青海五龍溝礦區泥巖地層沖洗液研究

肖冬順， 符 文， 吳 瓊， 孫 榮， 黃 帆， 譚松娥， 張 瑩， 方小紅

(1.長江巖土工程總公司〈武漢〉，湖北 武漢 430014； 2.中煤科工集團武漢設計研究院有限公司，湖北 武漢 430074；3.西藏自治區水利電力規劃勘測設計研究院，西藏 拉薩 850000；4.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710000；5.中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 430071； 6.中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

0 引言

水敏性地層以泥巖、頁巖為主，遇水時易吸水膨脹、分散，導致井壁縮徑、垮塌等事故[1-5]。同時粘性泥巖鉆屑對鉆頭表面具有很強的粘附性能，一定程度上增強了鉆屑與鉆頭表面的粘合力，造成鉆頭泥包、增加扭矩和壓持效應、降低鉆頭的切削深度和破巖效率[6-8]。

許多學者對泥巖水敏性地層進行了研究，主要是研究井壁失穩的機理以及針對特定水敏性地層研發有效配方。劉曉棟等[9]以聚胺抑制劑和防泥包快鉆劑為主要處理劑，研制出一套解決活性泥頁巖鉆井中縮徑、井壁坍塌的快速沖洗液體系。盧運虎等[10]通過室內試驗分析了深部泥巖在沖洗液浸泡下強度弱化規律。許春田等[11]分析了裂隙發育硬脆性泥巖井壁失穩機理，并通過醋酸鉀、聚胺、大分子聚丙烯酰胺作為抑制劑解決了井壁失穩問題。

青海五龍溝礦區是重要的成礦帶，趙瑩、陸露、袁萬明、張延林等[13-16]對五龍溝區的金礦進行了研究，五龍溝礦區含有豐富的礦產。五龍溝礦區鉆探過程中經常遇到規模較大的泥巖地層，使得該區鉆探取心困難以及易發生縮徑坍塌造成埋鉆事故，這是近年困擾該區正常鉆井和完成找礦目標的主要因素。本文針對五龍溝礦區水敏地層的特點，研發解決水敏性地層鉆探問題的沖洗液，對該區找礦具有重要的意義。

1 泥巖地層分析

五龍溝礦區內地層中存在水敏性地層，其組成為炭質泥巖，導致鉆探施工中產生取心困難、縮徑、坍塌等問題。為了能夠有針對性地研發沖洗液配方，對該礦區水敏性地層巖樣進行了微觀分析和礦物成分分析。

1.1 形貌儀分析

利用三維非接觸式表面形貌儀，對五龍溝礦區泥巖地層巖心樣品進行拍照，并對結果進行分析。拍攝的微觀結構特征如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2中可以看出，泥巖地層微裂隙較發育，沖洗液濾液在壓差作用下首先沿著微裂隙進入地層內部，為泥巖提供水化空間，使粘土礦物顆粒之間的粘結力減小，泥巖強度降低。

1.2 XRD分析

圖1 泥巖放大100倍圖Fig.1 Microscopic image of mudstone at 100 times amplification

圖2 泥巖放大500倍圖Fig.2 Microscopic image of mudstone at 500 times amplification

X射線衍射是粘土礦物分析的有效手段之一，能夠定性、半定量、定量研究各種粘土礦物，而且分析迅速、簡便，并能給出大量反映粘土礦物各方面特征的信息，五龍溝泥巖地層XRD分析結果如表1所示。

表1 巖樣定量分析結果Table1 Quantitative analysis of rock samples %

由表1可知，五龍溝礦區泥巖粘土總含量為38%～57%，其中伊利石的含量為15%～46%，因此易在沖洗液作用下水化膨脹，影響泥巖地層強度，造成地層不穩定，也影響巖心采取率。

1.3 小結

五龍溝礦區鉆探過程中發生縮徑、孔壁坍塌、巖心采取率不足等問題的根本原因是該區泥巖地層粘土含量高，易吸水膨脹，且微裂隙多。沖洗液設計與性能優化主要是加強封堵、降低失水量和抑制粘土水化膨脹。

