强成膜性护壁冲洗液体系的研究与应用

陶士先，李晓东，吴召明，黄卫东，柳福德

(1. 北京探矿工程研究所，北京 102405；2. 山东省第七地质矿产勘查院，山东临沂 276000；3. 中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队青海分队，青海西宁 810000)

强成膜性护壁冲洗液体系的研究与应用

陶士先1，李晓东1，吴召明2，黄卫东3，柳福德3

(1. 北京探矿工程研究所，北京 102405；2. 山东省第七地质矿产勘查院，山东临沂 276000；3. 中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队青海分队，青海西宁 810000)

强成膜性护壁冲洗液体系是地质调查项目“重点成矿带钻探冲洗液关键技术研究与示范”项目的研究成果之一，是以强成膜性护壁剂GCMJ-2为主要处理剂而配制的一种护壁冲洗液体系。该冲洗液体系主要针对松散破碎地层及强水敏性地层的钻探施工中遇到的难题，具有强成膜性、抑制性和胶结性。通过在宁夏银川盆地第四系环境科学钻探、新疆黄土钻探以及四川若尔盖湖泊科学钻探中应用，该体系显示出较强的护壁和护心效果：孔壁稳定、取心质量好，有效地保证了项目的顺利实施。

强成膜性 抑制性 护壁冲洗液

Tao Shi-xian, Li Xiao-dong ,Wu Zhao-ming, Huang Wei-dong, Liu Fu-de. Research and application of the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system for drilling[J]. Geology and Exploration, 2014, 50(6):1147-1154.

地质钻探中经常遇到松散破碎地层及强水敏性分散剥落地层，导致一系列问题，诸如孔壁坍塌、掉块、分散、剥落等，成孔困难，钻进效率低。因此，研究具有强胶结性、隔水性及抑制性冲洗液体系，施工中结合与地层条件相适应的工艺参数，对于有效防止孔内事故，提高钻进效率和取心质量具有重要意义。为此，依据此类地层特性及地质钻探特点，开展了强成膜性护壁冲洗液体系的研究。

1松散破碎及强水敏性分散剥落地层孔壁 稳定原理

1.1松散破碎及强水敏性分散剥落地层孔壁失稳 原因

孔壁稳定性是指孔壁保持其原始状态的能力。影响孔壁稳定性的因素包括三个方面，即地质因素、冲洗液影响及施工过程中对孔壁的破坏。地层没有钻开之前处于一种力学平衡状态，当钻开形成井眼后，平衡被破坏，地应力的二次分布所产生的指向孔内引起孔壁向孔内移动的应力，是孔壁不稳定的根本原因(胡继良等，2011)。冲洗液影响主要体现在水化作用、溶蚀作用和冲蚀作用等方面，与冲洗液性能及其参数有关。施工过程中对孔壁的破坏主要体现在钻头对孔壁的碰撞、提下钻过程中的抽吸作用和冲击作用。

1.1.1 松散破碎地层孔壁失稳原因

钻探过程中遇到的松散破碎地层一般分为两类(刘灿铭，2010)。

一是由构造运动作用形成的复杂破碎地层，即由地质构造运动所产生的挤压、张拉、剪切等作用，使岩层产生节理、裂隙、裂缝、断层和片理，其中坚硬的脆性岩石受构造力的剧烈作用最易形成复杂破碎地层。

二是在外力地质作用下形成的松散破碎地层，如风化层、河流冲积层、洪积层，风积层。岩层经风化作用变为岩性较松散、胶结性差的风化层，而冲积、洪积、风积作用形成的各种沉积层一般含有粘土、流砂、卵石、砾石、漂石等。这类地层孔壁不稳定的主要原因如下(杨月堂，2010)。

(1) 由于孔隙、裂隙发育，胶结性差，导致结构松散、机械强度低，在地层坍塌压力作用下易产生掉块、孔壁坍塌、岩心采取率低等情况。

(2) 地层渗透性强，冲洗液或冲洗液滤液进入松散破碎地层裂缝后，使地层裂缝加宽，胶结物减少，岩石碎块之间的摩擦力降低，孔壁机械强度降低；同时冲洗液对孔壁的冲刷，使孔壁的不稳定因素进一步加剧。

