云贵高原水敏凝灰岩在盐溶液中的稳定性

郑明雄，李保珠

(1.昆明理工大学 计算中心，昆明 650093；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093)

1 概述

多数岩石的化学性质比较稳定，不容易与酸碱盐发生反应，多数岩石在溶液中的强度也比较稳定。但是在钻井时，常遇到高膨胀垮塌地层，此时，防塌钻井液与岩石的化学性质关系密切。云贵高原地区盛产有色金属和煤等矿产，在这些地区常能遇到在水中分解速度极快的水敏凝灰岩[1-5]，给勘查钻井带来了极为不利的影响，可导致最严重的钻井事故：卡钻。一次卡钻即可带来数百上千万的经济损失，且严重影响工期，甚至无法继续进行勘查工作。所以，需研制防塌钻井液，而研究防塌钻井液需要弄清凝灰岩在化学溶液中的稳定性。并且，多数情况下，在含高分解性凝灰岩地区需要事先采取防塌预防措施，这需要根据比较通用的凝灰岩防塌应用基础来进行。本文从钻井防塌的角度出发，试验云贵地区水敏凝灰岩在酸碱盐溶液中的稳定性，由于单纯的酸或碱没有稳定效果，故主要是对凝灰岩在盐溶液中进行系列实验，由此可获得个性和共性，为钻井防塌应用提供参考。目前，针对云贵地区水敏凝灰岩在化学溶液中稳定性的研究处于起步阶段。目前对涉凝灰岩的坑道、边坡、强度及力学特性等工程应用和理论研究较多[7-8]，对其它地层的钻井液防塌的研究也很多[9-10]，但对涉凝灰岩勘查钻井及凝灰岩在盐溶液中稳定性的专门研究很少，故本文具有一定的新颖性。

2 实验及讨论

2.1 实验

图1 凝灰岩在水及一些溶液中快速完全分解Fig.1 Rapid and complete decomposition of tuffs in water or some solutions

图2 凝灰岩在有一定防塌效果的盐溶液中缓慢或不彻底分解Fig.2 Slow or incomplete decomposition of tuffs in salt solutions with certain anti collapse effect

图3 凝灰岩在溶液中较稳定Fig.3 The relatively stable state of tuffs in some solutions

由于盐溶液对凝灰岩的分解可起到稳定作用，为获取有效防塌的应用基础，有必要对比分析不同凝灰岩样品在不同盐溶液中的稳定性。本文的化学实验系列分为钠盐系列、钾盐系列、铵盐系列及硫酸盐系列等。实验盐溶液统一使用10 g/100 mL的浓度，其中的少数盐由于溶解度低或溶解缓慢低于此浓度，实验结果见表1。由于各凝灰岩在各盐溶液中的稳定程度不一，表中采用文字描述以较详细体现分解速度和稳定程度。稳定表示防塌效果最好短时间内见不到凝灰岩表面分解迹象，慢表示盐溶液的防塌效果较好需较长时间才会分解，较慢表示有一定防塌效果但仍然缓慢分解，较快表示有微弱防塌效果但分解不迅速或不彻底，快表示没有任何防塌效果和在水溶液中一样快。

表1 云贵地区典型水敏凝灰岩在盐溶液中的分解速度

从表1可见Na2SiO3及C6H5COONa等具有较为通用的防塌效果。为研究浓度的影响，选取部分有稳定效果的盐溶液进行溶液浓度系列与分解时间的研究。实验结果如表2所示。

表2 溶液浓度与分解时间的关系Table 2 Relationship between solution concentration and decomposition time

表2中，由于凝灰岩具有风化程度及干燥程度不一等非均质性，虽经样品筛选及重复试验，仍仅可定性反应一定的趋势。但由此确定的是，盐溶液浓度较低时，绝大多数溶液没有任何防塌效果，凝灰岩快速分解。对有防塌效果的盐溶液，随着浓度增加，凝灰岩的稳定性一般来说会增加。但是这种增加各不相同，有些盐浓度增加到一定程度后并没有质的变化，仅能延长分解时间并不能最终防塌；有些却能极大提高凝灰岩的稳定性，经扩展试验，如澜沧凝灰岩当KCl溶液浓度达13 g/10 mL时变得十分稳定。

