摘要
广西苗儿山地区铀矿找矿潜力巨大，但局部地区地层复杂，存在大厚度水敏性地层及破碎地层，钻探施工中频繁遇到孔壁坍塌及钻孔超径等难题，导致孔内事故频发，严重影响施工进度。因此，对该地区水敏性岩心进行了矿物成分和微观特征分析，分析结果表明水敏性地层含有大量蒙脱石、高岭石、水云母等粘土矿物，且微裂隙发育，水化膨胀严重。针对以上问题，通过室内实验评价，优选了新型成膜护壁材料，进一步研制了护壁性良好的成膜护壁冲洗液体系，其最优配方为：5%成膜A剂+3%成膜B剂+1.5%改性沥青+1%随钻堵漏剂+1%封堵剂+0.6%增粘剂+0.2%包被剂。该冲洗液API滤失量为5~8 mL，相对膨胀降低率达到87%以上，可有效抑制水敏性岩心水化膨胀，护壁效果明显。该技术在苗儿山地区3个试验钻孔成功应用，顺利钻穿水敏性地层，未发生岩心分散、孔壁坍塌等问题，取得了良好的应用效果，初步形成了针对该地区水敏性地层的成膜护壁冲洗液技术。
广西苗儿山地区是我国南方硬岩热液型铀矿主要富集成矿区，近年在苗儿山地区陆续发现了沙子江、向阳坪、白毛冲等多个铀矿床。由于找矿成果好，投入的钻探工作量也随之增加，对钻探质量和钻进效率要求也越来越高。然而在钻探施工过程中，经常遇到大厚度水敏性地层，钻进时极易垮孔或超径，钻具下放受阻，反复起下钻扫孔，甚至发生卡埋钻事故，导致钻孔报废。为解决此类问题，采取了如下套管护壁、膨润土泥浆护壁、水泥封孔护壁等措施，仍无法解决垮孔超径难题，严重影响了施工进度。针对该地区钻探施工过程中的垮孔超径难题，本文开展了垮孔超径机理分析和新型成膜护壁冲洗液体系研究，并应用于施工钻孔，有效解决了水敏性地层垮孔超径难题。
广西苗儿山地处花岗岩地区，主要岩性为中粗粒似斑状黑云母花岗岩、中细粒二云母花岗岩。工作区断裂构造极为发育，主要由SN、EW、NE和NNE向4组断裂构成本区的基本构造格
图1 苗儿山铀矿床构造简图
Fig.1 Structural diagram of Miaoershan uranium deposit
图2 水化后的水敏性地层岩心
Fig.2 Water sensitive formation core after hydration
工作区存在大厚度水敏性地层，由于普通冲洗液的性能达不到护壁要求，孔壁吸水膨胀松散，频繁发生垮孔和超径（“大肚子”）问题，造成钻具下放受阻，需反复扫孔，甚至发生埋钻或卡钻事故，严重的导致钻孔报废。虽然采取了相应措施，如下套管、水泥封孔、膨润土泥浆护壁等，但由于地层过于复杂，套管不能下到底，水泥凝固强度低或不凝固，泥浆护壁效果差，不能很好地解决孔壁频繁坍塌问题，严重影响施工进度和钻进效率。
| 年度 | 报废工作量/m | 占年度工作量比例/% | 年度工作量/m | 延误工期/d |
|---|---|---|---|---|
| 2020 | 2100 | 14.0 | 15000 | 85 |
| 2021 | 770 | 4.8 | 16000 | 47 |
| 2022 | 580 | 3.2 | 18000 | 32 |
| 合计 | 3450 | 7.0 | 49000 | 164 |
从
从现场不同钻孔采集了15个水敏性蚀变地层的岩心样品，进行岩石矿物成分分析，结果见
| 孔号 | 取样深度/m | 蒙脱石/% | 高岭石/% | 微斜长石/% | 水云母/% | 石英/ % |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ZK4-28-2 | 61 | 40 | 20 | 6 | 23 | 11 |
| ZK4-28-2 | 473 | 24 | 14 | 20 | 18 | 24 |
| ZK7-41-1 | 283 | 67 | 8 | - | 17 | 8 |
| ZK7-41-1 | 288 | 30 | 21 | - | 49 | - |
| ZK7-41-1 | 512 | 76 | 16 | - | 8 | - |
| ZKD80-8 | 385 | 54 | 26 | - | 20 | - |
