熊正強，董春剛，欒元滇，宮述林，付 帆，陶士先，王韶霞

（1.中國地質科學院研究生院，北京 100037；2.北京探礦工程研究所，北京 100083；3.山東省核工業(yè)二四八地質大隊，山東青島 266041；4.山東省地礦工程勘察院，山東濟南 250014）

中國是鉀肥消費大國（王鑫等，2018），鉀鹽作為生產鉀肥的主要原料，也是我國七種大宗緊缺礦產之一，其中鉀石鹽、光鹵石等可溶性固體鉀鹽礦產資源嚴重不足（趙元藝等，2010；鮑榮華等，2013），因此我國積極參與鉀鹽資源豐富國家的資源勘探開發(fā)工作。剛果共和國蘊藏豐富的鉀鹽資源（劉曦，2016），其奎盧盆地鉀鹽礦床是當前世界上最大的成礦區(qū)，國內施工單位承接了該地區(qū)鉀鹽礦詳查鉆探工作任務。為了節(jié)省成本、保護當地環(huán)境，擬采用水基鉆井液代替原美國油基鉆井液，配合繩索取心鉆探工藝獲取地下400～1000 m鉀鹽礦巖心。前期巖心資料表明該地區(qū)鉀鹽為光鹵石礦床（唐孟龍等，2021），并伴生溢晶石。光鹵石化學成分為KCl·MgCl2·6H2O，溢晶石化學成分為CaCl2·2MgCl2·12H2O，均屬于極易溶于水的鹽類。使用水基鉆井液施工存在鉆孔溶蝕擴徑、內管卡簧卡不住巖心、取心質量差等問題（宮述林等，2011；陶士先和紀衛(wèi)軍，2016）。為此，針對剛果共和國奎盧省鉀鹽地層特點，結合繩索取心鉆探工藝要求，開展鈣鎂基鉆井液研究與應用，以期為鉀鹽鉆探工程提供參考。

1 鉀鹽鉆探用鉆井液研究現狀

近些年，在柴達木盆地（王德敬等，2010；崔慶崗等，2019）、云南江城（鄭綿平等，2014）和新疆羅布泊鹽湖（乜貞等，2010；惠爭卜等，2017；劉成林等，2018）等地開展了鉀鹽資源勘查工作，還有一些地勘單位在老撾和剛果（布）承接了境外鉀鹽鉆探項目。根據鉀鹽類型和成分不同，鉀鹽鉆探工程主要采用飽和鹵水鉆井液、飽和氯化鎂鹽水鉆井液、鎂基鉆井液和油基鉆井液。

柴達木盆地大浪灘鉀鹽勘探ZK06 井鉆遇地層以石鹽、芒硝和石膏為主，含少量鉀石鹽和光鹵石，采用飽和鹵水鉆井液解決了井壁穩(wěn)定和高承壓鹵水井涌的施工難題，巖心采取率達90%（王德敬等，2010）。陜北奧陶紀鹽盆地鉀鹽科學勘查井—綏鉀1 井目的層主要巖性為白云巖、白云質灰?guī)r、巖鹽，局部夾石膏質云巖，采用無鉀飽和鹽水鉆井液順利完成了鉆探任務（王永全等，2012）。因預測目的地層中含有光鹵石，云南江城鉀鹽基準井—MK-1 井和MK-2 井采用飽和氯化鎂鹽水鉆井液（劉聯群和秦志坤，2014），該鉆井液具有抗污染能力強、護壁性能好等特點，有效抑制了較軟巖層的水化膨脹和分散，解決了水基鉆井液溶蝕巖鹽層的問題，鹽礦心采取率達96.8%。青海柴達木盆地鹵水鉀鹽鉆探采用鹵水鉆井液，解決了水敏性地層縮徑和破碎地層坍塌、掉塊問題（王正浩等，2015；王正浩和申立，2015）。新疆羅布泊鹽湖深部鉀鹽地質科學鉆探LDK02 孔預測鉆遇地層巖性以黏土、石膏、鈣芒硝、石鹽以及富鉀鹵水儲層為主，采用由增黏劑GTQ、降濾失劑GPNS 等組成的環(huán)保型鹵水聚合物鉆井液順利鉆至孔深1200 m 完鉆，解決了地層坍塌嚴重、鹵水配漿膠體穩(wěn)定性差等技術難題（張云等，2019；李曉東等，2019）。老撾鉀鹽礦主體是光鹵石礦（梁光河，2021），其農波礦區(qū)南部鉀鹽鉆探工程采用提鉆取心鉆進工藝施工，并選用抗污染多功能劑配制的鹽水鉆井液和鎂基鉆井液，當鉆遇光鹵石地層時，將鹽水鉆井液轉化為鎂基鉆井液，光鹵石巖心采取率達90%以上（黃衛(wèi)東等，2014）。剛果共和國奎盧省光鹵石探采結合井光鹵石礦層取心井段采用柴油基鉆井液鉆獲了光滑完整的光鹵石巖心，巖心采取率達90%以上（唐孟龍，2021）。

