磷石膏地層用鈣基成膜環(huán)保沖洗液研究與應(yīng)用

李田周，陶士先，熊正強(qiáng)

（1.商洛西北有色七一三總隊(duì)有限公司，陜西 商洛 726000；2.北京探礦工程研究所，北京 100083）

磷石膏是磷礦通過濕法生產(chǎn)磷酸或磷肥類產(chǎn)品過程中產(chǎn)生的固體廢渣，其主要成分是二水硫酸鈣，以及少量未完全分解的磷礦、殘留的磷酸以及氟化物等。商洛西北有色七一三總隊(duì)有限公司承擔(dān)了貴州某磷礦尾礦庫(kù)（磷石膏庫(kù)）水平孔勘察項(xiàng)目，要求全孔取心，施工中將面臨石膏污染沖洗液、孔壁坍塌、孔壁沖蝕擴(kuò)徑等諸多技術(shù)難題［1-2］。為此，針對(duì)磷石膏污染及水平孔鉆進(jìn)要求，開展了鈣基成膜環(huán)保沖洗液研究與應(yīng)用。

1 施工中存在的主要問題與分析

1.1 硫酸鈣侵入對(duì)沖洗液性能的影響

磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O。鉆進(jìn)過程中，CaSO4會(huì)不斷侵入到?jīng)_洗液中。雖然CaSO4的溶解度不高，但能提供一定數(shù)量的Ca2+，足以影響沖洗液的膠體穩(wěn)定性。這是由于Ca2+易與鈉蒙脫石中的Na＋發(fā)生離子交換，使其轉(zhuǎn)化為鈣蒙脫石，而Ca2+的水化能力要比Na＋弱得多，因此Ca2+的進(jìn)入使蒙脫石的絮凝程度增加［3-4］；同時(shí)Ca2+的進(jìn)入，使粘土顆粒聚結(jié)，減少了處理劑在粘土顆粒上的吸附，也使處理劑的水化能力減弱，護(hù)膠能力下降。Ca2+污染后，由于聚合物處理劑抗鈣能力差，導(dǎo)致其水化能力減弱，影響其作用效果。因此，CaSO4的侵入通常會(huì)造成以下不利影響：

（1）使無(wú)固相（不含粘土相）沖洗液的粘度顯著降低，導(dǎo)致沖洗液的懸浮與攜帶能力大幅度降低，對(duì)松軟地層孔壁的沖蝕作用顯著增大，易引起沉砂卡鉆或斷鉆桿等孔內(nèi)事故。

（2）使含粘土相的沖洗液粘度、切力快速提高，沖洗液流動(dòng)性變差，使得鉆孔清潔度變差，易引起粘附卡鉆；繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢嚴(yán)重，影響巖心管打撈［5］；還需要頻繁排漿，影響環(huán)境，也顯著增加施工成本。

（3）使沖洗液的濾失量顯著增大，大量的水進(jìn)入地層，嚴(yán)重影響孔壁穩(wěn)定。

1.2 孔壁易失穩(wěn)

尾礦庫(kù)中的磷石膏是經(jīng)過堆積、碾壓在一起的，因此該磷石膏層具有結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低、滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)，遇水極易分散成碎末或碎塊（見圖1），施工時(shí)孔壁易失穩(wěn)。

圖1 磷石膏巖心經(jīng)水浸泡前后的狀態(tài)Fig.1 State of phosphogypsum core before and after immersion in water

1.3 在松散的磷石膏地層實(shí)施水平孔鉆探難度大

在松散的磷石膏地層中，采用繩索取心鉆進(jìn)工藝施工水平孔，易產(chǎn)生以下問題［6-10］：

（1）水平孔鉆進(jìn)，沖洗液中巖屑的重力下沉方向與沖洗液流動(dòng)方向不在一條直線上，其合速度方向指向下部孔壁，再加上巖屑沉降距離短，易在下部孔壁形成巖屑沉積床。若沖洗液懸浮與攜巖能力差，極易在孔壁形成巖屑床，造成旋轉(zhuǎn)扭矩和提拉阻力增大；沖洗液粘度升高，又會(huì)引起泵壓急劇升高和鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢。

