煙臺渤海海域工程地質勘察鉆探泥漿體系研究及應用

王延寧，郭曜欣，宋世杰，李曉東

(1. 山東省第三地質礦產勘查院，山東煙臺 264004；2. 山東省地礦局鉆探工程技術研究中心，山東煙臺 264004；3. 北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

海島作為我國領土的一個組成部分，既是經濟發(fā)展延伸的末端，又是對外改革開放的前沿。隨著我國經濟突飛猛進，經濟結構的調整和經濟類別的細化，海島及其周邊海域的經濟開發(fā)潛力日益凸顯。在山東省煙臺市大力推進海洋強省、海洋強市建設的大背景下，海島及其周邊海域的開發(fā)意義重大。

1 項目背景

自2016年我單位陸續(xù)承接煙臺周邊海域地質勘察項目若干，如煙臺市崆峒群島及毗鄰海域綜合地質調查設計項目、龍口港10萬噸級新航道導標、山東省長島海洋牧場示范區(qū)海底沉積物地球化學調查以及招遠核電海上勘察等項目等。這些項目區(qū)域海底地層主要為第四系松散土層及風化基巖，勘探期間揭露深度內主要以第四系松散土層為主。

以往工程項目由于針對類似地層的泥漿研究不足，鉆進過程中經常出現(xiàn)孔壁護壁困難，進而導致孔壁坍塌、縮徑、卡鉆及埋鉆等孔內事故，給勘察鉆探工作帶來很多困難。

針對前海海域工程勘察中第四系地層，尤其是軟土和松散的砂土等鉆探施工難點問題，結合歷史經驗，通過室內試驗和野外施工兩方面優(yōu)化海水泥漿體系，最終得到較優(yōu)的海水泥漿配方。

2 試驗概況

2.1 海水性質

海水總礦化度一般在3.3%～3.7%(即33000～37000 mg/L)，pH 7.4～8.4，密度1.03 g/cm3(海水中鹽類構成比例和各離子含量見表1、表2)。海水中含有大量的氯化鈣，同時也存在很多的鈣鹽和鎂鹽，對泥漿配置有不利的影響。

表1 海水中鹽類的構成比例Table 1 Composition proportion of salts in seawater

表2 海水中鹽類離子的含量Table 2 Content of salt ions in seawater

2.2 泥漿方案設計

2.2.1 設計思路

本次使用海水配制泥漿時考慮3種方案：①加入處理劑(如Na2CO3和NaOH)，除去海水中的Ca2+、Mg2+后再配漿；②不去除海水中的Ca2+、Mg2+，直接用可以在海水中造漿的材料(如凹凸棒石)來配漿；③先用淡水配漿，使膨潤土預水化，然后再加入海水配成沖洗液。其中，最后一種方案是目前海上鉆井最常用的方案之一。

本次擬通過海水泥漿處理劑篩選、配方實驗及優(yōu)化、現(xiàn)場試驗應用等，開展海水泥漿的試驗與應用，優(yōu)化海水泥漿配方，增強泥漿攜帶粉土、砂土和巖屑顆粒能力，提高泥漿護壁效果。

2.2.2 試驗方案

室內配方試驗選用從工程海域采取的海水作為配漿用水，在海水中加入NaOH和Na2CO3進行處理，去除海水中的鈣鎂離子。選取不同廠家常用的工程勘察用膨潤土5種，分別測試不同加量的膨潤土在海水中的性能指標，測試的性能指標有表觀黏度、塑性黏度、動切力和API濾失量等，從中優(yōu)選兩種膨潤土開展后續(xù)試驗。然后使用優(yōu)選后的膨潤土配制基漿，分別加入不同比例的增黏劑和降濾失劑等，測試各個配方的性能指標，通過性能指標分析，篩選出一組性能最優(yōu)的海水泥漿配方，具有良好的護壁、防塌和潤滑性能，可保證孔壁穩(wěn)定，降低鉆具在旋轉鉆進過程中的摩擦阻力，從而提高鉆探速度和鉆進效率。優(yōu)化方案應適用于工勘鉆探，且價格不宜過高。

