泡沫植物膠特性及其護(hù)壁防漏機(jī)理

王建軍 ，彭振斌，劉睦峰，李?yuàn)^強(qiáng)

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 湖南省煤田地質(zhì)局，湖南 長(zhǎng)沙，410014)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源需求的越來(lái)越大，加之中東部一大批老礦山在已有勘查范圍內(nèi)資源的枯竭，未來(lái)地質(zhì)找礦和鉆探施工無(wú)疑將需要向更深、更復(fù)雜地層及其外圍區(qū)域拓展，以延長(zhǎng)礦山開(kāi)采年限，滿足國(guó)家對(duì)資源的需要。工程實(shí)踐結(jié)果表明：復(fù)雜條件下鉆探施工主要存在鉆進(jìn)難、護(hù)壁難、取芯難三大技術(shù)難題。徐同臺(tái)等[1-6]探討了超厚角礫石層、礫石層以及小裂隙構(gòu)造或破碎地層中的泡沫泥漿泥漿護(hù)壁堵漏的鉆探工藝方法；Earnshaw等[7-10]闡述了沖洗液的幾種常見(jiàn)流變模式，對(duì)其流變機(jī)理進(jìn)行了分析研究；王勝等[11]研究了KL植物膠加量、植物膠鉆井液的改性等，并確定了KL 植物膠鉆井液的優(yōu)化方案；占祥烈等[12-16]主要探討了S系列植物膠鉆井液結(jié)合 SDB(及 SD)系列金剛石鉆具在破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)中取得的工程應(yīng)用效果。某礦區(qū)地質(zhì)條件極為復(fù)雜，主要為泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、長(zhǎng)興硅質(zhì)巖、大冶灰?guī)r，溶洞、裂隙特別發(fā)育，在鉆進(jìn)過(guò)程中，主要表現(xiàn)為：(1)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r地層巖質(zhì)較軟，遇水膨脹，易出現(xiàn)“大肚子”和“縮徑”等現(xiàn)象；(2) 長(zhǎng)興硅質(zhì)灰?guī)r破碎，裂隙發(fā)育，掉塊特別嚴(yán)重，易造成卡鉆現(xiàn)象；(3) 灰?guī)r溶洞裂隙發(fā)育，泥漿漏失嚴(yán)重，易導(dǎo)致卡鉆、埋鉆。在此，本文作者在綜合前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用充氣泡沫原理和植物膠固有的特性，通過(guò)試驗(yàn)探討一種能適合這一復(fù)雜地層的鉆進(jìn)作業(yè)的泡沫植物膠沖洗液，并對(duì)其護(hù)壁機(jī)理進(jìn)行分析探討。

1 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果分析

1.1 試驗(yàn)方案

結(jié)合某礦區(qū)的地質(zhì)特征，采用萍鄉(xiāng)中南化工廠生產(chǎn)的4組植物膠(編號(hào)分別為1～4號(hào))、十二烷基苯磺酸鈉(ABS)，聚丙烯酰胺(HPAM)、硼砂、腐殖酸鉀等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)裝置布置如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 植物膠的選取

根據(jù)萍鄉(xiāng)中南化工廠生產(chǎn)的4種植物膠，測(cè)試其基本性能，選出最優(yōu)質(zhì)的植物膠。通過(guò)配制含1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))植物膠的溶液，分別測(cè)定4種植物膠的基本性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出：1號(hào)植物膠，作為泡沫沖洗液基漿具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，選用1號(hào)植物膠來(lái)配置泡沫植物膠沖洗液基漿。

