烟台渤海海域工程地质勘察钻探泥浆体系研究及应用

王延宁，郭曜欣，宋世杰，李晓东

(1. 山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台 264004；2. 山东省地矿局钻探工程技术研究中心，山东烟台 264004；3. 北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

海岛作为我国领土的一个组成部分，既是经济发展延伸的末端，又是对外改革开放的前沿。随着我国经济突飞猛进，经济结构的调整和经济类别的细化，海岛及其周边海域的经济开发潜力日益凸显。在山东省烟台市大力推进海洋强省、海洋强市建设的大背景下，海岛及其周边海域的开发意义重大。

1 项目背景

自2016年我单位陆续承接烟台周边海域地质勘察项目若干，如烟台市崆峒群岛及毗邻海域综合地质调查设计项目、龙口港10万吨级新航道导标、山东省长岛海洋牧场示范区海底沉积物地球化学调查以及招远核电海上勘察等项目等。这些项目区域海底地层主要为第四系松散土层及风化基岩，勘探期间揭露深度内主要以第四系松散土层为主。

以往工程项目由于针对类似地层的泥浆研究不足，钻进过程中经常出现孔壁护壁困难，进而导致孔壁坍塌、缩径、卡钻及埋钻等孔内事故，给勘察钻探工作带来很多困难。

针对前海海域工程勘察中第四系地层，尤其是软土和松散的砂土等钻探施工难点问题，结合历史经验，通过室内试验和野外施工两方面优化海水泥浆体系，最终得到较优的海水泥浆配方。

2 试验概况

2.1 海水性质

海水总矿化度一般在3.3%～3.7%(即33000～37000 mg/L)，pH 7.4～8.4，密度1.03 g/cm3(海水中盐类构成比例和各离子含量见表1、表2)。海水中含有大量的氯化钙，同时也存在很多的钙盐和镁盐，对泥浆配置有不利的影响。

表1 海水中盐类的构成比例Table 1 Composition proportion of salts in seawater

表2 海水中盐类离子的含量Table 2 Content of salt ions in seawater

2.2 泥浆方案设计

2.2.1 设计思路

本次使用海水配制泥浆时考虑3种方案：①加入处理剂(如Na2CO3和NaOH)，除去海水中的Ca2+、Mg2+后再配浆；②不去除海水中的Ca2+、Mg2+，直接用可以在海水中造浆的材料(如凹凸棒石)来配浆；③先用淡水配浆，使膨润土预水化，然后再加入海水配成冲洗液。其中，最后一种方案是目前海上钻井最常用的方案之一。

本次拟通过海水泥浆处理剂筛选、配方实验及优化、现场试验应用等，开展海水泥浆的试验与应用，优化海水泥浆配方，增强泥浆携带粉土、砂土和岩屑颗粒能力，提高泥浆护壁效果。

2.2.2 试验方案

室内配方试验选用从工程海域采取的海水作为配浆用水，在海水中加入NaOH和Na2CO3进行处理，去除海水中的钙镁离子。选取不同厂家常用的工程勘察用膨润土5种，分别测试不同加量的膨润土在海水中的性能指标，测试的性能指标有表观黏度、塑性黏度、动切力和API滤失量等，从中优选两种膨润土开展后续试验。然后使用优选后的膨润土配制基浆，分别加入不同比例的增黏剂和降滤失剂等，测试各个配方的性能指标，通过性能指标分析，筛选出一组性能最优的海水泥浆配方，具有良好的护壁、防塌和润滑性能，可保证孔壁稳定，降低钻具在旋转钻进过程中的摩擦阻力，从而提高钻探速度和钻进效率。优化方案应适用于工勘钻探，且价格不宜过高。

2.2.3 实验仪器及用品类别

电子天平、变频高速搅拌机、六速旋转粘度计、中压滤失仪、滚子加热炉、老化罐、滤纸、pH试纸、高速搅拌杯、量筒和秒表。

2.3 泥浆配比试验

2.3.1 膨润土筛选

在海水中加入NaOH和Na2CO3进行处理，分别按照4%、6%、8%、10%、12%、14%的比例加入5种不同厂家的膨润土样品，配制泥浆，分别测定未陈化和陈化16 h后的泥浆性能(见表3～表7)。通过性能对比表明，采用膨润土2#和3#配制的泥浆流变性和滤失性能最佳，因此选用膨润土2#和3#两个样品开展后续试验。

表3 膨润土1#配制泥浆的性能Table 3 Performance of mud prepared with bentonite 1#

表4 膨润土2#配制泥浆的性能Table 4 Performance of mud prepared with bentonite 2#

表5 膨润土3#配制泥浆的性能Table 5 Performance of mud prepared with bentonite 3#

表6 膨润土4#配制泥浆的性能Table 6 Performance of mud prepared with bentonite 4#

表7 膨润土5#配制泥浆的性能Table 7 Performance of mud prepared with bentonite 5#

2.3.2 处理剂筛选

选取高黏羧甲基纤维素(HV-CMC)、高黏聚阴离子纤维素(HV-PAC)、黄原胶(XC)、增黏剂(GTQ)等4种材料作为备选增黏剂，使用海水+NaOH+Na2CO3+6%膨润土2#作为基浆，分别加入1%增黏剂配制泥浆，测定流变性能及滤失性能，见表8。通过性能对比表明，采用增黏剂(GTQ)配制的泥浆流变性好，黏度适宜，同时具有较低的滤失量，因此选用增黏剂(GTQ)作为优选的增黏剂。