(3) 施工过程中，钻头对孔壁的碰撞、提钻过程中对孔壁的抽吸作用(绳索取心钻进，抽吸作用更加明显)、下钻过程中对孔壁的冲击以及提钻不灌浆等，是导致孔壁坍塌、掉块的直接诱因(周桂芝等，2011)。

1.1.2 水敏性分散剥落地层孔壁失稳原因

水敏性地层主要指泥页岩地层。泥页岩与水接触后，由于水化作用，引起孔壁不稳。地层中若含膨胀性粘土，如蒙脱石、伊蒙混层为主时，可能引起膨胀和分散；若含非膨胀性粘土，如伊利石、高岭石为主时，则可能剥落掉块；变质岩千枚岩化或糜棱岩化地层遇水也可能分散剥落。水敏性分散剥落地层主要指后面两种情况。

水敏性岩层水化，造成孔壁地层变化的原因主要有：

(1) 抗剪切强度下降。由地质作用而压实的页岩和粘土矿物，存在分子、磁性、毛细管及离子静电等的引力，强度可高达几百个大气压，脱水后引力还要增大。水化作用会引起地层吸附水分子，降低了粘土体系的表面能，同时扩大了层间间距，减少了颗粒间引力，从而导致孔壁围岩的抗剪强度下降。

(2) 水化使岩层产生很大的膨胀压力，膨胀压力增加了孔壁周围闭圈应力。如果闭圈应力大于页岩的屈服应力，孔壁稳定性下降。

(3) 地层层面、纹理和裂隙是良好的毛细管通道，水进入毛细管产生的压力使岩层骨架遭受破坏。水化膨胀弱的伊利石等因毛细管水侵入而崩解，造成孔壁垮塌。

(4) 混合层粘土矿物如伊-蒙、绿-蒙、绿-蛭、滑-皂混层，其水化能力各异，导致非均质膨胀，而使孔壁不稳。

1.2松散破碎及强水敏性分散剥落地层孔壁稳定 措施

1.2.1 力学平衡

地层坍塌压力的大小与上覆岩层压力、最大水平地应力、最小水平地应力、地层孔隙压力、内聚力、内摩擦角等因素有关。若冲洗液的液柱压力能有效

平衡坍塌压力，则能维持孔壁的稳定(张晓静，2007)。因此，冲洗液需具有合理的密度，以平衡地层的坍塌压力。

1.2.2 降低水化作用影响

冲洗液中的水进入地层，是引起地层不稳定的主要外在因素，阻止或减少冲洗液中的水进入地层是降低水化作用的关键。因此，降低冲洗液滤失量、采用具有良好隔水作用的成膜性材料是降低水化作用影响的最直接、最有效的手段。

1.2.3 强化孔壁

加入封堵性材料，堵塞孔隙或裂隙，防止由于冲洗液的浸泡造成孔壁强度降低；同时通过加入具有较强粘接性的材料，强化颗粒与颗粒之间的胶结，起到强化孔壁的作用。

1.2.4 规范操作

钻井施工中，应严格按照规范进行操作，避免由于人为的操作不当而造成的孔壁不稳。

2 强成膜性护壁冲洗液体系组成及性能

2.1 体系用材料及作用

强成膜性护壁冲洗液体系中所用的处理剂及其作用如下：

(1) 钠膨润土：造浆材料，具有造浆和胶结孔壁的作用。

(2) 成膜护壁剂(GCMJ-2)：具有强成膜特性，粘接性和隔水性好，抑制作用强。

(3) 包被剂(BBJ)：具有包被和适度絮凝作用。

(4) 抗盐共聚物(GTQ)：提高粘切、降低失水，利于重晶石悬浮。

(5) 降滤失剂(GPNA)：具有降低滤失量的作用。

(6) 防塌型随钻堵漏剂(GPC)：用于封堵孔内裂隙，防止或降低冲洗液进入地层。

(7) 重晶石：用于提高冲洗液密度，平衡地层的坍塌压力。

2.2 体系配方

强成膜性护壁冲洗液体系配方如下：

0%～3%钠膨润土 + 3%～10%GCMJ-2 + 0.5%～1%GTQ + 0.5%～1.0% GPNA + 1%～3%GPC + 重晶石(按需加入)

