熊正強(qiáng)，何玉云，陶士先，李曉東，蘇興濤

(1. 北京探礦工程研究所，北京 100083； 2. 寧夏核工業(yè)地質(zhì)勘查院，寧夏銀川 750021)

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低軟化點(diǎn)防塌減阻劑研究及在復(fù)雜地層中的應(yīng)用

熊正強(qiáng)1，何玉云2，陶士先1，李曉東1，蘇興濤1

(1. 北京探礦工程研究所，北京 100083； 2. 寧夏核工業(yè)地質(zhì)勘查院，寧夏銀川 750021)

為解決現(xiàn)有瀝青類防塌劑軟化點(diǎn)高及較低溫度條件下潤(rùn)滑性差等問(wèn)題，采用瀝青及石油樹(shù)脂等為主要原料，研制出軟化點(diǎn)30℃～60℃可調(diào)的防塌減阻劑GFT。室內(nèi)性能評(píng)價(jià)表明，GFT具有膠體穩(wěn)定性好、軟化點(diǎn)低、乳液粒徑小及潤(rùn)滑能力強(qiáng)等特點(diǎn)，而且與沖洗液配伍性強(qiáng)，不會(huì)明顯增加沖洗液的粘度，并能有效地降低沖洗液的濾失量。在淡水膨潤(rùn)土基漿中加入1%軟化點(diǎn)為46℃的防塌減阻劑，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)69%。經(jīng)在山東及安徽等地多個(gè)復(fù)雜地層鉆孔中現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明了防塌減阻劑GFT對(duì)松散破碎地層、見(jiàn)水易分散地層及硬碎地層具有良好的護(hù)壁效果，同時(shí)能較好地降低鉆具扭矩及摩擦阻力。

孔壁穩(wěn)定 防塌減阻劑 低軟化點(diǎn) 潤(rùn)滑性 復(fù)雜地層

Xiong Zheng-qiang, He Yu-yun, Tao Shi-xian, Li Xiao-dong, Su Xing-tao. Application of the anti-collapse and anti-drag agent with low softening point to complex strata[J]. Geology and Exploration, 2015,51(6):1175-1180.

0 引言

隨著我國(guó)地質(zhì)找礦的深入，會(huì)大量鉆遇松散、破碎及遇水分散剝落等復(fù)雜地層。由于這些地層膠結(jié)性差、孔壁薄弱，易坍塌掉塊，鉆進(jìn)時(shí)要求沖洗液具有較強(qiáng)的粘接能力和封堵能力，即需要在沖洗液中加入防塌劑或護(hù)壁類材料，并適當(dāng)?shù)靥岣邲_洗液的密度。常用的防塌護(hù)壁類材料有腐植酸類(丁銳,1997)、瀝青類(McCrary,1983; Davis and Tooman,1989; Labenski,2003; Liu,2013；Xiongetal.,2014)、聚合醇類(Astonetal.,1994；呂開(kāi)河，2004；李萬(wàn)清等，2006)、硅酸鹽(Baileyetal.,1998; EI Essawyetal.,2004; Guoetal.,2006; McDonald,2012)、鋁絡(luò)合物(Labenski,2003; Maetal.,2012; Xiongetal.,2012; Zhangetal.,2013)、成膜樹(shù)脂(丁銳,1998；金軍斌等，2002)及碳酸鈣等。從防塌性能、沖洗液維護(hù)及經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，瀝青類材料是提高松散破碎地層孔壁穩(wěn)定性的最佳防塌劑，其防塌機(jī)理是利用瀝青具有軟化變形的特性，當(dāng)孔內(nèi)溫度高于其軟化點(diǎn)時(shí)，瀝青顆粒開(kāi)始軟化變形，粘接破碎巖塊及填充孔壁微裂縫，從而有效地封堵地層，保護(hù)孔壁。但是現(xiàn)有的瀝青類防塌劑軟化點(diǎn)高(大于80℃)，適用于地質(zhì)鉆探，這是因?yàn)槟壳暗刭|(zhì)鉆探鉆孔深度主要集中在1000m～2000m，按地層溫度3℃/100m計(jì)算，鉆孔孔底溫度不超過(guò)60℃。因此，急需研制適用于地質(zhì)鉆探的低軟化點(diǎn)瀝青防塌劑。