| ZKD80-8 | 386 | 74 | 10 | - | 16 | - |
| ZKD80-8 | 390 | 85 | 4 | - | 11 | - |
| ZKD80-8 | 466 | 63 | 23 | - | 14 | - |
| ZK6-37-1 | 277 | 52 | 17 | - | 17 | 14 |
| ZK6-37-1 | 290 | 49 | 15 | - | 12 | 24 |
| ZK6-37-1 | 295 | 70 | 7 | 7 | 9 | 7 |
| ZK7-49-2 | 405 | 18 | 16 | 12 | 18 | 36 |
| ZK7-49-2 | 435 | 17 | 15 | 14 | 7 | 47 |
| ZK7-49-2 | 563 | 23 | 15 | 11 | 13 | 38 |
| 平均含量 | 49.5 | 15.1 | 4.7 | 16.8 | 13.9 | |
由
对岩心进行了光学显微成像和扫描电镜背散射成像（见
图3 岩心微观成像照片
Fig.3 Microscopic imaging photos of rock cores
根据岩样成分及微观形貌结果，结合钻进过程原理，分析认为孔壁失稳原因如下：
（1）水敏性地层岩心中含有大量蒙脱石、高岭石和水云母等粘土矿物，蒙脱石易吸水膨胀分散和造浆，而高岭石和水云母遇水易分散剥落，是孔壁失稳的主要原因。
（2）地层裂隙极发育，岩心表面及内部存在大量微裂隙和孔洞，是良好的毛细管通道，冲洗液中的水分子进入毛细管产生的压力使岩层骨架遭受破坏；同时蒙脱石因表面水化和离子水化作用而崩解，地层抗剪切强度下降，孔壁周围闭圈应力提高，导致孔壁岩石崩散脱落。
（3）频繁起下钻产生的抽汲作用使得水敏性地层及破碎地层的孔壁进一步失稳，冲洗液冲蚀作用也加剧了孔壁的不稳定性，导致孔壁失稳垮塌。
水敏性地层稳定性差，是钻探行业的难点地层，极易发生地层分散剥落导致垮孔超径现象。通过选用优质的防塌护壁冲洗液，可降低水化作用影响，强化孔壁，提高钻孔稳定周期。采用护壁冲洗液的对策如下：
（1）提高冲洗液护壁性能，降低水化作用影响，包括：严格控制冲洗液滤失量；提高冲洗液的抑制性能，可采取添加强抑制剂、高分子聚合物、提高冲洗液矿化度等措施。
（2）快速封堵裂隙或孔隙，强化孔壁。向冲洗液中添加不同颗粒级别的封堵性材料，快速封堵裂缝、裂隙或孔隙，形成致密保护膜，降低孔壁的渗透率，以阻止大量自由水进入地层；加入具有较强粘接性的材料，强化颗粒或碎块之间的胶结，提高孔壁岩体的机械强度。
（3）适当提高冲洗液粘度和密度，同时控制冲洗液上返速度，降低冲洗液对孔壁的冲蚀作用，使孔壁处于力学稳定状态。
（4）合理设计，规范操作。尽可能增大环空间隙，避免高粘度、高密度带来较大的环空压力以及提钻时较大的抽汲力，以防地层被压漏和诱发孔壁坍塌。薄弱孔段，避免带内管提钻，以降低提钻抽汲力。
冲洗液研究的关键是材料优选及配方优化。首先优选具有良好成膜性和粘接性的冲洗液材料，其次通过优化配方取得良好的冲洗液性能参数。
通过对水敏性岩心样品岩性及微观分析，查阅相关文献资料和相似地层施工案例，选择新型成膜护壁冲洗液体
通过文献调研选取不同种类的降滤失剂、增粘剂及防塌剂等材料，开展室内实验优选各材料及其加量，优选的材料加量及作用见
| 材料名称 | 加量/% | 作用 |
|---|---|---|
| 成膜A剂（GCM-A） | 3~7 | 具有强成膜特性，隔水性好，抑制水化膨胀与分散作用强 |
| 成膜B剂（GCM-B） | 1~3 | 具有强成膜特性，粘结性和隔水性好，进一步强化膜效应 |
| 改性沥青（GLA） | 0.5~1.5 | 具有封堵降低渗透率和软化粘结的防塌作用 |
| 随钻堵漏剂（GPC） | 1~2 | 用于封堵孔隙或裂隙，强化孔壁 |
| 封堵剂（GFD） | 1~3 | 用于封堵微孔隙或微裂隙，强化孔壁 |
| 增粘剂（GTQ） | 0.4~0.8 | 具有提高粘度和切力、降低失水的作用 |
