張澤國，王圣勇，張進(jìn)忠

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)大隊(duì)，山東 泰安 271000）

1 復(fù)雜地層鉆進(jìn)中沖洗液的作用

1.1 復(fù)雜地層分類

復(fù)雜地層分為二大類，即漏失地層與不穩(wěn)定地層，其中漏失地層又分為洞穴類、裂隙類和孔隙類地層；不穩(wěn)定地層包括物理化學(xué)和力學(xué)不穩(wěn)定地層。

1.2 沖洗液在鉆探中的作用

鉆探工程施工中，要保證優(yōu)質(zhì)快速安全鉆進(jìn)，泥漿起著非常重要的作用，特別在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)，泥漿性能的優(yōu)劣直接決定了鉆進(jìn)的成敗。泥漿在鉆進(jìn)過程中的主要作用是：一是孔底清洗，懸浮和攜帶巖粉，借沖洗液循環(huán)將鉆頭破碎的巖屑、巖粉及時(shí)攜帶到地表，保持孔底潔凈；沖洗液中斷時(shí)，利用泥漿本身的觸變性能，懸浮巖粉，防止埋鉆事故的發(fā)生。二是鉆頭冷卻，鉆頭的使用壽命提高，鉆進(jìn)過程中，孔底產(chǎn)生高溫（200℃～300℃），借助循環(huán)的泥漿帶走熱量，從而達(dá)到冷卻鉆頭，鉆頭使用壽命延長的目的。三是潤滑鉆具和鉆頭，減弱鉆具振動，使用乳化泥漿加潤滑劑可減小鉆頭與孔底的巖石、孔壁與鉆具間的摩擦力，能減弱鉆具高速回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動及減輕動力機(jī)等的負(fù)荷，使鉆頭工作平穩(wěn)。四是孔壁保護(hù)，利用泥漿性能，在鉆孔孔壁上形成堅(jiān)韌致密的泥皮，從而防止孔壁掉塊、坍塌；調(diào)節(jié)泥漿的比重，防止漏失、涌水等孔內(nèi)事故等。五是動力的傳遞，如渦輪鉆、沖擊回轉(zhuǎn)鉆、螺桿鉆等，采用沖洗液可以作為其動力的傳遞媒介。因此優(yōu)質(zhì)沖洗液對鉆探工程的成敗非常重要。

2 沖洗液的性能參數(shù)

沖洗液性能參數(shù)主要有：粘度、密度、比重、含砂量、濾失性、pH值、膠體率、剪切稀釋性、抑制性、潤滑性以及泥漿的穩(wěn)定性。這幾項(xiàng)指標(biāo)是判斷沖洗液性能的優(yōu)劣的重要指標(biāo)。（1）沖洗液粘度大回轉(zhuǎn)阻力大，容易造成泥包鉆頭從而導(dǎo)致孔內(nèi)事故，粘度降低鉆頭容易切削巖石，而粘度低對保護(hù)孔壁不利。適當(dāng)調(diào)整沖洗液的相對密度可以平衡地層壓力，采用低密度沖洗液，對減輕和消除沖洗液漏失是較為有效的措施。（2）沖洗液濾失性大，使水敏性泥巖、頁巖等巖層吸水膨脹、坍塌、縮徑，提下鉆困難，易發(fā)生孔壁坍塌事故；泥皮過厚，鉆孔環(huán)狀間隙減小，鉆頭泥包，使提下鉆時(shí)的壓力激動增大，會導(dǎo)致孔壁漏失和坍塌。（3）沖洗液的剪切稀釋性很重要，鉆進(jìn)施工中，對于不同的鉆孔部位要求有不同的粘度與切力，鉆頭水眼面積小，沖洗液流速快，剪切速率高，沖洗液粘度很低，有利于大流速沖洗液沖刷巖面，及時(shí)攜帶巖粉。（4）沖洗液的抑制性就是抑制巖屑分散能力和絮凝作用。（5）泥漿的潤滑作用主要是減輕機(jī)械鉆進(jìn)中的回轉(zhuǎn)阻力。

