高聚物改性鉆井液在復(fù)雜地層鉆探施工中的應(yīng)用

袁華東

（湖北省地質(zhì)局第六地質(zhì)大隊(duì)，湖北孝感 432100）

0 引言

隨著我國地質(zhì)鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的公路、鐵路、石油和采礦等工程項(xiàng)目向著復(fù)雜地區(qū)擴(kuò)展，復(fù)雜地層的鉆探施工常常面臨著鉆進(jìn)、取心和護(hù)壁難等問題［1-2］，其中孔壁失穩(wěn)最為常見，不僅會(huì)造成施工受阻，還會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)事故［3］。

目前針對(duì)孔壁失穩(wěn)最為有效地處理方式就是合理地使用鉆井液，傳統(tǒng)的低固相鉆井液和無固相鉆井液很難完全滿足復(fù)雜地層的孔壁穩(wěn)定和鉆取完整巖心的目的［4-5］。植物膠等高聚物改性鉆井液的研發(fā)和應(yīng)用使得上述問題得到了一定的緩解，植物膠鉆井液為非牛頓流體，具有親水性、較好的懸浮性、可攜帶巖粉和可溶性等特點(diǎn)，加之植物膠取自天然植物資源，對(duì)環(huán)境無害，因此得到了廣泛地關(guān)注和應(yīng)用［6-7］。

20世紀(jì)50年代末，美國人將主要成分為半乳甘露聚糖的瓜兒豆作為主要材料成功制備出植物膠鉆井液，標(biāo)志著植物膠在鉆井液中的首次使用［8-9］。植物膠鉆井液在我國的使用時(shí)間起步較晚，早期的鉆井液主要是“黃泥加水”，之后還經(jīng)歷過細(xì)分散鉆井液、粗分散抑制鉆井液、深井鉆井液和低固相鉆井液等不同類型泥漿的發(fā)展［10-12］。20 世紀(jì)80 年代中期，SM植物膠的研發(fā)標(biāo)志著植物膠鉆井液在我國的正式使用［13］。雖然植物膠鉆井液具備傳統(tǒng)鉆井液不具備的諸多優(yōu)勢，但其價(jià)格昂貴，只能作為改性劑進(jìn)行使用，且植物膠種類較多，不同種類的植物膠及其摻量對(duì)鉆井液的影響效果不同，目前尚未形成一套完整的體系［14-15］。因此，本文將對(duì)傳統(tǒng)的植物膠鉆井液進(jìn)行改性強(qiáng)化，配制出一種性能更加穩(wěn)定、防塌效果更好、成本更低和適應(yīng)更加復(fù)雜地層鉆探施工的新型鉆井液，并結(jié)合湖北省廣水市余店礦區(qū)白云巖礦實(shí)際工程，進(jìn)行鉆井液性能驗(yàn)證。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

選用的常規(guī)植物膠鉆井液為魔芋膠鉆井液，魔芋膠的成分及相對(duì)含量為粗脂肪014%，纖維素1.42%，淀粉1.45%，還原糖1.62%，蛋白質(zhì)2.57%，灰分3.75%，多縮甘露糖64.78%和適量的水。通過室內(nèi)試驗(yàn)得出魔芋膠鉆井液的最佳植物膠濃度，采用WH型微泡劑作為新型防塌劑對(duì)植物膠鉆井液進(jìn)行改性。

1.2 試驗(yàn)方案

首先通過室內(nèi)試驗(yàn)探索不同魔芋膠摻量下（0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%和0.8%）植物膠鉆井液的濾失性能、流變特性和現(xiàn)場取樣防塌特性，在得出最佳魔芋膠摻量后研究不同WH型微泡劑摻量下（0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%和0.8%）改性植物膠鉆井液的濾失性能、流變特性和現(xiàn)場取樣防塌特性，從而得出微泡劑最佳摻量。

在得出改性植物膠鉆井液的最佳配比后進(jìn)行現(xiàn)場取樣，現(xiàn)場配制鉆井液應(yīng)使用機(jī)械攪使植物膠充分溶解，時(shí)間約30 min，并于2021年5月湖北省廣水市余店礦區(qū)白云巖礦進(jìn)行現(xiàn)場取樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鉆井液性能