1.2.2 植物膠對(duì)泥漿改善作用分析

試驗(yàn)選用配置膨潤(rùn)土含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為2%，3%，4%和6%的基漿，分別測(cè)得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)植物膠對(duì)其性能影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2可以看出：隨著植物膠含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的增加，在膨潤(rùn)土含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為2%，3%和4%時(shí)，泥漿性能變化趨勢(shì)相同：動(dòng)切力均逐漸增加，攜帶巖粉等性能均具顯提高；當(dāng)膨潤(rùn)土含量為 6%時(shí)，泥漿動(dòng)切力不再隨植物膠含量的增加而持續(xù)提高，中間有下降趨勢(shì)，但總體趨勢(shì)還是一致?？梢?jiàn)：植物膠對(duì)膨潤(rùn)土泥漿的流變特性有明顯的改善作用。

表1 濃度為1%的各種植物膠基本性能Table 1 Basic performance of all kinds of vegetable gums with concentration of 1%

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic map of indoor test device

圖2 植物膠對(duì)膨潤(rùn)土泥漿的動(dòng)切力影響Fig.2 Influence of vegetable gum on dynamic force of bentonite glue

1.2.3 植物膠含量對(duì)泡沫穩(wěn)定性能的影響分析

圖3 植物膠含量對(duì)泡沫半衰期的影響Fig.3 Influence of vegetable gum on half-life of foam

對(duì)植物膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，1%，2%，3%和4%時(shí)再加入0.05%，0.10%，0.15%和0.20% ABS得到的泡沫進(jìn)行半衰期測(cè)定，其結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可知：隨著植物膠的加入，生成的泡沫半衰期明顯增大；隨著植物膠含量的增加，其半衰期逐漸增大；當(dāng)植物膠含量進(jìn)一步增大時(shí)，其半衰期不再增加反而略有下降趨勢(shì)。植物膠的最優(yōu)含量為2%～3%，結(jié)合野外施工條件，取ABS的最優(yōu)含量為0.15%～0.20%。

1.2.4 植物膠含量對(duì)泡沫沖洗液流變特性的影響分析

試驗(yàn)對(duì)ABS含量分別為0.05%，0.10%，0.15%和0.20%的樣品中加入不同濃度植物膠生成的泡沫沖洗液的表觀黏度和動(dòng)切力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

從圖4可知：隨著植物膠含量的增加，泡沫沖洗液的表觀黏度明顯增大，說(shuō)明植物膠對(duì)泡沫沖洗液的表觀黏度具有重要的影響。

圖5 植物膠含量對(duì)泡沫沖洗液動(dòng)切力的影響Fig.5 Influence of vegetable gum on dynamic force of foam fluid

從圖5可知：隨著植物膠含量的增加，泡沫沖洗液的動(dòng)切力逐漸增加；但當(dāng)植物膠含量超過(guò)一定的值時(shí)，泡沫沖洗液的動(dòng)切力有降低的趨勢(shì)；當(dāng)植物膠含量為30%時(shí)，泡沫沖洗液的動(dòng)切力最大。因此，植物膠含量取30%左右。這說(shuō)明加入植物膠后，泡沫沖洗液攜帶巖粉的能力明顯增強(qiáng)。

2 泡沫植物膠鉆進(jìn)液的護(hù)壁機(jī)理與工程效果分析

2.1 泡沫植物膠沖洗液的防塌護(hù)壁機(jī)理

2.1.1 沫植物膠的泥皮特性

泡沫沖洗液是在優(yōu)質(zhì)的低固相泥漿中加入發(fā)泡劑后充氣而成，形成的泥皮有韌性，薄而致密，透水性較低，具有較強(qiáng)的阻止自由水浸入的能力，同時(shí)，泡沫本身具有疏水的性質(zhì)?？變?nèi)的部分泡沫吸附在孔壁上，形成了疏水泡沫壁。泡沫泥漿的結(jié)構(gòu)黏度較高，有機(jī)聚合物的長(zhǎng)鏈架橋結(jié)構(gòu)和泡沫致密的群體結(jié)構(gòu)在很大程度上限制了自由水的流動(dòng)以及泥皮的滲透作用，對(duì)孔壁具有較強(qiáng)的保護(hù)作用。