2.2.3 實驗儀器及用品類別

電子天平、變頻高速攪拌機、六速旋轉粘度計、中壓濾失儀、滾子加熱爐、老化罐、濾紙、pH試紙、高速攪拌杯、量筒和秒表。

2.3 泥漿配比試驗

2.3.1 膨潤土篩選

在海水中加入NaOH和Na2CO3進行處理，分別按照4%、6%、8%、10%、12%、14%的比例加入5種不同廠家的膨潤土樣品，配制泥漿，分別測定未陳化和陳化16 h后的泥漿性能(見表3～表7)。通過性能對比表明，采用膨潤土2#和3#配制的泥漿流變性和濾失性能最佳，因此選用膨潤土2#和3#兩個樣品開展后續(xù)試驗。

表3 膨潤土1#配制泥漿的性能Table 3 Performance of mud prepared with bentonite 1#

表4 膨潤土2#配制泥漿的性能Table 4 Performance of mud prepared with bentonite 2#

表5 膨潤土3#配制泥漿的性能Table 5 Performance of mud prepared with bentonite 3#

表6 膨潤土4#配制泥漿的性能Table 6 Performance of mud prepared with bentonite 4#

表7 膨潤土5#配制泥漿的性能Table 7 Performance of mud prepared with bentonite 5#

2.3.2 處理劑篩選

選取高黏羧甲基纖維素(HV-CMC)、高黏聚陰離子纖維素(HV-PAC)、黃原膠(XC)、增黏劑(GTQ)等4種材料作為備選增黏劑，使用海水+NaOH+Na2CO3+6%膨潤土2#作為基漿，分別加入1%增黏劑配制泥漿，測定流變性能及濾失性能，見表8。通過性能對比表明，采用增黏劑(GTQ)配制的泥漿流變性好，黏度適宜，同時具有較低的濾失量，因此選用增黏劑(GTQ)作為優(yōu)選的增黏劑。

表8 加入不同增黏劑的泥漿性能Table 8 Properties of mud with different tackifiers

選取低黏羧甲基纖維素(LV-CMC)、低黏聚陰離子纖維素(LV-PAC)、水解聚丙烯腈銨鹽(NH4-HPAN)、水解聚丙烯腈鈉鹽(Na-HPAN)、降濾失劑(GPKY)等5種材料作為備選降濾失劑，使用海水+NaOH+ Na2CO3+6%膨潤土2#作為基漿，分別加入2%降濾失劑配制泥漿，測定流變性能及濾失性能(見表9)。通過性能對比表明，采用LV-CMC和LV-PAC配制的泥漿具有較低的濾失量，但是明顯提高黏度，而采用GPKY配制的沖洗液濾失量較低，黏度適中，因此選用GPKY作為優(yōu)選降濾失劑。

表9 加入不同降濾失劑的泥漿性能Table 9 Properties of mud with different fluid loss additives

2.4 泥漿方案評價

根據(jù)工程勘察的需求，針對第四系軟土、松散砂土地層的特性，對優(yōu)選的膨潤土、增黏劑和降濾失劑，開展泥漿配方實驗研究，評價不同配方泥漿的流變性能和濾失性能，確定海水泥漿配方為：海水+0.1%～0.3% NaOH +0.1%～0.3% Na2CO3+5%～10%膨潤土+0.5%～1.5%增黏劑(GTQ)+1%～3%降濾失劑(GPKY)。

按照配方“海水+0.2% NaOH+0.2% Na2CO3+6%膨潤土+0.5%增黏劑(GTQ)+1%降濾失劑(GPKY)”配制泥漿，測試其性能(見表10)，其中，配方1和配方2所用的膨潤土分別為膨潤土2#和膨潤土4#。