綜上，采用鎂基鉆井液和柴油基鉆井液均能高質量地鉆獲光鹵石型鉀鹽礦心，但是油基鉆井液成本高，且污染環(huán)境（鄢捷年，2006；王中華，2019；黃津松等，2020）。因此，有必要對不同類型鉀鹽鉆探用水基鉆井液開展深入研究。

2 剛果（布）鉀鹽礦繩索取心鉆探工藝對鉆井液性能的要求

為了滿足剛果（布）鉀鹽礦繩索取心鉆探工藝要求，根據該礦區(qū)已鉆獲的巖心樣品化學成分分析數據，采用的水基鉆井液應具備以下性能：

（1）優(yōu)良的抑制光鹵石和溢晶石溶解能力。礦體遇水溶解對巖心采取率和鉆孔直徑均有直接的影響。通過對該礦區(qū)已鉆獲的巖心樣品化合物百分含量分析，含有溢晶石的地層中CaCl2含量為0.07%～4.91%，即溢晶石含量為0.33%～22.86%，平均含量是6.28%。如果鉆井液不能抑制光鹵石和溢晶石溶解，巖心溶蝕問題突出，導致巖心直徑縮小、內管卡簧卡不住鹽礦心，取心失敗的風險極大。因此，抑制光鹵石和溢晶石溶解能力是取心成敗的關鍵。

（2）較低的固相含量（≤5%）。與提鉆取心相比，由于繩索取心鉆桿內徑比普通鉆桿大，鉆井液在鉆桿內流速驟降，加上鉆桿高速旋轉的離心力，固相顆粒會在離心力作用下被甩到鉆桿的內壁上，形成泥垢。因此，低固相含量可以避免因鉆桿實際內徑縮小而發(fā)生的打撈內管困難或黏附卡鉆事故。

（3）合理的鉆井液黏度。與提鉆取心鉆探不同，在繩索取心鉆探時，如果鉆井液黏度偏高，由于環(huán)空間隙小，會導致鉆探泵壓高，不利于施工。但鉆井液黏度偏低，又會對鹽礦心沖蝕作用明顯，導致卡簧卡不住巖心。因此，對鉆井液黏度的合理控制有利于繩索取心鉆探和高質量獲取鹽礦心。