通過巖樣分析結果，結合現場施工經驗得到五龍溝地區進行鉆探所需沖洗液性能要求有：應具有良好的流變性，漏斗粘度控制在30～35 s；API失水量控制在5 mL內；能有效抑制泥巖地層膨脹和分散。

2 沖洗液配方設計

水敏性地層沖洗液設計主要考慮兩方面：一方面是盡量減少沖洗液對地層的滲水，也就是降低失水量；另一方面是即便沖洗液滲入井壁，也對泥質不產生或很少產生水敏或抑制水敏。

本試驗采用高粘聚陰離子纖維素(HV-PAC)來提高沖洗液的粘度，低粘鈉羧甲基纖維素(LV-CMC)、磺甲基酚醛樹脂(SMP-1)、無熒光防塌潤滑劑(FT-342)來控制沖洗液的失水量，正電膠(MMH)作為抑制劑來抑制粘土膨脹分散，含量為1%的白油作為潤滑劑以降低鉆具與孔壁之間的摩擦。

正交試驗法是一種科學的多因素試驗設計方法，利用正交試驗表設計試驗方案，在多種因素變化范圍內均衡抽樣，能夠大幅度減少試驗次數并有效找到各因素最優水平組合，得出最優配方和工藝。下面采用正交試驗研究適用于五龍溝礦區的沖洗液配方。

2.1 降失水劑

由于FT-342對失水量有較大影響而對粘度影響不大，為了便于研究，配制基漿添加LV-CMC、HV-PAC和SMP-1三種添加劑的沖洗液進行正交試驗研究。

沖洗液配方為：5%膨潤土+2%Na2CO3+0.3%～0.5%LV-CMC+0.05%～0.1%HV-PAC+1%+1.5%SMP-1。

本正交試驗設計3個因素，3個水平，共配制9組不同加量的沖洗液，分別測試其性能，將統計的數據進行計算處理，數據見表2。為了評價不同材料對表觀粘度和失水量的影響，對所得數據進行極差分析。

表2 正交試驗數據統計Table 2 Summary of orthogonal test data

從表2中極差R的大小可以看出，影響表觀粘度的各因素從主到次的順序為： LV-CMC>HV-PAC>SMP-1。影響失水量的因素從主到次的順序為：LV-CMC>HV-PAC>SMP-1，LV-CMC對失水量影響最大。由表2可知，4號配方流變性更適宜于五龍溝礦區。

為了更準確地評價每種添加劑對表觀粘度和失水量影響的顯著性，對試驗結果進行了方差分析，得出的結果見表3。

表3 方差分析結果Table 3 Results of variance analysis

注：**表示因素水平的改變對試驗指標有高度顯著影響；*表示因素水平的改變對試驗指標有顯著影響；0表示因素水平的改變對試驗指標無顯著影響。

通過方差分析可知，LV-CMC、HV-PAC以及SMP-1對表觀粘度均有高度顯著的影響。LV-CMC對失水量有顯著影響，HV-PAC與SMP-1對失水量的影響不明顯。根據分析可適當提高LV-CMC與SMP-1的含量來優化4號配方。

2.2 抑制劑

正電膠的主要成分是混合金屬層狀氫氧化物(MMH)，它本身帶正電荷。水基沖洗液通常是由粘土分散在水中形成，所用處理劑也是帶負電的，強負電性導致鉆屑分散和井壁不穩定，帶正電荷的MMH膠粒加入沖洗液體系后，會降低體系的負電性，甚至會轉化為正電性，這對抑制鉆屑分散和穩定井壁非常有益；MMH能提高沖洗液體系的穩定性，提高體系的結構強度，同時MMH正電膠沖洗液具有極強的剪切稀釋性。基于上述優點，選擇MMH作為沖洗液抑制劑來抑制粘土的水化分散。

為了評價MMH對五龍溝礦區泥巖地層的抑制性，采集五龍溝礦區泥巖制作成巖樣，配制不同含量的MMH沖洗液，泥巖巖樣在其中的膨脹量與時間的關系如表4所示，為了便于比較將泥巖的膨脹率隨時間變化規律繪制成圖3。

