 膨潤土+0.6% Na-HPAN+3.0% MBM。為配方的現(xiàn)場應(yīng)用提供了借鑒。

（3）結(jié)合礦區(qū)實(shí)際，對試驗配方進(jìn)行改進(jìn)，得到配方：15% NaCl+4% Na 膨潤土+0.1%聚丙烯酰胺鉀鹽+0.3%羧甲基纖維素鈉+0.2%碳酸鈉，并測定配方的不同溫度條件下的性能，在現(xiàn)場進(jìn)行了較好的應(yīng)用。

（4）通過新配方的應(yīng)用，證明工業(yè)鹽加入沖洗液能夠防止孔內(nèi)凍結(jié)事故，對沖洗液的其它性能沒有太大影響，有效提高了鉆進(jìn)效率，為下一步在高原凍土地層施工提供了技術(shù)保障。