青藏高原復雜地層地質鉆探低固相沖洗液試驗研究

袁進科，陳禮儀，王軍偉，喬友浩

（1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室（成都理工大學），四川成都610059；2.陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西西安710000）

0 引言

我國青藏高原成礦地質環境優越，礦產資源豐富，是我國最具大型、超大型礦床的找礦遠景區域，也是21 世紀國家經濟建設、社會發展的戰略性礦產資源基地。同時“世紀工程”川藏鐵路和川藏高速建設全面啟動，在擬建的川藏線地質勘察、工程施工以及沿線地質災害防治需要大量的地質鉆探工作，而青藏高原復雜的地質條件給地質鉆探施工帶來了困難。青藏高原具有的松散破碎地層、高應力地層、斷層破碎帶等復雜地層給地質找礦和鉆探施工帶來了挑戰，因此確保青藏高原復雜地層地質鉆探的順利實施，對確保我國青藏地區的發展后勁具有十分重要的意義［1-4］。在青藏高原復雜地層鉆探中經常會遇到孔內坍塌、漿液漏失、鉆孔縮徑、卡鉆、埋鉆等問題，導致被動停鉆甚至鉆孔報廢，嚴重影響工程進度并造成經濟損失［5-7］。而復雜地層鉆孔中沖洗液是保證鉆探順利實施的關鍵，尤其是在水平鉆探中更加重要。水平鉆探在遇到復雜地層時由于孔壁應力分布的不均勻性極易發生塌孔、卡鉆、埋鉆事故，并且采用的普通沖洗液潤滑效果差導致鉆柱摩擦阻力更大，孔內巖粉無法及時排出，使得鉆孔事故風險更高［8-9］。目前在青藏高原地區地質鉆探中由于施工場地地形高陡，并且當地生態環境脆弱使得鉆探工作多處于無行車道路地區，因此模塊化設計，質量輕，體積小，易搬運的英格爾等便攜式鉆機開始得到應用，同時與之配套的泥漿材料也得到運用，比如 G3370、G4480、S5480 型等［10］。對于青藏高原地質鉆探中遇到孔內坍塌、漿液漏失、鉆孔縮徑、卡鉆、埋鉆等問題的復雜地層，沖洗液的性能是實現順利鉆進的關鍵，具體表現為：（1）采用超低固相的沖洗液；（2）具有良好的流變性、防塌性和潤滑性能；（3）綠色、環保，對生態環境無影響。因此，結合青藏高原復雜地層的特點以及英格爾鉆機配套泥漿的性能，研發了新型低固相聚合物沖洗液。

1 沖洗液基漿配方研究

沖洗液基漿主要是由造漿粘土（通常為膨潤土）在水中充分水化而成。膨潤土在沖洗液體系中主要起著提高粘度、切力，改善鉆孔的凈化能力，形成致密的泥餅，降低濾失量，提高孔壁的穩定性，同時也為各種沖洗液處理劑提供吸附基礎，以至于充分發揮其相應作用［11-13］。因此，造漿粘土的好壞直接決定了基漿的質量，也更決定了沖洗液體系質量優劣。造漿粘土質量主要通過相同濃度配制出的基漿性能體現，主要包括粘度、失水量、膠體率等。室內試驗主要選用4 種不同的鈉質膨潤土并結合英格爾4381 型堵漏劑作為沖洗液基漿進行對比試驗，各體系具體配方及性能指標如表1 所示。

表1 不同沖洗液基漿配方性能Table 1 Performance index of different base flushing fluid

通過表1 可以看出，單純的使用英格爾4381 型材料雖然漏斗粘度和降失水量適當，但是由于形不成泥皮，說明膠結程度較差，易導致攜帶巖粉以及排渣能力的不足。同時針對不同膨潤土的試驗看出Ⅱ型膨潤土性能指標較好。英格爾4381 型屬于防塌系列，具有潤滑減阻、抑制縮徑的功能。材料以0.8‰～2.5‰比例摻入水中，流動性較好。結合在青藏高原復雜地層地質鉆探過程中采用的便攜式鉆機（英格爾型）以及配套的鉆探堵漏劑，同時為了提高鉆進效率，降低孔內復雜情況，需要對沖洗液潤滑性有較高要求。因此，經過實驗研究選擇以英格爾鉆機配套的4381 型堵漏劑作為潤滑劑，基漿配方為：清水+5%Ⅱ型鈉質膨潤土+0.25%4381。

2 沖洗液外加劑性能研究

2.1 封堵劑

在青藏高原的地質鉆探中，由于地層復雜，地層具有巖體結構破碎、裂隙發育等特點。因此，針對該類地層的主要措施是提高沖洗液體系的膠結防塌性能。室內選用磺化瀝青和乳化瀝青作為封堵劑進行研究?；腔癁r青是在常規瀝青分子中引入了-SO3H，由于含有磺酸基，水化作用很強，并能起到填充裂縫的封堵作用，改善泥餅質量，降低濾失量［14-15］。乳化瀝青是指把瀝青加熱熔融，在機械攪拌作用下，以細小的微粒分散于含有乳化劑及其助劑的水溶液中形成的水包油型乳液，拉伸、抗彎和撕裂強度高，斷裂伸長率大約為0.02%［16］。在基漿基礎上采用2 種瀝青按不同比例進行試驗，具體配方及性能指標如表2 所示。

從表2 可以看出隨著瀝青加量的增多導致密度過高，同時粘度過高呈近似不流動狀態?；鶟{加磺化瀝青后泥皮較厚流動性較差，因此基漿加1%乳化瀝青的沖洗液性能較好。

表2 基漿加不同瀝青配方指標Table 2 Performance index of base flushing fluid with different asphalt

