復雜地層地質鉆探沖洗液技術分析

曾申

摘 要：本文以復雜地層地質鉆探為論述對象，以沖洗液技術應用為論述手段，以強化鉆探效率及可靠性為論述目的，就此展開專業分析。

關鍵詞：地質鉆探；復雜地層；沖洗液；技術要求

中圖分類號：P634.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）24-0120-02

1 地質鉆探沖洗液的作用

1.1 攜帶巖石碎屑

地質鉆探過程中，在鉆頭的回轉、沖擊作用下，會使巖石因破壞而于孔底形成巖粉、巖屑等沉淀物，此時為保持孔底清潔，則需利用沖洗液的攜帶作用將所產生的巖石碎屑采用正循環或者反循環形式排至地表；同時基于沖洗液觸變特性的利用，沖洗過程中可利用沖洗液的比重變化產生浮力使巖石碎屑上浮，或者使用泥漿泵的正壓力上舉、氣舉反循環的負壓吸出巖屑、巖塊而防止孔底沉渣，從而既避免埋鉆現象的發生，又能促進鉆進效率的提高。

1.2 冷卻鉆頭

鉆進過程中，鉆頭所帶機械功大部分用于巖石破碎，而剩余小部分則會因與巖石摩擦而轉化為熱能，從而導致鉆頭溫度升高。例如金剛石鉆頭，其在鉆進過程中溫升可達300℃以上，如若不能及時冷卻，必然造成鉆頭因碳化作用而出現燒鉆現象，最終降低使用壽命。此時通過沖洗液的循環作用，可有效帶走鉆頭熱量，達到降溫目的，避免其因溫度過高而受損和變形。

1.3 潤滑減阻

在與巖壁的摩擦作用下，高速旋轉的鉆桿、鉆具會產生較大震動現象，使動力裝置因負荷增大而降低鉆進效率。乳化沖洗液具有良好的潤滑效果，可以極大程度減小鉆桿、鉆具、鉆頭與孔壁的摩擦阻力，進而降低震動現象，減少機械能損失，確保鉆進作業平穩進行。沖洗液的潤滑減阻作用還有利于保護鉆桿鉆具不至于受到額外磨損，既減少了孔內事故的發生，又提高了生產效率。

1.4 維護孔壁

由于沖洗液在循環過程中可于孔壁上形成一層較大密度的輕薄泥皮，從而起到護壁效果，防止孔壁塌陷、漏水以及井噴事故的發生，有效提升鉆進過程的安全系數。此外，對于強水敏性地層而言，部分沖洗液（如硅酸鹽沖洗液、正電膠沖洗液、優質聚合物泥漿與粗分散泥漿等）還可顯著提升孔壁穩定性，防止鉆進過程中因孔壁失穩而出現坍塌現象。

2 地質鉆探特點及其對沖洗液的要求

對于地質繩索取芯鉆探而言，其泵量較低（一般為15～30L/min），巖粉細（粒度一般≤200目（74μ））且濃度高，在地表除砂條件下，上返液體的巖粉體積濃度通常超過3～5%。繩索取芯鉆進過程中，由于泥漿固相含量較高，地表泥漿凈化較差，加之離心力因鉆桿高速旋轉而表現較大，故而在鉆桿內壁容易產生泥皮，對運行于鉆桿柱中的取芯內管總成與打撈器造成影響，從而導致巖芯地質觀察失效甚至無法撈取巖芯。因此針對繩索取芯鉆探，要求其地表固控系統良好且泥漿剪切力較低[1]。

對于小口徑金剛石地質巖芯鉆探而言，由于鉆具轉速極高，回轉阻力較大，因此要求沖洗液（泥漿）潤滑性能表現良好。一般情況下，當鉆孔深度>400m時，Φ56mm孕鑲鉆頭轉速為700r/min；而當鉆孔深度≤400時，鉆頭速度可達1623r/min。

故此，在地質巖芯鉆探過程中，對于沖洗液的綜合要求為泥漿剪切力、粘度以及固相含量較低，潤滑性能良好（具體指標見表1所示），尤其是在小口徑繩索取心鉆探中，對于沖洗液性能指標要求更為嚴格。除此之外，對于鹽膏地層，沖洗液除上述要求外，還需具備良好的抗鹽鈣能力、抑制性與失水造壁性等特征[2]。

