付帆，朱啟星，陶士先，李曉東，熊正強(qiáng)

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東日照 276800)

0 引言

在新疆、青海地區(qū)鉆探過程中，由于施工條件限制，無法運(yùn)輸足夠的淡水，只能采用地表鹵水配制沖洗液；或者是在海邊施工時(shí)，當(dāng)?shù)氐乃V化度較高；而在海上施工時(shí)，只能采用海水配制沖洗液。在這些情況下很難配制出膠體穩(wěn)定性好的沖洗液，更不要說根據(jù)地層情況配制出符合性能要求的沖洗液。為了解決這一難題，北京探礦工程研究所鉆井化學(xué)技術(shù)研發(fā)中心研制了一種多功能劑，目前已經(jīng)成功應(yīng)用于新疆、山東海域、南黃海海域鉆探施工中。本文對(duì)該種多功能劑的抗復(fù)合離子污染性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并進(jìn)行相關(guān)機(jī)理分析。

1 抗復(fù)合離子污染性能評(píng)價(jià)

對(duì)多功能劑抗復(fù)合離子污染性能的評(píng)價(jià)是通過測(cè)試多功能劑直接與復(fù)合鹽水配制的沖洗液性能情況判定的。首先，分別對(duì)多功能劑抗鈣、鎂、鉀離子性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步評(píng)價(jià)了其對(duì)配制的復(fù)合鹽水、天然鹵水、天然海水的抗污染能力。

1.1 抗鈣、鎂、鉀離子性能評(píng)價(jià)

1.1.1 抗鈣離子性能評(píng)價(jià)

為了研究多功能劑抗鈣離子污染能力，這里采用氯化鈣和硫酸鈣分別配制成不同濃度的水溶液，再將4%～6%的多功能劑加入其中，配制成沖洗液，通過測(cè)試沖洗液性能，評(píng)價(jià)多功能劑抗鈣離子污染能力，評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

表1 不同濃度氯化鈣和硫酸鈣水溶液配制的沖洗液性能

在30℃時(shí)，氯化鈣的溶解度是100.0 g/100 mL，當(dāng)氯化鈣濃度為100 g/100 mL時(shí)，溶液處于飽和狀態(tài)。從表1測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氯化鈣濃度低于50 g/100 mL時(shí)，溶液中僅加入4%多功能劑配制的沖洗液即具有良好的性能；隨著氯化鈣濃度的增加，只需加大多功能劑加量至5%～6%即可使沖洗液性能維持在理想范圍內(nèi)。在30 ℃時(shí)，硫酸鈣的溶解度是0.264 g/100 mL，硫酸鈣加量為0.3 g/100 mL時(shí)，溶液處于飽和狀態(tài)。從表1中測(cè)得沖洗液性能可以看出，硫酸鈣濃度對(duì)沖洗液性能沒有明顯影響，表明多功能劑抗硫酸鈣污染可以至飽和狀態(tài)。

1.1.2 抗鎂離子性能評(píng)價(jià)

與上述方法一樣，將氯化鎂和硫酸鎂配制成一定濃度的水溶液，與一定量的多功能劑配制成沖洗液，測(cè)試沖洗液性能，結(jié)果見表2。

表2 不同濃度氯化鎂和硫酸鎂水溶液配制的沖洗液性能

在30℃時(shí)，氯化鎂的溶解度是55.8 g/100 mL，所以當(dāng)六水氯化鎂濃度為300 g/100 mL時(shí)，氯化鎂溶液處于飽和狀態(tài)。從表2測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)六水氯化鎂濃度低于250 g/100 mL時(shí)，溶液中僅加入4%多功能劑配制的沖洗液性能即可保持在一個(gè)較好的范圍內(nèi)；高于此濃度時(shí)，則需增大加量，依據(jù)情況加入5%抗復(fù)合離子污染多功能劑即可配制出各方面性能滿足要求的沖洗液。硫酸鎂在30 ℃時(shí)的溶解度是38.9 g/100 mL，所以硫酸鎂加量為40 g/100 mL時(shí)，溶液處于飽和狀態(tài)。從表2測(cè)試結(jié)果可以看出，硫酸鎂濃度的增加對(duì)沖洗液性能幾乎沒有影響，表明多功能劑抗硫酸鎂污染可以至飽和狀態(tài)。