2.1.2 泡沫植物膠的低失水特性

泡沫植物膠具有比一般低固相泥漿還要高的結(jié)構(gòu)黏度，低固相顆粒之間所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、有機(jī)聚合物長(zhǎng)鏈的架橋結(jié)構(gòu)和所形成泡沫的這種致密的群體結(jié)構(gòu)大大抑制了自由水的流動(dòng)，使其流動(dòng)阻力增大；它所形成的泡沫表面屬于混合膜結(jié)構(gòu)，具有高分子的黏彈性性質(zhì)，與沖洗液中的自由水相比，其黏度大許多，這不僅增加流動(dòng)阻力，而且形成分子牽引力，抑制自由水的流動(dòng)。泡沫的吸附能力強(qiáng)，能夠吸附惰性巖粉，在孔壁形成一層疏水性的泡沫壁，阻止自由水侵入，保護(hù)了孔壁；高分子聚合物的多點(diǎn)吸附能夠在井壁形成一層較堅(jiān)固的防水薄膜層，有效地阻止水與孔壁之間的接觸，起到了保護(hù)作用，有效地降低了失水量。

2.1.3 泡沫泥漿的黏彈性特性

泡沫沖洗液中的很多小氣泡具有一定的膨脹性和可壓縮性，對(duì)沖洗液具有緩沖作用，因此，能在一定程度上起防塌作用；當(dāng)下鉆和開(kāi)泵時(shí)，沖洗液對(duì)孔壁會(huì)產(chǎn)生一定壓力，由于泡沫的可壓縮性，減小了對(duì)孔壁的擠壓作用，從而起到對(duì)孔壁的保護(hù)作用；當(dāng)起鉆時(shí)，鉆具上提，對(duì)孔壁能夠產(chǎn)生抽吸作用，泡沫植物膠中的泡沫具有膨脹性，能夠減小對(duì)孔壁的抽吸作用，起到了較好的緩沖效果，對(duì)孔壁起到了較好的保護(hù)作用；停鉆時(shí)，充氣泡沫泥漿可以靠自己穩(wěn)定的氣泡作用和本身結(jié)構(gòu)來(lái)支撐井壁，從而使孔壁不垮塌。

2.1.4 泡沫泥漿的低速塞流特性

泡沫沖洗液是由氣—液—固組成的三相體系，其攜帶巖屑時(shí)不需依靠足夠的上返速度而是依靠自身的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，泡沫泥漿中的結(jié)構(gòu)細(xì)微并且致密，具有很強(qiáng)的吸附和懸浮作用，因此，鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)，對(duì)上返速度要求不高，流態(tài)呈塞流，這種輕柔的流動(dòng)，使得其對(duì)孔壁的沖刷和擾動(dòng)大大減弱，從而保持了孔壁的穩(wěn)定。

2.2 泡沫植物膠沖洗液的防漏堵漏機(jī)理

2.2.1 泡沫群體結(jié)構(gòu)的屏蔽防漏

植物膠泡沫沖洗液中的基漿為高分子聚合物植物膠，它具有較高的表觀黏度。當(dāng)鉆進(jìn)到達(dá)漏失地層時(shí)，泡沫隨著鉆井液進(jìn)入地層中的孔隙后，很容易黏附在孔壁上和裂隙巖石表面上，并能迅速聚集，彼此連接形成群體聚結(jié)狀態(tài)，這種群體結(jié)構(gòu)具有很高的結(jié)構(gòu)黏度和切動(dòng)力；它又具有很強(qiáng)的疏水性，在吸附過(guò)程中聚集在孔隙中的泡沫群體，一方面，利用高結(jié)構(gòu)黏度封堵滲漏通道，另一方面，又對(duì)地層中的自由水產(chǎn)生排斥作用，從而形成穩(wěn)定的疏水屏障，阻礙自由水的流動(dòng)，對(duì)孔隙起封堵的作用，減弱甚至阻礙沖洗液的滲漏。

