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《地質(zhì)與勘探雜志》2015年第五期

［摘要］

為解決現(xiàn)有瀝青類防塌劑軟化點(diǎn)高及較低溫度條件下潤(rùn)滑性差等問題，采用瀝青及石油樹脂等為主要原料，研制出軟化點(diǎn)30℃～60℃可調(diào)的防塌減阻劑GFT。室內(nèi)性能評(píng)價(jià)表明，GFT具有膠體穩(wěn)定性好、軟化點(diǎn)低、乳液粒徑小及潤(rùn)滑能力強(qiáng)等特點(diǎn)，而且與沖洗液配伍性強(qiáng)，不會(huì)明顯增加沖洗液的粘度，并能有效地降低沖洗液的濾失量。在淡水膨潤(rùn)土基漿中加入1%軟化點(diǎn)為46℃的防塌減阻劑，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)69%。經(jīng)在山東及安徽等地多個(gè)復(fù)雜地層鉆孔中現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明了防塌減阻劑GFT對(duì)松散破碎地層、見水易分散地層及硬碎地層具有良好的護(hù)壁效果，同時(shí)能較好地降低鉆具扭矩及摩擦阻力。

［關(guān)鍵詞］

孔壁穩(wěn)定防塌減阻劑低軟化點(diǎn)潤(rùn)滑性復(fù)雜地層隨著我國地質(zhì)找礦的深入，會(huì)大量鉆遇松散、破碎及遇水分散剝落等復(fù)雜地層。由于這些地層膠結(jié)性差、孔壁薄弱，易坍塌掉塊，鉆進(jìn)時(shí)要求沖洗液具有較強(qiáng)的粘接能力和封堵能力，即需要在沖洗液中加入防塌劑或護(hù)壁類材料，并適當(dāng)?shù)靥岣邲_洗液的密度。常用的防塌護(hù)壁類材料有腐植酸類(丁銳，1997)、瀝青類(McCrary，1983;DavisandTooman，1989;Labenski，2003;Liu，2013;Xiongetal.，2014)、聚合醇類(tonetal.，1994;呂開河，2004;李萬清等，2006)、硅酸鹽(Baileyetal.，1998;EIEs-sawyetal.，2004;Guoetal.，2006;McDonald，2012)、鋁絡(luò)合物(Labenski，2003;Maetal.，2012;Xiongetal.，2012;Zhangetal.，2013)、成膜樹脂(丁銳，1998;金軍斌等，2002)及碳酸鈣等。從防塌性能、沖洗液維護(hù)及經(jīng)濟(jì)性角度來看，瀝青類材料是提高松散破碎地層孔壁穩(wěn)定性的最佳防塌劑，其防塌機(jī)理是利用瀝青具有軟化變形的特性，當(dāng)孔內(nèi)溫度高于其軟化點(diǎn)時(shí)，瀝青顆粒開始軟化變形，粘接破碎巖塊及填充孔壁微裂縫，從而有效地封堵地層，保護(hù)孔壁。但是現(xiàn)有的瀝青類防塌劑軟化點(diǎn)高(大于80℃)，適用于地質(zhì)鉆探，這是因?yàn)槟壳暗刭|(zhì)鉆探鉆孔深度主要集中在1000m～2000m，按地層溫度3℃/100m計(jì)算，鉆孔孔底溫度不超過60℃。因此，急需研制適用于地質(zhì)鉆探的低軟化點(diǎn)瀝青防塌劑。本文以瀝青為主要原料，加入石油樹脂等作為瀝青軟化點(diǎn)調(diào)節(jié)劑，研制出具有低軟化點(diǎn)及良好潤(rùn)滑性能的防塌減阻劑(簡(jiǎn)稱GFT)。在山東及安徽等地進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，較好地解決了復(fù)雜地層孔壁失穩(wěn)問題取得了良好的效果。

1防塌減阻劑GFT的制備

以瀝青為原料，加入石油樹脂等軟化點(diǎn)調(diào)節(jié)劑，在110℃～130℃溫度下攪拌均勻后制得油相;將所需的乳化劑加入水中，加熱攪拌均勻后制得水相;在70℃～90℃溫度下將油相加入到水相中，待高速剪切一定時(shí)間后，即制得防塌減阻劑GFT。