1.1.3 抗鉀離子性能評(píng)價(jià)

將氯化鉀配制成一定濃度的水溶液，將4%多功能劑加入其中制備成沖洗液，通過評(píng)價(jià)沖洗液的性能，研究多功能劑抗鉀離子污染能力，測(cè)試結(jié)果見表3。

氯化鉀的溶解度在30 ℃時(shí)是37.2 g/100 mL，所以氯化鉀加量為40 g/100 mL時(shí)，氯化鉀溶液處于飽和狀態(tài)。從表4測(cè)試結(jié)果可以看出，氯化鉀濃度的增加對(duì)沖洗液性能影響不大，說明功能劑可以抗氯化鉀污染可至飽和狀態(tài)。

表3 不同濃度氯化鉀水溶液配制的沖洗液性能

1.2 抗復(fù)合鹽水性能評(píng)價(jià)

1.2.1 抗室內(nèi)配制復(fù)合鹽水性能評(píng)價(jià)

本研究中采用的復(fù)合鹽水配方為：1000 mL蒸餾水+45 g氯化鈉+13 g六水氯化鎂+5 g氯化鈣。不同加量的多功能劑在復(fù)合鹽水中的性能見表4。

表4 不同加量的多功能劑在復(fù)合鹽水中的性能

從表4測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著多功能劑加量增加，沖洗液黏度和相對(duì)膨脹降低率提高，濾失量降低，當(dāng)多功能劑加量為3%～4%時(shí)，其性能就可以滿足一般地質(zhì)鉆探的要求。

1.2.2 抗海水和鹵水性能評(píng)價(jià)

從山東萊州附近海域采集到天然海水，pH6.5，密度為1.03 g/cm3，具有較高的礦化度(見表5)。從新疆地區(qū)采集到當(dāng)?shù)靥烊畸u水，pH6，總含鹽量為5.7%(見表5)。用采集到的海水和鹵水配制的4%多功能劑沖洗液性能見表6。

表5 海水和鹵水水樣水質(zhì)分析結(jié)果(離子濃度)

表6 海水和鹵水配制的抗復(fù)合離子污染多功能劑沖洗液性能

由表6測(cè)試結(jié)果可以看出，多功能劑在海水和鹵水中具有良好的造漿和降濾失性能，可以抗多種復(fù)合離子污染。

綜合上述結(jié)果，多功能劑對(duì)鈣、鎂、鉀離子均具備很好的抗污染能力，其中對(duì)硫酸鈣、硫酸鎂、氯化鉀的抗污染能力可達(dá)到飽和狀態(tài)。對(duì)含有多種離子的復(fù)合鹽水、天然海水和鹵水的抗污染能力同樣很好。對(duì)于一般地層，僅采用多功能劑直接配制出沖洗液就可以滿足鉆探需求，解決了在沒有淡水的情況下，無法配制出膠體穩(wěn)定性好、性能滿足鉆探需求的沖洗液的問題。

2 抗復(fù)合離子污染機(jī)理分析

為了研究抗復(fù)合離子污染機(jī)理，對(duì)多功能劑進(jìn)行了紅外光譜儀分析(見圖1)，得到其分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步確認(rèn)層間存在的離子和化學(xué)鍵類型。

圖1 多功能劑紅外光譜圖

根據(jù)圖1中的吸收峰位置可以獲得多功能劑存在的各對(duì)應(yīng)基團(tuán)[1](見表7)。3350 cm-1處為自由羥基O-H的伸縮振動(dòng)，在2945 cm-1處出現(xiàn)C-H伸縮和彎曲振動(dòng)峰，1647 cm-1為甲基-COO-伸縮振動(dòng)，在1121 cm-1和1647 cm-1處存在-SO3振動(dòng)峰。根據(jù)紅外光譜圖分析可知，多功能劑中存在-COOH和-SO3Na強(qiáng)水化基團(tuán)，其中-SO3Na基團(tuán)遇水變?yōu)?SO3H，-SO3H中有兩個(gè)S-O配價(jià)鍵，增強(qiáng)了S-OH基吸引電子的能力，使-OH中的氫易于離解，呈強(qiáng)酸，伴隨著離解，自由能降低較多，離解生成的-SO3-較穩(wěn)定。-SO3-對(duì)正離子的吸引力較弱，帶有正電荷的離子不易進(jìn)入-SO3-的水化層，不易發(fā)生去水化作用。上述這種現(xiàn)象的宏觀表現(xiàn)就是具有很好的抗復(fù)合離子污染能力[2-3]。

