靜電場(chǎng)對(duì)高含黏土凝灰?guī)r鉆井防塌的影響

鄭明雄，李保珠

(1.昆明理工大學(xué) 計(jì)算中心，昆明 650500；2.昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650031)

在礦山勘查鉆井中常遇到凝灰?guī)r。一些高分解性凝灰?guī)r在水中迅速分解，難以防塌，嚴(yán)重時(shí)可造成卡鉆事故。如在對(duì)云南瀾滄鉛礦深部接替資源勘查鉆井時(shí)，由于井塌嚴(yán)重很難鉆過(guò)凝灰?guī)r地層，并曾多次發(fā)生卡鉆事故。在對(duì)瀾滄鉛礦凝灰?guī)r的物質(zhì)成分、防塌鉆井液及防塌原理等前期工作基礎(chǔ)上，基于影響凝灰?guī)r分解的各因素，本文研究靜電場(chǎng)對(duì)瀾滄鉛礦凝灰?guī)r在鹽溶液及部分配方溶液中的防塌作用，以探索新的防塌措施，進(jìn)一步明確防塌原理，并為其它高含黏土巖石鉆井防塌做參考。

關(guān)于靜電場(chǎng)對(duì)巖石性質(zhì)影響的研究并不多，主要是因?yàn)橐话愕膸r石性質(zhì)十分穩(wěn)定，受電場(chǎng)影響小。但是由電泳現(xiàn)象可知黏土帶有電性，所以黏土可受電場(chǎng)影響，故靜電場(chǎng)對(duì)巖石性質(zhì)影響的研究主要集中在含黏土巖石上。如：孫虎等[1]研究了電場(chǎng)對(duì)黏土礦物顆粒粒度的影響；李先杰等[2]研究了外加直流電場(chǎng)下黏土礦物的膨脹特性；石振明等[3]試驗(yàn)了含鹽量對(duì)蒙脫石黏土電滲的影響；杜偉等[4]討論了電場(chǎng)中極化效應(yīng)對(duì)黏土礦物中離子交換吸附的影響；LI等[5]討論了黏土材料中的電場(chǎng)對(duì)金屬離子吸附的影響。這些研究都從一個(gè)方面探索了電場(chǎng)對(duì)含黏土巖石的影響。但總體來(lái)說(shuō)，靜電場(chǎng)對(duì)巖石影響的研究不多，有待繼續(xù)。