本文以瀝青為主要原料，加入石油樹(shù)脂等作為瀝青軟化點(diǎn)調(diào)節(jié)劑，研制出具有低軟化點(diǎn)及良好潤(rùn)滑性能的防塌減阻劑(簡(jiǎn)稱GFT)。在山東及安徽等地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，較好地解決了復(fù)雜地層孔壁失穩(wěn)問(wèn)題取得了良好的效果。

1 防塌減阻劑GFT的制備

以瀝青為原料，加入石油樹(shù)脂等軟化點(diǎn)調(diào)節(jié)劑，在110℃～130℃溫度下攪拌均勻后制得油相；將所需的乳化劑加入水中，加熱攪拌均勻后制得水相；在70℃～90℃溫度下將油相加入到水相中，待高速剪切一定時(shí)間后，即制得防塌減阻劑GFT。

2 防塌減阻劑GFT的性能評(píng)價(jià)

2.1 GFT的特點(diǎn)

防塌減阻劑GFT為灰黑色水包油型乳液，易分散在水中，從其具體技術(shù)指標(biāo)(表1)可見(jiàn)，防塌減阻劑具有膠體穩(wěn)定性好及軟化點(diǎn)低的特點(diǎn)。

表1 防塌減阻劑GFT技術(shù)指標(biāo)Table 1 Index of anti-collapse anti-drag agent GFT

2.2 GFT的粒度分布

以軟化點(diǎn)為46℃的GFT為例，配制出1%GFT蒸餾水溶液，采用LA-950V2型(HORIBA)激光粒度儀測(cè)定其粒徑分布，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1所示。

從圖1(a)可見(jiàn)：防塌減阻劑GFT乳液的粒徑主要集中在50μm以下，并在100～150μm之間有很少量分布；乳液液滴主要集中在3～7μm。總之，GFT的乳液粒徑分布集中，而且粒徑小，其平均粒徑僅為7.96μm。

2.3 GFT在不同沖洗液中性能

以軟化點(diǎn)為46℃的GFT為例，將其加入5%鈉基膨潤(rùn)土基漿中，測(cè)定在室溫及60℃老化16h再冷卻至室溫條件下GFT對(duì)基漿的粘度、濾失量及潤(rùn)滑性能的影響，具體結(jié)果見(jiàn)圖2～圖3。

由圖2(a)可知，室溫下，隨著GFT用量增加，基漿的表觀粘度基本不變，而在60℃老化16h后，基漿的表觀粘度隨著GFT用量增加而緩慢增加。例如，基漿表觀粘度為9.5mPa·s，而加有3%GFT的基漿表觀粘度為10.5 mPa·s。由圖2(b)可知，在室溫及經(jīng)60℃老化16h后，基漿的API濾失量均隨著GFT用量增加而逐漸降低。例如，室溫下，加有1%GFT的基漿API濾失量為13ml，而未加GFT的基漿API濾失量為16ml。這是因?yàn)樾×降腉FT乳液能很好地吸附在粘土顆粒表面，并在粘土顆粒間充填、粘結(jié)，從而形成薄而致密、低滲透率的泥皮，導(dǎo)致API濾失量降低。另外，在60℃長(zhǎng)時(shí)間老化后，促進(jìn)了基漿中的粘土分散及GFT在粘土顆粒表面的吸附，使得API濾失量進(jìn)一步降低。

圖3顯示，在室溫及經(jīng)60℃老化16h后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)均隨著GFT用量增加而顯著降低。但是當(dāng)GFT加量超過(guò)1.5%時(shí)，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)緩慢降低。另外，在60℃老化16h后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)略微增加，潤(rùn)滑性能相比于老化前略微降低。例如，室溫下基漿的潤(rùn)滑系數(shù)為0.49，而加有0.5%GFT的基漿潤(rùn)滑系數(shù)為0.20，其潤(rùn)滑系數(shù)降低率為59.2%；加有1%GFT的基漿在室溫及經(jīng)60℃老化16h后，其潤(rùn)滑系數(shù)分別為0.15及0.18，其潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別為69.4%及65.3%。這是因?yàn)镚FT為水包油型乳液，液滴通過(guò)親水基團(tuán)吸附在金屬表面，并在其表面形成油膜，導(dǎo)致潤(rùn)滑系數(shù)降低。當(dāng)吸附在金屬表面的液滴達(dá)到飽和后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)基本保持不變。