2.3 体系性能

2.3.1 体系常规性能

(1) 试验配方见表1。

表1 强成膜性护壁冲洗液体系试验配方Table 1 Experimental formula of strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system

(2) 试验结果

试验结果见表2。

表2 强成膜性护壁冲洗液体系常规性能Table 2 Regular properties of the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system

从表2可以看出，上述配方均具有较低滤失量和良好的流变性能。

2.3.2 体系抑制泥页岩膨胀性能

试验岩心用安邱土压制，仪器采用NP-01型页岩膨胀测试仪。分别用蒸馏水和冲洗液(配方见表1)浸泡岩心，测岩心线性膨胀量，并计算相对膨胀降低率。试验结果见表3。从表3中的数据可以看出，强成膜护壁冲洗液体系的相对膨胀降低率达到80%以上。

表3 强成膜护壁冲洗液体系抑制性能 Tab 3 Inhibitive properties of the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system

2.3.3 体系抑制分散及隔水性能

采用吉林红旗岭矿区采集的岩心碎块(见图1)直接压制成岩心(见图2)。该岩心渗透率高，水敏性强，见水即分散。

图1 水敏性岩心碎块Fig.1 Chippings of water sensitive core samples

图2 压制的岩心Fig.2 Compressed core samples

分散试验方法：按2.3.1中的1#配方配制冲洗液，用该冲洗液浸泡图2的岩心，同时采用清水和LBM冲洗液(水+5%LBM)做对比，浸泡后的岩心情况见图3、图4和图5。

图3 用清水浸泡岩心30 s后Fig.3 Core sample soaked in water for 30 s

图4 用LBM冲洗液浸泡岩心40 h后Fig.4 Core sample soaked in LBM system for 40 h

图5 用强成膜性护壁冲洗液体系浸泡岩心30天后Fig.5 Core sample soaked in the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system for 30 d

从图3可以看出，该岩心的水敏分散性很强，仅30 s左右即全部散掉；一般情况下，岩心经过普通冲洗液浸泡几小时后就会变得比较松软，浸泡2～3天后，基本都不成型(见图4)；而用强成膜性护壁冲洗液浸泡过的岩心则能够保持完整，从图5可以看出，岩心表面有一层结实致密的膜，将岩心掰开后可发现，岩心除湿度稍有增加外，整体形状依然完好。

3 强成膜性护壁冲洗液体系现场应用

3.1强成膜性护壁冲洗液体系在银川盆地第四系 科学钻探工程项目中的应用

3.1.1 项目概况

银川盆地第四系科学钻探工程源于中国地质科学院地质力学研究所的《中央造山带与南北构造带交汇区地壳深部地质调查》项目。该工程共完成钻孔2个，其中ZK-1号孔位于平罗县高庄乡，完钻孔深为1168.64 m，ZK-2号孔位于平罗县头闸镇，完钻孔深为720.78 m。

该项目实施的钻孔位于银川盆地平罗县北部，属于银川地堑式断陷盆地的北端，地处贺兰山东麓洪积扇冲积平原与黄河冲积平原交界处。地层内堆积有巨厚的第四系沉积物，其岩性主要以中、细砂为主，夹有少量粘土，地层松散堆积，成岩性差，砂层基本无胶结，部分地层含水丰富，且存在流沙层。

3.1.2 施工中存在的问题

由于地层胶结性差，岩心采取率低，普通冲洗液携砂和防塌护壁性能不佳，孔内岩粉沉淀较多，孔壁不稳定，给施工带来安全隐患。

在0～450 m孔段施工中，使用的冲洗液为膨润土+CMC体系，其性能见表4。

表4 原冲洗液体系各项性能Table 4 Properties of the former flushing fluid system

该冲洗液具有较好的悬浮性能，但粘度较高，岩粉不易沉淀，导致体系内含砂量过高，不仅影响冲洗液性能，还增加了对泥浆泵、管线及钻具的磨损；加重后冲洗液可平衡地层压力，有一定的防塌效果，但是滤失量较大，水进入地层后会加速坍塌，而且形成的泥皮虚厚，不能有效的保护岩心和孔壁。因此施工过程中出现了以下问题：

