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青藏高原复杂地层地质钻探低固相冲洗液试验研究  PDF

  • 袁进科 1
  • 陈礼仪 1
  • 王军伟 2
  • 乔友浩 1
1. 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),四川 成都 610059; 2. 陕西铁道工程勘察有限公司,陕西 西安 710000

中图分类号: P634.6

最近更新:2021-04-10

DOI:10.12143/j.ztgc.2021.04.011

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摘要

青藏高原由于地质条件的多样性,分布有松散破碎地层、高应力地层、断层破碎带等复杂地层,在地质钻探中经常遇到塌孔、漏浆、缩径、卡钻、埋钻等问题。同时配套使用的冲洗液形成的泥皮质量差、胶结能力较差、携岩粉能力较弱等不足。冲洗液的性能是实现复杂地层顺利钻进的关键。结合青藏高原复杂地层的地质特点,研发了低固相聚合物新型冲洗液,该冲洗液以钠质膨润土和微泡剂等外加剂为基础,具有流动性好、胶结性强、降失水量适中的特点,适宜在青藏高原复杂地层地质钻探中使用。

0 引言

我国青藏高原成矿地质环境优越,矿产资源丰富,是我国最具大型、超大型矿床的找矿远景区域,也是21 世纪国家经济建设、社会发展的战略性矿产资源基地。同时“世纪工程”川藏铁路和川藏高速建设全面启动,在拟建的川藏线地质勘察、工程施工以及沿线地质灾害防治需要大量的地质钻探工作,而青藏高原复杂的地质条件给地质钻探施工带来了困难。青藏高原具有的松散破碎地层、高应力地层、断层破碎带等复杂地层给地质找矿和钻探施工带来了挑战,因此确保青藏高原复杂地层地质钻探的顺利实施,对确保我国青藏地区的发展后劲具有十分重要的意

1-4。在青藏高原复杂地层钻探中经常会遇到孔内坍塌、浆液漏失、钻孔缩径、卡钻、埋钻等问题,导致被动停钻甚至钻孔报废,严重影响工程进度并造成经济损5-7。而复杂地层钻孔中冲洗液是保证钻探顺利实施的关键,尤其是在水平钻探中更加重要。水平钻探在遇到复杂地层时由于孔壁应力分布的不均匀性极易发生塌孔、卡钻、埋钻事故,并且采用的普通冲洗液润滑效果差导致钻柱摩擦阻力更大,孔内岩粉无法及时排出,使得钻孔事故风险更8-9。目前在青藏高原地区地质钻探中由于施工场地地形高陡,并且当地生态环境脆弱使得钻探工作多处于无行车道路地区,因此模块化设计,质量轻,体积小,易搬运的英格尔等便携式钻机开始得到应用,同时与之配套的泥浆材料也得到运用,比如G3370、G4480、S5480型10。对于青藏高原地质钻探中遇到孔内坍塌、浆液漏失、钻孔缩径、卡钻、埋钻等问题的复杂地层,冲洗液的性能是实现顺利钻进的关键,具体表现为:(1)采用超低固相的冲洗液;(2)具有良好的流变性、防塌性和润滑性能;(3)绿色、环保,对生态环境无影响。因此,结合青藏高原复杂地层的特点以及英格尔钻机配套泥浆的性能,研发了新型低固相聚合物冲洗液。

1 冲洗液基浆配方研究

冲洗液基浆主要是由造浆粘土(通常为膨润土)在水中充分水化而成。膨润土在冲洗液体系中主要起着提高粘度、切力,改善钻孔的净化能力,形成致密的泥饼,降低滤失量,提高孔壁的稳定性,同时也为各种冲洗液处理剂提供吸附基础,以至于充分发挥其相应作

11-13。因此,造浆粘土的好坏直接决定了基浆的质量,也更决定了冲洗液体系质量优劣。造浆粘土质量主要通过相同浓度配制出的基浆性能体现,主要包括粘度、失水量、胶体率等。室内试验主要选用4种不同的钠质膨润土并结合英格尔4381型堵漏剂作为冲洗液基浆进行对比试验,各体系具体配方及性能指标如表1所示。

表1 不同冲洗液基浆配方性能
Table 1 Performance index of different base flushing fluid
冲洗液配方性能指标
密度ρ/(g•cm-3)漏斗粘度FV/sAPI滤失量/mL泥皮厚度/mmpH值
清水+5%Ⅰ型膨润土 1.015 17 28 0.4 8
清水+7%Ⅰ型膨润土 1.024 17.5 18 0.3 8
清水+9%Ⅰ型膨润土 1.03 17.2 28 1.2 8
清水+5%Ⅱ型膨润土 1.02 18 16 0.2 8
清水+7%Ⅱ型膨润土 1.031 20 20 0.2 8
清水+9%Ⅱ型膨润土 1.05 22.4 14 0.7 8
清水+5%Ⅲ型膨润土 1.01 17 13 0.3 8
清水+7%Ⅲ型膨润土 1.037 17.5 17 0.5 8
清水+9%Ⅲ型膨润土 1.045 18.3 15 0.5 8
清水+5%Ⅳ型膨润土 1.01 17 12 0.9 8
清水+7%Ⅳ型膨润土 1.022 17.8 11 0.6 8
清水+9%Ⅳ型膨润土 1.036 18.4 11 0.4 8
清水+0.8‰英格尔4381 1.027 17.2 16 - 8
清水+1.0‰英格尔4381 1.031 19.5 14 - 8
清水+2.5‰英格尔4381 1.038 23 11 - 8

