周雪風，王林鋼，所建成，游魯南，潘 垚

（山東黃金地質礦產(chǎn)勘查有限公司，山東煙臺261400）

1 概況

西嶺勘查區(qū)位于山東省萊州市三山島［1］?？辈閰^(qū)地處膠東半島西部，以濱海平原沉積地貌為主，北部局部地區(qū)被海水覆蓋?？辈閰^(qū)內(nèi)鉆孔造漿用水多數(shù)為海水或海浸水，使用傳統(tǒng)泥漿體系無法滿足鉆孔在攜帶巖粉、潤滑鉆具、保護孔壁等方面的需要，且容易造成憋車、卡鉆等事故。為了解決生產(chǎn)實際問題［2］，滿足海浸水鉆孔施工需求，研究一種海水沖洗液體系是十分必要的。

1.1 地層情況

西嶺勘查區(qū)礦床工業(yè)礦體主要賦存在三山島斷裂帶中，區(qū)內(nèi)地層較單一［1］，根據(jù)礦床巖性及工程地質條件自上而下分為軟弱第四系松散巖組、半堅硬風化及構造蝕變巖組、半堅硬-堅硬塊狀侵入巖組。

軟弱第四系松散巖巖組在整個勘查區(qū)均有分布，巖性主要以中細砂、粉質粘土為主，局部夾粗砂和礫石，且互層，厚度51～75 m，松散，不均勻，力學強度低，工程地質條件較差。

基巖風化層分布于第四系松散巖層以下，厚度一般為2.90～19.73 m，巖心破碎，RQD 值在10%～25%，風化裂隙發(fā)育，裂面粗糙，被泥質充填，工程地質條件差。

構造蝕變巖分布于巖石構造斷裂帶中，巖性為絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化碎裂巖、黃鐵絹英巖化花崗質碎裂巖、絹英巖等，礦體斷裂帶厚度一般為150～360 m 不等，巖石強度極不均勻，多為軟弱-半堅硬巖，工程地質條件較差-較好。

半堅硬-堅硬塊狀侵入巖組大面積分布于構造蝕變巖上下盤，巖性為絹英巖化花崗巖、中細粒二長花崗巖、似斑狀花崗閃長巖、中細粒變輝長巖等，RQD 值在75%～92%，工程地質條件良好。

1.2 工程概況

項目在一個試驗孔開展，該孔編號ZK92-7，設計孔深1600 m，頂角13°，方位角305.5°。巖心鉆探采用 XY-6B 型鉆機鉆進［3-4］，配備 BW-250 型泥漿泵，繩索取心工藝。根據(jù)地質設計，要求鉆孔平均巖心采取率≮70%［5］，礦心及礦層頂?shù)装寤卮稳⌒穆省?0%，頂角彎曲≯2°/100 m。采用四開孔身結構，終孔口徑75 mm，具體鉆孔結構見圖1。

圖1 ZK92-7 鉆孔結構Fig.1 Structure of Borehole ZK92-7

2 海水沖洗液研究

2.1 針對固相沖洗液體系的研究

繩索取心鉆進需要適合的沖洗液，一般要求既可穩(wěn)定復雜地層，又可避免鉆桿內(nèi)壁結泥皮，且需適當提高pH 值，防止鉆桿腐蝕性損害［6］，根據(jù)地層情況不同，沖洗液的選擇也相對有所差異。

開孔穿過第四系以及強風化層時，對沖洗液的要求是既要有利于砂礫石的攜帶，又要使風成砂地層不易垮塌，保證表層套管的順利下入，即需要保證沖洗液的攜砂能力以及護壁能力［7］。因此該孔段選擇的沖洗液是高粘切的膨潤土沖洗液［8］。