(1) 孔内坍塌。钻进过程中经常会发生坍塌现象，在ZK-1号孔钻进施工中，前40 m冲洗液未加重，地层极易坍塌，后加重至1.35～1.40 g/cm3，坍塌现象有所减少，但每隔3～4 d仍有坍塌，下钻经常遇阻，需扫孔才能下钻到底。

(2) 取心率低。松散砂层在钻具与冲洗液的作用下容易扰动分散，且存在流沙层，容易被冲洗液直接冲散带出，导致实际取心率较低。另外在提钻取心过程中有岩心脱落的现象，也导致取心率下降。图6为整段地层出现最多的松散砂层，图7为含水量较高孔段的岩心，呈流动状。

(3) 钻进效率低。由于地层松散，岩心刚进入岩心管，便松散垮掉，堵塞岩心管，从而顶住钻具，导致无法进尺。现场所用岩心管长度为250 cm，钻进时，初始机械钻速可达到1～2 m/h，但是在进尺50 cm后机械钻速明显下降，甚至不进尺，只能提钻，从而大大降低了钻进效率。

3.1.3 强成膜性护壁冲洗液的现场配制与维护

ZK-1号孔钻进至450 m时，因钻塔基础沉陷，将孔位移动至距离原孔20 m左右的位置，重新开孔钻进，并换用强成膜性护壁冲洗液体系进行施工。

强成膜性护壁冲洗液体系配方如下：

图6 松散砂层岩心Fig.6 Cores of loose sand formation

图7 流砂层的岩心Fig.7 Cores of quick sand formation

1%～3%膨润土+0.5%～1%GTQ+1%～2%GPC+0.5%～1.0%GPNA+3%～5%GCMJ-2+重晶石冲洗液性能见表5。

表5 强成膜性护壁冲洗液体系各项性能Table 5 Properties of the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system

强成膜性护壁冲洗液粘度适中，既有良好的悬浮性能，又可有效地沉淀岩粉，保证稳定的冲洗液性能；强成膜护壁剂能提高冲洗液的胶结性，当形成泥皮时，强成膜护壁剂粘结在孔壁上，形成坚韧致密的保护膜，牢固的粘结松散砂层，同时有效包裹岩心，保护岩心的完整性。现场使用和维护应注意以下几个方面：

(1) 初次配制冲洗液时，配方里各处理剂加量均按最大加量加足，由于上部地层含水较多，可能会稀释冲洗液，导致粘度降低，影响悬浮能力，同时会增强冲洗液对孔壁的冲刷，容易造成孔壁垮塌。

(2) 严密监测冲洗液性能变化，当冲洗液性能变化超出表5所示的范围时，根据实际变化情况调整处理剂加量，使各项性能维持在表中所示的范围内。

(3) 除砂器在冲洗液粘度较高的情况下除砂效率较低，可以在冲洗液过筛前加入清水稀释，然后补充加水量对应的处理剂加量。经现场试验，使用此方法可提高除砂器的效率。

(4) 随着孔深越来越深，孔底的液柱压力越来越大，冲洗液实际失水量会显著增大，加之水在松散砂层内极易扩散，因此必须严格控制冲洗液滤失量与泥皮质量。

3.1.4 强成膜性护壁冲洗液现场使用效果

(1) 防塌护壁效果明显

用现场配制的冲洗液对岩心进行浸泡，可以发现，岩心在清水中浸泡几分钟后便松散垮掉；而用冲洗液浸泡岩心24 h后，如图8所示，岩心依然完好如初，且岩心内部无冲洗液侵入岩心内部。从现场取出的岩心来看，如图9所示，可以看到在岩心表面有一层致密坚韧的保护膜，有效地防止了地层水对岩心的侵入破坏，证明强成膜性护壁冲洗液体系具有强成膜性，可有效包裹保护岩心，同时可在孔壁上形成致密结实的保护膜，从而有效保护孔壁，防止孔内坍塌掉块。