不同魔芋膠濃度配制的植物膠鉆井液濾失量和流變性能測試結(jié)果如圖1 所示。從圖1 中可以看出，隨著魔芋膠濃度的增加，鉆井液的濾失量逐漸降低，降濾失性能提高，當(dāng)魔芋膠濃度從0.3%提升至0.8%時(shí)，濾失量從31.6 mL/30min 下降至21.5 mL/30min，降低了31.96%。且鉆井液的流變性也隨著魔芋膠濃度的增加逐漸提升，即魔芋膠的加入能顯著提升鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力，當(dāng)魔芋膠濃度從0.3%提升至0.8%時(shí)，鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力分別從8.1 mPa·s、4.1 mPa·s 和3.8 Pa 上升至24 mPa·s、11.1 mPa·s 和13.8 Pa；鉆井液黏度的升高能使得其形成更好的攜巖、護(hù)壁及取心能力。

圖1 魔芋膠鉆井液濾失量及流變特性Figure 1 Filtration and rheological properties of konjac gum drilling fluid

綜合以往研究及魔芋膠鉆井液作用機(jī)理得知，魔芋膠的聚糖結(jié)構(gòu)有—OH—和—O—兩種極性鍵，但是缺少與黏土具有排斥作用的陰離子基團(tuán)，因此魔芋膠鉆井液對(duì)黏土僅有絮凝作用，而無分散作用。但是魔芋膠的分子鏈較長，且上面的極性基團(tuán)使分子鏈能與破碎巖體中的破碎顆粒進(jìn)行吸附纏繞，形成一層膜狀物，從而達(dá)到護(hù)壁和將破碎顆粒進(jìn)行膠結(jié)的效果［16］。

2.2 魔芋膠鉆井液防塌性能

對(duì)礦區(qū)現(xiàn)場同一區(qū)域進(jìn)行取樣，在室內(nèi)不同魔芋膠濃度的鉆井液中進(jìn)行浸泡，通過觀測試樣的豎向膨脹量表征鉆井液的防塌特性，測試結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，隨著魔芋膠濃度的增加，試樣的豎向膨脹量逐漸減小，說明魔芋膠濃度越高，鉆井液的防塌性能越好。但是，當(dāng)魔芋膠濃度高于0.7%以后，試樣的最終膨脹量減小幅度變小，因此綜合考慮鉆井液的性能及經(jīng)濟(jì)成本，認(rèn)為魔芋膠濃度為0.7%時(shí)的植物膠鉆井液綜合性能最佳。

圖2 不同濃度魔芋膠鉆井液巖心浸泡膨脹曲線Figure 2 Core immersion expansion curve of konjac gum drilling fluid with different concentrations

2.3 微泡劑改性魔芋膠鉆井液性能

對(duì)濃度為0.7%的魔芋膠鉆井液進(jìn)行改性，改性劑選用不同濃度的微泡劑，測試改性鉆井液的濾失量和流變特性，結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著微泡劑濃度的增加，改性鉆井液的濾失量逐漸降低，降濾失性能提高，當(dāng)微泡劑濃度從0.3%提升至0.8%時(shí)，濾失量從19.3 mL/30min下降至8.8 mL/30min，降低了54.4%。改性鉆井液的流變性也隨著微泡劑濃度的增加逐漸提升，微泡劑的加入能顯著提升鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力，當(dāng)微泡劑濃度從0.3%提升至0.8%時(shí)，鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力分別從27.0 mPa·s、16.5 mPa·s和17.2 Pa上升至49.1 mPa·s、27.9 mPa·s和30.0 Pa；改性鉆井液相比魔芋膠鉆井液而言具備更好的攜巖、護(hù)壁及取心能力。

圖3 微泡劑魔芋膠鉆井液濾失量及流變特性Figure 3 Filtration and rheological properties of microbubble agent konjac gum drilling fluid

