刚果钾盐钻探用钙镁基钻井液研究及应用

熊正强，董春刚，栾元滇，宫述林，付 帆，陶士先，王韶霞

（1.中国地质科学院研究生院，北京 100037；2.北京探矿工程研究所，北京 100083；3.山东省核工业二四八地质大队，山东青岛 266041；4.山东省地矿工程勘察院，山东济南 250014）

中国是钾肥消费大国（王鑫等，2018），钾盐作为生产钾肥的主要原料，也是我国七种大宗紧缺矿产之一，其中钾石盐、光卤石等可溶性固体钾盐矿产资源严重不足（赵元艺等，2010；鲍荣华等，2013），因此我国积极参与钾盐资源丰富国家的资源勘探开发工作。刚果共和国蕴藏丰富的钾盐资源（刘曦，2016），其奎卢盆地钾盐矿床是当前世界上最大的成矿区，国内施工单位承接了该地区钾盐矿详查钻探工作任务。为了节省成本、保护当地环境，拟采用水基钻井液代替原美国油基钻井液，配合绳索取心钻探工艺获取地下400～1000 m钾盐矿岩心。前期岩心资料表明该地区钾盐为光卤石矿床（唐孟龙等，2021），并伴生溢晶石。光卤石化学成分为KCl·MgCl2·6H2O，溢晶石化学成分为CaCl2·2MgCl2·12H2O，均属于极易溶于水的盐类。使用水基钻井液施工存在钻孔溶蚀扩径、内管卡簧卡不住岩心、取心质量差等问题（宫述林等，2011；陶士先和纪卫军，2016）。为此，针对刚果共和国奎卢省钾盐地层特点，结合绳索取心钻探工艺要求，开展钙镁基钻井液研究与应用，以期为钾盐钻探工程提供参考。

1 钾盐钻探用钻井液研究现状

近些年，在柴达木盆地（王德敬等，2010；崔庆岗等，2019）、云南江城（郑绵平等，2014）和新疆罗布泊盐湖（乜贞等，2010；惠争卜等，2017；刘成林等，2018）等地开展了钾盐资源勘查工作，还有一些地勘单位在老挝和刚果（布）承接了境外钾盐钻探项目。根据钾盐类型和成分不同，钾盐钻探工程主要采用饱和卤水钻井液、饱和氯化镁盐水钻井液、镁基钻井液和油基钻井液。

柴达木盆地大浪滩钾盐勘探ZK06 井钻遇地层以石盐、芒硝和石膏为主，含少量钾石盐和光卤石，采用饱和卤水钻井液解决了井壁稳定和高承压卤水井涌的施工难题，岩心采取率达90%（王德敬等，2010）。陕北奥陶纪盐盆地钾盐科学勘查井—绥钾1 井目的层主要岩性为白云岩、白云质灰岩、岩盐，局部夹石膏质云岩，采用无钾饱和盐水钻井液顺利完成了钻探任务（王永全等，2012）。因预测目的地层中含有光卤石，云南江城钾盐基准井—MK-1 井和MK-2 井采用饱和氯化镁盐水钻井液（刘联群和秦志坤，2014），该钻井液具有抗污染能力强、护壁性能好等特点，有效抑制了较软岩层的水化膨胀和分散，解决了水基钻井液溶蚀岩盐层的问题，盐矿心采取率达96.8%。青海柴达木盆地卤水钾盐钻探采用卤水钻井液，解决了水敏性地层缩径和破碎地层坍塌、掉块问题（王正浩等，2015；王正浩和申立，2015）。新疆罗布泊盐湖深部钾盐地质科学钻探LDK02 孔预测钻遇地层岩性以黏土、石膏、钙芒硝、石盐以及富钾卤水储层为主，采用由增黏剂GTQ、降滤失剂GPNS 等组成的环保型卤水聚合物钻井液顺利钻至孔深1200 m 完钻，解决了地层坍塌严重、卤水配浆胶体稳定性差等技术难题（张云等，2019；李晓东等，2019）。老挝钾盐矿主体是光卤石矿（梁光河，2021），其农波矿区南部钾盐钻探工程采用提钻取心钻进工艺施工，并选用抗污染多功能剂配制的盐水钻井液和镁基钻井液，当钻遇光卤石地层时，将盐水钻井液转化为镁基钻井液，光卤石岩心采取率达90%以上（黄卫东等，2014）。刚果共和国奎卢省光卤石探采结合井光卤石矿层取心井段采用柴油基钻井液钻获了光滑完整的光卤石岩心，岩心采取率达90%以上（唐孟龙，2021）。