图8 强成膜性护壁冲洗液浸泡12 h的岩心Fig.8 The core soaked in the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid for 12 h

(2) 取心率显著提高

ZK-1号孔0～450 m孔段所用原冲洗液体系，总取心率仅为85.09%，低于设计要求(≥90%)；450 m以下孔段换用强成膜性护壁冲洗液体系，总取心率高达96.87%，取心率明显提高。ZK-1号孔各孔段取心率见表6。ZK-1号孔最终全孔段总取心率为92.33%，达到了设计要求。ZK-2号孔全孔使用强成膜性护壁冲洗液体系，最终取心率高达94.68%，完全满足钻探设计要求。

表6 ZK-1号孔各孔段使用不同冲洗液体系时的取心率Table 6 Coring recovery rates of the two flushing fluid systems in the ZK-1 hole

图9 强成膜性护壁冲洗液包裹完好的岩心Fig.9 The intact core coated by the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid

(3) 钻进效率提高

ZK-1号孔前450 m施工时间将近4个月，纯钻时平均机械效率不足1 m/h，而使用强成膜性护壁冲洗液体系后，从450 m钻至1168.64 m、进尺718.64 m的施工时间仅为2个月，纯钻时平均机械效率达到2～3 m/h，考虑到随着孔深的增加，提下钻取心所占用的时间也大大增加，可见钻进效率有了明显提升。另外由于冲洗液保护岩心的效果良好，钻进时岩心可顺利进入岩心管，正常情况下，基本每个回次都可以打满岩心管，从而减少了钻进回次，节省了提下钻的时间，使得钻进更加高效(使用不同冲洗液体系时的钻进效率对比情况见表7)。

表7 不同冲洗液体系钻进效率对比Table 7 Comparison of drilling efficiencies by using different flushing fluid systems

ZK-2号孔自开孔至终孔，共用时44天，终孔孔深720.78 m，平均机械钻速超过3 m/h。采用强成膜性护壁冲洗液体系，不仅提高了钻进效率，同时保证施工过程中未发生孔内事故，使钻井施工得以顺利进行。

3.2强成膜性护壁冲洗液体系在新疆黄土科学 钻探项目中的应用

新疆黄土科学钻探是中国科学院地球环境研究所经过多年的前期野外考察、区域地质资料的收集与研究、孔位论证，在新疆伊犁盆地开展的钻探项目，旨在揭示中亚干旱区干旱化历史与西风气候变迁，为研究晚新生代以来我国季风-干旱环境耦合系统演变的动力学机制提供重要证据。

2013年6月25日，新疆黄土钻探第一个钻孔在伊犁盆地北部开钻，该区域地层以第四系黄土层为主，地层较疏松，遇水后极易分散剥落，孔壁不稳定，取心难度大，给钻探施工带来了诸多不利因素。该项目分别在伊犁州的霍城、新源、沙湾、吉木萨尔四个县的区域内进行钻探施工，共完成8个钻孔，各钻孔孔深以及钻井周期见表8。

表8 新疆黄土科学钻探各钻孔孔深及钻井周期Table 8 Drilling depths and periods of the holes in loess drilling in Xinjiang

施工中使用强成膜性护壁冲洗液体系，其良好的护壁性能有效地保证了孔壁稳定，使得钻探施工得以顺利进行，同时体现出该体系对岩心的包裹保护作用，各钻孔的平均取心率均在95%以上，且保证了较高的取心质量(图10和图11为现场取出的岩心)。

图10 冲洗液包裹的岩心Fig.10 The intact core coated by the flushing fluid

图11 岩心内部未受扰动和污染Fig.11 The core’s inter part without disturbance and contamination