表8 加入不同增黏剂的泥浆性能Table 8 Properties of mud with different tackifiers

选取低黏羧甲基纤维素(LV-CMC)、低黏聚阴离子纤维素(LV-PAC)、水解聚丙烯腈铵盐(NH4-HPAN)、水解聚丙烯腈钠盐(Na-HPAN)、降滤失剂(GPKY)等5种材料作为备选降滤失剂，使用海水+NaOH+ Na2CO3+6%膨润土2#作为基浆，分别加入2%降滤失剂配制泥浆，测定流变性能及滤失性能(见表9)。通过性能对比表明，采用LV-CMC和LV-PAC配制的泥浆具有较低的滤失量，但是明显提高黏度，而采用GPKY配制的冲洗液滤失量较低，黏度适中，因此选用GPKY作为优选降滤失剂。

表9 加入不同降滤失剂的泥浆性能Table 9 Properties of mud with different fluid loss additives

2.4 泥浆方案评价

根据工程勘察的需求，针对第四系软土、松散砂土地层的特性，对优选的膨润土、增黏剂和降滤失剂，开展泥浆配方实验研究，评价不同配方泥浆的流变性能和滤失性能，确定海水泥浆配方为：海水+0.1%～0.3% NaOH +0.1%～0.3% Na2CO3+5%～10%膨润土+0.5%～1.5%增黏剂(GTQ)+1%～3%降滤失剂(GPKY)。

按照配方“海水+0.2% NaOH+0.2% Na2CO3+6%膨润土+0.5%增黏剂(GTQ)+1%降滤失剂(GPKY)”配制泥浆，测试其性能(见表10)，其中，配方1和配方2所用的膨润土分别为膨润土2#和膨润土4#。

表10 优选配方的性能指标Table 10 Performance index of optimized formula

3 工程应用

为了对比验证泥浆配方在工程勘察钻探中的成果，我们选择了烟台市崆峒群岛及毗邻海域综合地质调查设计项目、经海网箱第九次地质勘查工程项目、龙口港10万吨级新航道导标、山东省长岛海洋牧场示范区海底沉积物地球化学调查项目以及烟台市蓬莱区养殖海域本地调查项目等进行成果对比和检验。

根据工程目的布设地质钻探孔若干，一般孔深为30～50 m，最大孔深为91 m。项目区域海底地层主要为第四系松散土层及风化基岩。勘探期间揭露深度内以第四系松散土层为主，分别为淤泥质黏性土、粉土、粉细砂及黏性土等。

项目区域地层局部黏性土呈流塑、软塑状态(见图1)、粉细砂为松散至稍密状态(见图2)，钻孔施工时孔壁护壁困难，钻进该地层时易出现多种孔内事故，主要有：①坍塌缩径；②因黏性土造浆能力强，造成地层自造浆密度高、切力大、含砂量高；③钻孔缩径，容易出现卡钻、塌孔、埋钻和憋泵等情况。

图1 淤泥质黏性土Fig.1 Mucky cohesive soil

图2 粉细砂Fig.2 Silty fine sand

期望采用新的泥浆配方，一方面提高护壁能力，维持孔壁稳定性，一方面通过加入添加剂，减少海水中各种电解质对泥浆性能的破坏，最终保证钻探施工的正常进行。经过前期实验室数据对比，最终在工程实践中依据配方，在0.5 m3的泥浆搅拌桶中调配泥浆：0.5 m3海水+1 kg NaOH+1 kg Na2CO3+30～31 kg膨润土+2.5～2.6 kg增黏剂(GTQ)+5.0～5.1 kg降滤失剂(GPKY)。基于经济性考虑，膨润土选用2#膨润土。

海水中含有大量氯化钠、钙盐、镁盐等，一般总矿化度为3.5%左右，pH在7.5～8.5之间。配置泥浆时，我们首先加入NaOH和Na2CO3进行处理。再根据不同处理剂的黏度由低到高顺序加入。考虑增黏剂(GTO)黏度较高，加入时需分多次均匀缓慢撒入搅拌罐，以保证充分融入。

钻探施工中，为了保证泥浆性能稳定，我们定期对泥浆进行性能测试和维护。要求做到每天测试泥浆性能2～3次，在泥浆循环30 min后从出口捞取泥浆测试；泥浆性能维护需要保持在pH 7.5～8.5，密度1.15～1.20 g/cm3，漏斗黏度40～50 s，API滤失量10 mL/30 min以内。

通过现场定期对泥浆进行维护和观测记录，泥浆护壁效果良好，施工中未发生明显缩径现象，起下钻比较通畅。通过现场取心可以看到，泥浆可以配合钻探工艺有效保护岩心。而且该配方泥浆具备较好的流变性和悬浮力，钻进过程中，可以将岩粉和泥砂携带出来，保持孔底清洁，泵压也始终维持在正常工作范围，未出现明显憋泵现象。

4 结语

通过调整添加剂比例最终得到的泥浆配比方案适用于烟台浅海海域工程地质勘察在第四系地层中钻探的需要。在现场的应用实际表明，该配方泥浆应对第四系松散地层和软弱黏性土均有较为理想的表现，能起到良好的护壁和成孔效果，预防了在该类地层中较常出现坍塌、缩径等现象。该泥浆具有较好的悬浮力、流变性能、低滤失量，同时兼顾了配置和维护的便捷性、易操作性，利于在有限面积的钻井平台或钻探施工船只上使用。