通过表1可以看出,单纯的使用英格尔4381型材料虽然漏斗粘度和降失水量适当,但是由于形不成泥皮,说明胶结程度较差,易导致携带岩粉以及排渣能力的不足。同时针对不同膨润土的试验看出Ⅱ型膨润土性能指标较好。英格尔4381型属于防塌系列,具有润滑减阻、抑制缩径的功能。材料以0.8‰~2.5‰比例掺入水中,流动性较好。结合在青藏高原复杂地层地质钻探过程中采用的便携式钻机(英格尔型)以及配套的钻探堵漏剂,同时为了提高钻进效率,降低孔内复杂情况,需要对冲洗液润滑性有较高要求。因此,经过实验研究选择以英格尔钻机配套的4381型堵漏剂作为润滑剂,基浆配方为:清水+5%Ⅱ型钠质膨润土+0.25%4381。

2 冲洗液外加剂性能研究

2.1 封堵剂

在青藏高原的地质钻探中,由于地层复杂,地层具有岩体结构破碎、裂隙发育等特点。因此,针对该类地层的主要措施是提高冲洗液体系的胶结防塌性能。室内选用磺化沥青和乳化沥青作为封堵剂进行研究。磺化沥青是在常规沥青分子中引入了-SO3H,由于含有磺酸基,水化作用很强,并能起到填充裂缝的封堵作用,改善泥饼质量,降低滤失

14-15。乳化沥青是指把沥青加热熔融,在机械搅拌作用下,以细小的微粒分散于含有乳化剂及其助剂的水溶液中形成的水包油型乳液,拉伸、抗弯和撕裂强度高,断裂伸长率大约为0.02%16。在基浆基础上采用2种沥青按不同比例进行试验,具体配方及性能指标如表2所示。

表2 基浆加不同沥青配方指标
Table 2 Performance index of base flushing fluid with different asphalt
冲洗液配方性能指标
密度ρ/(g•cm-3)漏斗粘度FV/sAPI滤失量/mL泥皮厚度/mmpH值
基浆+1%乳化沥青 1.01 19 22 0.3 8
基浆+2%乳化沥青 1.025 18.8 30 0.3 8
基浆+3%乳化沥青 1.03 17.2 37 0.5 8
基浆+4%乳化沥青 1.04 - - - 8
基浆+1%磺化沥青 1.03 17 22 0.7 8
基浆+2%磺化沥青 1.04 17.8 27 0.7 8
基浆+3%磺化沥青 1.05 18.4 - - 8
基浆+4%磺化沥青 1.06 19.2 - - 8

表2可以看出随着沥青加量的增多导致密度过高,同时粘度过高呈近似不流动状态。基浆加磺化沥青后泥皮较厚流动性较差,因此基浆加1%乳化沥青的冲洗液性能较好。

2.2 微泡剂

微泡冲洗液是把某些表面活性剂与聚合物结合在一起产生的一种微

17-18。微泡具有特殊结构,具有优良的护壁防漏性能,携带岩屑能力强,还能够保持孔底干净,高剪切稀释性好,井底压力低,有利于提高碎岩效率、岩心采取率和钻探质19-20。对于青藏高原复杂地质钻探中,在渗透性、强漏失地层中这些微泡能聚集形成坚韧的具有弹性的屏障,从而阻止冲洗液的漏失。添加了微泡剂的冲洗液具有携岩粉能力强、钻进效率高、保护岩心等优21-22。为了研究微泡剂对冲洗液性能的影响,以所配的基浆为基础,采用WH型微泡剂按照不同加量配比加入到基浆中进行冲洗液性能试验,具体配方及性能指标如表3所示。

表3 基浆加不同掺量微泡剂性能指标
Table 3 Performance index of base flushing fluid with different dosage of microfoam
冲洗液配方性能指标
密度ρ/(g•cm-3)漏斗粘度FV/sAPI滤失量/mL泥皮厚度/mmpH值
基浆+1%WH型微泡剂 0.96 20.9 8 0.2 8
基浆+2%WH型微泡剂 0.96 20.8 8 0.3 8
基浆+3%WH型微泡剂 0.95 20.7 7 0.3 8
基浆+4%WH型微泡剂 0.95 20.5 6 0.4 8

表3可以看出,加入微泡剂后使得冲洗液的密度降低,密度在0.92~0.96 g/cm3之间;粘度都在20 s左右,浆液的流动性适当;pH值在8左右,均呈弱碱性。同时失水量较小,泥皮厚度在0.3 mm左右,胶结性能较好。失水量较小,泥皮厚度增加。微泡剂掺量在1%~4%较为合适。