為了探究防塌減阻劑對(duì)沖洗液性能的影響，以軟化點(diǎn)為46℃的GFT為例，將其加入到一種地質(zhì)鉆探常用的沖洗液——低粘增效粉沖洗液(低粘增效粉簡(jiǎn)稱LBM，為一種配漿材料，用其配制的沖洗液具有低粘、低切和低失水量的特點(diǎn))中，測(cè)定在室溫及60℃老化16h再冷卻至室溫條件下其對(duì)LBM沖洗液(4%LBM加入淡水中配制而成)的粘度、濾失量及潤(rùn)滑性能的影響，具體結(jié)果見(jiàn)圖4～圖5。

圖1 GFT的粒度分布：(a)粒徑在0～500μm；(b)粒徑在0～10μmFig.1 Particle size distribution of GFT (a) Particle size 0～500μm; (b) Particle size 0～10μm

圖2 不同溫度下GFT加量對(duì)基漿性能的影響：(a)表觀粘度；(b)API濾失量Fig.2 Effect of GFT dosage on performance of bentonite dispersion at different temperature (a) apparent viscosity; (b) filtration loss

圖3 不同溫度下GFT加量對(duì)基漿潤(rùn)滑性能的影響Fig.3 Effect of GFT dosage on lubricity of bentonite dispersion at different temperature

圖4(a)顯示，室溫下，LBM沖洗液的表觀粘度隨著GFT用量增加基本不變。經(jīng)60℃老化16h后，LBM沖洗液的表觀粘度隨著GFT用量增加而緩慢增加。圖4(b)顯示，在室溫及經(jīng)60℃老化16h后，LBM沖洗液的API濾失量隨著GFT用量增加而逐漸降低，其濾失量降低機(jī)理與基漿濾失量降低機(jī)理類似。

圖5顯示，在室溫及經(jīng)60℃老化16h后，隨著GFT用量增加，LBM沖洗液的潤(rùn)滑系數(shù)呈緩慢降低趨勢(shì)。例如，室溫下在LBM沖洗液中加入2.5%GFT，其潤(rùn)滑系數(shù)為0.22，其潤(rùn)滑系數(shù)降低率為18.5%。這是因?yàn)長(zhǎng)BM為聚合物改性鈉基膨潤(rùn)土產(chǎn)品，用其配制的沖洗液具有良好的潤(rùn)滑性能。當(dāng)GFT加入LBM沖洗液中，由于聚合物分子鏈上的羧基、羥基等基團(tuán)優(yōu)先吸附在金屬表面，導(dǎo)致GFT不能很好地吸附在金屬表面。因此，GFT不能明顯地提高LBM沖洗液的潤(rùn)滑性能。

綜上所述，GFT加入基漿及LBM沖洗液后，不會(huì)明顯增加沖洗液的粘度，能較好地降低沖洗液的API濾失量及提高沖洗液的潤(rùn)滑性能。即使經(jīng)過(guò)60℃老化16h后，加有GFT的基漿與LBM沖洗液仍具有良好的性能。

3 防塌減阻劑GFT現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 GFT在山東萊蕪張家洼鐵礦區(qū)松散破碎地層中的應(yīng)用

張家洼鐵礦區(qū)鉆孔設(shè)計(jì)孔深約為1200m，復(fù)雜孔段位于第三系官莊群朱家溝組，主要巖性為紫紅色含礫石砂巖或礫巖。礫巖膠結(jié)物為粘土質(zhì)和鈣質(zhì)，基底式膠結(jié)，不堅(jiān)固。由于紫紅色礫石砂巖松散及礫巖膠結(jié)物膠結(jié)性差，因此在該孔段施工時(shí)，塌孔、埋鉆等事故經(jīng)常發(fā)生。

