基于小口徑金剛石鉆探的微泡沫沖洗液配置

李 晶

（華北地質(zhì)勘查局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 秦皇島 066000）

針對(duì)鉆孔施工條件復(fù)雜，裂隙發(fā)育，地形地貌變化大等造成鉆孔施工容易出現(xiàn)鉆孔漏失、垮塌等問(wèn)題，傳統(tǒng)的鉆孔沖洗液難以滿足上述復(fù)雜地質(zhì)條件的鉆孔施工需求[1]?；诖耍疚囊孕】趶浇饎偸@探的微泡沫沖洗液配置為研究方法，試圖講述一種適用于復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆孔施工的沖洗液，為提高鉆孔質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

1 小口徑金剛石鉆探特征分析

1.1 環(huán)空間隙小

小口徑金剛石鉆孔具有環(huán)空間隙小的特點(diǎn)，因此沖洗液在鉆孔狹小的環(huán)空間隙內(nèi)的上返速度較大，進(jìn)而使得沖洗液對(duì)鉆孔壁的沖刷作用明顯增強(qiáng)，容易引起松散地層失穩(wěn)，在下鉆過(guò)程中由于環(huán)空間隙過(guò)小，可產(chǎn)生較大的抽吸壓力進(jìn)而使得鉆孔壁坍塌。

1.2 鉆具旋轉(zhuǎn)速度高、阻力大

小口徑金剛石鉆具在鉆進(jìn)過(guò)程中需要較高的轉(zhuǎn)速才能提高掘進(jìn)速度，但由于環(huán)空間隙小、速度快，導(dǎo)致鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生較大的阻力，因此鉆進(jìn)功率損耗由鉆具與鉆孔壁之間的摩擦系數(shù)決定，且二者呈正相關(guān)關(guān)系。

1.3 環(huán)空間隙內(nèi)壓頭損失大

使用小孔徑金剛石鉆進(jìn)時(shí)，在一定條件下壓頭損失和沖洗液返漿速度的平方呈正比關(guān)系，因此，在狹小的環(huán)空間隙內(nèi)壓頭損失比鉆桿內(nèi)部壓頭損失更大，容易造成附加濾失等問(wèn)題的出現(xiàn)，且為小口徑金剛石鉆探所特有的問(wèn)題。

1.4 冷卻效果差

金剛石鉆頭的制作需要特殊的材料，該材料具有較大的比熱容，即在鉆進(jìn)過(guò)程中容易吸收摩擦熱，造成熱量在鉆頭中富集現(xiàn)象。此外，由于小口徑金剛石鉆探在施工過(guò)程中轉(zhuǎn)速極快，因此可產(chǎn)生大量的熱量被鉆頭吸收[2]。金剛石鉆頭的抗高溫性能較大，加之制作材料易吸熱，容易造成金剛石鉆頭因“燒鉆”而破壞。

2 小口徑金剛石鉆探對(duì)沖洗液的要求

小口徑金剛石鉆孔具有環(huán)空間隙小、鉆具旋轉(zhuǎn)速度高、阻力大、環(huán)空間隙內(nèi)壓頭損失大和冷卻效果差的特征，因此，在配置沖洗液過(guò)程中要充分考慮上述特征，使得配置的沖洗液滿足以下幾點(diǎn)要求才能滿足小口徑金剛石鉆探的基本需求：①?zèng)_洗液以低固相為佳，若所配置的沖洗液中含有較高的固相物質(zhì)，尤其是巖粉等含量過(guò)高，容易造成鉆速下降、設(shè)備磨損加快、鉆頭使用壽命縮短、鉆孔內(nèi)部事故頻發(fā)等問(wèn)題；②沖洗液的流變性能要好，小口徑金剛石鉆探具有狹小的環(huán)空間隙，因此容易在狹小的環(huán)空間隙內(nèi)產(chǎn)生較大的阻力，這就要求沖洗液具有較低的流動(dòng)阻力，即沖洗液的粘度要?。坏?，在松散地層部位或者大斷面處沖洗液的粘度大則對(duì)鉆孔壁的沖刷作用小，因此，在實(shí)際工作過(guò)程中要結(jié)合實(shí)際需求選擇合理粘度的沖洗液[3]；③小口徑金剛石鉆探?jīng)_洗液的降濾失性能要好，在復(fù)雜地質(zhì)條件下施工，若沖洗液的降濾失性能差，則容易使得破碎帶、含鹽類地層、頁(yè)巖地層等膨脹、溶蝕、甚至是坍塌，因此，要求沖洗液具有較好的降濾失性能；④沖洗液的潤(rùn)滑性能要好，小口徑金剛石鉆探具有較高的旋轉(zhuǎn)速度，但也具有較大的阻力，阻力與鉆具及孔壁的摩擦力呈正比關(guān)系，因此要求沖洗液具有較好的潤(rùn)滑性能，才能有效的減少鉆頭的磨損，進(jìn)而提高鉆探掘進(jìn)速度。

