淺析海洋地質鉆孔純裸鉆繩索取心工藝對泥漿材料的要求

羅旭龍

(廣州海洋地質調查局，廣州 510760)

1 泥漿的作用

1.1 冷卻鉆頭、潤滑鉆具和破碎巖石

在淺海地質鉆井中，用清水(海水)做為沖洗液開孔，一般情況下常遇到粉質黏土層，鉆孔結構穩定，取樣率高。在繼續鉆進過程中，逐漸會出現粉沙質黏土、粉砂及砂礫層，若遇致密性粉砂地層而沖洗液不能正常噴射，很可能會使鉆頭得不到及時冷卻而發生燒鉆事故，鉆柱也可能出現泥包卡鉆現象[1-3]。

為了避免此類情況的發生，需提前將泥漿泵泵沖加大，提高鉆速，同時將海水沖洗液換成充分攪拌混合的泥漿(海水+膨潤土)沖洗液，此時泥漿的注入可保護鉆孔井壁，避免燒鉆或塌孔等現象發生。因此，泥漿泵的正常運轉和維護以及正確操作顯得極其重要。

1.2 泥漿沖洗液的排出和攜帶巖粉能力

由于海洋地質十號船采用直徑150 mm的牙輪鉆頭，鉆進過程中鉆頭旋轉切削地層產生的大量泥土碎屑需要選擇不同的泥漿泵沖及時將孔內鉆渣排出，保證鉆孔的暢通。

1.3 平衡地層壓力

不同的地層對泥漿的稀釋濃度是不同的，若遇砂礫含量較高的漏失性地層，就需要配比較高濃度的泥漿，才能維持地層的平衡，保護井壁。

1.4 保護孔壁和處理孔內復雜情況

海洋地質鉆探過程中，極易出現塌孔和漏失現象，這是由于地層疏松和含水量較高等原因造成的。因此，泥漿濃度的配比就起到至關重要的作用，根據近年來海洋地質十號船的施工經驗來看，不同的地層、不同的深度，都要及時調整泥漿配比，才能保證鉆孔的順利進行。

2 鉆孔對泥漿沖洗液的要求

(1)沖洗液應具有良好的冷卻和散熱能力。在海洋地質鉆井中，開孔階段常采用清水作為沖洗液，由于海水低溫的特性，鉆進過程中具有較好的冷卻散熱能力，對鉆頭、鉆具起到很好的散熱作用。

(2)沖洗液應具有良好的潤滑性。針對鉆井中遇到的致密性地層，鉆進過程中往往需要提高鉆機的轉速以達到正常鉆進的施工需求，具有良好潤滑性的乳狀液、表面活性劑和潤滑泥漿就會減少鉆柱卡頓現象。

(3)泥漿應具有良好的剪切稀釋作用。這有利于破碎巖石和攜帶碎屑，對高壓噴射鉆井特別重要。

(4)泥漿應具有良好的護壁、防噴、防漏作用。為避免水敏地層發生坍塌，應采用能抑制巖層水敏的泥漿(各種鈣處理泥漿、鹽水泥漿、聚丙烯酰胺泥漿等)。對無膠結破碎地層的坍塌，應采用適當黏度、濾失量和密度的泥漿，以維持孔壁穩定。對易溶巖層應采用飽和鹽水或飽和鹽水泥漿，防止孔壁和巖心被溶解。對漏水和井噴地層，應適當增大泥漿密度。對漏失層應降低泥漿密度，并同時調節泥漿黏度以及向泥漿中加入堵漏材料等[4-6]。

(5)沖洗液應能抵抗各種外界影響。鹽鈣侵對泥漿和乳狀液的性能均有較大影響，黏土侵增加泥漿固相，影響鉆進，均必須設法去除。

(6)沖洗液質量要有利于取心、防斜、測井等工作的進行。要防止沖洗液污染巖心品質，減小鉆孔縮徑，泥漿切力不應過大。一般在黏土層、粉砂層取心的回次，都采用低轉速、小泵量以免巖心遭到外力破壞。

(7)其他要求。應防止鉆具被腐蝕，沖洗液不會發酵變質且環保，不對海洋生物造成污染和傷害。

3 泥漿的循環方式

泥漿循環有正循環和反循環兩種基本方式，而海洋鉆井中，受海水深度及潮水變化的影響，一般采用直噴純裸鉆的鉆進工藝，對泥漿的配比和環保屬性提出了嚴格的要求。

4 泥漿材料的選擇

常規泥漿一般包括水、黏土、化學處理劑、惰性物質及其他材料。在海洋地質鉆探工作中，受所處地理環境限制常采用海水和膨潤土作為原材料，結合地層需要添加部分化學處理劑。

海洋鉆井施工中常遇到砂層、礫石及破碎帶地層，成孔難度很大，這種機械分散地層，由于顆粒間缺乏膠結，鉆進時井壁很容易坍塌[7]。若要增加井壁顆粒間的膠結力，黏性較大的泥漿適當滲入井壁地層中，可以明顯增強砂、礫之間的膠結力，以此使井壁穩定性增強。提高泥漿黏度，可通過增加泥漿中黏土含量、加入有機或無機增黏劑等措施來實現[5]。其組成除黏土、碳酸鈉和水外，為了滿足鉆井需要，往往加有提黏劑、降濾失劑和防絮凝劑。