（2）無(wú)垂深水平孔的孔壁更易坍塌。其主要原因：磷石膏層本身結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低，上孔壁的磷石膏在重力作用下很容易下落；磷石膏層滲透性強(qiáng)，沖洗液侵入石膏后，濾失量的大幅度提高使得沖洗液中的水大量進(jìn)入石膏層，導(dǎo)致孔壁強(qiáng)度進(jìn)一步降低；無(wú)垂深的水平孔，當(dāng)沖洗液停止循環(huán)時(shí)，其上孔壁的液柱支撐力幾乎為零，孔壁處于力學(xué)不平衡狀態(tài)。

1.4 鉆孔軌跡控制困難

由于磷石膏層本身結(jié)構(gòu)松散及沖洗液中水的進(jìn)入，使得下孔壁在鉆桿重力、鉆桿回轉(zhuǎn)擾動(dòng)以及沖洗液的沖蝕作用下很容易向下延伸，會(huì)導(dǎo)致鉆孔向下漂移嚴(yán)重。

2 磷石膏地層水平孔鉆進(jìn)對(duì)沖洗液性能的要求

磷石膏層水平孔鉆進(jìn)所使用的沖洗液必須保證井眼清潔和解決孔壁失穩(wěn)問題，同時(shí)還應(yīng)考慮繩索取心鉆進(jìn)鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢以及環(huán)保等問題，因此要求沖洗液具有：

（1）良好的抗鈣侵能力，當(dāng)硫酸鈣侵入后沖洗液仍能維持性能穩(wěn)定。

（2）良好的井眼凈化能力。具有合理的靜切力和動(dòng)切力，并使沖洗液在低剪切速率下具有適當(dāng)?shù)恼扯?，以維持沖洗液良好的懸浮、攜帶能力。

（3）較強(qiáng)的封堵性，能有效地強(qiáng)化孔壁，并避免大量自由水進(jìn)入到地層，以防止孔壁坍塌。

（4）合理的沖洗液粘度，既要避免沖洗液過度沖蝕孔壁，又要有利于環(huán)空壓力控制和預(yù)防鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮。

（5）良好的減摩降阻性能。

（6）良好的環(huán)保性能，避免污染環(huán)境。

3 鈣基成膜環(huán)保沖洗液體系研究

針對(duì)磷石膏地層存在的問題，為滿足磷石膏層水平孔鉆探對(duì)沖洗液的性能要求，提高沖洗液體系抗污染能力，在現(xiàn)有適用于松散地層和強(qiáng)水敏性地層的成膜沖洗液研究基礎(chǔ)上［11-14］，開展鈣基成膜環(huán)保沖洗液研究，以期該沖洗液在繼承以往成膜沖洗液優(yōu)良的護(hù)壁性能外，還具有良好的抗鈣侵能力。

3.1 處理劑優(yōu)選

為了達(dá)到體系性能要求，需選擇合適的增粘劑、防塌劑、降濾失劑及封堵劑等［15］。另外，在選擇這些處理劑時(shí)，主要考慮兩個(gè)方面的因素，一是材料本身在沖洗液中的性能，二是盡可能選用無(wú)毒或生物降解性好的材料。

表1 鈣基成膜環(huán)保沖洗液體系主要處理劑及其作用、環(huán)保特性Table 1 Main agents of calcium-based film-forming environment-friendly drilling fluid and their functions

3.2 成膜B劑加量?jī)?yōu)選

成膜B劑是孔壁穩(wěn)定的關(guān)鍵處理劑，不同加量情況下對(duì)磷石膏巖心的浸泡效果不同。室內(nèi)通過在沖洗液中加入不同加量的成膜B劑，觀察所對(duì)應(yīng)沖洗液對(duì)磷石膏巖心的浸泡效果，以此確定成膜B劑的加量，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可看出，隨著成膜B劑加量增加，浸泡2 h后的磷石膏巖心完整，而且強(qiáng)度逐漸提高。因此，為了更好地抑制磷石膏巖心分散，確定成膜B劑的加量為2.0%～3.0%。

表2 不同成膜B劑加量的成膜沖洗液浸泡磷石膏巖心效果對(duì)比Table 2 Comparison of immersion effect on phosphogypsum cores between film-forming environment-friendly drilling fluid with different dosage of GCM-B