2防塌減阻劑GFT的性能評(píng)價(jià)

2.1GFT的特點(diǎn)防塌減阻劑GFT為灰黑色水包油型乳液，易分散在水中，從其具體技術(shù)指標(biāo)(表1)可見，防塌減阻劑具有膠體穩(wěn)定性好及軟化點(diǎn)低的特點(diǎn)。

2.2GFT的粒度分布以軟化點(diǎn)為46℃的GFT為例，配制出1%GFT蒸餾水溶液，采用LA－950V2型(HORIBA)激光粒度儀測(cè)定其粒徑分布，測(cè)試結(jié)果見圖1所示。從圖1(a)可見:防塌減阻劑GFT乳液的粒徑主要集中在50μm以下，并在100～150μm之間有很少量分布;乳液液滴主要集中在3～7μm。總之，GFT的乳液粒徑分布集中，而且粒徑小，其平均粒徑僅為7.96μm。

2.3GFT在不同沖洗液中性能以軟化點(diǎn)為46℃的GFT為例，將其加入5%鈉基膨潤(rùn)土基漿中，測(cè)定在室溫及60℃老化16h再冷卻至室溫條件下GFT對(duì)基漿的粘度、濾失量及潤(rùn)滑性能的影響，具體結(jié)果見圖2～圖3。由圖2(a)可知，室溫下，隨著GFT用量增加，基漿的表觀粘度基本不變，而在60℃老化16h后，基漿的表觀粘度隨著GFT用量增加而緩慢增加。例如，基漿表觀粘度為9.5mPa•s，而加有3%GFT的基漿表觀粘度為10.5mPa•s。由圖2(b)可知，在室溫及經(jīng)60℃老化16h后，基漿的API濾失量均隨著GFT用量增加而逐漸降低。例如，室溫下，加有1%GFT的基漿API濾失量為13ml，而未加GFT的基漿API濾失量為16ml。這是因?yàn)樾×降腉FT乳液能很好地吸附在粘土顆粒表面，并在粘土顆粒間充填、粘結(jié)，從而形成薄而致密、低滲透率的泥皮，導(dǎo)致API濾失量降低。另外，在60℃長(zhǎng)時(shí)間老化后，促進(jìn)了基漿中的粘土分散及GFT在粘土顆粒表面的吸附，使得API濾失量進(jìn)一步降低。

圖3顯示，在室溫及經(jīng)60℃老化16h后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)均隨著GFT用量增加而顯著降低。但是當(dāng)GFT加量超過1.5%時(shí)，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)緩慢降低。另外，在60℃老化16h后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)略微增加，潤(rùn)滑性能相比于老化前略微降低。例如，室溫下基漿的潤(rùn)滑系數(shù)為0.49，而加有0.5%GFT的基漿潤(rùn)滑系數(shù)為0.20，其潤(rùn)滑系數(shù)降低率為59.2%;加有1%GFT的基漿在室溫及經(jīng)60℃老化16h后，其潤(rùn)滑系數(shù)分別為0.15及0.18，其潤(rùn)滑系數(shù)降低率分別為69.4%及65.3%。這是因?yàn)镚FT為水包油型乳液，液滴通過親水基團(tuán)吸附在金屬表面，并在其表面形成油膜，導(dǎo)致潤(rùn)滑系數(shù)降低。當(dāng)吸附在金屬表面的液滴達(dá)到飽和后，基漿的潤(rùn)滑系數(shù)基本保持不變。

