袁進(jìn)科，陳禮儀，王軍偉，喬友浩

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），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(guó)青藏高原成礦地質(zhì)環(huán)境優(yōu)越，礦產(chǎn)資源豐富，是我國(guó)最具大型、超大型礦床的找礦遠(yuǎn)景區(qū)域，也是21 世紀(jì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源基地。同時(shí)“世紀(jì)工程”川藏鐵路和川藏高速建設(shè)全面啟動(dòng)，在擬建的川藏線地質(zhì)勘察、工程施工以及沿線地質(zhì)災(zāi)害防治需要大量的地質(zhì)鉆探工作，而青藏高原復(fù)雜的地質(zhì)條件給地質(zhì)鉆探施工帶來(lái)了困難。青藏高原具有的松散破碎地層、高應(yīng)力地層、斷層破碎帶等復(fù)雜地層給地質(zhì)找礦和鉆探施工帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因此確保青藏高原復(fù)雜地層地質(zhì)鉆探的順利實(shí)施，對(duì)確保我國(guó)青藏地區(qū)的發(fā)展后勁具有十分重要的意義［1-4］。在青藏高原復(fù)雜地層鉆探中經(jīng)常會(huì)遇到孔內(nèi)坍塌、漿液漏失、鉆孔縮徑、卡鉆、埋鉆等問(wèn)題，導(dǎo)致被動(dòng)停鉆甚至鉆孔報(bào)廢，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度并造成經(jīng)濟(jì)損失［5-7］。而復(fù)雜地層鉆孔中沖洗液是保證鉆探順利實(shí)施的關(guān)鍵，尤其是在水平鉆探中更加重要。水平鉆探在遇到復(fù)雜地層時(shí)由于孔壁應(yīng)力分布的不均勻性極易發(fā)生塌孔、卡鉆、埋鉆事故，并且采用的普通沖洗液潤(rùn)滑效果差導(dǎo)致鉆柱摩擦阻力更大，孔內(nèi)巖粉無(wú)法及時(shí)排出，使得鉆孔事故風(fēng)險(xiǎn)更高［8-9］。目前在青藏高原地區(qū)地質(zhì)鉆探中由于施工場(chǎng)地地形高陡，并且當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境脆弱使得鉆探工作多處于無(wú)行車(chē)道路地區(qū)，因此模塊化設(shè)計(jì)，質(zhì)量輕，體積小，易搬運(yùn)的英格爾等便攜式鉆機(jī)開(kāi)始得到應(yīng)用，同時(shí)與之配套的泥漿材料也得到運(yùn)用，比如 G3370、G4480、S5480 型等［10］。對(duì)于青藏高原地質(zhì)鉆探中遇到孔內(nèi)坍塌、漿液漏失、鉆孔縮徑、卡鉆、埋鉆等問(wèn)題的復(fù)雜地層，沖洗液的性能是實(shí)現(xiàn)順利鉆進(jìn)的關(guān)鍵，具體表現(xiàn)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(rùn)滑性能；（3）綠色、環(huán)保，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)影響。因此，結(jié)合青藏高原復(fù)雜地層的特點(diǎn)以及英格爾鉆機(jī)配套泥漿的性能，研發(fā)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(rùn)土）在水中充分水化而成。膨潤(rùn)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(wěn)定性，同時(shí)也為各種沖洗液處理劑提供吸附基礎(chǔ)，以至于充分發(fā)揮其相應(yīng)作用［11-13］。因此，造漿粘土的好壞直接決定了基漿的質(zhì)量，也更決定了沖洗液體系質(zhì)量?jī)?yōu)劣。造漿粘土質(zhì)量主要通過(guò)相同濃度配制出的基漿性能體現(xiàn)，主要包括粘度、失水量、膠體率等。室內(nèi)試驗(yàn)主要選用4 種不同的鈉質(zhì)膨潤(rùn)土并結(jié)合英格爾4381 型堵漏劑作為沖洗液基漿進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，各體系具體配方及性能指標(biāo)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(guò)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(dāng)，但是由于形不成泥皮，說(shuō)明膠結(jié)程度較差，易導(dǎo)致攜帶巖粉以及排渣能力的不足。同時(shí)針對(duì)不同膨潤(rùn)土的試驗(yàn)看出Ⅱ型膨潤(rùn)土性能指標(biāo)較好。英格爾4381 型屬于防塌系列，具有潤(rùn)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(dòng)性較好。結(jié)合在青藏高原復(fù)雜地層地質(zhì)鉆探過(guò)程中采用的便攜式鉆機(jī)（英格爾型）以及配套的鉆探堵漏劑，同時(shí)為了提高鉆進(jìn)效率，降低孔內(nèi)復(fù)雜情況，需要對(duì)沖洗液潤(rùn)滑性有較高要求。因此，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究選擇以英格爾鉆機(jī)配套的4381 型堵漏劑作為潤(rùn)滑劑，基漿配方為：清水+5%Ⅱ型鈉質(zhì)膨潤(rùn)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(zhì)鉆探中，由于地層復(fù)雜，地層具有巖體結(jié)構(gòu)破碎、裂隙發(fā)育等特點(diǎn)。因此，針對(duì)該類(lèi)地層的主要措施是提高沖洗液體系的膠結(jié)防塌性能。室內(nèi)選用磺化瀝青和乳化瀝青作為封堵劑進(jìn)行研究?；腔癁r青是在常規(guī)瀝青分子中引入了-SO3H，由于含有磺酸基，水化作用很強(qiáng)，并能起到填充裂縫的封堵作用，改善泥餅質(zhì)量，降低濾失量［14-15］。乳化瀝青是指把瀝青加熱熔融，在機(jī)械攪拌作用下，以細(xì)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(qiáng)度高，斷裂伸長(zhǎng)率大約為0.02%［16］。在基漿基礎(chǔ)上采用2 種瀝青按不同比例進(jìn)行試驗(yàn)，具體配方及性能指標(biāo)如表2 所示。

