宋世杰， 李曉東， 陳師遜

(1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004； 2.北京探礦工程研究所，北京100083)

南黃海大陸架科鉆CSDP-02井第四系、新近系地層海水沖洗液研究與應(yīng)用

宋世杰1， 李曉東2， 陳師遜1

(1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺 264004； 2.北京探礦工程研究所，北京100083)

針對南黃海大陸架科學(xué)鉆探第四系、新近系地層，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以多功能劑(MBM)和抗鹽共聚物(GTQ)為主要處理劑，選出適合第四系、新近系地層的沖洗液配方，并在CSDP-02井海上施工現(xiàn)場應(yīng)用，取得了良好的效果，保證了鉆探施工在第四系、新近系地層中的順利進(jìn)行。

南黃海大陸架科學(xué)鉆探；第四系地層；新近系地層；海水沖洗液；多功能劑

1 項(xiàng)目概況

南黃?？茖W(xué)鉆探工程CSDP-02井是大陸架科學(xué)鉆探項(xiàng)目(CSDP)的一部分，是我國專門為海洋大陸架研究實(shí)施的第一口科學(xué)鉆探深井。該井位于我國南黃海海域中部隆起西南部，距離最近海岸線約100 km，位于連云港以東約170 km、射陽河口東北約110 km位置，井位處海水深度22～25 m。地質(zhì)設(shè)計(jì)要求井深2000 m，完井直徑≮95 mm，全井取心，巖心采取率≮85%。

2 地層情況

據(jù)石油鉆井資料與多道地震資料分析，南黃海海域第四系，平均厚度在250～300 m。單道地震剖面顯示在南黃海北部坳陷存在一個第四系沉降中心，最厚超過450 m；中部隆起區(qū)、南部盆地和勿南沙隆起區(qū)厚度相對穩(wěn)定，平均在260 m左右。

南黃海新近系廣泛發(fā)育，厚度變化較大。在南黃海南北兩個坳陷中，由于受控坳(凹)邊界斷裂新近系的繼承性活動，新近系發(fā)育較厚，最厚超過1000 m；中部隆起區(qū)新近系厚度相對較穩(wěn)定，平均約350 m；在東部火成巖發(fā)育的隆起上，由于基底新近系的持續(xù)隆起，新近系相對較薄，個別地段甚至缺失，僅接受早更新世晚期以來的沉積。勿南沙隆起區(qū)新近系普遍發(fā)育，厚度變化大，總體東厚西薄。

巖性主要是較軟且松散堆積的粘土、粉砂、粉細(xì)砂為主的沉積物。該區(qū)域預(yù)測地層巖性情況如表1所示[1]。

3 鉆進(jìn)難點(diǎn)及問題的提出

由于需要全井段取心，第四系、新近系地層是取心鉆進(jìn)的難點(diǎn)所在。

表1 CSDP-02井地層巖性預(yù)測表

地層以淤泥質(zhì)、粉砂、細(xì)砂與泥質(zhì)沉積物及未固結(jié)的泥巖為主，由于局部流塑、軟塑護(hù)壁困難；而軟泥巖屬于層理裂隙不發(fā)育的巖體，其主要特征有以下幾點(diǎn)：粘土礦物以伊蒙無序間層為主，成巖程度低，分散性強(qiáng)，取心困難；泥巖易吸水膨脹，膨脹率高達(dá)20%～30%；絕大部分地層屬于正常壓力梯度，極個別地區(qū)此類地層出現(xiàn)異常壓力梯度；巖石可鉆性級別低，一般為1～3級[2]。

鉆遇該地層的潛在井下復(fù)雜情況主要有：易坍塌、縮徑，粘土、泥巖造漿性強(qiáng)，地層自造漿密度高，切力大，含砂量高；鉆井過程中易縮徑，起鉆遇卡，處理不當(dāng)易發(fā)生卡鉆、井塌、下鉆遇阻、憋泵等。