综上，采用镁基钻井液和柴油基钻井液均能高质量地钻获光卤石型钾盐矿心，但是油基钻井液成本高，且污染环境（鄢捷年，2006；王中华，2019；黄津松等，2020）。因此，有必要对不同类型钾盐钻探用水基钻井液开展深入研究。

2 刚果（布）钾盐矿绳索取心钻探工艺对钻井液性能的要求

为了满足刚果（布）钾盐矿绳索取心钻探工艺要求，根据该矿区已钻获的岩心样品化学成分分析数据，采用的水基钻井液应具备以下性能：

（1）优良的抑制光卤石和溢晶石溶解能力。矿体遇水溶解对岩心采取率和钻孔直径均有直接的影响。通过对该矿区已钻获的岩心样品化合物百分含量分析，含有溢晶石的地层中CaCl2含量为0.07%～4.91%，即溢晶石含量为0.33%～22.86%，平均含量是6.28%。如果钻井液不能抑制光卤石和溢晶石溶解，岩心溶蚀问题突出，导致岩心直径缩小、内管卡簧卡不住盐矿心，取心失败的风险极大。因此，抑制光卤石和溢晶石溶解能力是取心成败的关键。

（2）较低的固相含量（≤5%）。与提钻取心相比，由于绳索取心钻杆内径比普通钻杆大，钻井液在钻杆内流速骤降，加上钻杆高速旋转的离心力，固相颗粒会在离心力作用下被甩到钻杆的内壁上，形成泥垢。因此，低固相含量可以避免因钻杆实际内径缩小而发生的打捞内管困难或黏附卡钻事故。

（3）合理的钻井液黏度。与提钻取心钻探不同，在绳索取心钻探时，如果钻井液黏度偏高，由于环空间隙小，会导致钻探泵压高，不利于施工。但钻井液黏度偏低，又会对盐矿心冲蚀作用明显，导致卡簧卡不住岩心。因此，对钻井液黏度的合理控制有利于绳索取心钻探和高质量获取盐矿心。

（4）良好的抗盐性能。为了抑制光卤石和溢晶石溶解，钻井液中加入较多的无机盐，会造成固相絮凝、切力降低和滤失量增大等问题，这就要求钻井液具有良好的抗盐性能。

（5）良好的降滤失性能。降低的滤失量，减少钻井液中的自由水进入地层，有利于减少盐矿地层的溶蚀。

3 钙镁基钻井液研究

在前期镁基钻井液研究与应用基础上（王永全等，2012；刘联群等，2014；陶士先和纪卫军，2016），针对刚果（布）钾盐特点及绳索取心钻探工艺要求，优选抑溶剂和优化基础液组成，降低氯化钙等可溶性盐在钻井液中的溶解度或减缓溶解速度，达到抑制光卤石和溢晶石溶解的目的；优选环保型抗盐处理剂，解决由于电解质污染导致钻井液固液分离，岩粉携带困难等问题；优化处理剂加量范围，保证钻井液具有良好的流变性及降滤失性能等。最终筛选出的处理剂及其作用见表1。其中，锁水抑制剂是一种具有羧钠基（-COONa）和酰胺基（-CONH2）的共聚物，其在水中溶解时，水分子会快速扩散到分子间。同时酰胺基周围也吸附大量水分子，减少自由水，抑制可溶性盐在水中溶解；抗盐型处理剂—增黏剂GTQ和接枝淀粉GSTP 分子链含有羧钠基（-COONa）和磺酸基（-SO3H）等基团，能提高黏土颗粒的稳定性，同时其分子链上侧链基团较多，起到了阻止盐的去水化作用（贾宏福等，2015；纪卫军等，2016；董海燕等，2017；杨凌雪等，2020）；包被剂GBBJ 是一种具有选择性的絮凝剂，当遇到表面所带的永久负电荷多的优质黏土时，由于双电层厚，动点电位高，水化膜厚，斥力大，表现为不絮凝，而对劣质黏土则表现为絮凝（陶士先等，2014；秦耀军等，2019）。