（4）良好的抗鹽性能。為了抑制光鹵石和溢晶石溶解，鉆井液中加入較多的無機鹽，會造成固相絮凝、切力降低和濾失量增大等問題，這就要求鉆井液具有良好的抗鹽性能。

（5）良好的降濾失性能。降低的濾失量，減少鉆井液中的自由水進入地層，有利于減少鹽礦地層的溶蝕。

3 鈣鎂基鉆井液研究

在前期鎂基鉆井液研究與應用基礎上（王永全等，2012；劉聯群等，2014；陶士先和紀衛(wèi)軍，2016），針對剛果（布）鉀鹽特點及繩索取心鉆探工藝要求，優(yōu)選抑溶劑和優(yōu)化基礎液組成，降低氯化鈣等可溶性鹽在鉆井液中的溶解度或減緩溶解速度，達到抑制光鹵石和溢晶石溶解的目的；優(yōu)選環(huán)保型抗鹽處理劑，解決由于電解質污染導致鉆井液固液分離，巖粉攜帶困難等問題；優(yōu)化處理劑加量范圍，保證鉆井液具有良好的流變性及降濾失性能等。最終篩選出的處理劑及其作用見表1。其中，鎖水抑制劑是一種具有羧鈉基（-COONa）和酰胺基（-CONH2）的共聚物，其在水中溶解時，水分子會快速擴散到分子間。同時酰胺基周圍也吸附大量水分子，減少自由水，抑制可溶性鹽在水中溶解；抗鹽型處理劑—增黏劑GTQ和接枝淀粉GSTP 分子鏈含有羧鈉基（-COONa）和磺酸基（-SO3H）等基團，能提高黏土顆粒的穩(wěn)定性，同時其分子鏈上側鏈基團較多，起到了阻止鹽的去水化作用（賈宏福等，2015；紀衛(wèi)軍等，2016；董海燕等，2017；楊凌雪等，2020）；包被劑GBBJ 是一種具有選擇性的絮凝劑，當遇到表面所帶的永久負電荷多的優(yōu)質黏土時，由于雙電層厚，動點電位高，水化膜厚，斥力大，表現為不絮凝，而對劣質黏土則表現為絮凝（陶士先等，2014；秦耀軍等，2019）。

表1 處理劑名稱及其作用Table 1 Names and functions of additives

3.1 鉆井液配方研究

3.1.1 基礎液配方優(yōu)化

借鑒鎂基鉆井液基礎液配方，引入氯化鈣和鎖水抑制劑，實現同時抑制氯化鈣和氯化鎂溶解。具體實驗方法是：按表2 配方分別配制基礎液，備用；每種基礎液再稱取6份（100 g），放入30℃水溶鍋中，向其中3份基礎液中加入50 g無水氯化鈣，另外3份基礎液中加入20 g 無水氯化鎂，開始計時。分別在0.5 h 、1.0 h 和1.5 h 時，取出加入無水氯化鈣和無水氯化鎂的基礎液各1 份，濾出未溶解的氯化鈣和氯化鎂，稱取基礎液質量，計算溶于基礎液中的鹽質量。基礎液配方及測試結果見表2和表3。

表3 氯化鈣和氯化鎂在不同基礎液中的溶解質量Table 3 Dissolution mass of calcium chloride and magnesium chloride in different base liquids

從表3 可看出，與1 號鎂基鉆井液的基礎液相比，鈣鎂基礎液具有更好的抑制氯化鈣和氯化鎂溶解性能，尤其是抑制氯化鈣的溶解更明顯。對比2～4 號配方發(fā)現，提高氯化鈣的加量可以明顯抑制氯化鈣的溶解。在此基礎上再提高鎖水抑制劑（5～7 號配方），氯化鈣和氯化鎂的溶解速度略微降低；對比配方2～4 和8～10，增加氯化鎂的加量，能大幅度提高抑制氯化鈣和氯化鎂溶解的性能，因此基礎液中氯化鎂加量優(yōu)選30%。最終，確定基礎液的最佳配方為：30%氯化鎂+20%～30%氯化鈣+1%鎖水抑制劑。

3.1.2 鉆井液配方優(yōu)化

以考察鉆井液的黏度、濾失量和抑制光鹵石溶解的能力為測試重點，具體實驗方法是：首先配制500 mL 上述基礎液，再加入其他處理劑配制成鈣鎂基鉆井液，測試鉆井液的流變性和濾失量，并記錄剛果（布）光鹵石巖心在鉆井液中浸泡2 h 前后質量變化，通過光鹵石溶蝕率（質量降低率）評價其抑制光鹵石溶解效果。鈣鎂基鉆井液配方及其實驗結果見表4和表5。

表4 鈣鎂基鉆井液配方Table 4 Calcium magnesium based drilling fluid formulation

表5 不同鈣鎂基鉆井液配方的實驗結果Table 5 Experimental results of different calcium and magnesium based drilling fluid formulations