表7 多功能劑紅外光譜基團(tuán)對(duì)應(yīng)表

3 多功能劑抗復(fù)合離子污染應(yīng)用案例

3.1 新疆若羌縣坡北地區(qū)的應(yīng)用[4]

新疆若羌坡北銅鎳礦區(qū)施工過程中采用的配漿用水取自附近鹽湖的鹵水，含鹽量為5.7%，密度為1.05 g/cm3。采用鹵水與普通膨潤土攪拌配制的泥漿膠體率低，水和土易分層，攜帶效果差，濾失量大。在此期間也曾經(jīng)采用淡水配制泥漿，但是淡水運(yùn)輸距離遠(yuǎn)、運(yùn)量小、成本高，且泥漿性能也未達(dá)到預(yù)期效果。最終采用多功能劑直接與鹵水配制的沖洗液解決了膠體率低、不能有效懸浮攜帶和清除巖粉、達(dá)不到穩(wěn)定孔壁的作用等問題。

3.2 山東萊州海上鉆探的應(yīng)用[5]

施工鉆孔距離海岸約1.5 km，設(shè)計(jì)孔深為1700 m，全孔繩索取心。開始采用無固相沖洗液，但不能解決松散破碎孔段巖屑攜帶問題。最后采用3.5%～4% MBM直接與海水配制的沖洗液解決了上述問題，不僅展現(xiàn)出了良好的護(hù)壁和攜砂效果，并且配制簡單，維護(hù)方便，獲得了施工方的好評(píng)。

3.3 南黃海海上鉆探的應(yīng)用[6]

南黃海大陸架科學(xué)鉆探工程CSDP-02孔是我國專門為海洋大陸架研究實(shí)施的第一口科學(xué)鉆探深孔。該井位于我國南黃海海域中部隆起西南部，距離最近海岸線約100 km，孔位處海水深度22～25 m。該孔施工中采用海水配漿，使用一般的泥漿處理劑就會(huì)存在因抗電解質(zhì)污染能力差而難以發(fā)揮其應(yīng)有的作用，因而導(dǎo)致沖洗液膠體不穩(wěn)定、護(hù)壁效

果和巖粉攜帶能力差等問題。施工方最終全孔采用海水與多功能劑配漿，在遇到砂泥質(zhì)沉積物及泥砂互層、強(qiáng)水敏性地層等地層時(shí)加入其他泥漿材料，加強(qiáng)泥漿抑制性能，最終順利完成全孔鉆探工作。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)不同濃度鈣、鎂、鉀水溶液，配制復(fù)合鹽水、海水和鹵水與多功能劑配制的沖洗液進(jìn)行評(píng)價(jià)可知，多功能劑具有很好的抗復(fù)合離子污染能力。對(duì)于一般的地層，直接采用多功能劑配制出沖洗液就可以滿足鉆探需求。

(2)通過紅外光譜分析多功能劑基團(tuán)可知，多功能劑中存在-SO3-基團(tuán)，對(duì)其抗復(fù)合離子性能起到了關(guān)鍵作用。

(3)在新疆若羌、山東萊州海域、南黃海海域等區(qū)域鉆探過程中，直接采用鹵水和海水配制的多功能劑沖洗液，很好地解決了膠體穩(wěn)定性差、不能有效懸浮攜帶和清除巖粉等問題，并且配制簡單，維護(hù)方便，獲得使用單位的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 翁詩甫.傅里葉變換紅外光譜分析(第二版)[M].化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

[2] 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].石油大學(xué)出版社, 2001.

[3] 王平全, 周世良.鉆井液處理劑及其作用原理[M].石油工業(yè)出版社, 2003.

[4] 賈宏福,羅剛,付兆友,等. MBM-GTQ鹽水沖洗液體系的研究與應(yīng)用[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(12):23-27.

[5] 付帆, 陶士先, 李曉東,等. MBM鹽水沖洗液的研究與應(yīng)用[C]//全國探礦工程. 2015.

[6] 董海燕,單文軍,宋世杰,等.南黃海大陸架科學(xué)鉆探CSDP-02井鉆探施工技術(shù)[J]. 地質(zhì)與勘探,2017,53(02):334-341.