| 包被剂（BBJ） | 0.1~0.3 | 具有包被和适度絮凝作用 |
| 纯碱（Na2CO3） | 0.1~0.2 | 调节冲洗液的pH值 |
该冲洗液滤失量低、成膜性好，可通过强抑制性材料来降低冲洗液对地层的水化作用影响，采用强粘接性和封堵性材料来强化孔壁，从而延长孔壁的稳定周
根据各冲洗液材料加量范围，除纯碱按照0.2%加量以外，其它7种材料各取3种不同的加量进行七因素三水平正交实验，确定最佳配方。
针对各个材料的加量范围，选定各材料的3种加量见
| 材料名称 | 加量1/% | 加量2/% | 加量3/% |
|---|---|---|---|
| 成膜A剂（GCM-A） | 3 | 5 | 7 |
| 成膜B剂（GCM-B） | 1 | 2 | 3 |
| 改性沥青（GLA） | 0.5 | 1 | 1.5 |
| 随钻堵漏剂（GPC） | 1 | 1.5 | 2 |
| 封堵剂（GFD） | 1 | 2 | 3 |
| 增粘剂（GTQ） | 0.4 | 0.6 | 0.8 |
| 包被剂（BBJ） | 0.1 | 0.2 | 0.3 |
根据正交实验原理，设计正交实验共计18组，见
| 材料名称 | 成膜A剂/% | 成膜B剂/% | 改性沥青/% | 随钻堵漏剂/% | 封堵剂/% | 增粘剂/% | 包被剂/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 配方1 | 3 | 1 | 0.5 | 1 | 1 | 0.4 | 0.1 |
| 配方2 | 3 | 2 | 1 | 1.5 | 2 | 0.6 | 0.2 |
| 配方3 | 3 | 3 | 1.5 | 2 | 3 | 0.8 | 0.3 |
| 配方4 | 5 | 1 | 0.5 | 1.5 | 2 | 0.8 | 0.3 |
| 配方5 | 5 | 2 | 1 | 2 | 3 | 0.4 | 0.1 |
| 配方6 | 5 | 3 | 1.5 | 1 | 1 | 0.6 | 0.2 |
| 配方7 | 7 | 1 | 1 | 1 | 3 | 0.6 | 0.3 |
| 配方8 | 7 | 2 | 1.5 | 1.5 | 1 | 0.8 | 0.1 |
| 配方9 | 7 | 3 | 0.5 | 2 | 2 | 0.4 | 0.2 |
| 配方10 | 3 | 1 | 1.5 | 2 | 2 | 0.6 | 0.1 |
| 配方11 | 3 | 2 | 0.5 | 1 | 3 | 0.8 | 0.2 |
| 配方12 | 3 | 3 | 1 | 1.5 | 1 | 0.4 | 0.3 |
| 配方13 | 5 | 1 | 1 | 2 | 1 | 0.8 | 0.2 |
| 配方14 | 5 | 2 | 1.5 | 1 | 2 | 0.4 | 0.3 |
| 配方15 | 5 | 3 | 0.5 | 1.5 | 3 | 0.6 | 0.1 |
| 配方16 | 7 | 1 | 1.5 | 1.5 | 3 | 0.4 | 0.2 |
| 配方17 | 7 | 2 | 0.5 | 2 | 1 | 0.6 | 0.3 |
| 配方18 | 7 | 3 | 1 | 1 | 2 | 0.8 | 0.1 |
通过室内实验，按照正交实验设计的18组冲洗液配方配制冲洗液，进行常规性能评价分析，其结果见
| 序号 | 密度/ （g·c | 漏斗 粘度/ s | 表观 粘度/ （mPa·s） | 塑性 粘度/ （mPa·s） | 动切力/Pa | API滤失量/mL |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 配方1 | 1.04 | 22 | 20 | 15 | 5 | 6.8 |
| 配方2 | 1.05 | 25 | 22 | 17 | 5 | 7.5 |
| 配方3 | 1.05 | 33 | 29 | 22 | 7 | 5.2 |
| 配方4 | 1.05 | 34 | 31 | 23 | 8 | 7 |