從表5 可看出，對比配方1～3 號的鉆井液性能，發(fā)現隨著鈉膨潤土的加量增加，鉆井液的漏斗黏度增大，而光鹵石溶蝕率明顯降低，因此鈉膨潤土最優(yōu)加量范圍為2%～3%。對比配方3～5 號的鉆井液性能，隨著接枝淀粉GSTP 的加量增加，鉆井液的API 濾失量和溶蝕率逐漸降低。但是當GSTP加量比例超過1.3%時，鉆井液的濾失量和溶蝕率基本不變，因此GSTP 加量不低于1.3%。對比配方3、6 和7 號的鉆井液性能，當GTQ 和GBBJ 的加量增加，鉆井液的漏斗黏度和動塑比均逐漸增加，但是GBBJ 加量過多時，鉆井液的絮凝作用更強，使鉆井液的API 濾失量增加。因此，最終優(yōu)化出鈣鎂基鉆井液最佳配方為：30%氯化鎂+20%～30%氯化鈣 +1%鎖水抑制劑+2%～3%鈉膨潤土+1.3%～1.6%接枝淀粉GSTP+0.4%～0.7%增黏劑GTQ+0.4%包被劑GBBJ。

3.2 鉆井液性能評價

為了更好地模擬現場配漿條件，采用600 轉/分的低速攪拌器配制鉆井液，以配方30%氯化鎂+20%氯化鈣+1%鎖水抑制劑+2%膨潤土+1.3%GSTP+0.4%GTQ+ 0.4%GBBJ”為例，評價鉆井液的常規(guī)性能，即流變性能、降濾失性能等，同時還評價了鉆井液抑制光鹵石溶解的性能。

（1）常規(guī)性能

測試不同實驗條件下鉆井液的黏度和濾失量等，結果見表6。

表6 鈣鎂基鉆井液常規(guī)性能Table 6 Conventional properties of calcium and magnesium based drilling fluid

表6 結果表明，鈣鎂基鉆井液具有良好的流動性和降濾失性能，而且陳化1 天和陳化10 天后鉆井液性能穩(wěn)定。

（2）抑制光鹵石溶解的性能

將用油基鉆井液取出的光鹵石巖心浸泡在鈣鎂基鉆井液中，分別采用質量法和測量直徑法評價鉆井液抑制光鹵石溶解的能力。具體實驗方法為：將光鹵石巖心浸泡在50℃的鉆井液中2 h，利用天平和游標卡尺稱取或測量浸泡前后巖心的質量和直徑，結果見表7和圖1。

圖1 鈣鎂基鉆井液浸泡后的光鹵石巖心Fig.1 Carnallite core soaked by calcium-magnesium based drilling fluid

表7 鈣鎂基鉆井液抑制光鹵石溶解評價結果Table 7 Evaluation results of inhibiting carnallite dissolution in calcium and magnesium based drilling fluid

從表7 可看出，采用質量法評價光鹵石巖心的溶蝕率小于2%，而光鹵石巖心直徑縮小率僅為0.48%。從圖1可以直觀地看到，經鈣鎂基鉆井液浸泡2 h 后光鹵石巖心的形貌完整，基本沒有變化，這充分說明鈣鎂基鉆井液具有優(yōu)良的抑制光鹵石溶解性能。

4 鈣鎂基鉆井液在剛果（布）鉀鹽鉆探現場應用

鉆探工作區(qū)位于剛果（布）西南部，隸屬于奎盧省，施工鉆孔5 個，終孔深度800～1000 m 不等，鉆探工作量4805.26 m。鉆孔設計為三開結構，每個開次采用不同類型的鉆井液，其中一開采用膨潤土鉆井液，二開采用水解聚丙烯酰胺無固相鉆井液，三開采用鈣鎂基鉆井液。