3 微泡沫沖洗液特點(diǎn)分析

小口徑金剛石鉆探需要低固相、流變性能好、降濾失性能好、潤(rùn)滑性能好的沖洗液，基于此，本文選擇微泡沫沖洗液嘗試配置一種在復(fù)雜地質(zhì)條件下適用于小口徑金剛石鉆探的沖洗液。微泡沫沖洗液是一種較低的密度、聚集但不結(jié)合的三相新型沖洗液體系，在小口徑金剛石鉆探中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面：①微泡沫沖洗液是一種低密度的新型沖洗液，具有含量較低或者不含固相的優(yōu)勢(shì)，能夠顯著的減少鉆具與孔壁之間的摩擦力，降低設(shè)備磨損速率等；②具有較好的降濾失性能，微泡沫沖洗液的粘度與溫度、壓力有關(guān)，具有良好的剪切稀釋性能，在鉆進(jìn)過(guò)程中若遇到松散地層，則鉆孔內(nèi)的溫度和壓力明顯降低，此時(shí)沖洗液的粘度迅速增大，對(duì)松散地層起保護(hù)作用；③對(duì)鉆進(jìn)速度有推動(dòng)作用，微泡沫沖洗液對(duì)總控內(nèi)部的巖屑等具有較好的包被作用，顯著的降低了鉆孔內(nèi)巖屑的分散，有效的避免了鉆頭結(jié)垢或者泥包等問(wèn)題，對(duì)提升鉆進(jìn)速度有積極作用；④有效的延長(zhǎng)了鉆頭的使用壽命，微泡沫沖洗液具有良好的剪切稀釋性能和較低的密度，對(duì)鉆孔底部的巖屑具有較好的清除能力，降低了巖屑等與鉆頭的摩擦，提高了鉆頭的使用壽命；⑤微泡沫沖洗液具有良好的潤(rùn)滑性能，明顯的降低了鉆具與孔壁之間的摩擦力，提高了鉆具旋轉(zhuǎn)速度；⑥提高了巖芯采取率，微泡沫沖洗液在松散地層或者破碎帶中由于溫度、壓力的變化而導(dǎo)致沖洗液的粘度增大，使得沖洗液對(duì)松散地層具有較好的包被作用，提高了松散巖芯的采取率。

4 基于小口徑金剛石鉆探的微泡沫沖洗液配置

微泡沫沖洗液是一種低密度、聚集而不結(jié)合的三相新型沖洗液，是一種泡沫流體，因此可分為穩(wěn)定泡沫流體和硬質(zhì)泡沫流體，前者由水、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、外加劑等組成，后者由水、粘土、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、添加劑、氣體等組成。

4.1 發(fā)泡劑的選擇

發(fā)泡劑的選擇對(duì)微泡沫沖洗液的配置至關(guān)重要，要求材料的發(fā)泡性能良好、泡沫穩(wěn)定性能良好、容易產(chǎn)生泡沫、較高的抗污染能力、無(wú)毒或者低毒。為了對(duì)比不同發(fā)泡劑的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各類發(fā)泡劑的添加量采用0.2%、0.3%、0.4%、0.5%和0.6%的比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)選取100ml去離子水，加入相應(yīng)比例的發(fā)泡劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同類型的發(fā)泡劑隨著比例的不同具有先增后減的變化規(guī)律，不同的發(fā)泡劑的發(fā)泡能力和穩(wěn)定性差異較大，發(fā)泡能力具有“陰離子＞非離子＞陽(yáng)離子＞兩性離子”的變化規(guī)律，半衰期具有“非離子＞陰離子＞陽(yáng)離子＞兩性離子”的變化規(guī)律。基于此，將不同的發(fā)泡劑按照0.3%的比例兩兩復(fù)配，比例按照1:9、3:7、5:5、7:3和9:1的比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)泡劑的發(fā)泡能力和穩(wěn)定性能與發(fā)泡劑的類型和復(fù)配比例關(guān)系密切，尤其是非離子型發(fā)泡劑的復(fù)配性能更加穩(wěn)定。考慮到陰離子抗污染能力弱但發(fā)泡能力強(qiáng)，非離子抗污染能力強(qiáng)和半衰期長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，本文選擇十二烷基硫酸鈉(SDS)和十二烷基磺酸鈉(AS)作為為泡沫劑的基礎(chǔ)發(fā)泡劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，十二烷基磺酸鈉：十二烷基硫酸鈉：聚乙烯醇的比例為3:3:4為最佳。

