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摘 要：本文以复杂地层地质钻探为论述对象，以冲洗液技术应用为论述手段，以强化钻探效率及可靠性为论述目的，就此展开专业分析。

关键词：地质钻探；复杂地层；冲洗液；技术要求

中图分类号：P634.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）24-0120-02

1 地质钻探冲洗液的作用

1.1 携带岩石碎屑

地质钻探过程中，在钻头的回转、冲击作用下，会使岩石因破坏而于孔底形成岩粉、岩屑等沉淀物，此时为保持孔底清洁，则需利用冲洗液的携带作用将所产生的岩石碎屑采用正循环或者反循环形式排至地表；同时基于冲洗液触变特性的利用，冲洗过程中可利用冲洗液的比重变化产生浮力使岩石碎屑上浮，或者使用泥浆泵的正压力上举、气举反循环的负压吸出岩屑、岩块而防止孔底沉渣，从而既避免埋钻现象的发生，又能促进钻进效率的提高。

1.2 冷却钻头

钻进过程中，钻头所带机械功大部分用于岩石破碎，而剩余小部分则会因与岩石摩擦而转化为热能，从而导致钻头温度升高。例如金刚石钻头，其在钻进过程中温升可达300℃以上，如若不能及时冷却，必然造成钻头因碳化作用而出现烧钻现象，最终降低使用寿命。此时通过冲洗液的循环作用，可有效带走钻头热量，达到降温目的，避免其因温度过高而受损和变形。

1.3 润滑减阻

在与岩壁的摩擦作用下，高速旋转的钻杆、钻具会产生较大震动现象，使动力装置因负荷增大而降低钻进效率。乳化冲洗液具有良好的润滑效果，可以极大程度减小钻杆、钻具、钻头与孔壁的摩擦阻力，进而降低震动现象，减少机械能损失，确保钻进作业平稳进行。冲洗液的润滑减阻作用还有利于保护钻杆钻具不至于受到额外磨损，既减少了孔内事故的发生，又提高了生产效率。

1.4 维护孔壁

由于冲洗液在循环过程中可于孔壁上形成一层较大密度的轻薄泥皮，从而起到护壁效果，防止孔壁塌陷、漏水以及井喷事故的发生，有效提升钻进过程的安全系数。此外，对于强水敏性地层而言，部分冲洗液（如硅酸盐冲洗液、正电胶冲洗液、优质聚合物泥浆与粗分散泥浆等）还可显著提升孔壁稳定性，防止钻进过程中因孔壁失稳而出现坍塌现象。

2 地质钻探特点及其对冲洗液的要求

对于地质绳索取芯钻探而言，其泵量较低（一般为15～30L/min），岩粉细（粒度一般≤200目（74μ））且浓度高，在地表除砂条件下，上返液体的岩粉体积浓度通常超过3～5%。绳索取芯钻进过程中，由于泥浆固相含量较高，地表泥浆净化较差，加之离心力因钻杆高速旋转而表现较大，故而在钻杆内壁容易产生泥皮，对运行于钻杆柱中的取芯内管总成与打捞器造成影响，从而导致岩芯地质观察失效甚至无法捞取岩芯。因此针对绳索取芯钻探，要求其地表固控系统良好且泥浆剪切力较低[1]。

对于小口径金刚石地质岩芯钻探而言，由于钻具转速极高，回转阻力较大，因此要求冲洗液（泥浆）润滑性能表现良好。一般情况下，当钻孔深度>400m时，Φ56mm孕镶钻头转速为700r/min；而当钻孔深度≤400时，钻头速度可达1623r/min。

故此，在地质岩芯钻探过程中，对于冲洗液的综合要求为泥浆剪切力、粘度以及固相含量较低，润滑性能良好（具体指标见表1所示），尤其是在小口径绳索取心钻探中，对于冲洗液性能指标要求更为严格。除此之外，对于盐膏地层，冲洗液除上述要求外，还需具备良好的抗盐钙能力、抑制性与失水造壁性等特征[2]。