4.1 地層情況

工作區(qū)地層自上而下為第四系、新近系及白堊系，工作區(qū)的地層厚度及其巖性見表8。

表8 工作區(qū)地層情況Table 8 Strata in the working area

鉆探區(qū)鹽系地層較穩(wěn)定，厚度一般180～600 m，總體特征為鉀鹽礦層（光鹵石巖）和石鹽礦層（石鹽巖）呈互層狀分布，礦層呈近水平狀產出。鉀鹽礦層以光鹵石為主，局部為鉀石鹽（未圈出獨立礦層）。

4.2 鉆孔結構

采用XY-5型鉆機施工，泥漿泵型號為BM 320/10，每個開次鉆頭尺寸、鉆具組合及鉆孔結構等見表9。

表9 不同開次鉆具組合和鉆進工藝Table 9 Different BHA assemblies and drilling techniques

4.3 鉆井液性能

根據現場情況，按照“30%氯化鎂+20%氯化鈣+1% 鎖水抑制劑+0～2% 鈉膨潤土+1.3%GSTP+0.4%GTQ+0.4%GBBJ”配制鈣鎂基鉆井液。在三開孔段施工中，鉆井液的漏斗黏度（蘇氏漏斗）保持在37～40 s，密度1.31 g/cm3，API濾失量為10～12 mL，鉆井液性能較為穩(wěn)定。另外，5 個鉆孔鉆井液重復利用，極大地降低了成本。

4.4 應用效果

采用鈣鎂基鉆井液施工，共完成鉆探工作量3020.35 m，取得了很好的應用效果，實現水基鉆井液首次成功應用于光鹵石礦繩索取心鉆探工程。具體表現為：

（1）取心質量高，巖心采取率達98%以上，完全替代國外油基鉆井液。這解決了光鹵石巖心溶蝕速度快的問題，尤其是解決了含溢晶石礦體的溶蝕，取出的光鹵石巖心見圖2。游標卡尺測得取出的石鹽礦心直徑為63.1 mm（見圖3a），光鹵石礦心直徑為62.6 mm（見圖3b），巖心直徑變化率完全滿足繩索取心鉆進工藝要求（內管內直徑64 mm）。

圖2 取出的光鹵石巖心照片Fig.2 Photos of carnallite cores taken out

圖3 現場巖心直徑測量Fig.3 Diameter measurement of on-site cores

（2）相較于油基鉆井液（成本約5500～6500 元/m3），鈣鎂基鉆井液成本不超過1000 元/m3，大幅度降低了鉆井液成本，節(jié)約鉆井液成本80%以上。

（3）鉆井液抗鈣鎂污染能力強，使用過程中鉆井液性能穩(wěn)定，有利于重復利用。

（4）鉆井液具有較好的環(huán)保性能。除氯化鈣與氯化鎂外，選用的鉆井液處理劑均為環(huán)保材料，降低了鉆井液對環(huán)境的影響。

（5）與油基鉆井液相比，鈣鎂基鉆井液使用和維護簡單。

5 結論

（1）針對含有光鹵石和溢晶石地層的剛果（布）鉀鹽礦床及繩索取心鉆探工藝要求，研發(fā)了鈣鎂基鉆井液，具體配方為：30%氯化鎂+20%～30%氯化鈣+1%鎖水抑制劑+2%～3%鈉膨潤土+1.3%～1.6%接枝淀粉GSTP+0.4%～0.7%增黏劑GTQ+0.4%包被劑GBBJ。室內評價與現場應用效果表明，鈣鎂基鉆井液具有較好的抑制光鹵石和溢晶石溶解能力，良好的流變性和懸浮攜帶能力以及優(yōu)良的抗鈣鎂污染能力。

（2）鈣鎂基鉆井液首次成功應用于剛果（布）鉀鹽繩索取心鉆探工程，完成鉆探工作量3020 余米，鹽礦心采取率達到98%，完全取代了國外油基鉆井液。

（3）與油基鉆井液相比，鈣鎂基鉆井液選用的環(huán)保處理劑可直接為施工單位節(jié)約鉆井液材料成本80%以上，另外節(jié)省了廢棄鉆井液處理費用，取得了良好的經濟和環(huán)境效益，在鉀鹽鉆探工程中應用前景廣闊。

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