瀾滄鉛礦凝灰?guī)r中黏土礦物含量多在40%以上(隨層位不同有差別)，是典型的高黏土化凝灰?guī)r，適用于靜電場(chǎng)影響的研究范圍。瀾滄鉛礦凝灰?guī)r的物質(zhì)成分十分復(fù)雜，凝灰?guī)r中還含有較多易溶解的無(wú)機(jī)鹽，溶出離子測(cè)試表明凝灰?guī)r在水中有多種離子快速溶出，主要有Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，這些離子的快速溶出可促進(jìn)凝灰?guī)r分解，阻止離子溶出可從一定程度上阻礙凝灰?guī)r分解[6]。瀾滄鉛礦凝灰?guī)r在水中可在數(shù)秒至1 min內(nèi)分解成泥沙。對(duì)分解十分迅速難以防塌的凝灰?guī)r來(lái)說(shuō)，雖然最重要的防塌措施是成膜隔水、防鹽溶和離子交換，但需要考慮每一個(gè)防塌因素，探討新的防塌措施，這就有必要討論靜電場(chǎng)對(duì)凝灰?guī)r穩(wěn)定性的影響。通過(guò)靜電場(chǎng)研究，還可進(jìn)一步明確防塌機(jī)理，討論凝灰?guī)r微片端部電荷作用以及雙電層的實(shí)際效應(yīng)等。目前，將靜電場(chǎng)與凝灰?guī)r鉆井防塌相結(jié)合的研究很少。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)表明純水中電場(chǎng)沒(méi)有任何效果，研究電場(chǎng)影響需在對(duì)凝灰?guī)r有防塌效果的鹽溶液或者防塌配方溶液中進(jìn)行。前期對(duì)云南省瀾滄鉛礦凝灰?guī)r進(jìn)行了系列化學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得能有效防塌的鉆井液配方及防塌原理[6-7]：主要是堿性可溶淀粉膠聯(lián)成膜隔水防塌、鹽溶液阻溶防塌及離子交換改性防塌。基于此，在有效防塌溶液中對(duì)比有無(wú)電場(chǎng)時(shí)的凝灰?guī)r的穩(wěn)定性，分別在鹽溶液、堿性淀粉溶液、堿性淀粉+KCl混合溶液中進(jìn)行對(duì)比。高濃度鉀鈉鹽中瀾滄干凝灰?guī)r較為穩(wěn)定，故在鹽溶液中的電場(chǎng)影響對(duì)比時(shí)，在對(duì)應(yīng)的降低濃度的半可防塌鹽溶液中進(jìn)行。因?yàn)樵谝呀?jīng)能很好防塌的鹽溶液中難以進(jìn)行比較，完全沒(méi)有防塌效果的鹽溶液施加電場(chǎng)也沒(méi)有任何效果。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電場(chǎng)為兩種電場(chǎng)：使用平行金屬板施加的模擬平行電場(chǎng)(圖1～2)，平板直徑25 cm；點(diǎn)電場(chǎng)采用直接在凝灰?guī)r上鉆孔插入導(dǎo)線接電源正/負(fù)極，分別實(shí)驗(yàn)?zāi)規(guī)r接觸端為正負(fù)電壓的情況，另一極零電壓端接金屬容器，外金屬容器為直徑13 cm的圓柱金屬口缸，凝灰?guī)r半浸沒(méi)于燒杯溶液中并連同燒杯置于金屬容器中。實(shí)驗(yàn)使用靜電壓設(shè)備來(lái)產(chǎn)生電場(chǎng)，設(shè)備型號(hào)HB-S302-3AC，設(shè)備輸出靜電壓范圍-3 000 V ～+3 000 V，2路電壓輸出且電壓可調(diào)，內(nèi)電流3 mA。

圖1 直流高壓電源Fig.1 DC high voltage power supply

圖2 金屬平板 Fig.2 Metal plate

本文中的堿性可溶淀粉溶液為自來(lái)水+可溶淀粉+NaOH并充分?jǐn)嚢枋沟玫矸劢宦?lián)枝接聚合而成膠狀液體，原乳白色的可溶淀粉溶液無(wú)任何防塌功能，需攪拌至發(fā)生明顯黏度變化并變得較透明，本文中的堿性可溶淀粉溶液的pH值均為13。

2 靜電場(chǎng)對(duì)凝灰?guī)r防塌的影響

2.1 鹽溶液中靜電場(chǎng)的影響

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)純水及多數(shù)低濃度水溶液來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)的影響可以忽略不計(jì)。但是在較低濃度鉀鹽或鈉鹽溶液中，電場(chǎng)對(duì)瀾滄凝灰?guī)r的影響較明顯，未施加電場(chǎng)的凝灰?guī)r分解相對(duì)較快，電場(chǎng)中的凝灰?guī)r在低濃度鉀鹽溶液中仍能較長(zhǎng)時(shí)間保持較大塊狀，除去電場(chǎng)后在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍不會(huì)迅速分解為泥砂。圖3中左側(cè)燒杯置于1 000 V平板電場(chǎng)(平板間距15 cm)中5 min后取出，右側(cè)為相同濃度溶液中無(wú)電場(chǎng)的對(duì)比，可見(jiàn)電場(chǎng)有一定影響。但是，隨著樣品放置時(shí)間的長(zhǎng)期變化，瀾滄凝灰?guī)r樣品干燥后相對(duì)變硬，土狀光澤變?yōu)榫哂幸欢ǖ恼渲楣鉂桑以谀芊浪柠}溶液中更穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明，新采凝灰?guī)r的電場(chǎng)影響對(duì)比較明顯，電場(chǎng)對(duì)久置干燥凝灰?guī)r塊的影響越來(lái)越弱甚至沒(méi)有影響。