高浓度的KCl溶液对澜沧凝灰岩具有稳定性改性作用，不但澜沧凝灰岩在高浓度KCl溶液中不容易分解，将浸泡后的凝灰岩取出重新放于水中仍然不易分解。这与澜沧凝灰岩中含黏土比例很高有关，钾离子与黏土可进行离子交换[11]。

2.2 讨论

总体来看，选择合适的盐种类是十分重要的，但是意图确定盐溶液的浓度并试图在实际应用中使用最低有效防塌浓度没有意义。鉴于地层中水敏性凝灰岩多为含水软弱凝灰岩，强度极低分解性极强，使用盐溶液防塌必须使用最大的饱和溶液甚至是含盐固体的过饱和溶液，例如以饱和NaCl为基础。由于各凝灰岩在不同盐中的稳定性不同，故最好使用以某饱和溶液为基础的混合溶液，比如在饱和食盐水基础上加入KCl和Na2SiO3，以尽量发挥盐溶液的防塌作用。

一个有意义的现象是：在已有凝灰岩分解后的溶液中，凝灰岩往往具有相对稳定性。可以解释为分解时凝灰岩中已经溶出的盐对后续凝灰岩的分解起阻碍作用，可见已经溶出的凝灰岩本身含有盐成分对防塌具有高度的针对性，这不仅印证了盐溶出对于凝灰岩分解的作用及阻止盐溶出对凝灰岩稳定的意义，还为防塌应用提供了思路：在采的涉凝灰岩矿山勘查钻井时，有条件采出凝灰岩时可使用凝灰岩滤液代替水作为基液。甚至可以采用其它地区的凝灰岩来生产滤液。使用凝灰岩滤液作为基液时必须注意，凝灰岩滤液多呈强化学酸性(表3)，这是由于凝灰岩内部的FeS2氧化后生成了硫酸。前期研究表明，碱性环境具有能有效阻碍凝灰岩内盐的溶出、提高结晶堵塞能力等提高防塌性能的效应[12]，故需调节凝灰岩滤液pH值到12以上。

表3 凝灰岩浸提液的pH值(5 min)

必须指出的是，盐溶液在防塌应用中起重要作用，但是仅仅依靠盐溶液防塌是不可靠的，必须在盐溶液研究的基础上加上其它配方成分，特别是纳米成膜隔水是不可或缺的，可加入碱性可溶淀粉等可以控制和减少自由水并成膜。

凝灰岩在盐溶液中具有稳定性的原因有：1)离子交换改性使得矿物晶格发生变化；2)高浓度盐溶液中离子与水结合为水合离子，自由水减少，带电水合离子受到部分凝灰岩表面双电层吸引；3)高浓度盐溶液阻碍了凝灰岩内部可溶盐的溶出[12]，进而起到了稳定凝灰岩的作用，实验及测试表明，阻止溶出的因素是最主要的因素。

3 结论

1)较高浓度盐溶液对云贵高原地区水敏凝灰岩具有明显的防塌作用，但各凝灰岩在不同的盐溶液中的稳定性各不相同。本文经过系列实验得到一些稳定性实验结果，在进行涉凝灰岩钻井液防塌时可进行参考。Na2SiO3及C6H5COONa等盐具有较好的效果。

2)对地层中的高风化及高含水等软弱易塌凝灰岩来说，盐溶液防塌效果有限，需进行增强。采用凝灰岩滤液及饱和盐溶液为基液，辅以几种盐进行混合可取得增强效果。但是，除具有离子交换稳定改性的盐外，凝灰岩在多数具有防塌效果的盐溶液中并不能长期稳定。故盐溶液防塌是钻井液防塌的一个重要部分而不是全部内容，需结合成膜隔水及控制自由水等配方成分。

3)凝灰岩在盐溶液中能持续稳定的原理是：高浓度盐溶液阻碍了凝灰岩内部可溶盐的溶出，进而起到了稳定凝灰岩的作用。阻止溶出的作用是最主要的因素，离子交换改性或双电层效应仅是部分高含黏土凝灰岩的部分稳定性因素。