GFT在該礦區(qū)兩個(gè)鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中ZK7-20孔從541m開(kāi)始試驗(yàn)，ZK15-20孔從645m開(kāi)始試驗(yàn)。沖洗液配方為：4% LBM+1%～1.5% GFT+ 0.5% ～1%隨鉆堵漏劑GPC。采用該沖洗液后，順利完了礦區(qū)復(fù)雜孔段的施工，巖心采取率高，未出現(xiàn)塌孔，共完成鉆探工作量300m。現(xiàn)場(chǎng)取出的巖心照片見(jiàn)圖6。

圖4 不同溫度下GFT加量對(duì)LBM沖洗液性能的影響：(a)表觀粘度；(b)API濾失量Fig.4 Effect of GFT dosage on performance of LBM flushing fluid at different temperature (a) apparent viscosity; (b) filtration loss

圖5 不同溫度下GFT加量對(duì)LBM沖洗液潤(rùn)滑性能的影響Fig.5 Effect of GFT dosage on lubricity of LBM flushing fluid at different temperature

3.2 GFT在安徽六安何家圩子鐵礦區(qū)見(jiàn)水易分散地層中的應(yīng)用

何家圩子鐵礦區(qū)主要為第四系地層，地層中存在大段的水敏性泥巖和破碎粉砂巖。例如，圖7(a)中紫紅色泥巖水敏性較強(qiáng)，略造漿，遇水易分散坍塌。圖7(b)中青灰色泥巖膠結(jié)性差，遇水易分散而形成掉塊。由于泥巖見(jiàn)水易分散及砂巖較破碎，某施工方施工的ZK3101孔在孔深約350m處發(fā)生塌孔并導(dǎo)致部分鉆具斷裂在孔內(nèi)。

GFT在該礦區(qū)3個(gè)鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別是ZK3101、ZK1701及ZK301孔。沖洗液配方為：3% ～5% 膨潤(rùn)土+1%～1.5% 降失水劑+1%～1.5% GFT+0.5% ～1% GPC+0.1%～0.3% 包被劑?，F(xiàn)場(chǎng)沖洗液性能見(jiàn)表2。

使用該沖洗液鉆進(jìn)，孔壁穩(wěn)定，未發(fā)生塌孔事故，共完成3個(gè)鉆孔的施工，完成鉆探工作量2073m。說(shuō)明了GFT與其他處理劑配伍性好，能在見(jiàn)水易分散地層中起到防塌護(hù)壁作用。另外，也表明GFT具有良好的潤(rùn)滑性能。鉆進(jìn)時(shí)通過(guò)觀察電流表發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖洗液中未加入GFT時(shí)，電流表讀數(shù)為40A，加入1%GFT后電流降至35A，鉆機(jī)扭矩降低率為12.5%。

3.3 GFT在黑龍江嫩江縣淺鉆硬碎地層中的應(yīng)用

黑龍江省嫩江縣黑寶山鎮(zhèn)淺鉆示范項(xiàng)目共設(shè)計(jì)兩條剖面，布置鉆孔20個(gè)，鉆孔平均深度為50m，總工作量為1000m?？咨?.5m～50m為堅(jiān)硬、破碎的安山巖，易發(fā)生掉塊及塌孔?，F(xiàn)場(chǎng)取出的安山巖巖心照片見(jiàn)圖8。

采用淺層取樣鉆機(jī)TGQ-50鉆進(jìn)，φ60mm套管下至4m后，使用φ46mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)沖洗液配方為：4% LBM +0.1%～0.3% 水解聚丙烯酰胺+0.5%～1% 潤(rùn)滑劑。采用該沖洗液順利完成了2號(hào)剖面10個(gè)鉆孔的施工，但是在1號(hào)剖面施工卻存在很大問(wèn)題。這是因?yàn)?號(hào)剖面地層最為復(fù)雜。以2號(hào)孔為例，使用φ60mm單管鉆具開(kāi)孔，鉆至3m左右，出現(xiàn)了嚴(yán)重塌孔，無(wú)法下套管。挪孔后重新鉆至24m，又出現(xiàn)了卡鉆及埋鉆，提鉆至12.7m時(shí)鉆桿卡死。

為了解決安山巖孔段掉塊卡鉆及塌孔問(wèn)題，起下鉆時(shí)從孔口直接加入孔內(nèi)泥漿總量約5%的GFT，最終順利完成了1號(hào)剖面3個(gè)鉆孔的施工，并取得了以下效果：

