摘要
针对磷石膏地层水平孔钻探工程存在松散磷石膏层孔壁坍塌、磷石膏遇水分散影响取心质量、冲洗液受钙侵导致其性能恶化以及钻孔轨迹控制困难等技术难题，同时满足绳索取心钻进工艺要求，室内针对性地开展了冲洗液技术研究，分析了磷石膏地层水平孔钻进对冲洗液性能的要求，并在室内处理剂优选、配方优化的基础上，研发了钙基成膜环保冲洗液体系，并成功应用于贵州某磷石膏矿尾矿库中的水平孔钻探工程。室内试验及现场应用结果表明，该体系具有良好的抗钙侵能力，滤失量低，流变性能相对稳定；能够在岩心表面形成相对坚固的保护膜，强化磷石膏孔壁，有效预防孔壁坍塌；保护岩心免受冲洗液侵蚀，提高了取心质量。此外，该体系由无毒和易降解的环保材料组成，具有良好的环保性能。
关键词
磷石膏是磷矿通过湿法生产磷酸或磷肥类产品过程中产生的固体废渣，其主要成分是二水硫酸钙，以及少量未完全分解的磷矿、残留的磷酸以及氟化物等。商洛西北有色七一三总队有限公司承担了贵州某磷矿尾矿库（磷石膏库）水平孔勘察项目，要求全孔取心，施工中将面临石膏污染冲洗液、孔壁坍塌、孔壁冲蚀扩径等诸多技术难
磷石膏的主要成分为CaSO4·2H2O。钻进过程中，CaSO4会不断侵入到冲洗液中。虽然CaSO4的溶解度不高，但能提供一定数量的C
（1）使无固相（不含粘土相）冲洗液的粘度显著降低，导致冲洗液的悬浮与携带能力大幅度降低，对松软地层孔壁的冲蚀作用显著增大，易引起沉砂卡钻或断钻杆等孔内事故。
（2）使含粘土相的冲洗液粘度、切力快速提高，冲洗液流动性变差，使得钻孔清洁度变差，易引起粘附卡钻；绳钻钻杆内壁结垢严重，影响岩心管打
（3）使冲洗液的滤失量显著增大，大量的水进入地层，严重影响孔壁稳定。
尾矿库中的磷石膏是经过堆积、碾压在一起的，因此该磷石膏层具有结构松散、强度低、渗透性强的特点，遇水极易分散成碎末或碎块（见
图1 磷石膏岩心经水浸泡前后的状态
Fig.1 State of phosphogypsum core before and after
immersion in water
在松散的磷石膏地层中，采用绳索取心钻进工艺施工水平孔，易产生以下问
（1）水平孔钻进，冲洗液中岩屑的重力下沉方向与冲洗液流动方向不在一条直线上，其合速度方向指向下部孔壁，再加上岩屑沉降距离短，易在下部孔壁形成岩屑沉积床。若冲洗液悬浮与携岩能力差，极易在孔壁形成岩屑床，造成旋转扭矩和提拉阻力增大；冲洗液粘度升高，又会引起泵压急剧升高和钻杆内壁结垢。
（2）无垂深水平孔的孔壁更易坍塌。其主要原因：磷石膏层本身结构松散、强度低，上孔壁的磷石膏在重力作用下很容易下落；磷石膏层渗透性强，冲洗液侵入石膏后，滤失量的大幅度提高使得冲洗液中的水大量进入石膏层，导致孔壁强度进一步降低；无垂深的水平孔，当冲洗液停止循环时，其上孔壁的液柱支撑力几乎为零，孔壁处于力学不平衡状态。
磷石膏层水平孔钻进所使用的冲洗液必须保证井眼清洁和解决孔壁失稳问题，同时还应考虑绳索取心钻进钻杆内壁结垢以及环保等问题，因此要求冲洗液具有：
（1）良好的抗钙侵能力，当硫酸钙侵入后冲洗液仍能维持性能稳定。
（2）良好的井眼净化能力。具有合理的静切力和动切力，并使冲洗液在低剪切速率下具有适当的粘度，以维持冲洗液良好的悬浮、携带能力。
（3）较强的封堵性，能有效地强化孔壁，并避免大量自由水进入到地层，以防止孔壁坍塌。
（4）合理的冲洗液粘度，既要避免冲洗液过度冲蚀孔壁，又要有利于环空压力控制和预防钻杆内壁结泥皮。
（5）良好的减摩降阻性能。
（6）良好的环保性能，避免污染环境。
针对磷石膏地层存在的问题，为满足磷石膏层水平孔钻探对冲洗液的性能要求，提高冲洗液体系抗污染能力，在现有适用于松散地层和强水敏性地层的成膜冲洗液研究基础