圖3 在5 g/100 mL KCl中5 min電場(chǎng)影響對(duì)比Fig.3 Comparison of electric field effect in 5 min and in 5 g/100 mL KCl

圖4為在10 g/100 mL NaCl溶液中的點(diǎn)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)(電壓+200 V)，起初有對(duì)比效果，但是久置后凝灰?guī)r泥沙化。平板電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中的凝灰?guī)r久置后亦分解為細(xì)小層片等(凝灰質(zhì)硬塊除外)。實(shí)驗(yàn)表明，電場(chǎng)對(duì)凝灰?guī)r在鹽溶液中的影響對(duì)穩(wěn)定性不具有決定性，較長(zhǎng)時(shí)間后，凝灰?guī)r在多數(shù)低濃度鹽溶液中均泥沙化，或者能保持塊狀也十分軟弱(能對(duì)凝灰?guī)r進(jìn)

圖4 在10 g/100 mL NaCl中久置后分解Fig.4 Decomposition in 10 g/100 mL NaCl for a long time

實(shí)驗(yàn)還表明，鹽溶液中，對(duì)直接接觸凝灰?guī)r的點(diǎn)電場(chǎng)情況，使用正負(fù)電壓的差別不大。同時(shí)，點(diǎn)電場(chǎng)下，電壓大小的影響不明顯，數(shù)十伏和數(shù)百伏區(qū)別不明顯。

2.2 堿性可溶淀粉溶液中靜電場(chǎng)的影響

堿性淀粉膠狀溶液的防塌功能主要是在凝灰?guī)r表面成膜[6，8]，該膜十分細(xì)膩，可有效防止水進(jìn)入凝灰?guī)r內(nèi)部引起垮塌；膠狀液體同時(shí)具有對(duì)自由水的控制作用，并可極大增加溶液向凝灰?guī)r內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的阻力。圖5～7中的堿性可溶淀粉溶液濃度8 g/100 mL，經(jīng)充分?jǐn)嚢璩赡z狀。圖5中采用平板電場(chǎng)電壓500 V，平板間距15 cm。圖5中左側(cè)燒杯為電場(chǎng)中5 min后取出的樣品，右側(cè)為無(wú)電場(chǎng)的同濃度溶液中5 min的樣品，均輕微攪動(dòng)以檢驗(yàn)塊狀態(tài)。圖6點(diǎn)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中電壓+200 V接凝灰?guī)r端，溶液未直接接觸金屬導(dǎo)體，零電位極接外殼。圖7點(diǎn)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中電壓-200 V接凝灰?guī)r端，零電位極接外殼。

由圖5可見(jiàn)，瀾滄鉛礦凝灰?guī)r在堿性可溶淀粉溶液中對(duì)比較明顯，電場(chǎng)中的凝灰?guī)r表面模糊且有少許掉塊，但主體硬塊還在，說(shuō)明平板靜電場(chǎng)對(duì)黏土含量大的瀾滄凝灰?guī)r表面成膜有明顯影響，靜電場(chǎng)對(duì)防塌效果有明顯增強(qiáng)。將圖5中的電場(chǎng)中的凝灰?guī)r取出檢驗(yàn)，可知少許水分已浸潤(rùn)凝灰?guī)r內(nèi)部，凝灰?guī)r軟化但不松散。

圖5 堿性可溶淀粉溶液中平板電場(chǎng)影響對(duì)比Fig.5 Comparison of the influence of flat electric field in alkaline soluble starch solution

由圖6可知，在+200 V電壓直接接觸凝灰?guī)r的近似點(diǎn)電場(chǎng)作用下(5 min)，凝灰?guī)r在堿性淀粉膠狀溶液中的穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，凝灰?guī)r基本保持原來(lái)的塊狀。表明直接接觸時(shí)的靜電場(chǎng)電荷作用較強(qiáng)，這種靜電作用可使得凝灰?guī)r表面的隔水膜的功效更好。圖7的-200 V具有與+200 V相近的功效。將圖6—7的電場(chǎng)中的凝灰?guī)r取出檢查，可見(jiàn)仍然有少許水分已浸潤(rùn)凝灰?guī)r內(nèi)部，凝灰?guī)r部分少許軟化但不松散。