從表2 可以看出隨著瀝青加量的增多導(dǎo)致密度過(guò)高，同時(shí)粘度過(guò)高呈近似不流動(dòng)狀態(tài)?；鶟{加磺化瀝青后泥皮較厚流動(dòng)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(biāo)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(jié)合在一起產(chǎn)生的一種微泡［17-18］。微泡具有特殊結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的護(hù)壁防漏性能，攜帶巖屑能力強(qiáng)，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(zhì)量［19-20］。對(duì)于青藏高原復(fù)雜地質(zhì)鉆探中，在滲透性、強(qiáng)漏失地層中這些微泡能聚集形成堅(jiān)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(qiáng)、鉆進(jìn)效率高、保護(hù)巖心等優(yōu)點(diǎn)［21-22］。為了研究微泡劑對(duì)沖洗液性能的影響，以所配的基漿為基礎(chǔ)，采用WH 型微泡劑按照不同加量配比加入到基漿中進(jìn)行沖洗液性能試驗(yàn)，具體配方及性能指標(biāo)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(dòng)性適當(dāng)；pH 值在8 左右，均呈弱堿性。同時(shí)失水量較小，泥皮厚度在0.3 mm 左右，膠結(jié)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(guò)對(duì)不同瀝青的沖洗液試驗(yàn)看出，乳化瀝青的膠結(jié)性能較好，同時(shí)在漿液中也易于分散，采用的微泡劑粘度適當(dāng)，并且流動(dòng)性較好。因此將封堵劑和微泡劑相結(jié)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(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)，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(biāo)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(biāo)Table 4 Performance index of base flushing fluid with different dosage of formation sealant and microfoam

通過(guò)試驗(yàn)可以看出，鈉質(zhì)膨潤(rùn)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(zhì)膨潤(rùn)土摻量作為基礎(chǔ)液比較合適。

2.4 增粘劑

在青藏高原復(fù)雜地層鉆進(jìn)過(guò)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(wěn)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(lèi)較多，本實(shí)驗(yàn)選用CMC 聚合物作為增粘劑。CMC 為纖維素經(jīng)過(guò)燒堿處理，再在一定溫度下與氯乙酸鈉進(jìn)行醚化反應(yīng)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(zhǎng)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(jié)穩(wěn)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(chǔ)上，結(jié)合CMC 聚合物進(jìn)行增粘性試驗(yàn)，以增強(qiáng)材料的膠結(jié)能力，具體配方及性能指標(biāo)如表5 所示。

根據(jù)試驗(yàn)可以看出，CMC 聚合物作為增粘劑具有較強(qiáng)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(biāo)Table 5 Performance index of base flushing fluid with different dosage of admixtures

在青藏高原復(fù)雜地層進(jìn)行地質(zhì)鉆探，遇到垮孔嚴(yán)重、漿液漏失的地層，應(yīng)從控制失水量和提高流動(dòng)性來(lái)考慮，沖洗液配方可以選用：清水+5%鈉質(zhì)膨潤(rùn)土+0.25%4381+0.7%乳化瀝青+1%WH 型微泡劑+0.2%～0.5%CMC。

3 結(jié)論

（1）青藏高原復(fù)雜地層具有松散破碎、高壓高應(yīng)力、斷層發(fā)育等特點(diǎn)。在青藏高原復(fù)雜地層鉆探中經(jīng)常遇到孔內(nèi)坍塌、漿液漏失、鉆孔縮徑、卡鉆、埋鉆等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層順利鉆進(jìn)宜采用超低固相沖洗液，同時(shí)具有良好的流變性、防塌性和潤(rùn)滑性能，并且綠色、環(huán)保，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)影響。

（2）目前模塊化設(shè)計(jì)、質(zhì)量輕體積小、易搬運(yùn)的便攜式鉆機(jī)在青藏高原地區(qū)的地質(zhì)鉆探中得到推廣應(yīng)用，同時(shí)與之配套使用的沖洗液屬于防塌系列，具有潤(rùn)滑減阻、抑制縮徑的功能。但是在復(fù)雜地層鉆探中形成的膠結(jié)能力較差，攜巖粉能力較弱。

（3）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比，研發(fā)了低固相聚合物新型沖洗液，該沖洗液以鈉質(zhì)膨潤(rùn)土和微泡劑等外加劑為基礎(chǔ)，并結(jié)合英格爾便攜式鉆機(jī)的配套泥漿，該沖洗液的優(yōu)化配方為：清水+5%鈉質(zhì)膨潤(rùn)土+0.25%4381+0.7%乳化瀝青+1%WH 型微泡劑+0.2%～0.5%CMC。研發(fā)的該新型沖洗液流動(dòng)性好、膠結(jié)能力強(qiáng)，并且濾失量適中，適宜在青藏高原復(fù)雜地層地質(zhì)鉆探中使用。