表10 優(yōu)選配方的性能指標Table 10 Performance index of optimized formula

3 工程應用

為了對比驗證泥漿配方在工程勘察鉆探中的成果，我們選擇了煙臺市崆峒群島及毗鄰海域綜合地質調查設計項目、經海網箱第九次地質勘查工程項目、龍口港10萬噸級新航道導標、山東省長島海洋牧場示范區(qū)海底沉積物地球化學調查項目以及煙臺市蓬萊區(qū)養(yǎng)殖海域本地調查項目等進行成果對比和檢驗。

根據(jù)工程目的布設地質鉆探孔若干，一般孔深為30～50 m，最大孔深為91 m。項目區(qū)域海底地層主要為第四系松散土層及風化基巖?？碧狡陂g揭露深度內以第四系松散土層為主，分別為淤泥質黏性土、粉土、粉細砂及黏性土等。

項目區(qū)域地層局部黏性土呈流塑、軟塑狀態(tài)(見圖1)、粉細砂為松散至稍密狀態(tài)(見圖2)，鉆孔施工時孔壁護壁困難，鉆進該地層時易出現(xiàn)多種孔內事故，主要有：①坍塌縮徑；②因黏性土造漿能力強，造成地層自造漿密度高、切力大、含砂量高；③鉆孔縮徑，容易出現(xiàn)卡鉆、塌孔、埋鉆和憋泵等情況。

圖1 淤泥質黏性土Fig.1 Mucky cohesive soil

圖2 粉細砂Fig.2 Silty fine sand

期望采用新的泥漿配方，一方面提高護壁能力，維持孔壁穩(wěn)定性，一方面通過加入添加劑，減少海水中各種電解質對泥漿性能的破壞，最終保證鉆探施工的正常進行。經過前期實驗室數(shù)據(jù)對比，最終在工程實踐中依據(jù)配方，在0.5 m3的泥漿攪拌桶中調配泥漿：0.5 m3海水+1 kg NaOH+1 kg Na2CO3+30～31 kg膨潤土+2.5～2.6 kg增黏劑(GTQ)+5.0～5.1 kg降濾失劑(GPKY)?；诮洕钥紤]，膨潤土選用2#膨潤土。

海水中含有大量氯化鈉、鈣鹽、鎂鹽等，一般總礦化度為3.5%左右，pH在7.5～8.5之間。配置泥漿時，我們首先加入NaOH和Na2CO3進行處理。再根據(jù)不同處理劑的黏度由低到高順序加入。考慮增黏劑(GTO)黏度較高，加入時需分多次均勻緩慢撒入攪拌罐，以保證充分融入。

鉆探施工中，為了保證泥漿性能穩(wěn)定，我們定期對泥漿進行性能測試和維護。要求做到每天測試泥漿性能2～3次，在泥漿循環(huán)30 min后從出口撈取泥漿測試；泥漿性能維護需要保持在pH 7.5～8.5，密度1.15～1.20 g/cm3，漏斗黏度40～50 s，API濾失量10 mL/30 min以內。

通過現(xiàn)場定期對泥漿進行維護和觀測記錄，泥漿護壁效果良好，施工中未發(fā)生明顯縮徑現(xiàn)象，起下鉆比較通暢。通過現(xiàn)場取心可以看到，泥漿可以配合鉆探工藝有效保護巖心。而且該配方泥漿具備較好的流變性和懸浮力，鉆進過程中，可以將巖粉和泥砂攜帶出來，保持孔底清潔，泵壓也始終維持在正常工作范圍，未出現(xiàn)明顯憋泵現(xiàn)象。

4 結語

通過調整添加劑比例最終得到的泥漿配比方案適用于煙臺淺海海域工程地質勘察在第四系地層中鉆探的需要。在現(xiàn)場的應用實際表明，該配方泥漿應對第四系松散地層和軟弱黏性土均有較為理想的表現(xiàn)，能起到良好的護壁和成孔效果，預防了在該類地層中較常出現(xiàn)坍塌、縮徑等現(xiàn)象。該泥漿具有較好的懸浮力、流變性能、低濾失量，同時兼顧了配置和維護的便捷性、易操作性，利于在有限面積的鉆井平臺或鉆探施工船只上使用。