海洋地質十號船鉆探系統泥漿配制常采用Na-CMC(鈉羧甲基纖維素)泥漿，這是一種最普通的提黏性泥漿，Na-CMC起進一步提黏和降濾失作用。具體配方為：黏土150～200 g，水1000 mL，純堿5～10 g，Na-CMC 6 g左右。泥漿性能：密度1.07～1.10 g/cm3，黏度25～35 s，濾失量<12 mL/30 min，pH約9.5。

還有一種鐵鉻鹽-Na-CMC泥漿，相比前一種該泥漿提黏且穩定性較強，鐵鉻鹽起防絮凝(稀釋)作用。配方為：黏土200 g；水1000 mL；純堿濃度50%，加量約20%；鐵鉻鹽溶液濃度20%，加量0.5%；Na-CMC 0.1%。泥漿性能：密度1.10 g/cm3，黏度25 s，濾失量12 mL/30 min，pH約9.0。

5 泥漿的性能

(1)泥漿密度。工程鉆探用泥漿密度一般控制在1.03～1.20 g/cm3，泥漿密度指標常用泥漿密度稱測評。

(2)泥漿固相含量。通常采用泥漿固相含量測定儀測定，泥漿中所含有用(黏土)、無用(巖粉、沉沙)固相顆粒占泥漿總量的百分率稱為泥漿固相含量。泥漿固相含量越低越好，低固相泥漿要求固相含量<4%。

(3)泥漿黏度。相對黏度一般用漏斗黏度表示，控制在18～30 s，有條件的情況下可采用旋轉黏度儀測定泥漿的絕對黏度和視黏度。泥漿黏度是指泥漿流動時，其內部的液體分子間、固相顆粒間和液固相間所具有的內摩擦力表現，它是泥漿流動難易程度的一種表現指標。黏度大小對鉆進、排粉、保持孔底清潔和安全施工影響很大。

(4)泥漿的觸變性與靜切力。一般采用泥漿靜切力計或旋轉黏度儀測定，泥漿攪動時其內部結構受到破壞，但在靜止時又恢復形成網狀結構，稱為泥漿的觸變性。泥漿靜止時，受外力影響而開始流動所需最小的剪切應力，稱為靜切力。

(5)泥漿含砂量?，F場多用含砂量測定儀測定泥漿中不能通過200目篩孔(即直徑大于0.074 mm砂粒占泥漿體積的百分數)來計算泥漿含砂量。

(6)泥漿濾失量與造壁性。現場多用泥漿失水儀來測定泥漿濾失量，即當泥漿承受壓力差作用后，一部分自由水滲入孔壁巖層的數量。造壁性即泥漿失去自由水的同時，泥漿中的黏土等固相顆粒在孔壁上形成泥皮的能力。

(7)泥漿pH?，F場多采用pH試紙進行測定，pH<7時泥漿呈酸性，pH=7時泥漿呈中性，pH>7時泥漿呈堿性。

(8)泥漿的膠體與穩定性。表示泥漿中黏土顆粒分散和水化程度的指標稱為泥漿的膠體率，表示泥漿中黏土顆粒分散的均勻程度的指標稱為泥漿的穩定性。

(9)泥漿的潤滑性與泥皮的黏滯性。此項指標對鉆進影響很大，可用其改善泥漿潤滑性，降磨減阻，提高轉速。

6 環保要求及建議

目前海洋地質十號船鉆探泥漿多使用膨潤土加海水作為鉆具沖洗液，根據地層需要再添加適量的化學材料(黃原膠、聚丙烯酰胺)。膨潤土的主要成分是蒙脫石，經無機酸化處理呈粉末狀，無味、無毒，具有良好的增稠性、潤滑性、懸浮穩定性、高溫穩定性、耐水性及化學穩定性，和海水充分攪拌溶合，是海洋地質鉆探中常見的環保泥漿，能起到冷卻鉆具、護壁堵漏、穩定鉆孔結構的作用，且不會對海洋環境造成污染。

海洋地質鉆探施工中，在保證泥漿材料安全可靠的同時，要樹立保護海洋環境的生態文明理念，在行動上盡可能減少施工過程中生活垃圾和物料垃圾對海洋環境的污染，文明施工，科學鉆井。