2.3 封堵剂+微泡剂

通过对不同沥青的冲洗液试验看出,乳化沥青的胶结性能较好,同时在浆液中也易于分散,采用的微泡剂粘度适当,并且流动性较好。因此将封堵剂和微泡剂相结合,即采用的乳化沥青和WH型微泡剂按照不同的加量配比,在基浆的基础上进行试验,获得的不同加量配比下的冲洗液性能如表4所示。

表4 基浆加不同掺量封堵剂和微泡剂配方指标
Table 4 Performance index of base flushing fluid with different dosage of formation sealant and microfoam
冲洗液配方性能指标
密度ρ/(g•cm-3)漏斗粘度FV/sAPI滤失量/mL泥皮厚度/mmpH值
清水+5%Ⅱ型膨润土+0.25%4381+0.7%乳化沥青+1%WH型微泡剂 1.02 20.4 22 0.5 8
清水+7%Ⅱ型膨润土+0.25%4381+0.7%乳化沥青+1%WH型微泡剂 1.08 29 30 0.3 8
清水+9%Ⅱ型膨润土+0.25%4381+0.7%乳化沥青+1%WH型微泡剂 1.13 40 37 0.3 9

通过试验可以看出,钠质膨润土加量在5%~9%,密度在1.02~1.13 g/cm3之间,粘度在20~40 s之间,pH值在8左右,呈弱碱性,并且泥皮厚度增加。但是随着钠土掺量增加,冲洗液的粘度显著提升,失水量也随之增加,因此选择5%的钠质膨润土掺量作为基础液比较合适。

2.4 增粘剂

在青藏高原复杂地层钻进过程中,为了提高钻孔冲洗液的携粉能力以及改善冲洗液的流变性,提高松散、破碎地层的孔壁稳定性,往往需要添加适量增粘剂,通常增粘剂也具有一定的降失水效果。增粘剂种类较多,本实验选用CMC聚合物作为增粘剂。CMC为纤维素经过烧碱处理,再在一定温度下与氯乙酸钠进行醚化反应后老化干燥制成的聚合物。由于其较高的聚合度,在水溶液中粘度较高,能较大幅度提高冲洗液体系的粘切

23。此外,由于CMC长链分子中的羟基与醚氧基能与钠土颗粒边缘处的 Al3+之间形成配位键使其吸附在钠土表面,从而提高了钠土颗粒的聚结稳定性,有利于形成致密的泥饼,降低体系的滤失24-25。在选用的封堵剂和微泡剂基础上,结合CMC聚合物进行增粘性试验,以增强材料的胶结能力,具体配方及性能指标如表5所示。

表5 基浆加不同掺量外加剂配方指标
Table 5 Performance index of base flushing fluid with different dosage of admixtures
冲洗液配方性能指标

密度ρ/

(g•cm-3)

漏斗粘度

FV/s

API滤失

量/m

泥皮厚度/

mm

pH值
基浆+0.7%乳化沥青+1%WH型微泡剂+0.1%CMC 1.02 20 22 0.3 8
基浆+0.7%乳化沥青+1%WH型微泡剂+0.2%CMC 1.022 20.3 20 0.3 8
基浆+0.7%乳化沥青+1%WH型微泡剂+0.3%CMC 1.025 21 18 0.3 8
基浆+0.7%乳化沥青+1%WH型微泡剂+0.4%CMC 1.027 21.5 18 0.3 8
基浆+0.7%乳化沥青+1%WH型微泡剂+0.5%CMC 1.03 22 14 0.2 8

根据试验可以看出,CMC 聚合物作为增粘剂具有较强增粘作用,降失水效果好。

在青藏高原复杂地层进行地质钻探,遇到垮孔严重、浆液漏失的地层,应从控制失水量和提高流动性来考虑,冲洗液配方可以选用:清水+5%钠质膨润土+0.25%4381+0.7%乳化沥青+1%WH型微泡剂+0.2%~0.5%CMC。

3 结论

(1)青藏高原复杂地层具有松散破碎、高压高应力、断层发育等特点。在青藏高原复杂地层钻探中经常遇到孔内坍塌、浆液漏失、钻孔缩径、卡钻、埋钻等问题,实现复杂地层顺利钻进宜采用超低固相冲洗液,同时具有良好的流变性、防塌性和润滑性能,并且绿色、环保,对生态环境无影响。

(2)目前模块化设计、质量轻体积小、易搬运的便携式钻机在青藏高原地区的地质钻探中得到推广应用,同时与之配套使用的冲洗液属于防塌系列,具有润滑减阻、抑制缩径的功能。但是在复杂地层钻探中形成的胶结能力较差,携岩粉能力较弱。

(3)通过室内试验对比,研发了低固相聚合物新型冲洗液,该冲洗液以钠质膨润土和微泡剂等外加剂为基础,并结合英格尔便携式钻机的配套泥浆,该冲洗液的优化配方为:清水+5%钠质膨润土+0.25%4381+0.7%乳化沥青+1%WH型微泡剂+0.2%~0.5%CMC。研发的该新型冲洗液流动性好、胶结能力强,并且滤失量适中,适宜在青藏高原复杂地层地质钻探中使用。

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