2.2.2 泡沫與巖屑聚結(jié)充填堵漏

泡沫和巖屑的吸附能力極強(qiáng)。通過(guò)泡沫的吸附，巖屑聚結(jié)于泡沫群體結(jié)構(gòu)中，形成了以泡沫作為骨架的泡沫-巖屑聚集體并充填于漏失通道，使通道斷面減小以至于堵塞。

2.2.3 高結(jié)構(gòu)黏度塞流阻流防漏

充氣泡沫泥漿在孔內(nèi)呈高結(jié)構(gòu)黏度塞流狀態(tài)，這種流態(tài)能夠大大降低了漏失速度，使得通暢的漏失通道特別容易被緩慢流動(dòng)的泡沫和巖屑所淤塞。在壓差作用下，這些泡沫在細(xì)小裂縫內(nèi)流動(dòng)時(shí)，不與巖石發(fā)生潤(rùn)濕和體積變形作用，導(dǎo)致彎曲界面收縮產(chǎn)生附加阻力，泡沫的吸附聚集能力加強(qiáng)，增強(qiáng)了堵漏效果。

2.2.4 低密度低壓力流體防漏堵漏

泡沫沖洗液中的氣液體積比通常為30%～55%，密度為0.7 kg/m3左右。充氣泡沫泥漿在孔內(nèi)所形成的液柱壓力遠(yuǎn)其他液態(tài)沖洗介質(zhì)的壓力低，故在孔內(nèi)的漏水量大大減少。在鉆進(jìn)過(guò)程中能夠形成負(fù)壓鉆進(jìn)，有效地防止脆弱巖石被壓裂或者閉合裂隙形成張開(kāi)通道，從而起到了防漏的作用。

2.3 工程應(yīng)用效果分析

(1) 由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知：植物膠含量為2%～3%，ABS含量為 0.15%～0.2%，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇了2組配方進(jìn)行試驗(yàn)。

配方①：基漿為2%植物膠+0.2%十二烷基苯磺酸鈉(ABS)；氣體流量控制在64.292 m3/h，泡沫液流量為3.731 m3/h。

配方②：基漿為2%植物膠+0.2%十二烷基苯磺酸鈉(ABS)+0.05%HPAM；氣體流量控制在 69.883 m3/h，泡沫液流量為4.117 m3/h。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證分析，在鉆進(jìn)施工作業(yè)時(shí)?；鶟{中的植物膠含量控制在 2%～3%，十二烷基苯磺酸鈉控制在0.2%左右，聚丙烯酰胺控制在0.05%～0.08%，氣液體積比控制在20:1。

(2) 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)，在282.3 m時(shí)遇到大裂隙，沖洗液漏失嚴(yán)重，采用泡沫植物膠沖洗液進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了很較好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)論

(1) 泡沫的形成原理主要是利用表面活性劑產(chǎn)生表面張力，使其在泡沫之間建立起多層泡沫壁結(jié)構(gòu)，并且能夠產(chǎn)生界面張力，使得泡沫彼此產(chǎn)生一個(gè)具有井下橋堵能力的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(2) 由于氣相的引入，與其他類型泥漿相比，泡沫植物膠防塌護(hù)壁作用主要表現(xiàn)為低失水、疏水性泡沫吸附孔壁、黏彈性泥餅結(jié)構(gòu)、低流速塞流狀態(tài)等特性。

(3) 低密度、高結(jié)構(gòu)黏度、密集的泡沫群體以及強(qiáng)烈的吸附能力是充氣泡沫泥漿防漏堵漏作用的關(guān)鍵原因，防塌護(hù)壁具有泡沫群體結(jié)構(gòu)屏蔽防漏、泡沫與巖屑聚結(jié)充填堵漏、高結(jié)構(gòu)黏度塞流阻流防漏、低密度低壓力流體防漏堵漏等特性。

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