3 復雜地層地質鉆探沖洗液技術的影響因素

3.1 地質條件

地層地質條件作為沖洗液類型選擇與參數確定的重要依據，同時也是影響沖洗液技術發揮的主要因素。因此，在復雜地層實施地質鉆探前，應全面勘查鉆探區域的地質條件，其主要包括地層深度、完整程度、地層應力、地質年代以及巖石膠結性與巖性、水文地質情況等，以此通過綜合考量，判定地層特性，合理選擇沖洗液。例如對于壓力地層，為避免漏失現象，沖洗液應選擇泡沫泥漿或充氣泥漿；對于蒙脫石含量較高的強水敏性地層，則應以優質聚合物泥漿為首選。

3.2 制備與日常維護

復雜地層地質鉆探過程中，對于沖洗液還需做好制備與日常維護工作。沖洗液制備前，首先應以實際需求為依據明確沖洗液特性，然后利用配漿設備制作，同時確保配置儀器與測試儀器（如漏斗粘度計、含砂量測定儀、API失水儀與泥漿密度計等）運行正常。對于沖洗液日常維護而言，其過程主要涉及沖洗液地面管理與資料記錄兩方面內容。

3.3 固控設備

固控設備以清理沖洗液固相含量為主要任務，在實際應用中，沖洗液使用時間越久，固相產生越多，進而對鉆進過程影響越大，最終反映為鉆進質量與鉆進速率下降。調查統計顯示，沖洗液固相含量每增加1%，地質鉆探鉆頭鉆速便會降低5%；而沖洗液固相含量每清除10%，鉆頭鉆速則會提升29%，由此可見，控制沖洗液固相含量對于地質鉆探實施過程影響重大。固控設備對于沖洗液固相含量的控制，常用方法有沉淀池、循環槽撈渣法、化學絮凝法以及機械振動篩除法等。筆者曾結合工程實例針對某種固相設備對其作用進行了驗證，發現處理前沖洗液固相顆粒平均粒徑為22μm，處理后則下降至5μm；處理前沖洗液固相顆粒峰值為50～80μm，處理后則降低至10μm以下。

4 復雜地層地質鉆探沖洗液技術的應用

4.1 在破碎地層地質鉆探中的應用

4.1.1 破碎地層的特征

作為地質鉆探常遇復雜地層之一，破碎地層特征主要表現為：破碎、裂縫發育、膠結性差以及伴有地應力（地層壓力）等，而也正是基于這些特征，致使鉆探過程孔壁穩定性較差，常會遇到孔壁坍塌、掉塊卡鉆等復雜孔內事故，嚴重影響并阻礙了鉆進作業的順利進行。

4.1.2 孔壁不穩定原因

（1）孔壁產生的坍塌壓力是引起孔壁失穩的內在因素。鉆孔形成后，在地層壓力二次分布作用下，使孔壁巖石向孔內方向發生位移，同時由于破碎巖層裂縫發育、完整性差以及機械強度低等特征，致使在地層坍塌壓力作用下，極易產生掉塊與孔壁坍塌等現象。（2）施工操作不當是引起孔壁失穩的外在因素。鉆進過程中如果起下鉆速度過快、不平穩或是鉆具碰撞孔壁，均會產生不同程度的沖擊力造成孔壁破壞，從而導致孔壁失穩。需要注意的是，如果制備的沖洗液對裂縫封堵效果較差，便對地層坍塌壓力無法起到平衡作用，在破碎地層鉆進過程中，一旦沖洗液（或濾液）進入裂縫，反而會進一步將其擴大，使孔壁機械強度因巖石碎塊間摩擦力的減小而降低，此時在沖洗液的沖刷作用下，孔壁失穩便會加劇，形成嚴重的惡性循環。

4.1.3 沖洗液設計（制備）

針對破碎地層，地質鉆探沖洗液的設計（制備）在以地層基本特征為依據的基礎上，應以改善孔壁穩定性為主要目的[3]。具體要求為：（1）增強破碎巖塊間膠結力。此類地層地質鉆探應選用低固相沖洗液，不得使用無固相沖洗。具體可在沖洗液中加入具有粘結作用的泥漿處理劑或優質膨潤土，以促使進入地層的沖洗液在孔內液柱壓力作用下失去水分，而粘結劑與膨潤土則因在破碎石塊間堆積而起到膠結作用。（2）造壁速度快，以防沖洗液大量進入破碎地層。在設計與制備過程中，可通過沖洗液濾失量的控制來提升泥皮質量。（3）封堵裂縫，穩定孔壁。對于掉塊、坍塌的破碎地層，由于其擁有較大的坍塌壓力，因此需通過沖洗液比重的提升來對此進行平衡，以此達到穩定孔壁的效果。（4）粘度與比重較大。沖洗液粘度的提升，其意義為：1）降低對孔壁的沖刷作用；2）提升懸浮能力，避免掉塊或坍塌發生時固相物下沉過快。沖洗液比重的提升，則是為了通過液柱壓力的增大而對坍塌壓力達到更好的平衡效果。