3 复杂地层地质钻探冲洗液技术的影响因素

3.1 地质条件

地层地质条件作为冲洗液类型选择与参數确定的重要依据，同时也是影响冲洗液技术发挥的主要因素。因此，在复杂地层实施地质钻探前，应全面勘查钻探区域的地质条件，其主要包括地层深度、完整程度、地层应力、地质年代以及岩石胶结性与岩性、水文地质情况等，以此通过综合考量，判定地层特性，合理选择冲洗液。例如对于压力地层，为避免漏失现象，冲洗液应选择泡沫泥浆或充气泥浆；对于蒙脱石含量较高的强水敏性地层，则应以优质聚合物泥浆为首选。

3.2 制备与日常维护

复杂地层地质钻探过程中，对于冲洗液还需做好制备与日常维护工作。冲洗液制备前，首先应以实际需求为依据明确冲洗液特性，然后利用配浆设备制作，同时确保配置仪器与测试仪器（如漏斗粘度计、含砂量测定仪、API失水仪与泥浆密度计等）运行正常。对于冲洗液日常维护而言，其过程主要涉及冲洗液地面管理与资料记录两方面内容。

3.3 固控设备

固控设备以清理冲洗液固相含量为主要任务，在实际应用中，冲洗液使用时间越久，固相产生越多，进而对钻进过程影响越大，最终反映为钻进质量与钻进速率下降。调查统计显示，冲洗液固相含量每增加1%，地质钻探钻头钻速便会降低5%；而冲洗液固相含量每清除10%，钻头钻速则会提升29%，由此可见，控制冲洗液固相含量对于地质钻探实施过程影响重大。固控设备对于冲洗液固相含量的控制，常用方法有沉淀池、循环槽捞渣法、化学絮凝法以及机械振动筛除法等。笔者曾结合工程实例针对某种固相设备对其作用进行了验证，发现处理前冲洗液固相颗粒平均粒径为22μm，处理后则下降至5μm；处理前冲洗液固相颗粒峰值为50～80μm，处理后则降低至10μm以下。

4 复杂地层地质钻探冲洗液技术的应用

4.1 在破碎地层地质钻探中的应用

4.1.1 破碎地层的特征

作为地质钻探常遇复杂地层之一，破碎地层特征主要表现为：破碎、裂缝发育、胶结性差以及伴有地应力（地层压力）等，而也正是基于这些特征，致使钻探过程孔壁稳定性较差，常会遇到孔壁坍塌、掉块卡钻等复杂孔内事故，严重影响并阻碍了钻进作业的顺利进行。

4.1.2 孔壁不稳定原因

（1）孔壁产生的坍塌压力是引起孔壁失稳的内在因素。钻孔形成后，在地层压力二次分布作用下，使孔壁岩石向孔内方向发生位移，同时由于破碎岩层裂缝发育、完整性差以及机械强度低等特征，致使在地层坍塌压力作用下，极易产生掉块与孔壁坍塌等现象。（2）施工操作不当是引起孔壁失稳的外在因素。钻进过程中如果起下钻速度过快、不平稳或是钻具碰撞孔壁，均会产生不同程度的冲击力造成孔壁破坏，从而导致孔壁失稳。需要注意的是，如果制备的冲洗液对裂缝封堵效果较差，便对地层坍塌压力无法起到平衡作用，在破碎地层钻进过程中，一旦冲洗液（或滤液）进入裂缝，反而会进一步将其扩大，使孔壁机械强度因岩石碎块间摩擦力的减小而降低，此时在冲洗液的冲刷作用下，孔壁失稳便会加剧，形成严重的恶性循环。

4.1.3 冲洗液设计（制备）

针对破碎地层，地质钻探冲洗液的设计（制备）在以地层基本特征为依据的基础上，应以改善孔壁稳定性为主要目的[3]。具体要求为：（1）增强破碎岩块间胶结力。此类地层地质钻探应选用低固相冲洗液，不得使用无固相冲洗。具体可在冲洗液中加入具有粘结作用的泥浆处理剂或优质膨润土，以促使进入地层的冲洗液在孔内液柱压力作用下失去水分，而粘结剂与膨润土则因在破碎石块间堆积而起到胶结作用。（2）造壁速度快，以防冲洗液大量进入破碎地层。在设计与制备过程中，可通过冲洗液滤失量的控制来提升泥皮质量。（3）封堵裂缝，稳定孔壁。对于掉块、坍塌的破碎地层，由于其拥有较大的坍塌压力，因此需通过冲洗液比重的提升来对此进行平衡，以此达到稳定孔壁的效果。（4）粘度与比重较大。冲洗液粘度的提升，其意义为：1）降低对孔壁的冲刷作用；2）提升悬浮能力，避免掉块或坍塌发生时固相物下沉过快。冲洗液比重的提升，则是为了通过液柱压力的增大而对坍塌压力达到更好的平衡效果。