为了达到体系性能要求，需选择合适的增粘剂、防塌剂、降滤失剂及封堵剂
通过大量的室内试验，最终优选出6种材料，其名称、常用加量范围及作用等见
| 名 称 | 代号 | 常用加量/% | 主要成分与作用 | 环保性 |
|---|---|---|---|---|
| 抗盐共聚物 | GTQ | 0.3~1.0 | 天然高分子聚合物改性产品，提高冲洗液粘度和切力，抗盐、钙等污染能力强 | 无毒，易降解 |
| 成膜B剂 | GCM-B | 1.0~5.0 | 低分子量成膜树脂，提高胶结性，强化孔壁 | 较易降解 |
| 降滤失剂 | GLCM | 0.1~0.5 | 纤维素衍生物，降低冲洗液滤失量 | 无毒，易降解 |
| 植物胶 | GZWJ | 0.5~2.0 | 植物胶，降低冲洗液滤失量，并提高冲洗液的封堵性能 | 无毒，易降解 |
| 包被剂 | GBBJ | 0.1~0.3 | 聚丙烯酰胺类，包被、絮凝岩粉，调节冲洗液流型 | 易降解 |
| 封堵剂 | GFD-1 | 1.0~3.0 | 无机矿物，提高冲洗液的封堵性能 | 无毒 |
成膜B剂是孔壁稳定的关键处理剂，不同加量情况下对磷石膏岩心的浸泡效果不同。室内通过在冲洗液中加入不同加量的成膜B剂，观察所对应冲洗液对磷石膏岩心的浸泡效果，以此确定成膜B剂的加量，试验结果见
| 成膜B剂加量/% | 浸泡前后岩心状态 | 浸泡后 变化情况 | |
|---|---|---|---|
| 浸泡前 | 浸泡2 h后 | ||
| 1 |
 |
 | 岩心块变小、变薄，杯底有粉末 |
| 2 |
 |
 | 岩心块大小未变，但明显变软 |
| 3 |
 |
 | 岩心块大小不变，表面致密，手感明显感觉变硬 |
从
为了控制冲洗液各项性能指标在合理范围内，室内采用正交试验法开展冲洗液体系配方优化，确定了钙基成膜环保冲洗液的配方，具体为：
淡水+0.4%~0.8%抗盐共聚物（GTQ）+0.2%~0.5%降滤失剂（GLCM）+0.5%~1.5%植物胶（GZWJ）+0.1%~0.3%包被剂（GBBJ）+2.0%硫酸钙+2.0%~3.0%成膜B剂+1.0%~3.0%封堵剂（GFD-1）。
以配方“水+0.4% GTQ+0.3% GLCM+1.0% GZWJ+0.2% GBBJ+2% CaSO4+3.0%成膜B剂+1.0% GFD-1”配制的钙基成膜环保冲洗液为例，评价其常规性能、抗钙侵性能及对磷石膏岩心块的浸泡效果。
以不加成膜B剂的普通钙基冲洗液作为参比冲洗液，按配方“水+0.4% GTQ+0.3% GLCM+1.0% GZWJ+0.2% GBBJ+2.0% CaSO4+1.0% GFD-1”配制。
采用六速旋转粘度计和中压滤失仪测试冲洗液的性能，试验结果见
| 冲洗液名称 | 表观粘度/(mPa·s) | 动塑比/[Pa/(mPa·s)] | 静切力/Pa | API滤失量/mL | 泥皮厚度 /mm | pH值 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 s | 10 min | ||||||
| 钙基成膜冲洗液 | 18.5 | 0.43 | 2.0 | 3.0 | 9.5 | 0.1 | 10 |
| 普通钙基冲洗液 | 15.5 | 0.73 | 2.0 | 2.5 | 10 | 0.1 | 10 |
从
为了评价冲洗液的抗钙侵性能，向钙基成膜环保冲洗液中加入不同质量的硫酸钙，采用六速旋转粘度计和中压滤失仪测试冲洗液的性能，试验结果见