3 沖洗液成分與作用

（1）純堿：鈣膨潤土改性劑和堿度（pH值）的控制劑。（2）粘土：水分子。容易進(jìn)入晶胞層間，具有很好的分散性能，具有很好的護(hù)壁性能。（3）腐植酸鉀（KHm）：具有較好的離子交換和吸附性，主要作用是降失水，在水中能電離帶電荷的水化能力很強(qiáng)的水化基因；具有抑制粘土水化膨脹和防止巖心出現(xiàn)裂紋、裂隙等特點(diǎn)。（4）部分水解聚丙烯酰胺（PHP）（分子量500萬～800萬）：選擇絮凝作用，能抑制泥頁巖的水化。不同地層選用不同分子量應(yīng)用，可與鉛鹽、鉻鹽等交聯(lián)生成凝膠作用，生成聚合物網(wǎng)絡(luò)。（5）磺化瀝青粉：主要是抑制作用，含有磺酸基，水化作用很強(qiáng)，當(dāng)吸附在泥頁巖表面時(shí)，可阻止泥頁巖顆粒的水化，起到鉆孔防塌的作用。

在近年的探礦施工中，逐漸摸索總結(jié)出適合本項(xiàng)目復(fù)雜地層鉆進(jìn)的沖洗液配方。供大家參考、探討。

清水+鈉膨潤土+水解聚丙烯酰胺（水解度30%左右,分子量500萬～800萬）+腐植酸鉀+燒堿+CMC +磺化瀝青粉。

沖洗液性能指標(biāo)：比重1.04g/cm3～1.05g/cm3，漏斗黏度 29s～32s，濾失性≤ 10ml/30min，pH值 8～9.5，泥皮厚度＜0.2～0.5mm，膠體率95%，含沙量＜0.1%，動塑比1.83，視粘度14s。

從多年的鉆探工作中可得到：（1）腐植酸鉀（KHm）具有沖洗液降失水作用。KHm加量越多失水量越少。（2）加入腐植酸鉀與聚丙烯酰胺后沖洗液泥皮變薄且韌性變好，粘度變低，流動性變好，能夠很好的抑制孔壁分散。（3）加入PHP與KHm處理劑的沖洗液對鉆孔孔壁具有很好的防塌作用。聚丙烯酰胺（PHP）的防塌能力隨濃度增加而增加。（4）施工中可得出，沖洗液的絮凝效果與KHm加量的關(guān)系不大，與PHP加量的關(guān)系很大。PHP在遇到固體顆粒時(shí)，能夠產(chǎn)生選擇性絮凝，沉淀劣質(zhì)顆粒和巖屑。因此加入PHP后的沖洗液具有絮凝效果好，剪切稀釋性能好，沉砂能力強(qiáng)的特性，同時(shí)磺化瀝青粉起到了很好的抑制作用。從而我們優(yōu)選了PHP—KHm低固相沖洗液作為我們鉆進(jìn)水敏性復(fù)雜地層的主要沖洗液配漿材料。

4 工程案例

南陵縣桂花沖銅鉬礦區(qū)位于安徽省南陵縣工山鎮(zhèn)桂花沖，屬于低山丘陵地貌；工作區(qū)出露地層為志留系上統(tǒng)茅山組石英砂巖、石英雜砂巖；泥盆系上統(tǒng)五組石英砂巖夾泥頁巖；二疊系下統(tǒng)棲霞組碎屑巖、碳酸鹽巖，孤峰組上、下段硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖、硅質(zhì)巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁巖、猛質(zhì)頁巖，二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M含煤地層，長石石英砂巖、粉砂巖、頁巖夾煤層，大隆組硅質(zhì)巖、泥巖、砂巖及凝灰?guī)r，三疊系下統(tǒng)殷坑組鈣質(zhì)頁巖、頁巖夾灰?guī)r等；地層比較復(fù)雜，施工中坍塌漏失經(jīng)常發(fā)生，特別是水敏性復(fù)雜地層，鉆進(jìn)易塌孔、縮徑，外單位施工隊(duì)伍在此礦區(qū)鉆探施工一年多也沒有鉆進(jìn)通過該復(fù)雜水敏性地層，人力、物力造成很大的浪費(fèi)；在多年的探礦施工中，我們逐漸摸索總結(jié)出適合復(fù)雜地層鉆進(jìn)的優(yōu)質(zhì)沖洗液配方，有效的解決了鉆進(jìn)塌孔、縮徑及漏漿問題，節(jié)約了鉆探成本，減輕了工人勞動強(qiáng)度。供大家參考、探討。