| 配方5 | 1.06 | 23 | 21 | 16 | 5 | 5.6 |
| 配方6 | 1.06 | 22 | 20 | 17 | 6 | 5 |
| 配方7 | 1.06 | 26 | 24 | 18 | 6 | 4.8 |
| 配方8 | 1.07 | 30 | 26 | 19 | 7 | 5.2 |
| 配方9 | 1.07 | 24 | 21 | 16 | 5 | 4 |
| 配方10 | 1.04 | 24 | 22 | 17 | 5 | 7.8 |
| 配方11 | 1.05 | 32 | 29 | 22 | 7 | 7.5 |
| 配方12 | 1.05 | 24 | 23 | 17 | 6 | 7.6 |
| 配方13 | 1.05 | 35 | 31 | 23 | 8 | 7 |
| 配方14 | 1.06 | 23 | 22 | 16 | 6 | 6 |
| 配方15 | 1.06 | 25 | 23 | 17 | 6 | 5.8 |
| 配方16 | 1.06 | 23 | 21 | 17 | 4 | 4.9 |
| 配方17 | 1.07 | 32 | 28 | 23 | 5 | 4.8 |
| 配方18 | 1.07 | 33 | 29 | 23 | 6 | 5.1 |
根据正交实验配方性能评价结果，以API滤失量参数为主，同时结合各材料不同加量时性能对比情况进行配方优化调整，最终优选出新型成膜冲洗液配方为6号：水+0.2%纯碱+5%成膜A剂+3%成膜B剂+1.5%改性沥青GLA+1%随钻堵漏剂GPC+1%封堵剂GFD+0.6%增粘剂GTQ+0.2%包被剂BBJ。
将现场采取的岩心样品压制成型，使用页岩膨胀量测定仪测定岩心样品在蒸馏水、普通膨润土冲洗液及成膜防塌无固相冲洗液中的膨胀量，计算不同冲洗液测得的膨胀量与水对比的膨胀量降低率，结果见
| 项目 | 抑制膨胀性能 | |
|---|---|---|
| 6 h膨胀量/mm | 相对膨胀降低率/% | |
| 蒸馏水 | 5.68 | - |
| 普通膨润土冲洗液 | 3.96 | 30 |
| 成膜防塌无固相冲洗液 | 0.73 | 87 |
从
采取水敏性地层的岩心样品，分别使用清水、膨润土泥浆及成膜冲洗液对岩心进行浸泡试验，浸泡试验结果见
图4 岩心样品在不同冲洗液中浸泡照片
Fig.4 Soaking photos of rock core samples in
different washing solutions
浸泡试验表明，岩心样品在清水中浸泡后快速分散，5 min后基本全部分散剥落；采用膨润土泥浆浸泡1 h后变得极其松软，并且开始逐渐剥落；采用成膜冲洗液浸泡24 h的岩心则依然保持形状完整，且岩块表面形成具有一定强度的薄膜，岩块强度明显提高。实验结果证明：成膜冲洗液具有较强的成膜隔水作用，可有效保护岩心及孔壁稳定。
因此，该冲洗液具有良好的流变性能、强抑制性能和低滤失量。
为了验证新型成膜护壁冲洗液的效果，在苗儿山大厚度水敏性地层选取易塌孔区域的3个钻孔进行了现场试验。3个钻孔全孔采用新型成膜护壁冲洗液钻进，均顺利钻穿了大厚度水敏性地层，取得了良好的应用效果。
以ZK7-49-2号钻孔为例，该孔历时27天，终孔孔深742.65 m，台月效率825.17 m。根据地质编录数据统计，该孔水敏性地层累计厚度达到397.68 m，占全孔深度的53.54%。由于使用了成膜护壁冲洗液，在钻进过程中未出现垮孔或超径现象，起下钻通畅，钻进顺利，取出的水敏性岩心不膨胀分散，始终保持完整状态。
使用新型成膜护壁冲洗液钻进的钻孔，在各方面取得了理想的效果，具体表现在以下几个方面。
从岩心对比图（
图5 成膜冲洗液使用前后采取的岩心
Fig.5 Core samples taken before and after the
use of film‑forming drilling fluid
在水敏性地层中钻进，与使用普通PHP冲洗液和膨润土泥浆的钻孔对比（见