2.2 微泡劑

微泡沖洗液是把某些表面活性劑與聚合物結合在一起產生的一種微泡［17-18］。微泡具有特殊結構，具有優良的護壁防漏性能，攜帶巖屑能力強，還能夠保持孔底干凈，高剪切稀釋性好，井底壓力低，有利于提高碎巖效率、巖心采取率和鉆探質量［19-20］。對于青藏高原復雜地質鉆探中，在滲透性、強漏失地層中這些微泡能聚集形成堅韌的具有彈性的屏障，從而阻止沖洗液的漏失。添加了微泡劑的沖洗液具有攜巖粉能力強、鉆進效率高、保護巖心等優點［21-22］。為了研究微泡劑對沖洗液性能的影響，以所配的基漿為基礎，采用WH 型微泡劑按照不同加量配比加入到基漿中進行沖洗液性能試驗，具體配方及性能指標如表3 所示。

從表3 可以看出，加入微泡劑后使得沖洗液的密度降低，密度在0.92～0.96 g/cm3之間；粘度都在20 s 左右，漿液的流動性適當；pH 值在8 左右，均呈弱堿性。同時失水量較小，泥皮厚度在0.3 mm 左右，膠結性能較好。失水量較小，泥皮厚度增加。微泡劑摻量在1%～4%較為合適。

2.3 封堵劑+微泡劑

通過對不同瀝青的沖洗液試驗看出，乳化瀝青的膠結性能較好，同時在漿液中也易于分散，采用的微泡劑粘度適當，并且流動性較好。因此將封堵劑和微泡劑相結合，即采用的乳化瀝青和WH 型微泡劑按照不同的加量配比，在基漿的基礎上進行試驗，獲得的不同加量配比下的沖洗液性能如表4所示。

表3 基漿加不同摻量微泡劑性能指標Table 3 Performance index of base flushing fluid with different dosage of microfoam

表4 基漿加不同摻量封堵劑和微泡劑配方指標Table 4 Performance index of base flushing fluid with different dosage of formation sealant and microfoam

通過試驗可以看出，鈉質膨潤土加量在5%～9%，密度在1.02～1.13 g/cm3之間，粘度在20～40 s之間，pH 值在8 左右，呈弱堿性，并且泥皮厚度增加。但是隨著鈉土摻量增加，沖洗液的粘度顯著提升，失水量也隨之增加，因此選擇5%的鈉質膨潤土摻量作為基礎液比較合適。

2.4 增粘劑

在青藏高原復雜地層鉆進過程中，為了提高鉆孔沖洗液的攜粉能力以及改善沖洗液的流變性，提高松散、破碎地層的孔壁穩定性，往往需要添加適量增粘劑，通常增粘劑也具有一定的降失水效果。增粘劑種類較多，本實驗選用CMC 聚合物作為增粘劑。CMC 為纖維素經過燒堿處理，再在一定溫度下與氯乙酸鈉進行醚化反應后老化干燥制成的聚合物。由于其較高的聚合度，在水溶液中粘度較高，能較大幅度提高沖洗液體系的粘切力［23］。此外，由于CMC 長鏈分子中的羥基與醚氧基能與鈉土顆粒邊緣處的Al3+之間形成配位鍵使其吸附在鈉土表面，從而提高了鈉土顆粒的聚結穩定性，有利于形成致密的泥餅，降低體系的濾失量［24-25］。在選用的封堵劑和微泡劑基礎上，結合CMC 聚合物進行增粘性試驗，以增強材料的膠結能力，具體配方及性能指標如表5 所示。

根據試驗可以看出，CMC 聚合物作為增粘劑具有較強增粘作用，降失水效果好。

表5 基漿加不同摻量外加劑配方指標Table 5 Performance index of base flushing fluid with different dosage of admixtures

在青藏高原復雜地層進行地質鉆探，遇到垮孔嚴重、漿液漏失的地層，應從控制失水量和提高流動性來考慮，沖洗液配方可以選用：清水+5%鈉質膨潤土+0.25%4381+0.7%乳化瀝青+1%WH 型微泡劑+0.2%～0.5%CMC。

3 結論

（1）青藏高原復雜地層具有松散破碎、高壓高應力、斷層發育等特點。在青藏高原復雜地層鉆探中經常遇到孔內坍塌、漿液漏失、鉆孔縮徑、卡鉆、埋鉆等問題，實現復雜地層順利鉆進宜采用超低固相沖洗液，同時具有良好的流變性、防塌性和潤滑性能，并且綠色、環保，對生態環境無影響。

（2）目前模塊化設計、質量輕體積小、易搬運的便攜式鉆機在青藏高原地區的地質鉆探中得到推廣應用，同時與之配套使用的沖洗液屬于防塌系列，具有潤滑減阻、抑制縮徑的功能。但是在復雜地層鉆探中形成的膠結能力較差，攜巖粉能力較弱。

（3）通過室內試驗對比，研發了低固相聚合物新型沖洗液，該沖洗液以鈉質膨潤土和微泡劑等外加劑為基礎，并結合英格爾便攜式鉆機的配套泥漿，該沖洗液的優化配方為：清水+5%鈉質膨潤土+0.25%4381+0.7%乳化瀝青+1%WH 型微泡劑+0.2%～0.5%CMC。研發的該新型沖洗液流動性好、膠結能力強，并且濾失量適中，適宜在青藏高原復雜地層地質鉆探中使用。