為了探究防塌減阻劑對(duì)沖洗液性能的影響，以軟化點(diǎn)為46℃的GFT為例，將其加入到一種地質(zhì)鉆探常用的沖洗液———低粘增效粉沖洗液(低粘增效粉簡(jiǎn)稱LBM，為一種配漿材料，用其配制的沖洗液具有低粘、低切和低失水量的特點(diǎn))中，測(cè)定在室溫及60℃老化16h再冷卻至室溫條件下其對(duì)LBM沖洗液(4%LBM加入淡水中配制而成)的粘度、濾失量及潤(rùn)滑性能的影響，具體結(jié)果見圖4～圖5。圖4(a)顯示，室溫下，LBM沖洗液的表觀粘度隨著GFT用量增加基本不變。經(jīng)60℃老化16h后，LBM沖洗液的表觀粘度隨著GFT用量增加而緩慢增加。圖4(b)顯示，在室溫及經(jīng)60℃老化16h后，LBM沖洗液的API濾失量隨著GFT用量增加而逐漸降低，其濾失量降低機(jī)理與基漿濾失量降低機(jī)理類似。圖5顯示，在室溫及經(jīng)60℃老化16h后，隨著GFT用量增加，LBM沖洗液的潤(rùn)滑系數(shù)呈緩慢降低趨勢(shì)。例如，室溫下在LBM沖洗液中加入2.5%GFT，其潤(rùn)滑系數(shù)為0.22，其潤(rùn)滑系數(shù)降低率為18.5%。這是因?yàn)長(zhǎng)BM為聚合物改性鈉基膨潤(rùn)土產(chǎn)品，用其配制的沖洗液具有良好的潤(rùn)滑性能。當(dāng)GFT加入LBM沖洗液中，由于聚合物分子鏈上的羧基、羥基等基團(tuán)優(yōu)先吸附在金屬表面，導(dǎo)致GFT不能很好地吸附在金屬表面。因此，GFT不能明顯地提高LBM沖洗液的潤(rùn)滑性能。綜上所述，GFT加入基漿及LBM沖洗液后，不會(huì)明顯增加沖洗液的粘度，能較好地降低沖洗液的API濾失量及提高沖洗液的潤(rùn)滑性能。即使經(jīng)過60℃老化16h后，加有GFT的基漿與LBM沖洗液仍具有良好的性能。

3防塌減阻劑GFT現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1GFT在山東萊蕪張家洼鐵礦區(qū)松散破碎地層中的應(yīng)用張家洼鐵礦區(qū)鉆孔設(shè)計(jì)孔深約為1200m，復(fù)雜孔段位于第三系官莊群朱家溝組，主要巖性為紫紅色含礫石砂巖或礫巖。礫巖膠結(jié)物為粘土質(zhì)和鈣質(zhì)，基底式膠結(jié)，不堅(jiān)固。由于紫紅色礫石砂巖松散及礫巖膠結(jié)物膠結(jié)性差，因此在該孔段施工時(shí)，塌孔、埋鉆等事故經(jīng)常發(fā)生。GFT在該礦區(qū)兩個(gè)鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中ZK7－20孔從541m開始試驗(yàn)，ZK15－20孔從645m開始試驗(yàn)。沖洗液配方為:4%LBM+1%～1.5%GFT+0.5%～1%隨鉆堵漏劑GPC。采用該沖洗液后，順利完了礦區(qū)復(fù)雜孔段的施工，巖心采取率高，未出現(xiàn)塌孔，共完成鉆探工作量300m。現(xiàn)場(chǎng)取出的巖心照片見圖6。

3.2GFT在安徽六安何家圩子鐵礦區(qū)見水易分散地層中的應(yīng)用何家圩子鐵礦區(qū)主要為第四系地層，地層中存在大段的水敏性泥巖和破碎粉砂巖。例如，圖7(a)中紫紅色泥巖水敏性較強(qiáng)，略造漿，遇水易分散坍塌。圖7(b)中青灰色泥巖膠結(jié)性差，遇水易分散而形成掉塊。由于泥巖見水易分散及砂巖較破碎，某施工方施工的ZK3101孔在孔深約350m處發(fā)生塌孔并導(dǎo)致部分鉆具斷裂在孔內(nèi)。GFT在該礦區(qū)3個(gè)鉆孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別是ZK3101、ZK1701及ZK301孔。沖洗液配方為:3%～5%膨潤(rùn)土+1%～1.5%降失水劑+1%～1.5%GFT+0.5%～1%GPC+0.1%～0.3%包被劑。現(xiàn)場(chǎng)沖洗液性能見表2。使用該沖洗液鉆進(jìn)，孔壁穩(wěn)定，未發(fā)生塌孔事故，共完成3個(gè)鉆孔的施工，完成鉆探工作量2073m。說明了GFT與其他處理劑配伍性好，能在見水易分散地層中起到防塌護(hù)壁作用。另外，也表明GFT具有良好的潤(rùn)滑性能。鉆進(jìn)時(shí)通過觀察電流表發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖洗液中未加入GFT時(shí)，電流表讀數(shù)為40A，加入1%GFT后電流降至35A，鉆機(jī)扭矩降低率為12.5%。