圖6 堿性可溶淀粉溶液中點(diǎn)電場(chǎng)的影響對(duì)比Fig.6 Comparison of the influence of the point electric field in alkaline soluble starch solution

圖7 堿性可溶淀粉溶液中點(diǎn)電場(chǎng)的影響對(duì)比Fig.7 Comparison of the influence of the point electric field in alkaline soluble starch solution

點(diǎn)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明直接電荷作用可增強(qiáng)成膜阻水，該發(fā)現(xiàn)具有一定的實(shí)際應(yīng)用前景。

2.3 堿性可溶淀粉加KCl溶液中靜電場(chǎng)的影響

前期研究表明，NaCl、KCl等鹽溶液在達(dá)到一定濃度時(shí)對(duì)瀾滄凝灰?guī)r具有防塌作用，僅僅使用成膜隔水效果還有待提高，在膠狀的堿性可溶淀粉溶液中加入KCl等鹽將極大地增加凝灰?guī)r的穩(wěn)定性，且鹽溶液濃度越高防塌能力越強(qiáng)[9]。為增加對(duì)比效果，將圖8～10中的堿性可溶淀粉溶液濃度降為4 g/100 mL，KCl濃度也定為偏低的4 g/100 mL。圖8中平板電場(chǎng)電壓500 V，平板間距15 cm。圖9～10中點(diǎn)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中電壓分別為±200 V，溶液未直接接觸金屬導(dǎo)體。圖8～10中左側(cè)燒杯均為電場(chǎng)中5 min樣品，右側(cè)為相同溶液相同時(shí)間無(wú)電場(chǎng)對(duì)比樣。

圖8 堿性可溶淀粉+KCl溶液中平板電場(chǎng)的影響對(duì)比Fig.8 Comparison of the influence of the plate electric field in KCl+alkaline soluble starch solution

圖9 堿性可溶淀粉+KCl溶液中點(diǎn)電場(chǎng)影響對(duì)比Fig.9 Comparison of the influence of the point electric field in KCl+alkaline soluble starch solution

圖10 堿性可溶淀粉+KCl溶液中點(diǎn)電場(chǎng)影響對(duì)比Fig.10 Comparison of the influence of the point electric field in KCl+alkaline soluble starch solution

由圖8實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，在堿性可溶淀粉及KCl鹽溶液中，凝灰?guī)r表面雖有局部少許分解，但平板靜電場(chǎng)對(duì)凝灰?guī)r的穩(wěn)定性有十分明顯的作用，電場(chǎng)中的凝灰?guī)r取出后仍具有之前的硬度，干凝灰?guī)r內(nèi)部未浸潤(rùn)軟化。同樣，對(duì)于圖9～10的點(diǎn)電荷也具有十分顯著的防塌增強(qiáng)作用。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靜電場(chǎng)對(duì)堿性可溶淀粉及KCl鹽溶液的防塌性能有顯著增強(qiáng)，自由水進(jìn)入凝灰?guī)r內(nèi)部更加困難，靜電場(chǎng)對(duì)配方防塌溶液的防塌能力有明顯增強(qiáng)。本發(fā)現(xiàn)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 原理討論