表4 泥巖膨脹高度隨時間變化數據Table 4 Mudstone expansion height vs time

圖3 泥巖膨脹率隨時間變化規律Fig.3 Mudstone expansion rate vs time

由圖3可知，當MMH含量<0.4%時，增加MMH含量，泥巖膨脹率減小，沖洗液抑制性變強，當MMH含量>0.4%，增加MMH含量，泥巖膨脹率增大，沖洗液抑制性減弱，由此可知，MMH的最優加量是0.4%。

通過上述分析結果來優化基礎配方，優化后的配方為：5%膨潤土+2%純堿(Na2CO3)+0.05%高粘聚陰離子纖維素(HV-PAC)+0.4%低粘鈉羧甲基纖維素(LV-CMC)+2%磺甲基酚醛樹脂(SMP-1)+2.5%無熒光防塌潤滑劑(FT-342)+0.4%正電膠(MMH)+1%白油。測試配方性能見表5。

表5 配方性能Table 5 Formula properties

2.3 膨脹量試驗

利用ZNP型膨脹量測定儀測試了五龍溝礦區泥巖地層巖樣在沖洗液中的膨脹量，巖樣的直徑為25 mm，高度為11.62 mm，膨脹量隨時間變化見表6。

巖樣在清水中最終的膨脹率為：

表6 泥巖膨脹量Table 6 Mudstone expansion values

巖樣在沖洗液中最終的膨脹率為：

由圖4可以明顯觀察到泥巖膨脹率的變化，泥巖在清水中的膨脹率為20.26%，在沖洗液中降到了3.02%，表明沖洗液對泥巖有很強的抑制性。

圖4 膨脹率對比圖Fig.4 Comparison of the expansion rates

2.4 浸泡試驗

將五龍溝礦區泥巖研磨成粉，過200目的篩，壓制成直徑為25 mm、高度約為28 mm的巖樣進行浸泡試驗，使用清水作對比。泥巖壓制后如圖5所示，將兩巖樣分別放入清水和沖洗液中浸泡24 h，24 h后兩巖樣的狀態如6所示。

圖5 壓制成的巖樣Fig.5 Pressed rock samples

圖6 浸泡24 h后的泥巖巖樣Fig.6 Mudstone samples after soaking for 24 hours

由圖6可以看出浸泡24 h后，在清水中的泥巖巖樣完全坍塌，而在沖洗液中的泥巖巖樣形狀保持良好。

沖洗液漏斗粘度為33 s，失水量為4 mL，能很好地滿足五龍溝礦區鉆探工作對于沖洗液流變特性和失水特性方面的要求。通過膨脹量試驗以及浸泡驗可以看出，優化后的配方對五龍溝礦區泥巖地層抑制性強，能很好地適用于該區泥巖地層鉆進。與一般的泥巖地層配方相比，添加劑種類少，故其配置工藝簡單，成本低，性價比高，能很好滿足地質鉆探的要求。

3 結論

(1)五龍溝礦區鉆探施工中經常發生縮徑、孔壁坍塌、巖心采取率不足等問題的根本原因是該區泥巖粘土含量高，易吸水膨脹，且微裂隙多。沖洗液設計與性能優化主要是加強封堵、降低失水量和抑制粘土水化膨脹。

(2)通過正交試驗研制的水基沖洗液配方為：5%膨潤土+2%純堿(Na2CO3)+0.05%高粘聚陰離子纖維素(HV-PAC)+0.4%低粘鈉羧甲基纖維素(LV-CMC)+2%磺甲基酚醛樹脂(SMP-1)+2.5%無熒光防塌潤滑劑(FT-342)+0.4%正電膠(MMH)+1%白油，該配方流變性好，符合五龍溝礦區鉆探對沖洗液的要求。

(3)通過膨脹量試驗與浸泡試驗對優化后的配方進行評價，發現該配方抑制性好，失水量低，適用于五龍溝礦區泥巖地層的鉆探，配制工藝簡單。