4.2 在水敏性地層地質鉆探中的應用

4.2.1 水敏性地層的特征

所謂水敏，是指當地層中進入與之不配伍的流體后使黏土發生膨脹、分解以及運移現象，最終導致滲透率降低。對于沖洗液中的自由水，部分巖層遇其會因吸水膨脹和遇水分解、電離（對泥漿有破壞作用）或發生水鎖反應（對油層滲透率有破壞性）而表現敏感，此類地層則稱為水敏性地層（如鹽巖地層、低壓油層、粘土地層以及粘土質地層等）。基于水敏地層的水化作用，其特征表現為：（1）地質鉆探過程中巖屑容易分散，造漿嚴重，使泥漿比重迅速提升，流變性能急劇惡化，對繩索取心鉆進技術影響嚴重；（2）地層因水化作用容易膨脹，會造成孔壁縮徑發生卡鉆、埋鉆和憋泵現象。

4.2.2 孔壁不穩定原因

粘土遇水膨脹是水敏性地層孔壁不穩定的主要原因。粘土水化是指粘土顆粒表面吸附水分子形成水化膜，粘土晶格層面間距增大，產生膨脹和分散的過程。粘土水化原因為：（1）表面水化。粘土晶體表面能使水分子吸附（物理吸附），引起表面水化。（2）滲透水化。晶層之間吸附的陽離子濃度大于溶液內部的濃度，產生滲透壓，引起水分子向層面擴散，使晶體間距增大，稱為滲透水化膨脹。相比而言，滲透膨脹增加的體積比遠大于晶格膨脹（即表面水化），晶格膨脹每克干土約吸收0.5g水，體積增大一倍；而滲透膨脹每克干土可吸收10g水，體積增大20～25倍。（3）毛細水化。在毛細管作用下，水分進入粘土層理和微裂隙引起粘土的水化。

4.2.3 沖洗液設計（制備）

水敏性地層地質鉆探沖洗液的設計（制備），應具備幾點要求：（1）控制巖屑分散。可在沖洗液中加入具有吸附交聯作用的泥漿處理劑。（2）盡量降低泥漿濾失量。在井壁快速形成堅韌、致密的泥皮，避免大量自由水進入地層。（3）提升沖洗液抑制性能。將含有NH4+或K+的處理劑加入泥漿，以此對其滲透水化形成抑制作用，以防蒙脫石含量較高地層發生水化膨脹現象。（4）封堵毛細管道。減少或避免自由水進入粘土層理或微裂隙而引起粘土水化。（5）流變性能良好。由于在其他條件相同時，沖洗液粘度越低，越有利于環空壓力的降低和鉆桿內壁結垢的預防，因此在保證沖洗液正常攜帶巖屑的前提下，使其盡量保持低粘度狀態。此外，在水敏性地層鉆進中保持良好的流變性能，可以降低粘附卡鉆的風險。（6）潤滑性能良好。除滿足減摩降阻要求外，良好的潤滑性能有助于保護鉆具，提高鉆具的使用壽命。（7）控制泥漿pH值。實踐證明，泥漿pH值越高，對孔壁穩定性越不利。

5 結語

基于以上論述，復雜地層鉆探任務的實施對沖洗液技術要求較高，盡管該技術在復雜地層礦產開采中得到了應用，并取得了良好的成果，但是依然在體系設計、材料研制與孔壁穩定性方面存在一定的缺陷，對此仍需在實踐過程中不斷研究與不斷完善，以此更好的服務于我國礦產事業的發展。

參考文獻

[1]詹濤.面向復雜地層地質鉆探沖洗液技術研究[J].建筑工程技術與設計，2015，（7）：1996.

[2]周志雄.復雜地層地質鉆探沖洗液技術現狀[J].四川地質學報，2014，（z1）：104-107.

[3]李舜豐.復雜地層地質鉆探沖洗液研究與應用[J].有色金屬文摘，2015，（5）：45-47.