3.3 沖洗液體系配方優(yōu)化

為了控制沖洗液各項(xiàng)性能指標(biāo)在合理范圍內(nèi)，室內(nèi)采用正交試驗(yàn)法開展沖洗液體系配方優(yōu)化，確定了鈣基成膜環(huán)保沖洗液的配方，具體為：

淡水+0.4%～0.8%抗鹽共聚物（GTQ）+0.2%～0.5%降濾失劑（GLCM）+0.5%～1.5%植物膠（GZWJ）+0.1%～0.3%包被劑（GBBJ）+2.0%硫酸鈣+2.0%～3.0%成膜B劑+1.0%～3.0%封堵劑（GFD-1）。

3.4 沖洗液體系性能評(píng)價(jià)

以配方“水+0.4% GTQ+0.3% GLCM+1.0% GZWJ+0.2% GBBJ+2% CaSO4+3.0%成膜B劑+1.0% GFD-1”配制的鈣基成膜環(huán)保沖洗液為例，評(píng)價(jià)其常規(guī)性能、抗鈣侵性能及對(duì)磷石膏巖心塊的浸泡效果。

以不加成膜B劑的普通鈣基沖洗液作為參比沖洗液，按配方“水+0.4% GTQ+0.3% GLCM+1.0% GZWJ+0.2% GBBJ+2.0% CaSO4+1.0% GFD-1”配制。

在確定自己光著身子這一事實(shí)后，我迅速?gòu)膲浅哆^條床單，蓋住了李金枝點(diǎn)名批評(píng)過的那個(gè)部位，然后摸索著找眼鏡。摸索了一陣，眼鏡是找到了，可只剩下了一條腿，戴上獨(dú)腿眼鏡后，我不得不搭上只手托住鏡框。這時(shí)我才看清，站在床前的李金枝雙手叉腰，高高的胸脯快速地一起一伏，顯然是余怒未消。旁邊的李老黑則倒背著雙手，不動(dòng)聲色作冷眼旁觀，臉上又罩上了往常不怒自威的黑色。

3.4.1 常規(guī)性能

采用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和中壓濾失儀測(cè)試沖洗液的性能，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3可看出，鈣基成膜沖洗液具有較低的靜切力、合適的動(dòng)塑比和較低的濾失量。

表3 不同鈣基環(huán)保沖洗液的常規(guī)性能Table 3 Conventional properties of different calcium-based environment-friendly drilling fluid

3.4.2 抗鈣侵性能

為了評(píng)價(jià)沖洗液的抗鈣侵性能，向鈣基成膜環(huán)保沖洗液中加入不同質(zhì)量的硫酸鈣，采用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和中壓濾失儀測(cè)試沖洗液的性能，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同硫酸鈣加量對(duì)鈣基成膜環(huán)保沖洗液常規(guī)性能的影響Table 4 Effect of different calcium sulfate adding amount on the conventional properties of calcium-based film-forming environment-friendly drilling fluid

從表4可看出，隨著硫酸鈣加量增加，沖洗液的表觀粘度、動(dòng)塑比和靜切力基本保持不變，而濾失量逐漸降低。這說明鈣基成膜環(huán)保沖洗液具有良好的抗硫酸鈣污染能力。

3.4.3 磷石膏巖心浸泡

將磷石膏巖心分別在兩種沖洗液中浸泡16 h，然后取出并觀察巖心狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

從圖2可明顯看出，磷石膏巖心經(jīng)鈣基成膜環(huán)保沖洗液浸泡16 h后，巖心塊完整；而磷石膏巖心經(jīng)普通鈣基環(huán)保沖洗液浸泡16 h后，巖心塊分散、變小。這充分說明研制的鈣基成膜環(huán)保沖洗液能很好地抑制磷石膏巖心分散。

圖2 磷石膏巖心經(jīng)沖洗液浸泡16 h前后的狀態(tài)Fig.2 State of phosphogypsum core before and after immersion in different drilling fluid for 16h

4 鈣基成膜環(huán)保沖洗液在磷石膏庫(kù)水平孔鉆進(jìn)中的應(yīng)用

試驗(yàn)鉆孔位于貴州某磷礦區(qū)，設(shè)計(jì)深度530 m，實(shí)際完鉆深度530.1 m，全孔采用繩索取心鉆進(jìn)工藝施工。

4.1 孔身結(jié)構(gòu)