在第四系、新近系地層鉆進(jìn)，由于地層多為松散的砂、粘土及部分未固結(jié)的軟泥巖，選擇合適的沖洗液體系非常重要，要求沖洗液必須具有較強(qiáng)抑制性和良好的護(hù)壁效果。目前，在此類地層鉆進(jìn)時，使用的沖洗液體系有很多類型，如多聚物復(fù)合鹽欠飽和沖洗液[3]、ULTRADRIL水基沖洗液[4]、飽和鹽水沖洗液[5]、鋁鹽聚合醇沖洗液[6]、硅酸鹽欠飽和鹽水沖洗液[7]、正電膠聚合物沖洗液[8]、陽離子沖洗液[9]。這些體系大多用的是欠飽和或飽和鹽水沖洗液，這是因?yàn)辂}水可以阻止泥巖水化膨脹或分散，同時具有較高的密度，有利于井壁穩(wěn)定。但是上述沖洗液體系都是使用淡水配漿，而在海上鉆探施工，淡水取用極不方便，因此有必要開展利用海水配制出具有強(qiáng)抑制性沖洗液的課題研究。

4 海水配漿的難點(diǎn)與對策

海水含有大量的氯化鈉，同時還含有很多對配制膨潤土漿不利的鈣鹽和鎂鹽，其總礦化度一般在3.3%～3.7%(即33000～37000 mg/L)，pH值7.5～8.4，密度為1.03 g/cm3。海水中鹽類的構(gòu)成比例和各種離子的含量見表2。

表2 海水中鹽類的構(gòu)成比例和各種離子的含量

從海水的成分可以看出，海水中鈣鹽和鎂鹽的總含量達(dá)到了20%左右，對配制膨潤土漿很不利，且很多沖洗液處理劑會因?yàn)楹Ｋ写罅侩娊赓|(zhì)的影響而難以發(fā)揮其應(yīng)有的作用，往往需要加入大量的處理劑才能起到調(diào)節(jié)沖洗液性能的作用。

常用海水沖洗液體系主要有硅酸鹽沖洗液、有機(jī)鹽沖洗液、聚合醇沖洗液、甲基葡萄糖甙沖洗液以及合成基沖洗液，但是大部分沖洗液材料成本高、生物降解性差，難以得到廣泛推廣[10]。

在使用海水配制泥漿時一般有3種方案：(1)加入處理劑(如純堿、燒堿)，除去海水中的鈣、鎂離子后再配漿；(2)不去除海水中的鈣、鎂離子，直接用可以在海水中造漿的材料(如凹凸棒石)來配漿，該方案要求鉆井現(xiàn)場有比較完善的剪切攪拌設(shè)備；(3)先用淡水配漿，使膨潤土預(yù)水化，然后再加入海水配成沖洗液。這是目前海上鉆井最常用的一種方案。

5 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

5.1 處理劑選擇

使用海水配制沖洗液要求選擇有效的處理劑，以減小海水中的各種電解質(zhì)對泥漿性能的破壞。我們采用第一種方案，選擇了多功能劑(MBM)和抗鹽共聚物(GTQ)為主要處理劑，進(jìn)行海水沖洗液體系配方實(shí)驗(yàn)。

多功能劑(MBM)是一種膨潤土有機(jī)改性材料，是以鈉膨潤土為基材，通過一定的工藝條件將自制的降失水劑和處理劑等以晶面接枝共聚、層間插入、離子互換、物理吸附等方式復(fù)合制備出的多功能復(fù)合材料。其特點(diǎn)是在鈉膨潤土中引入酰胺基(-CONH2)、羧鈉基(-COONa)及磺酸基(-SO3H)等基團(tuán)，使其同時具有造漿材料和處理劑的特性，且具有較好的抗鹽性和抑制性。多功能劑在鹽水或海水中的加量一般為3%～5%[11]。