2.4 微泡劑改性魔芋膠鉆井液防塌性能

微泡劑能將鉆井液中的聚合物和部分表面活性劑進(jìn)行結(jié)合產(chǎn)生微泡，微泡的特殊結(jié)構(gòu)能護(hù)壁防漏，同時(shí)具備高剪切和良好的稀釋性，減小井底壓力，提升取樣率［12，16］。不同濃度微泡劑改性鉆井液巖心浸泡膨脹曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出，隨著微泡劑濃度的增加，試樣的豎向膨脹量逐漸減小，說明微泡劑濃度越高，改性鉆井液的防塌性能進(jìn)一步增強(qiáng)。與魔芋膠摻量對(duì)鉆井液防塌性能影響規(guī)律類似，當(dāng)微泡劑濃度高于0.7%以后，試樣的最終膨脹量減小幅度變小，因此認(rèn)為微泡劑濃度為0.7%時(shí)的改性植物膠鉆井液綜合性能最佳。

圖4 不同濃度微泡劑改性鉆井液巖心浸泡膨脹曲線Figure 4 Core immersion expansion curve of microbubble agent modified drilling fluid with different concentrations

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 地質(zhì)條件

試驗(yàn)區(qū)屬低山丘陵區(qū)，海拔在110～220 m；區(qū)內(nèi)地形較為平緩，相對(duì)高差在小于180 m，屬侵蝕堆積地貌。地層主要分為新元古界中—上南華統(tǒng)耀嶺河組（Nh2-3y）和新元古界上震旦統(tǒng)—下古生界下寒武統(tǒng)燈影組（Z2∈1d）。區(qū)內(nèi)除山間溝谷的底部有少量第四系沖洪積、殘坡積分布外，其余大面積為變質(zhì)巖分布區(qū)。礦區(qū)位于兩鄖-應(yīng)山逆沖推覆構(gòu)造帶，構(gòu)造表現(xiàn)為以北西向褶皺構(gòu)造為主，斷裂次之；區(qū)內(nèi)氣候溫和，雨量充沛，屬北亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，降雨主要集中于春夏兩季，年平均降雨量1 115 mm。

現(xiàn)場鉆探終孔直徑≥90 mm，完整巖石采取率應(yīng)≥85%，破碎巖層、強(qiáng)風(fēng)化層及碎石土應(yīng)≥50%，黏性土≥90%，孔深度誤差≤5 cm，巖樣按設(shè)計(jì)需要采取。目的層為220～260 m。前期鉆探發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉆探深度達(dá)到210 m 后便進(jìn)入破碎帶，取心結(jié)果為碎屑狀，且鉆井液存在漏液現(xiàn)象，無法滿足取心要求。

3.2 應(yīng)用過程及效果

利用GY-150 鉆機(jī)和BW-160QF 型泥漿泵進(jìn)行現(xiàn)場取樣試驗(yàn)，并驗(yàn)證水∶魔芋膠∶微泡劑=1 000∶7∶7 的新型高聚物改性鉆井液的護(hù)壁效果?，F(xiàn)場鉆孔深度為260 m，首先用130 mm 的硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行開孔并穿過土層，隨后改用110 mm 的金剛鉆，鉆進(jìn)深度為195 m，再改用91 mm 的金剛鉆進(jìn)行取心，直至到指定深度?，F(xiàn)場鉆探取樣的過程中，雖然面臨鉆孔區(qū)域的巖土體松散及破碎等不利情況，但是改性植物膠鉆井液的性能十分穩(wěn)定，取樣過程中孔壁穩(wěn)定未坍塌，且未發(fā)生任何孔內(nèi)事故，采取的巖心成功率高達(dá)90%以上，現(xiàn)場巖心取樣如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場取樣巖心Figure 5 Geological structures of the mining area

4 結(jié)論

1）通過增加魔芋膠摻量能有效降低鉆井液的濾失量和增大其黏度，魔芋膠鉆井液具備一定的護(hù)壁效果，魔芋膠最優(yōu)摻量為0.7%。

2）微泡劑改性魔芋膠鉆井液具有更少的濾失量和更大的黏度，護(hù)壁效果更加顯著，微泡劑最優(yōu)摻量為0.7%。

3）結(jié)合現(xiàn)場礦區(qū)采樣，對(duì)水∶魔芋膠∶微泡劑=1 000∶7∶7新型鉆井液進(jìn)行了護(hù)壁取心的現(xiàn)場應(yīng)用，測試效果良好，該鉆井液能適用于復(fù)雜地層的鉆探施工。