4.1 鉆進(jìn)中遇到的問題

4.1.1 水敏性破碎地層

南陵縣桂花沖礦區(qū)ZK863孔附近屬于水敏性地層（見圖1），主要巖石有泥巖，泥沙巖，泥質(zhì)頁巖，高嶺石化，千枚巖，煤系地層，其特征為巖石結(jié)構(gòu)固結(jié)松散，水敏性，遇水膨脹，在鉆進(jìn)中孔壁受鉆桿柱敲打，孔壁坍塌、掉塊，鉆孔縮徑，起下鉆受阻，沖洗液漏失，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)速度和鉆孔質(zhì)量。

4.1.2 小孔隙類破碎漏失地層

在安徽省南陵縣桂花沖等銅鉬多金屬礦區(qū)鉆探工程施工中小孔隙類漏失地層普遍存在，主要表現(xiàn)為鉆進(jìn)中沖洗液斷續(xù)返漿，孔口返漿量僅為送漿量的四分之一至五分之一，大量巖粉排不出，停泵容易出現(xiàn)卡、埋鉆事故。破碎帶由構(gòu)造角礫、綠泥石、泥頁巖、千枚巖、碳酸巖細(xì)脈構(gòu)成充填，具有細(xì)小裂隙的巖層節(jié)理等。鉆遇巖層蝕變嚴(yán)重，破碎，在斷層帶上有可塑性斷層泥和綠泥石化的蝕變帶，遇水容易膨脹，出現(xiàn)縮徑、坍塌、掉塊等現(xiàn)象，嚴(yán)重阻礙鉆探施工，嚴(yán)重影響鉆探施工質(zhì)量。

圖1 ZK863孔附近水敏性地層

4.2 優(yōu)質(zhì)沖洗液應(yīng)對措施

針對上述問題水敏性地層，主要以防漏、防塌、防滲為主，對沖洗液做增粘、降低沖洗液的濾失性處理增強(qiáng)沖洗液的抑制性，同時(shí)保證孔內(nèi)液柱壓力，輔助用套管隔離的辦法鉆穿該地層。經(jīng)過多次研究試驗(yàn)，我們采用的沖洗液配方為：

清水+鈉膨潤土18kg/m3+水解聚丙烯酰胺（水解度30%左右,分子量500萬-800萬）0.4%-0.5%+腐植酸鉀0.4%～0.5%+燒堿3Kg/m3+CMC5kg/m3+磺化瀝青粉5kg/m3。

沖洗液性能指標(biāo)：比重1.04g/cm3～1.05g/cm3，漏斗黏度 29s～32s，濾失性≤ 10ml/30min，pH值 8～9.5，泥皮厚度＜0.2～0.5mm，膠體率95%，含沙量＜0.1%，動塑比1.83，視粘度14s。

針對上述問題小孔隙類漏失地層，我們采用的沖洗液配方為：

清水+鈉膨潤土22kg/m3+水解聚丙烯酰胺（水解度30%左右,分子量500萬～800萬）0.4%～0.5%+腐植酸鉀0.4%～0.6%+燒堿4Kg/m3+CMC8kg/m3+磺化瀝青粉10kg/m3+801堵漏劑10kg/m3+鋸末20kg/m3（漏失稍嚴(yán)重的地層加鋸末，鋸末要進(jìn)行過篩，除去木質(zhì)碎塊；沖洗液、801堵漏劑、鋸末在水桶中攪拌均勻后直接倒入鉆桿內(nèi)）。

沖洗液性能指標(biāo)：比重1.05g/cm3～1.06g/cm3，漏斗黏度 33s～36s，濾失性≤ 10ml/30min，pH值 8～9.5，泥皮厚度＜0.2～0.5mm，膠體率9.5%，含沙量＜0.1%，動塑比1.68，視粘度15s。

鉆進(jìn)施工采用上述的優(yōu)質(zhì)沖洗液，成功地解決了鉆進(jìn)施工漏失及塌孔問題，圓滿的完成礦區(qū)鉆探施工任務(wù)，施工6年多，完成鉆探任務(wù)20.13萬米。

5 沖洗液使用中還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題

5.1 泥漿的配制

在現(xiàn)場為保證沖洗液質(zhì)量，配制沖洗液前應(yīng)做沖洗液小樣，試驗(yàn)確定沖洗液配方；施工攪拌嚴(yán)格按照配方計(jì)算加料，嚴(yán)格按照加料順序進(jìn)行攪拌。攪拌中先加分子量小的的無機(jī)化學(xué)材料，再加入有機(jī)高分子化學(xué)材料。