4.2 穩(wěn)泡劑的選擇

穩(wěn)泡劑的熱力學(xué)性能極為穩(wěn)定，對(duì)微泡沫能否穩(wěn)定發(fā)泡具有重要作用。本文實(shí)驗(yàn)所用的穩(wěn)泡劑包括羥甲基纖維素（CMC）、生物聚合物（XC）和聚丙烯酰胺（PAM），實(shí)驗(yàn)過(guò)程中按照0.3%的比例添加，發(fā)泡劑采用十二烷基磺酸鈉+十二烷基硫酸鈉+聚乙烯醇（3:3:4）的復(fù)配發(fā)泡劑，分別對(duì)不同穩(wěn)定劑的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三類穩(wěn)定劑隨著穩(wěn)泡劑添加量的增加而增加，若發(fā)泡劑添加量增加時(shí)，微泡沫沖洗液中的泡沫數(shù)量呈明顯降低趨勢(shì)。穩(wěn)泡劑的穩(wěn)定性上，生物聚合物（XC）的穩(wěn)定效果最為明顯，聚丙烯酰胺（PAM）的穩(wěn)定效果最差，羥甲基纖維素（CMC）的穩(wěn)定效果介于二者之間；在發(fā)泡量上，生物聚合物（XC）隨著發(fā)泡量的增加降低了發(fā)泡劑的能力，聚丙烯酰胺（PAM）隨著發(fā)泡劑添加量的增加而先快速降低后緩慢降低，羥甲基纖維素（CMC）的變化規(guī)律與聚丙烯酰胺（PAM）的基本一致。綜合研究認(rèn)為，生物聚合物（XC）在發(fā)泡穩(wěn)定性上具有良好的優(yōu)勢(shì)，在相同條件下，泡沫穩(wěn)定性與其他兩類穩(wěn)定劑相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此選擇生物聚合物（XC）作為穩(wěn)定劑使用。

4.3 沖洗液配置

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，硬質(zhì)泡沫流體應(yīng)具有半衰期長(zhǎng)、攜砂能力強(qiáng)、護(hù)壁效果好的優(yōu)勢(shì)，基于上述目的，本文對(duì)微泡沫沖洗液的基漿進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在基漿中加入3%、4%和5%的粘土，結(jié)果表明，隨著基漿中粘土含量的增加，泡沫的發(fā)泡量有所減少，但是泡沫的穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，這暗示了粘土物質(zhì)可以作為沖洗液中的一種穩(wěn)定劑。沖洗液的配置除了發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑的選擇外，還需考慮流型調(diào)節(jié)劑和降濾失劑的選擇，是優(yōu)化沖洗液的重要因素。在流型調(diào)節(jié)劑的選擇方面，主要考慮提高沖洗液的低固相或者無(wú)固相的攜砂能力，本文選用羥甲基纖維素（CMC）和生物聚合物（XC）作為穩(wěn)定劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，加入上述兩種材料后對(duì)沖洗熱的流變性能均具有明顯的調(diào)節(jié)作用，但生物聚合物（XC）的增粘效果更加明顯，但該材料已作為穩(wěn)定劑處理，因此，綜合考慮認(rèn)為選擇羥甲基纖維素（CMC）作為流型調(diào)節(jié)劑更為合理。在降濾失劑的選擇上，本文選用FA317、IND30、NH4-HPAN、XY-27、DJS、Redul等型號(hào)的降濾失劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，NH4-HPAN降濾失劑在微泡沫沖洗液降濾失性能方面效果最佳。綜上所述，本文選擇在基漿中加入適量的粘土增加沖洗液的穩(wěn)定性能，選擇羥甲基纖維素（CMC）作為流型調(diào)節(jié)劑，選擇NH4-HPAN作為降濾失劑。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，小口徑金剛石鉆探具有環(huán)空間隙小、鉆具旋轉(zhuǎn)速度高、阻力大、環(huán)空間隙內(nèi)壓頭損失大和冷卻效果差的特征，這就要求沖洗液具有低固相、流變性能好、降濾失性能好、潤(rùn)滑性能好的特征。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)微泡沫沖洗液中的發(fā)泡劑、穩(wěn)定劑、流型調(diào)節(jié)劑和降濾失劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：發(fā)泡劑為十二烷基磺酸鈉：十二烷基硫酸鈉：聚乙烯醇（3:3:4），穩(wěn)定劑為生物聚合物（XC）、流型調(diào)節(jié)劑為羥甲基纖維素（CMC）、降濾失劑為NH4-HPAN。