原配方為：海水+10%膨潤土+0.5%燒堿。

沖洗液性能參數(shù)為：密度1.05 g/cm3，蘇氏漏斗粘度 22.5 s，API 濾失量 18.0 mL/30 min，pH 值 9。

存在的主要問題是：現(xiàn)場配好沖洗液短暫靜置后，出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。針對該情況，項目組對現(xiàn)場所用膨潤土進行造漿試驗。試驗結果表明膨潤土（山東）在淡水中的造漿率為15 m3/t，而在海水中卻只有6.7 m3/t。這主要是由于海水中不僅含有大量的鈉離子，同時還存在一定量的鈣離子和鎂離子等高價離子，這些陽離子的存在嚴重影響膨潤土的造漿效果［9］，使得膨潤土在海水中的造漿率很低，泥漿穩(wěn)定性差。研究認為：使用膨潤土造漿，膨潤土抗鹽效果差，普通粘土在海水中的分散效果差，故粘土懸浮液的濾失量大，泥漿易失去穩(wěn)定性；此外，由于粘土顆粒本身帶負電，必須在堿性條件下才能維持穩(wěn)定，而海水的pH 值在6～7 之間，呈弱酸性。

因此，如果繼續(xù)使用膨潤土進行造漿，必須先用火堿及純堿對海水進行預處理。一方面，對海水中的鈣、鎂離子進行沉淀，另一方面，調節(jié)海水的pH值到8～10 之間，保證普通粘土顆粒的造漿環(huán)境符合要求；亦可選用抗鹽粘土進行造漿。在充分調研的基礎上，項目組最終采用北京探礦工程研究所生產(chǎn)的新型抗鹽粘土進行造漿，該抗鹽粘土雖然在淡水中的造漿率低，但在海水中的造漿率卻較高?，F(xiàn)場測得抗鹽粘土在淡水中的造漿率雖然只有10 m3/t，但在海水中的造漿率竟有18 m3/t。

改進后采用的配方為：海水+5%抗鹽粘土+0.5%燒堿+0.2%純堿。

沖洗液性能參數(shù)為：密度1.03 g/cm3，蘇氏漏斗粘度 29.5 s，API 濾失量 11.0 mL/30 min，pH 值 10。測得的數(shù)據(jù)表明，新型沖洗液粘度顯著提高，API 濾失量減小，形成的泥餅薄而密，護壁性能明顯提高。

2.2 針對無固相沖洗液體系的研究

當鉆進穿過第四系及強風化層后，為了提高鉆進效率，采用無固相沖洗液體系。遇到的復雜地層主要為硬脆碎、裂隙、溶洞以及水敏性地層等，對沖洗液的要求是既要有良好的攜帶巖粉的作用，又要起到良好的護壁堵漏的作用。

原先采用的配方為：海水+1.2%腐植酸鉀+1%PAC141+1%廣譜護壁劑+0.2%純堿。

沖洗液性能參數(shù)為：密度1.01 g/cm3，蘇氏漏斗粘度 18.0 s，API 濾失量 16.0 mL/30 min，pH 值 8。

測得的數(shù)據(jù)表明，該沖洗液性能低，處理復雜地層的能力差。接近孔底部位鉆桿外壁有較多的巖粉粘連，說明沖洗液攜帶巖粉等性能較差，導致孔內(nèi)重復破碎和摩擦阻力增加，表現(xiàn)為時常出現(xiàn)憋車、鉆機開不起高轉速、鉆頭消耗過快、進尺慢、效率低等現(xiàn)象，且遇到水敏性地層非常容易造成鉆孔縮徑、坍塌［3，10-11］。經(jīng)過研究認為：海水是一種成分復雜的鹽水，許多處理劑會在海水中發(fā)生化學反應而產(chǎn)生變質、沉淀，進而失去功效。例如，實驗研究表明，腐植酸鉀溶于水電離出腐植酸根離子與鈉離子，腐植酸根離子與鈣離子形成微溶性的腐植酸鈣，因此，在海水中使用腐植酸鉀，雖說鉀離子的功效不受影響，但腐植酸根離子的效果大打折扣。除此之外，海水含鹽量高，摩擦系數(shù)大，進而造成鉆桿外壁有較多的巖粉粘連、憋車、鉆機開不起高轉速等現(xiàn)象。