5.2 泥漿性能參數(shù)的調(diào)配

沖洗液性能調(diào)整的主要內(nèi)容包括：增加或降低沖洗液粘度和切力、降低沖洗液失水量、沖洗液比重增加或降低及pH值調(diào)節(jié)等。

鉆進(jìn)過程中，沖洗液的性能會隨著鉆遇地層的變化而變化，要預(yù)估好鉆穿地層的巖性、水質(zhì)等對沖洗液性能的影響作用，預(yù)先對沖洗液性能進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)遇到孔壁坍塌掉塊或有少量漏失時(shí)，需要提高沖洗液的粘度和切力，具體可通過增加沖洗液中的粘土含量、加有機(jī)高分子增稠劑（如CMC）或加適量純堿等辦法來實(shí)現(xiàn)；鉆進(jìn)泥質(zhì)頁巖層或泥巖層時(shí)，可通過加腐植酸鉀來降低沖洗液的切力和濾失性；鉆進(jìn)遇水膨脹、坍塌滲漏地層時(shí)，必須增加抑制劑（如有機(jī)高分子降失水劑（CMC））來降低沖洗液失水量和控制泥皮厚度。加入磺化瀝青粉，植物膠等處理劑；礦區(qū)不同沖洗液配方是不一樣的。工作中必須結(jié)合實(shí)際地層情況確定沖洗液類型，然后確定沖洗液配方。

5.3 泥漿性能的維護(hù)

（1）施工中巖屑進(jìn)入沖洗液后會使沖洗液性能發(fā)生變化，不利于正常鉆進(jìn)，甚至?xí)?dǎo)致孔內(nèi)事故的發(fā)生，需要增加固控設(shè)備。最簡單的凈化裝置是沖洗液循環(huán)槽、沉淀箱；循環(huán)泥漿槽長10m～15m（高0.2m，寬0.3m，坡度1/100—1/80）且每隔1.8米安設(shè)擋板，配旋流除砂器采用固相控制措施，清除占90%左右、粒度大于20μm的固相顆粒。每班設(shè)專人負(fù)責(zé)沖洗液的管理，負(fù)責(zé)沖洗液的配制、處理、凈化除砂和沖洗液性能的測定，隨時(shí)掌握沖洗液性能的變化情況及孔內(nèi)情況，并根據(jù)情況調(diào)整沖洗液性能參數(shù)；沖洗液的使用情況必須填入班報(bào)表中。（2）由于泥漿池中的泥漿長期流動容易形成凝聚沉淀，泥漿池底部及四周的沖洗液容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)凝膠狀態(tài)，極大的影響沖洗液的質(zhì)量，經(jīng)過多方探討研究，鉆探施工中在泥漿池中安裝一臺2PN泥漿泵，2PN泥漿泵隨鉆進(jìn)施工一起運(yùn)轉(zhuǎn)，PN泵的吸排運(yùn)轉(zhuǎn)就是在不斷的攪拌沖洗液，這種攪拌稀釋作用就是阻礙沖洗液形成網(wǎng)狀凝膠狀態(tài)，使沖洗液保持在層流和紊流狀態(tài)；這樣既保護(hù)了沖洗液的性能，也延長了沖洗液的使用時(shí)間，節(jié)約了鉆探成本。（3）復(fù)雜地層的孔壁穩(wěn)定性差，提下鉆要穩(wěn)，提鉆要進(jìn)行回灌沖洗液，保持液柱壓力平衡地層壓力。防止抽吸作用的產(chǎn)生。

5.4 復(fù)雜地層鉆進(jìn)操作

復(fù)雜地層鉆探施工中，地層穩(wěn)定性差，因此施工中提下鉆要穩(wěn)、慢，防止提下鉆速度過快壓力引起沖洗液激動而造成塌孔事故或漏失事故；為保證孔壁壓力平衡，提鉆時(shí)要采用回灌沖洗液。

6 結(jié)語

在鉆探施工中，特別在復(fù)雜地層中鉆探施工時(shí)，選擇良好泥漿配方非常重要，根據(jù)不同地層采取不同配方的化學(xué)泥漿，能夠攜帶巖粉、冷卻鉆頭、保護(hù)孔壁、防漏、防塌，能夠保證鉆進(jìn)順利進(jìn)行，提高鉆孔施工質(zhì)量。