表1 处理剂名称及其作用Table 1 Names and functions of additives

3.1 钻井液配方研究

3.1.1 基础液配方优化

借鉴镁基钻井液基础液配方，引入氯化钙和锁水抑制剂，实现同时抑制氯化钙和氯化镁溶解。具体实验方法是：按表2 配方分别配制基础液，备用；每种基础液再称取6份（100 g），放入30℃水溶锅中，向其中3份基础液中加入50 g无水氯化钙，另外3份基础液中加入20 g 无水氯化镁，开始计时。分别在0.5 h 、1.0 h 和1.5 h 时，取出加入无水氯化钙和无水氯化镁的基础液各1 份，滤出未溶解的氯化钙和氯化镁，称取基础液质量，计算溶于基础液中的盐质量。基础液配方及测试结果见表2和表3。

表3 氯化钙和氯化镁在不同基础液中的溶解质量Table 3 Dissolution mass of calcium chloride and magnesium chloride in different base liquids

从表3 可看出，与1 号镁基钻井液的基础液相比，钙镁基础液具有更好的抑制氯化钙和氯化镁溶解性能，尤其是抑制氯化钙的溶解更明显。对比2～4 号配方发现，提高氯化钙的加量可以明显抑制氯化钙的溶解。在此基础上再提高锁水抑制剂（5～7 号配方），氯化钙和氯化镁的溶解速度略微降低；对比配方2～4 和8～10，增加氯化镁的加量，能大幅度提高抑制氯化钙和氯化镁溶解的性能，因此基础液中氯化镁加量优选30%。最终，确定基础液的最佳配方为：30%氯化镁+20%～30%氯化钙+1%锁水抑制剂。

3.1.2 钻井液配方优化

以考察钻井液的黏度、滤失量和抑制光卤石溶解的能力为测试重点，具体实验方法是：首先配制500 mL 上述基础液，再加入其他处理剂配制成钙镁基钻井液，测试钻井液的流变性和滤失量，并记录刚果（布）光卤石岩心在钻井液中浸泡2 h 前后质量变化，通过光卤石溶蚀率（质量降低率）评价其抑制光卤石溶解效果。钙镁基钻井液配方及其实验结果见表4和表5。

表4 钙镁基钻井液配方Table 4 Calcium magnesium based drilling fluid formulation

表5 不同钙镁基钻井液配方的实验结果Table 5 Experimental results of different calcium and magnesium based drilling fluid formulations

从表5 可看出，对比配方1～3 号的钻井液性能，发现随着钠膨润土的加量增加，钻井液的漏斗黏度增大，而光卤石溶蚀率明显降低，因此钠膨润土最优加量范围为2%～3%。对比配方3～5 号的钻井液性能，随着接枝淀粉GSTP 的加量增加，钻井液的API 滤失量和溶蚀率逐渐降低。但是当GSTP加量比例超过1.3%时，钻井液的滤失量和溶蚀率基本不变，因此GSTP 加量不低于1.3%。对比配方3、6 和7 号的钻井液性能，当GTQ 和GBBJ 的加量增加，钻井液的漏斗黏度和动塑比均逐渐增加，但是GBBJ 加量过多时，钻井液的絮凝作用更强，使钻井液的API 滤失量增加。因此，最终优化出钙镁基钻井液最佳配方为：30%氯化镁+20%～30%氯化钙 +1%锁水抑制剂+2%～3%钠膨润土+1.3%～1.6%接枝淀粉GSTP+0.4%～0.7%增黏剂GTQ+0.4%包被剂GBBJ。

3.2 钻井液性能评价

为了更好地模拟现场配浆条件，采用600 转/分的低速搅拌器配制钻井液，以配方30%氯化镁+20%氯化钙+1%锁水抑制剂+2%膨润土+1.3%GSTP+0.4%GTQ+ 0.4%GBBJ”为例，评价钻井液的常规性能，即流变性能、降滤失性能等，同时还评价了钻井液抑制光卤石溶解的性能。

（1）常规性能

测试不同实验条件下钻井液的黏度和滤失量等，结果见表6。

表6 钙镁基钻井液常规性能Table 6 Conventional properties of calcium and magnesium based drilling fluid

表6 结果表明，钙镁基钻井液具有良好的流动性和降滤失性能，而且陈化1 天和陈化10 天后钻井液性能稳定。

（2）抑制光卤石溶解的性能

将用油基钻井液取出的光卤石岩心浸泡在钙镁基钻井液中，分别采用质量法和测量直径法评价钻井液抑制光卤石溶解的能力。具体实验方法为：将光卤石岩心浸泡在50℃的钻井液中2 h，利用天平和游标卡尺称取或测量浸泡前后岩心的质量和直径，结果见表7和图1。

图1 钙镁基钻井液浸泡后的光卤石岩心Fig.1 Carnallite core soaked by calcium-magnesium based drilling fluid