使用海水造漿時，尤其是針對斜孔、深孔，必須調整沖洗液的性能，提高沖洗液的潤滑性能，降低沖洗液的摩擦系數(shù)。提高沖洗液攜帶巖粉能力，保持孔底干凈［12］。同時要滿足繩索取心鉆進開高轉速的要求，提高鉆進效率。

鑒于此，使用海水配漿時，第一，要選用抗鹽、抗鈣能力強的處理劑；第二，如若繼續(xù)使用抗鹽、抗鈣能力差的處理劑，首先要對海水進行預處理，其次要提高這些處理劑的加量。后者成本太高，既浪費材料、污染環(huán)境，且效果不如前者，所以，經(jīng)討論不建議采用。因此，項目決定引進新型海水泥漿材料進行造漿。

經(jīng)合作單位北京探礦工程研究所推薦，項目研究后決定引進的新型海水沖洗液材料有：成膜B 劑、降失水劑、封堵劑、防塌型隨鉆堵漏劑［13］、增粘劑、包被劑、極壓潤滑劑。上述材料在體系中的作用如表1 所示。

表1 新型海水沖洗液中各種處理劑的主要作用Table 1 Main functions of various additives in the new seawater mud

研究后采用的配方：海水+3% 成膜B 劑（選加）+1%降失水劑+2%封堵劑（選加）+1.5%防塌型隨鉆堵漏劑（選加）+0.8%增粘劑+0.2%包被劑+0.2%潤滑劑+0.2%純堿。上述配方中選加材料要據(jù)實際情況而定：地層完整的情況下，為節(jié)約成本及提高生產(chǎn)效率可選擇不加或少加；若地層比較復雜，比如地層破碎嚴重、漏失、掉塊、坍塌等，可適當多加。

沖洗液性能參數(shù)：密度1.06 g/cm3，蘇氏漏斗粘度 34.0 s，API 濾失量 8.0 mL/30 min，形成的泥皮薄韌［14］，pH 值 8。

3 海水沖洗液應用效果

在西嶺勘查區(qū)小口徑巖心鉆探施工過程中，新型海水沖洗液有效解決了傳統(tǒng)淡水沖洗液攜帶巖粉能力弱、砂巖地層失水量大、泥皮厚、巖粉粘連鉆桿、憋車、鉆機開不起高轉速、遇水敏性地層易縮徑等問題，護壁防塌性能好，減振潤滑效果好，鉆機鉆速可以開到高速，鉆進仍很平穩(wěn)，減少了對機械的破壞，延長了鉆機鉆具的壽命，大大地提高了鉆進效率［15］，且沖洗液成本降低。

為了更直觀地對使用新舊沖洗液體系鉆孔的鉆進效率及成本進行對比，項目就布置在同一區(qū)域且孔深相近的3 個鉆孔進行了統(tǒng)計。3 個鉆孔分別為ZK92-5、ZK92-6、ZK92-7，配置的設備相同，ZK92-5、ZK92-6 號鉆孔使用原先的沖洗液體系，ZK92-7 號鉆孔使用新型海水沖洗液體系。統(tǒng)計結果見表2。

表2 統(tǒng)計結果（20 d）Table 2 Drilling results (20 days)

由表2 可以看出，與原沖洗液配方相比，使用新型沖洗液配方鉆進成本平均降低11.73%，且鉆進效率有顯著提高。

4 總結

（1）施工隊對沖洗液的選擇與處理需要根據(jù)施工環(huán)境謹慎選擇，合理的沖洗液調配對鉆探施工起到非常重要的作用，選用合適的沖洗液體系既可以保證孔壁穩(wěn)定，又可以節(jié)約下套管的數(shù)量，節(jié)約成本，保證施工順利。

（2）新型海水沖洗液攜帶懸浮巖粉效果顯著，解決了巖粉粘連鉆桿、憋車、鉆機開不起高轉速、遇水敏性地層易縮徑等問題。

（3）新型海水沖洗液保護孔壁效果良好，且具有良好的潤滑性，預防了燒鉆、卡鉆等事故的發(fā)生。

（4）新型海水沖洗液降低了孔內(nèi)事故率，降低了鉆探成本，提高了生產(chǎn)效率。