該孔二開孔身結(jié)構(gòu)完鉆。采用?122 mm開孔至孔深4.5 m，下入?114 mm套管；一開采用?95 mm繩索取心鉆進(jìn)至180 m，下入?91 mm套管；二開采用?75 mm繩索取心鉆進(jìn)至530.1 m終孔。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)鈣基成膜環(huán)保沖洗液的配制與維護(hù)

現(xiàn)場(chǎng)首先按照配方“水+0.4%GTQ+0.3%GLCM+1.0%GZWJ+0.2%GBBJ+1.0%GFD-1”配制普通鈣基沖洗液，并采用該沖洗液進(jìn)行鉆進(jìn)。但是發(fā)現(xiàn)取出的巖心比較松軟，甚至巖心表面出現(xiàn)嚴(yán)重脫落（見圖3，脫落的厚度為5～6 mm），然后在該沖洗液的基礎(chǔ)上添加3%成膜B劑，將其轉(zhuǎn)化為鈣基成膜環(huán)保沖洗液。

圖3 使用普通鈣基沖洗液取出的巖心及巖心表面脫落情況Fig.3 Core taken with calcium-based environment-friendly flushing fluid and its surface shedding

鈣基成膜環(huán)保沖洗液使用過程中，由于磷石膏粉的不斷侵入，沖洗液粘度會(huì)有所提高，通過補(bǔ)充新漿或配制膠液稀釋原有沖洗液，使沖洗液的漏斗粘度（蘇式漏斗）維持在30～40 s，濾失量≤10 mL/30 min；當(dāng)發(fā)現(xiàn)巖心變化時(shí)，進(jìn)行巖心浸泡試驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)巖心浸泡后的效果變差，通過現(xiàn)場(chǎng)小樣試驗(yàn)確定成膜B劑的加量，并及時(shí)向沖洗液中補(bǔ)加所需的成膜B劑數(shù)量。施工過程中，成膜B劑的加量維持在3%～5%。

4.3 應(yīng)用效果

采用鈣基成膜環(huán)保沖洗液體系順利完成了一個(gè)孔深530.1 m的磷石膏層水平孔，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：

（1）沖洗液具有良好的護(hù)壁性能。施工過程中沒有出現(xiàn)孔壁坍塌現(xiàn)象，并且取出的巖心表面堅(jiān)硬、光滑（見圖4）。

圖4 鈣基成膜環(huán)保沖洗液在390 m處取出的巖心Fig.4 Core taken with calcium-based film-forming environment-friendly drilling fluid

（2）與普通鈣基沖洗液取出的巖心（見圖3）相比，鈣基成膜環(huán)保沖洗液的取心質(zhì)量顯著提高（圖4）。

（3）沖洗液具有良好的流變性能，滿足水平孔鉆進(jìn)巖粉攜帶需求。

（4）沖洗液抗鈣侵能力強(qiáng)，使用過程中沖洗液性能較穩(wěn)定。

（5）與采用普通鈣基沖洗液相比，鈣基成膜環(huán)保沖洗液能在孔壁表面形成保護(hù)膜，改善了孔壁強(qiáng)度，有助于鉆孔軌跡控制。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)磷石膏地層水平孔鉆進(jìn)面臨的沖洗液關(guān)鍵技術(shù)難題，研發(fā)了鈣基成膜環(huán)保沖洗液，該沖洗液的配方為：淡水+0.4%～0.8%增粘劑（GTQ）+0.2%～0.5%降濾失劑（GLCM）+0.5%～1.5%植物膠（GZWJ）+0.1%～0.3%包被劑（GBBJ）+2.0%硫酸鈣+3.0%～5.0%成膜B劑+1.0%～3.0%封堵劑（GFD-1）。

（2）室內(nèi)評(píng)價(jià)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明鈣基成膜環(huán)保沖洗液對(duì)松散磷石膏層具有顯著的護(hù)壁和護(hù)心效果，其較強(qiáng)的抗石膏污染及懸浮攜帶能力，較好地滿足了磷石膏地層水平孔施工對(duì)沖洗液的性能要求。