抗鹽共聚物(GTQ)是一種含有多種官能團(tuán)的聚合物，其分子鏈上有大量的-COONa和-SO3Na，這2種基團(tuán)為強(qiáng)水化基團(tuán)，可顯著提高粘土顆粒的膠體穩(wěn)定性，且不受水中電解質(zhì)的污染影響。GTQ具有增粘、提切、降失水、抗污染等功能，可用于配制淡水、鹽水和海水沖洗液。抗鹽共聚物在鹽水或海水中的加量一般為0.5%～1%[12]。

5.2 配方實(shí)驗(yàn)

選用從現(xiàn)場采取的海水作為配漿用水，在海水中加入0.1%燒堿和0.1%純堿進(jìn)行處理，分別加入3%、4%和5%的MBM，其性能如表3所示。

表3 不同加量MBM的海水沖洗液性能

從表2可以看出，使用MBM配制海水沖洗液，各項(xiàng)性能良好，且放置24 h未分層，證明其膠體穩(wěn)定性較好。為保證MBM海水沖洗液具有更好的攜帶性和穩(wěn)定性，配制上述4%MBM的海水沖洗液，在其中分別加入0.5%、0.75%、1%的抗鹽共聚物GTQ，并測定性能，如表4所示。

表4 不同加量GTQ的海水沖洗液性能

為了檢驗(yàn)MBM海水沖洗液的抑制性能，使用頁巖膨脹量測定儀分別對蒸餾水、海水、飽和鹽水和MBM海水沖洗液進(jìn)行了測定，其中MBM海水沖洗液的配方為：海水+0.1%燒堿+0.1%純堿+4%MBM+0.75%GTQ。測定結(jié)果見表5和圖1。

表5 膨脹量測定結(jié)果

圖1 膨脹量變化曲線圖

通過對比可以看出，MBM海水沖洗液的抑制性優(yōu)于飽和鹽水、海水、蒸餾水。

6 MBM海水沖洗液現(xiàn)場使用情況

6.1 現(xiàn)場所用設(shè)備及循環(huán)系統(tǒng)

現(xiàn)場所用設(shè)備為：HXY-8型鉆機(jī)；K31-9型鉆塔；BW300/16型泥漿泵；NJ-600型配漿泵；TGLW350-692T型離心機(jī)；XZ-2型旋流振動篩除砂器；機(jī)臺配套泥漿性能檢測儀器。

沖洗液循環(huán)系統(tǒng)由2個10 m3罐和3個1 m3罐組成并配有0.3和0.7 m3的攪拌罐各1個，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場循環(huán)系統(tǒng)

6.2 現(xiàn)場沖洗液配制

現(xiàn)場按照配方“海水+0.1%燒堿+0.1%純堿+4%～5%MBM+0.6%～0.8%GTQ”配制沖洗液。配漿時，直接從平臺下抽取海水到攪拌罐，先加純堿和燒堿處理，按照處理劑粘度由低到高的順序，先加入MBM，攪拌10～20 min，待MBM完全攪勻后再加入GTQ，由于GTQ粘度較高，加入時需要慢慢撒入攪拌罐。根據(jù)沖洗液中巖粉含量，可以按需加入少量包被劑，有助于巖粉絮凝沉淀。

6.3 現(xiàn)場沖洗液性能維護(hù)

(1)每天測試沖洗液性能2～3次，在泥漿循環(huán)30 min后從出口取漿測試。

(2)沖洗液性能：蘇式漏斗粘度30～50 s，密度1.05～1.20 g/cm3，API濾失量6～10 mL，pH值8～9。

(3)漏斗粘度，控制在50 s以內(nèi)，30～40 s最佳。若粘度過高，則減少抗鹽共聚物的加量，或者不加。

(4)密度在1.20 g/cm3左右比較合適，若低于1.15 g/cm3，則加重晶石來提高密度。

(5)API濾失量控制在10 mL以內(nèi)，6～8 mL最佳，若超過10 mL，則適當(dāng)增加MBM和GTQ的加量。

(6)pH值控制在8～9，若低于8，則加入少量純堿或燒堿。

(7)由于沖洗液中無用固相(泥砂、巖粉)較多，須經(jīng)常開啟固控設(shè)備，以去除無用固相。

6.4 MBM海水沖洗液使用效果

(1)護(hù)壁效果好。該井地層含有大段軟泥巖，極易膨脹縮徑，同時還有大量堆積松散強(qiáng)度較低的泥砂互層。在施工過程中使用MBM海水沖洗液，井壁穩(wěn)定，無明顯縮徑，起下鉆通暢。

