復雜地層地質鉆探沖洗液研究與應用

閆平均，劉東華

（湖北省地質局第四地質大隊，湖北咸寧437100）

在勘探過程中，鉆探施工中沖洗液的應用技術是最為關鍵的技術，它在能源、礦產資源的開發中，其作用至關重要，它能夠保障勘探、開采過程的安全。鉆探工作的好壞會直接影響后續生產的工作，在復雜地質區域進行鉆探是業內公認的難點，要想確保在復雜地質環境中鉆探的安全性，就一定要完善、優化鉆探的相關技術，其中沖洗液的應用,在復雜鉆探施工中最為重要。

1 沖洗液在鉆探施工中的作用

在復雜地質環境中進行鉆探，其施工的難度非常大，要想確保鉆探的施工質量，就必須根據地質情況采用相關沖洗液進行輔助鉆探[1]。鉆探過程中沖洗液的主要作用如下：

（1）能夠對鉆孔的孔底進行清洗。在鉆探的工作過程中，設備帶動鉆頭旋轉破碎地下巖層向下推進，在這一過程中將不斷產生巖石粉末，這時的沖洗液會將粉末帶于地面，進而保證鉆孔的孔底處于清潔的狀態，確保鉆探正常進行。

（2）沖洗液能夠對工作中的鉆頭進行實時冷卻。在鉆探的過程里，鉆頭將不斷對巖石進行破碎，鉆頭與巖石的摩擦會使鉆頭的溫度不斷升高，此時如果不能對鉆頭進行及時的冷卻，鉆頭會發生燒鉆事故。使用沖洗液實時對工作中的鉆頭進行冷卻，保證鉆頭在正常溫度下工作，不僅能夠保證工作順利進行，而且還能提高鉆頭的壽命[2]。

（3）沖洗液能夠減輕鉆具工作過程中的振動，勘探過程中，鉆頭因與巖石產生摩擦發生振動，振動會隨傳動機構傳輸到設備上，它不僅影響正常鉆進，而且還減少設備的壽命。沖洗液的使用，能夠對鉆頭進行潤滑，減輕鉆頭和巖石的摩擦，進而減輕了鉆頭的振動，保證了鉆頭工作的平穩性，延長了鉆頭使用的壽命。

（4）沖洗液能夠對鉆孔起到保護的作用。在鉆探工作的過程中，應用相應沖洗液能夠在鉆孔壁上產生保護層，保護層能夠避免鉆孔坍塌的事故發生，對不穩定地層起到保護作用，從而確保鉆探能夠順利進行[3]。

2 沖洗液材料的研制

2.1 有機膨潤土的沖洗液研制

（1）沖洗液制備的研制。當前的有機沖洗液膨脹土研制主要是微波、預凝膠、干法、濕法等四種：

①濕法。濕法主要是先把蒙脫石打散，然后再進行改型、提純，使用有機碳鏈陽離子置換蒙脫石金屬的離子，從而使得層距擴大為原來的17~30倍，進而變為輸水性很好的膨潤土材料。隨后經過干燥、脫水、研磨工藝加工成產品。

②干法。干法是把含水量在20%~30%的鈉基土和有機的覆蓋劑進行混合、加熱、加壓，制備成含有水分的有機土材料。這種材料在經過破碎、烘干制備成產品，也可將其直接分散到有機的溶劑中形成乳膠或者凝膠產品。

③凝膠法。凝膠法是將鈉基的膨脹土打散提純，然后加入有機疏水性溶劑，萃取有機的膨脹土使其融進有機相，隨后去除水相并利用蒸發的方法徹底去除水分，最終制備成凝膠有機的膨脹土。

④微波的合成法。它是一種較新的方法，它是在濃度一定的活性溶劑中加入膨脹土進行攪拌，把漿料放置在微波發生器中，通過微波作用去除游離活性劑，在通過烘干、研磨、篩濾后制備成產品[4]。

（2）有機膨脹土泥漿沖洗液性能的評價。通過實驗對有機膨脹土材質的流變、濾失、膨脹相對降率、濾失量HTHP進行測試得到表1。

表1 有機膨脹土沖洗液的性能對照表

從表1可知，隨加量的不斷增高，泥漿的粘度也隨之升高，但加量到3%時粘度的變化趨于緩慢。隨加量的不斷增高，濾失量APL卻隨之降低，在加量2%時，降低的效果最為明顯。另外隨加量的不斷增高，濾失量HTHP也相反隨之降低，但降低膨脹率隨之升高。從質量上看，含有鈉基的膨脹土比有機膨脹土細膩。