3.3GFT在黑龍江嫩江縣淺鉆硬碎地層中的應(yīng)用黑龍江省嫩江縣黑寶山鎮(zhèn)淺鉆示范項(xiàng)目共設(shè)計(jì)兩條剖面，布置鉆孔20個(gè)，鉆孔平均深度為50m，總工作量為1000m。孔深3.5m～50m為堅(jiān)硬、破碎的安山巖，易發(fā)生掉塊及塌孔。現(xiàn)場(chǎng)取出的安山巖巖心照片見圖8。采用淺層取樣鉆機(jī)TGQ－50鉆進(jìn)，φ60mm套管下至4m后，使用φ46mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)。現(xiàn)場(chǎng)沖洗液配方為:4%LBM+0.1%～0.3%水解聚丙烯酰胺+0.5%～1%潤(rùn)滑劑。采用該沖洗液順利完成了2號(hào)剖面10個(gè)鉆孔的施工，但是在1號(hào)剖面施工卻存在很大問題。這是因?yàn)?號(hào)剖面地層最為復(fù)雜。以2號(hào)孔為例，使用φ60mm單管鉆具開孔，鉆至3m左右，出現(xiàn)了嚴(yán)重塌孔，無法下套管。挪孔后重新鉆至24m，又出現(xiàn)了卡鉆及埋鉆，提鉆至12.7m時(shí)鉆桿卡死。為了解決安山巖孔段掉塊卡鉆及塌孔問題，起下鉆時(shí)從孔口直接加入孔內(nèi)泥漿總量約5%的GFT，最終順利完成了1號(hào)剖面3個(gè)鉆孔的施工，并取得了以下效果:(1)在原沖洗液中間歇加入GFT后，沖洗液護(hù)壁效果明顯，3個(gè)鉆孔均未出現(xiàn)卡鉆、蹩鉆及塌孔現(xiàn)象。另外，由于氣候原因，經(jīng)常停工一天甚至更長(zhǎng)時(shí)間，但是在繼續(xù)鉆進(jìn)過程中孔壁依然穩(wěn)定;(2)巖心采取率高，1號(hào)與2號(hào)孔取心率達(dá)到95%，3號(hào)孔的取心率達(dá)到80%。其中3號(hào)孔終孔深度為62.7m，超出了項(xiàng)目設(shè)計(jì)深度的25.4%;(3)配制維護(hù)簡(jiǎn)單，可在每個(gè)回次間加入GFT，減少了工作量;(4)GFT具有良好的潤(rùn)滑性能，沖洗液中加入GFT后鉆機(jī)扭矩明顯降低。

4結(jié)論

(1)防塌減阻劑GFT具有膠體穩(wěn)定性好、易分散在水中、軟化點(diǎn)低及乳液粒徑小的特點(diǎn)。(2)通過室內(nèi)性能評(píng)價(jià)及多個(gè)鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，表明防塌減阻劑GFT具有優(yōu)良的防塌性能及潤(rùn)滑性能，能在較低溫度下軟化變形，充填在孔壁裂隙中并能膠結(jié)破碎巖塊，起到提高孔壁穩(wěn)定性的作用。(3)防塌減阻劑在見水分散地層、松散破碎地層及堅(jiān)硬破碎地層中使用效果明顯，具有廣泛的應(yīng)用前景。

作者：熊正強(qiáng) 何玉云 陶士先 李曉東 蘇興濤 單位：北京探礦工程研究所 寧夏核工業(yè)地質(zhì)勘查院