(2)有效保護(hù)取心。從現(xiàn)場取出巖心可以看出，MBM海水沖洗液具有較好的抑制能力，能有效保護(hù)巖心。圖3為現(xiàn)場取出的巖心照片，可以看到巖心被沖洗液包裹完好，未受到污染。

圖3 現(xiàn)場取出的巖心照片心

(3)具有較強(qiáng)的懸浮能力，可以順利將鉆進(jìn)時產(chǎn)生的鉆屑、泥砂攜帶出來，保持了井底清潔。

(4)具有良好的流變性，既不會沖蝕井壁和巖心，又可保持良好流動性，使泵壓不至于過高。

(5)配制沖洗液和后期維護(hù)簡單便捷，大大節(jié)省了勞動力。

7 結(jié)論

使用多功能劑MBM和抗鹽共聚物GTQ配制的海水沖洗液具有優(yōu)異的性能，能夠滿足在南黃海大陸架第四系、新近系地層鉆進(jìn)中使用海水配漿的要求。按照配方“海水+0.1%燒堿+0.1%純堿+4%～5%MBM+0.6%～0.8%GTQ”配制的沖洗液，其性能穩(wěn)定：蘇式漏斗粘度30～50 s，密度1.05～1.20 g/cm3，API濾失量6～10 mL，pH值8～9。

通過在現(xiàn)場應(yīng)用MBM海水沖洗液，發(fā)現(xiàn)該沖洗液具有較強(qiáng)的抑制能力，起到了很好的護(hù)壁效果，順利完成了在極易出現(xiàn)坍塌、縮徑的第四系、新近系地層中的鉆進(jìn)任務(wù)；具有良好的懸浮能力、流變性和低濾失量；同時該沖洗液配制和維護(hù)簡單便捷，利于鉆井平臺上使用。

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Study on Seawater Flushing Fluid and Its Application in Quaternary and Neogene Strata for CSDP-02/

SONGShi-jie1,LIXiao-dong2,CHENShi-xun1

(1.The Third Geological Team of Shandong Bureau of Geology and Mineral, Yantai Shandong 264004, China; 2.Beijing Institute of Exploration Engineering, Beijing 100083, China)

The south Yellow Sea continental scientific drilling project is carried out in Quaternary and Neogene strata, according to the strata characteristics, multifunctional agent (MBM) and anti-salt copolymer (GTQ) were chosen as the main agents for indoor experiments to prepare flushing fluids. The suitable formula of flushing fluids was selected for Quaternary and Neogene strata drilling and applied in the offshore drilling site of CSDP-02, it is proved that the MBM seawater flushing fluids have good effects, which ensures the smooth drilling construction in Quaternary and Neogene strata.

continental shelf scientific drilling in south Yellow Sea; Quaternary strata; Neogene strata; seawater flushing fluid; multifunctional agent

2016-05-30；

2016-12-22

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價項(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：12120113097400)

宋世杰，男，漢族，1966年生，高級工程師，探礦工程專業(yè)，主要從事地質(zhì)巖心鉆探、樁基工程等技術(shù)工作，山東省煙臺市芝罘區(qū)機(jī)場路271號，syssj888@163.com。

李曉東，男，漢族，1984年生，工程師，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，從事沖洗液技術(shù)研究與應(yīng)用工作，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號，lixd@bjiee.com.cn。

P634.6

A

1672-7428(2017)04-0010-04