| CaSO4加量/% | 表观粘度/（mPa·s） | 动塑比/[Pa/(mPa·s)] | 静切力/Pa | API滤失量/mL | 泥皮厚度/mm | pH值 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 s | 10 min | ||||||
| 0 | 18.5 | 0.43 | 2.0 | 3.0 | 9.5 | 0.1 | 10 |
| 2 | 18.5 | 0.44 | 2.0 | 2.5 | 9 | 0.1 | 10 |
| 4 | 17.5 | 0.46 | 2.0 | 2.5 | 8 | 0.1 | 10 |
从
试验钻孔位于贵州某磷矿区，设计深度530 m，实际完钻深度530.1 m，全孔采用绳索取心钻进工艺施工。
该孔二开孔身结构完钻。采用Ø122 mm开孔至孔深4.5 m，下入Ø114 mm套管；一开采用Ø95 mm绳索取心钻进至180 m，下入Ø91 mm套管；二开采用Ø75 mm绳索取心钻进至530.1 m终孔。
现场首先按照配方“水+0.4%GTQ+0.3%GLCM+1.0%GZWJ+0.2%GBBJ+1.0%GFD-1”配制普通钙基冲洗液，并采用该冲洗液进行钻进。但是发现取出的岩心比较松软，甚至岩心表面出现严重脱落（见
图3 使用普通钙基冲洗液取出的岩心及岩心表面脱落情况
Fig.3 Core taken with calcium‑based environment‑friendly
flushing fluid and its surface shedding
钙基成膜环保冲洗液使用过程中，由于磷石膏粉的不断侵入，冲洗液粘度会有所提高，通过补充新浆或配制胶液稀释原有冲洗液，使冲洗液的漏斗粘度（苏式漏斗）维持在30~40 s，滤失量≤10 mL/30 min；当发现岩心变化时，进行岩心浸泡试验，若发现岩心浸泡后的效果变差，通过现场小样试验确定成膜B剂的加量，并及时向冲洗液中补加所需的成膜B剂数量。施工过程中，成膜B剂的加量维持在3%~5%。
采用钙基成膜环保冲洗液体系顺利完成了一个孔深530.1 m的磷石膏层水平孔，现场应用表明：
（1）冲洗液具有良好的护壁性能。施工过程中没有出现孔壁坍塌现象，并且取出的岩心表面坚硬、光滑（见
图4 钙基成膜环保冲洗液在390 m处取出的岩心
Fig.4 Core taken with calcium‑based film‑forming environment‑friendly drilling fluid
（2）与普通钙基冲洗液取出的岩心（见
（3）冲洗液具有良好的流变性能，满足水平孔钻进岩粉携带需求。
（4）冲洗液抗钙侵能力强，使用过程中冲洗液性能较稳定。
（5）与采用普通钙基冲洗液相比，钙基成膜环保冲洗液能在孔壁表面形成保护膜，改善了孔壁强度，有助于钻孔轨迹控制。
（1）针对磷石膏地层水平孔钻进面临的冲洗液关键技术难题，研发了钙基成膜环保冲洗液，该冲洗液的配方为：淡水+0.4%~0.8%增粘剂（GTQ）+0.2%~0.5%降滤失剂（GLCM）+0.5%~1.5%植物胶（GZWJ）+0.1%~0.3%包被剂（GBBJ）+2.0%硫酸钙+3.0%~5.0%成膜B剂+1.0%~3.0%封堵剂（GFD-1）。
（2）室内评价与现场应用表明钙基成膜环保冲洗液对松散磷石膏层具有显著的护壁和护心效果，其较强的抗石膏污染及悬浮携带能力，较好地满足了磷石膏地层水平孔施工对冲洗液的性能要求。
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