鹽溶液中的電荷是帶電水合離子，防塌作用本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是水合離子與凝灰?guī)r表面的電荷作用。當(dāng)鉀鹽鈉鹽銨鹽等鹽溶液達(dá)到一定濃度時(shí)，較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)高分解性水敏凝灰?guī)r可在溶液中保持穩(wěn)定，但多數(shù)鹽溶液不具備防塌功能而凝灰?guī)r快速分解[9]。瀾滄鉛礦凝灰?guī)r中含大比例黏土而凝灰?guī)r表面可形成雙電層[10-11]，凝灰?guī)r微片端部電荷可吸附帶電水合離子，但是，由多數(shù)飽和鹽溶液不具備防塌功能來(lái)看，這種雙電層對(duì)水合離子的吸附阻礙效應(yīng)或者端電荷對(duì)水合離子的吸附阻礙效應(yīng)并不能起到較好的防塌作用，因?yàn)槠渌}溶液中的離子也是帶電水合離子卻完全沒(méi)有防塌效應(yīng)。本文的中低濃度KCl溶液的靜電場(chǎng)增強(qiáng)電荷作用實(shí)驗(yàn)效果有限，進(jìn)一步證實(shí)了雙電層及對(duì)帶電水合離子的電荷吸引阻礙作用十分有限。結(jié)合前面的防塌原理研究[6]，可知僅僅鹽溶液的防塌作用在于防止溶出而防塌，防溶出是防塌的主要因素之一；當(dāng)然，離子交換也是使得凝灰?guī)r穩(wěn)定的一個(gè)因素，對(duì)瀾滄鉛礦凝灰?guī)r十分有效。

由堿性可溶淀粉中的靜電場(chǎng)影響來(lái)看，仍然是電場(chǎng)中電荷對(duì)電荷的吸引，卻取得了明顯的效果。這是因?yàn)閴A性可溶淀粉溶液中含有一定量的帶電離子(NaOH和自來(lái)水中的離子)，使得部分溶液整體帶有多電荷，相對(duì)于單個(gè)水合離子來(lái)說(shuō)，這種電荷間作用大大增強(qiáng)，故凝灰?guī)r表面及裂縫中對(duì)致密膜的吸引顯著增強(qiáng)，可增加膜的厚度和強(qiáng)度，進(jìn)而起到強(qiáng)化成膜效應(yīng)的作用。當(dāng)在堿性淀粉中加入KCl后，帶電離子濃度大增，對(duì)膜體/膜層的電荷吸附作用起到增強(qiáng)作用，防塌能力得到進(jìn)一步增強(qiáng)。由本文研究結(jié)果可以推知：對(duì)于含黏土巖層等高風(fēng)險(xiǎn)塌的鉆井成膜防塌應(yīng)用中，使用含鹽離子防塌劑混合隔水成膜劑時(shí)，靜電場(chǎng)具有增強(qiáng)防塌性能的作用。

4 結(jié)論

本文通過(guò)應(yīng)用平板靜電場(chǎng)和點(diǎn)靜電場(chǎng)，對(duì)瀾滄鉛礦高黏土化凝灰?guī)r在具有防塌能力的鹽溶液、堿性可溶淀粉溶液、堿性可溶淀粉+KCl溶液中進(jìn)行電場(chǎng)影響對(duì)比，并分析了現(xiàn)象的原理，得出以下結(jié)論：

1)高含黏土瀾滄凝灰?guī)r在具有一定防塌能力的中低濃度鹽溶液中時(shí)，靜電場(chǎng)對(duì)凝灰?guī)r的穩(wěn)定性有一定的影響，但這種影響十分有限。僅有凝灰?guī)r雙電層對(duì)帶電水合離子的作用并不能阻止水進(jìn)入凝灰?guī)r內(nèi)部。鹽溶液的防塌表現(xiàn)為防鹽溶防塌和離子交換穩(wěn)定。

2)堿性可溶淀粉溶液中，靜電場(chǎng)對(duì)防塌有明顯的增強(qiáng)作用。靜電場(chǎng)可增強(qiáng)對(duì)含帶電離子的致密膜層的吸附，使得水難以進(jìn)入凝灰?guī)r內(nèi)部。在堿性可溶淀粉中加入KCl后隔水膜中帶有更多電荷，靜電場(chǎng)的作用效果進(jìn)一步加強(qiáng)，靜電場(chǎng)對(duì)瀾滄鉛礦凝灰?guī)r的防塌具有良好的實(shí)用價(jià)值。

3)在高井塌風(fēng)險(xiǎn)的防塌鉆井的成膜隔水應(yīng)用中，使用含鹽防塌劑混合隔水成膜劑時(shí)，外加靜電場(chǎng)可增強(qiáng)防塌性能。