| 冲洗液类型 | 钻孔编号 | 孔深/m | 施工周期/d | 台月效率/m | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| PHP冲洗液 | ZK7-45-1 | 631.60 | 72 | 263.17 | 发生垮孔5次，后埋钻事故处理不成功，重新开孔 |
| ZK7-49-1 | 472.92 | 59 | 240.06 | 发生垮孔6次，封水泥护壁6次 | |
| ZK7-41-1 | 526.38 | 49 | 322.93 | 发生垮孔4次 | |
| 小计 | 1630.90 | 60 | 271.82 | ||
| 膨润土泥浆 | ZK6-19-1 | 559.30 | 30 | 559.30 | 发生垮孔3次 |
| ZK6-15-3 | 640.30 | 35 | 547.26 | 发生垮孔3次 | |
| 小计 | 1199.6 | 33 | 552.81 | ||
| 成膜冲洗液 | ZK6-37-1 | 580.50 | 21 | 829.29 | 未发生垮孔事故 |
| ZK7-49-2 | 742.65 | 27 | 807.23 | 未发生垮孔事故 | |
| ZK6-38-1 | 757.20 | 25 | 908.64 | 未发生垮孔事故 | |
| 小计 | 2080.35 | 24 | 854.94 |
由
使用成膜冲洗液钻孔事故率低，成孔率高。使用普通冲洗液的钻孔多次发生垮孔埋钻事故，甚至钻孔报废，垮孔次数远多于使用成膜冲洗液的钻孔，导致钻进效率非常低。
与普通冲洗液相比，成膜冲洗液具有良好的流变性，既能满足携砂要求，同时又能使冲洗液中的岩屑在地表较好地沉降（
图6 冲洗液携带出来的岩粉
Fig.6 Rock powder carried out by drilling fluids
在使用成膜冲洗液之前，工区钻探一直使用清水+聚丙烯酰胺（PHP）冲洗液或膨润土泥浆。对膨润土泥浆和成膜冲洗液性能参数分别进行了测试，结果如
| 冲洗液类型 | 漏斗粘度/s | 密度/（g·c | API滤失量/mL | 泥皮厚度/mm | 泥皮质量 | pH值 | 含砂量/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 成膜冲洗液 | 21~30 | 1.03~1.06 | 5~8 | 0.2 | 致密，薄韧 | 11~13 | 1~2 |
| 膨润土泥浆 | 30~50 | 1.03~1.06 | 12~18 | 1~2 | 松软，厚 | 7~9 | 1~3 |
图7 膨润土与成膜冲洗液泥皮照片对比
Fig.7 Comparison of photos of bentonite and film forming rinsing liquid mud skin
对比成膜冲洗液和膨润土泥浆性能参数可以看出，成膜冲洗液的性能稳定，粘度和密度适中，具有滤失量低的显著特点，且能在孔壁表面形成一层保护膜，成膜质量好，可有效减少水分子进入地层中，降低水化作用对水敏性地层的影响，从而有效地保护孔壁的稳定。
（1）苗儿山地区水敏性地层含有大量蒙脱石（含量49.5%），且岩石表面及内部微米级裂隙和孔洞发育，是导致孔壁失稳的主要原因。钻进中遇到孔壁坍塌、超径、卡埋钻等问题是由水敏性岩心水化膨胀及分散引起，微裂隙通道加剧了自由水的渗入和粘土矿物水化膨胀。
（2）针对工作区大厚度水敏性地层钻进孔壁失稳难题，经过材料优选、配方优化和性能评价，最终确定的冲洗液配方为：水+0.2%纯碱+5%成膜A剂+3%成膜B剂+1.5%改性沥青GLA+1%随钻堵漏剂GPC+1%封堵剂GFD+0.6%增粘剂GTQ+0.2%包被剂BBJ。
（3）通过新型成膜冲洗液的研究及应用，证明了成膜冲洗液具有良好的抑制性能、防塌护壁性能及流变性能，可有效解决水敏性地层钻进过程中的垮孔或超径难题，保证钻孔高效安全钻进。
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