3.3强成膜性护壁冲洗液体系在四川若尔盖湖泊 科学钻探项目中的应用

四川若尔盖湖泊科学钻探是中国科学院地理科学与资源研究所主持的钻探项目，共完成2个钻孔，第一个钻孔完钻孔深为106.37 m，钻井周期为3天；第二个钻孔完钻孔深为573.31 m，钻井周期为35天。

该地区地层比较复杂，断层、裂隙多，岩石节理、劈理密集发育，岩性变化大，岩石软硬不均，有8～10级硬、脆、碎的硅岩，有4～5级软而疏松的炭质板岩、千枚状板岩，还有火山岩、变质岩、侵入体，呈薄层穿插透镜体产出。施工中经常会遇到涌水、漏水、掉块、缩径、坍塌等复杂情况，给钻探施工增加了不少困难。现场岩心的照片如图12所示。

现场施工过程中使用强成膜性护壁冲洗液体系，取得了良好的护壁效果和较高的取心率。从图12中的岩心可以看出，该体系对于松散破碎地层具有非常出色的粘结包裹作用，既有效地保护了岩心，同时也起到稳定的护壁作用，为钻探施工提供了有利的保障条件。

4 结论

图12 四川若尔盖湖泊科学钻探所取出的岩心Fig.12 The cores of Ruoergai lake scientific drilling in Sichuan

通过大量的室内试验研究以及多个钻孔的现场应用，可以看出强成膜性护壁冲洗液体系适用于松散破碎及强水敏性分散剥落地层，能够满足现场施工需要，该体系主要特点如下：

(1) 具有优异的成膜性和防塌护壁性能，对胶结性差的松散破碎地层及强水敏性分散剥落地层能够起到稳定的护壁作用。

(2) 具有优异的粘结包裹作用，能够在有效地包裹岩心，并在岩心表面形成致密坚韧的保护膜，有效保证了取心率以及取心质量。

(3) 具有优异的携砂能力与流变性能，有利于排出孔内岩粉，并有效提高机械钻速，保证钻进效率的高效及钻探施工的顺利进行。

Hu Ji-liang, Tao Shi-xian, Ji Wei-jun. 2011. Discussion of borehole wall stability technology in broken formation and the practice [J]. Exploration Engineering (Drilling & Tunneling), 38(9):30-32,64(in Chinese with English abstract)

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[附中文参考文献]

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Research and Application of the Strong-Film-Forming Wall-Protecting Flushing Fluid System for Drilling

TAO Shi-xian1，LI Xiao-dong1，WU Zhao-ming2，HUANG Wei-dong3，LIU Fu-de3

(1.BeijingInstituteofExplorationEngineering,Beijing102405;2.The7thInstituteofGeology&MineralExplorationofShandongProvince,Linyi,Shandong276000;3.QinghaiBranch,NingxiaGeologicalProspectingBrigade,ChinaNationalGeologicalProspectingCenterforConstructionMaterialIndustries,Xining,Qinghai810000)

As one of the achievements of Geological Survey Project “Research on Key Technology of Drilling Fluids for Metallogenic Belts and its Demonstration”, the strong-film-forming wall-protecting flushing fluid system is based on a strong-film-forming wall-protecting agent that we call GCMJ-2 for short. This system is mainly aimed at the problems encountered in drilling loose broken formations and strong water-sensitivity strata. It has strong film forming ability, inhibitive capacity and cementation. The system has been used in the Quaternary Environmental Scientific Drilling at the Yinchuan basin in Ningxia, loess drilling in Xinjiang and Ruoergai lake scientific drilling in Sichuan, respectively. It shows remarkable protection to the hole wall and cores, making the hole wall stable and cores be of good quality, and ensures smooth implementation of projects effectively.

strong film forming ability, inhibitive capacity, wall-protecting flushing fluid

2014-06-12；[修改日期]2014-08-15；[责任编辑]郝情情。

地质矿产调查评价项目“重点成矿带钻探冲洗液关键技术研究与示范”(编号12120113097400)资助。

陶士先(1964-)，女，教授级高级工程师，从事钻井液技术研究与应用工作。E-mail：13641250082@139.com。

P634.6+4

A

0495-5331(2014)06-1147-08