(1) 在原沖洗液中間歇加入GFT后，沖洗液護(hù)壁效果明顯，3個(gè)鉆孔均未出現(xiàn)卡鉆、蹩鉆及塌孔現(xiàn)象。另外，由于氣候原因，經(jīng)常停工一天甚至更長(zhǎng)時(shí)間，但是在繼續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中孔壁依然穩(wěn)定；

圖6 ZK7-20孔取出的巖心照片F(xiàn)ig.6 Core photos taken from the ZK7-20 hole

圖7 現(xiàn)場(chǎng)取出的巖心照片：(a)紫紅色泥巖；(b)青灰色泥巖Fig.7 Core photos taken from drilling field (a) purple red mudstone; (b) blue gray mudstone

馬氏漏斗粘度s密度g·cm-3API濾失量ml泥皮厚度mm泥皮質(zhì)量30～351.03～1.056～80.2～0.5致密、薄韌

圖8 安山巖巖心照片F(xiàn)ig.8 Core photo of andesite

(2) 巖心采取率高，1號(hào)與2號(hào)孔取心率達(dá)到95%，3號(hào)孔的取心率達(dá)到80%。其中3號(hào)孔終孔深度為62.7m，超出了項(xiàng)目設(shè)計(jì)深度的25.4%；

(3) 配制維護(hù)簡(jiǎn)單，可在每個(gè)回次間加入GFT，減少了工作量；

(4) GFT具有良好的潤(rùn)滑性能，沖洗液中加入GFT后鉆機(jī)扭矩明顯降低。

4 結(jié)論

(1) 防塌減阻劑GFT具有膠體穩(wěn)定性好、易分散在水中、軟化點(diǎn)低及乳液粒徑小的特點(diǎn)。

(2) 通過(guò)室內(nèi)性能評(píng)價(jià)及多個(gè)鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，表明防塌減阻劑GFT具有優(yōu)良的防塌性能及潤(rùn)滑性能，能在較低溫度下軟化變形，充填在孔壁裂隙中并能膠結(jié)破碎巖塊，起到提高孔壁穩(wěn)定性的作用。

(3) 防塌減阻劑在見(jiàn)水分散地層、松散破碎地層及堅(jiān)硬破碎地層中使用效果明顯，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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[附中文參考文獻(xiàn)]

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Application of an Anti-Collapse and Anti-Drag Agent with Low Softening Point to Complex Strata

Xiong Zheng-qiang1, He Yu-yun2, Tao Shi-xian1, Li Xiao-dong1, Su Xing-tao1

(1.BeijingInstituteofExplorationEngineering,Beijing100083;2.NingxiaNuclearIndustryGeologicalExplorationInstitute,Yinchuan,Ningxia750021)

In order to solve the problems that existing asphalt anti-caving agent of havin high softening point and poor lubricity at relatively low temperature,an anti-collapse anti-drag agent GFT with adjustable softening point at 30℃～60℃ is ed by using asphalt and petroleum resin.The experimens show that GFT exhibits the excellent colloidal stability,low softening point,small emulsion particle and good lubricity.Moreover,it has strong compatibility with flushing fluid system,nt increase the viscosity of drilling fluid and also efficiently reduces the filtration loss.When the 1% GFT with softening point at 46℃ is added into bentonite dispersion,the lubricity coefficient reducrate of bentonite dispersion is 69%.Eventually,field application of GFT in several complex strata boreholes of Shandong and Anhui indicate GFT is a good anti-caving agent which can solve the instability of borehole in loose broken formations and strong water-sensitivity strata,and reduce the torque and frictional resistance in drilling.

borehole stability,anti-collapse & anti-drag agent,low softening point,lubricity,complex strata

2015-06-05；

2015-09-19；[責(zé)任編輯]雷 華。

地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目“重點(diǎn)成礦帶鉆探?jīng)_洗液關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(編號(hào)12120113097400)資助。

熊正強(qiáng)(1985年-)，男，2012年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，獲碩士學(xué)位，工程師，從事鉆井液材料研究與應(yīng)用工作。E-mail：xiongzq1012@126.com。

P634.6+9

A

0495-5331(2015)06-1175-6