2.2 聚合物定粉沖洗液的研制

（1）聚合物定粉沖洗液的研制工藝。聚合物定粉沖洗液制備工藝是先要把玉米的定分加入準備好的水里，通過活化進行處理，此時要調整反應溫度在60oC~80oC度之間。把丙烯酸混合在20%到40%的鹽水中，使其形成丙酸鈉液體，隨后將丙酰胺通過適量的H2O進行溶解成丙酰胺液體。在進行沖洗液合成工藝中，首先將硫酸鉀倒入，并進行不斷攪拌，隨后緩慢倒入亞硫酸鈉，5~15min后，再倒入丙酸鈉與丙酰胺液體，反應過程中保持溫度60oC~80oC之間直到結束反應。最后，在105oC下進行烘干以及粉碎獲得聚合物淀粉[5]。

（2）聚合物定粉沖洗液性能的評價。通過實驗得知，聚合物定粉在水中的動塑比與粘度都低于其它沖洗液，這主要是因為聚合物淀粉是有機物和淀粉發生反應而產生的，從而提高了流動性，并使其能夠形成良好水化膜。另外，聚合物淀粉濾失率也很低，在各種材料中質量最好、最薄。所以這種聚合物淀粉目前使用非常廣泛。

聚合物淀粉在4%的NaH2O中粘度比羧甲基的淀粉與L-CMC要高，但比聚丙酸鉀要低，動塑比要比其它材料要高，從而使得自身具有良好的穩定懸浮性。當聚合物淀粉加到0.6%時，和其他材料相比濾失率最小。

3 復雜地質環境鉆探過程中沖洗液的應用

（1）復雜地質環境鉆探工藝。在湖北礦區復雜地層進行沖洗液輔助地質鉆探。礦區的地質特點為脆、硬、鉆孔容易發生坍塌。

①鉆進方式的選擇；在復雜的地質環境進行鉆探，選擇正確的鉆進方式會對鉆探的質量起到直接的作用。復雜的地質條件進行鉆探前，首先要根據巖層性質選擇鉆探的方案。巖石硬度在6~8級時，要使用沖擊硬合金鉆頭，巖石硬度在9~12級時，要使用回鉆金剛石鉆頭進行鉆進，巖石硬度在1~6級時，可用以上兩種鉆頭進行鉆進。在鉆進施工過程中，必須嚴格遵守操作規范以及技術標準，只有這樣才能保證復雜地質鉆探的質量。

②鉆進過程的工藝：鉆進前，要選擇恰當的鉆孔結構。在鉆進過程中，要選擇恰當的沖洗液，防止鉆孔過程中出現孔壁坍塌、剝落、鉆桿出現嚴重的結垢現象，避免起升內管困難，孔壁出現坍塌、巖粉增多、鉆桿折斷的事故發生。

要使用沖洗液為有機膨脹土漿液進行輔助鉆探，它的特點是失水量低，孔壁不易坍塌，并且成孔孔壁清潔光滑穩定，鉆井過程中結垢的現象較輕，鉆進能夠正常進行。

（2）沖洗液的現場應用。沖洗液的現場應用選定在湖北礦區，地質結構上層為鹽層，下層主要為粉巖、泥巖并夾雜有礫巖、淤泥等，這里鉆探用水非常不便，在配漿時使用的主要是含鹽量達16%的鹽水。原鉆探使用的漿液極易分層，并且失水大、粘度較低，其處理劑的使用量較大，漿液的成本較高[6]。

在改用聚合物定粉沖洗液進行輔助施工1000m后，通過測試，其效果非常理想，聚合物定粉沖洗液具有良好抗鹽能力，漿液無分層情況，在進行泥頁巖鉆探時，鉆進順暢無孔壁掉塊的情況發生。聚合物定粉沖洗液的懸浮力較強，能夠實時攜帶巖屑，保證鉆孔的孔底隨時干凈，在下鉆時不用沖孔就能使鉆頭到底[7]。

4 結束語

隨著國民經濟的高速發展，我國對能源的需求也不斷增加，能源的鉆探開發已經成為重中之重的工作。本文針對能源勘探鉆探中沖洗液技術進行深入研究，通過沖洗液的制備研究與應用研究整合出各沖洗液特點優勢，從而確保了復雜地質鉆探施工的安全性，減少了鉆頭與巖石的摩擦與工作時的振動，并且有效地避免了鉆孔孔壁的坍塌，及時地清潔了鉆孔的孔底，保證了鉆探施工順利、安全進行。