4.2 在水敏性地层地质钻探中的应用

4.2.1 水敏性地层的特征

所谓水敏，是指当地层中进入与之不配伍的流体后使黏土发生膨胀、分解以及运移现象，最终导致渗透率降低。对于冲洗液中的自由水，部分岩层遇其会因吸水膨胀和遇水分解、电离（对泥浆有破坏作用）或发生水锁反应（对油层渗透率有破坏性）而表现敏感，此类地层则称为水敏性地层（如盐岩地层、低压油层、粘土地层以及粘土质地层等）。基于水敏地层的水化作用，其特征表现为：（1）地质钻探过程中岩屑容易分散，造漿严重，使泥浆比重迅速提升，流变性能急剧恶化，对绳索取心钻进技术影响严重；（2）地层因水化作用容易膨胀，会造成孔壁缩径发生卡钻、埋钻和憋泵现象。

4.2.2 孔壁不稳定原因

粘土遇水膨胀是水敏性地层孔壁不稳定的主要原因。粘土水化是指粘土颗粒表面吸附水分子形成水化膜，粘土晶格层面间距增大，产生膨胀和分散的过程。粘土水化原因为：（1）表面水化。粘土晶体表面能使水分子吸附（物理吸附），引起表面水化。（2）渗透水化。晶层之间吸附的阳离子浓度大于溶液内部的浓度，产生渗透压，引起水分子向层面扩散，使晶体间距增大，称为渗透水化膨胀。相比而言，渗透膨胀增加的体积比远大于晶格膨胀（即表面水化），晶格膨胀每克干土约吸收0.5g水，体积增大一倍；而渗透膨胀每克干土可吸收10g水，体积增大20～25倍。（3）毛细水化。在毛细管作用下，水分进入粘土层理和微裂隙引起粘土的水化。

4.2.3 冲洗液设计（制备）

水敏性地层地质钻探冲洗液的设计（制备），应具备几点要求：（1）控制岩屑分散。可在冲洗液中加入具有吸附交联作用的泥浆处理剂。（2）尽量降低泥浆滤失量。在井壁快速形成坚韧、致密的泥皮，避免大量自由水进入地层。（3）提升冲洗液抑制性能。将含有NH4+或K+的处理剂加入泥浆，以此对其渗透水化形成抑制作用，以防蒙脱石含量较高地层发生水化膨胀现象。（4）封堵毛细管道。减少或避免自由水进入粘土层理或微裂隙而引起粘土水化。（5）流变性能良好。由于在其他条件相同时，冲洗液粘度越低，越有利于环空压力的降低和钻杆内壁结垢的预防，因此在保证冲洗液正常携带岩屑的前提下，使其尽量保持低粘度状态。此外，在水敏性地层钻进中保持良好的流变性能，可以降低粘附卡钻的风险。（6）润滑性能良好。除满足减摩降阻要求外，良好的润滑性能有助于保护钻具，提高钻具的使用寿命。（7）控制泥浆pH值。实践证明，泥浆pH值越高，对孔壁稳定性越不利。

5 结语

基于以上论述，复杂地层钻探任务的实施对冲洗液技术要求较高，尽管该技术在复杂地层矿产开采中得到了应用，并取得了良好的成果，但是依然在体系设计、材料研制与孔壁稳定性方面存在一定的缺陷，对此仍需在实践过程中不断研究与不断完善，以此更好的服务于我国矿产事业的发展。

参考文献

[1]詹涛.面向复杂地层地质钻探冲洗液技术研究[J].建筑工程技术与设计，2015，（7）：1996.

[2]周志雄.复杂地层地质钻探冲洗液技术现状[J].四川地质学报，2014，（z1）：104-107.

[3]李舜丰.复杂地层地质钻探冲洗液研究与应用[J].有色金属文摘，2015，（5）：45-47.