表7 钙镁基钻井液抑制光卤石溶解评价结果Table 7 Evaluation results of inhibiting carnallite dissolution in calcium and magnesium based drilling fluid

从表7 可看出，采用质量法评价光卤石岩心的溶蚀率小于2%，而光卤石岩心直径缩小率仅为0.48%。从图1可以直观地看到，经钙镁基钻井液浸泡2 h 后光卤石岩心的形貌完整，基本没有变化，这充分说明钙镁基钻井液具有优良的抑制光卤石溶解性能。

4 钙镁基钻井液在刚果（布）钾盐钻探现场应用

钻探工作区位于刚果（布）西南部，隶属于奎卢省，施工钻孔5 个，终孔深度800～1000 m 不等，钻探工作量4805.26 m。钻孔设计为三开结构，每个开次采用不同类型的钻井液，其中一开采用膨润土钻井液，二开采用水解聚丙烯酰胺无固相钻井液，三开采用钙镁基钻井液。

4.1 地层情况

工作区地层自上而下为第四系、新近系及白垩系，工作区的地层厚度及其岩性见表8。

表8 工作区地层情况Table 8 Strata in the working area

钻探区盐系地层较稳定，厚度一般180～600 m，总体特征为钾盐矿层（光卤石岩）和石盐矿层（石盐岩）呈互层状分布，矿层呈近水平状产出。钾盐矿层以光卤石为主，局部为钾石盐（未圈出独立矿层）。

4.2 钻孔结构

采用XY-5型钻机施工，泥浆泵型号为BM 320/10，每个开次钻头尺寸、钻具组合及钻孔结构等见表9。

表9 不同开次钻具组合和钻进工艺Table 9 Different BHA assemblies and drilling techniques

4.3 钻井液性能

根据现场情况，按照“30%氯化镁+20%氯化钙+1% 锁水抑制剂+0～2% 钠膨润土+1.3%GSTP+0.4%GTQ+0.4%GBBJ”配制钙镁基钻井液。在三开孔段施工中，钻井液的漏斗黏度（苏氏漏斗）保持在37～40 s，密度1.31 g/cm3，API滤失量为10～12 mL，钻井液性能较为稳定。另外，5 个钻孔钻井液重复利用，极大地降低了成本。

4.4 应用效果

采用钙镁基钻井液施工，共完成钻探工作量3020.35 m，取得了很好的应用效果，实现水基钻井液首次成功应用于光卤石矿绳索取心钻探工程。具体表现为：

（1）取心质量高，岩心采取率达98%以上，完全替代国外油基钻井液。这解决了光卤石岩心溶蚀速度快的问题，尤其是解决了含溢晶石矿体的溶蚀，取出的光卤石岩心见图2。游标卡尺测得取出的石盐矿心直径为63.1 mm（见图3a），光卤石矿心直径为62.6 mm（见图3b），岩心直径变化率完全满足绳索取心钻进工艺要求（内管内直径64 mm）。

图2 取出的光卤石岩心照片Fig.2 Photos of carnallite cores taken out

图3 现场岩心直径测量Fig.3 Diameter measurement of on-site cores

（2）相较于油基钻井液（成本约5500～6500 元/m³），钙镁基钻井液成本不超过1000 元/m3，大幅度降低了钻井液成本，节约钻井液成本80%以上。

（3）钻井液抗钙镁污染能力强，使用过程中钻井液性能稳定，有利于重复利用。

（4）钻井液具有较好的环保性能。除氯化钙与氯化镁外，选用的钻井液处理剂均为环保材料，降低了钻井液对环境的影响。

（5）与油基钻井液相比，钙镁基钻井液使用和维护简单。

5 结论

（1）针对含有光卤石和溢晶石地层的刚果（布）钾盐矿床及绳索取心钻探工艺要求，研发了钙镁基钻井液，具体配方为：30%氯化镁+20%～30%氯化钙+1%锁水抑制剂+2%～3%钠膨润土+1.3%～1.6%接枝淀粉GSTP+0.4%～0.7%增黏剂GTQ+0.4%包被剂GBBJ。室内评价与现场应用效果表明，钙镁基钻井液具有较好的抑制光卤石和溢晶石溶解能力，良好的流变性和悬浮携带能力以及优良的抗钙镁污染能力。

（2）钙镁基钻井液首次成功应用于刚果（布）钾盐绳索取心钻探工程，完成钻探工作量3020 余米，盐矿心采取率达到98%，完全取代了国外油基钻井液。

（3）与油基钻井液相比，钙镁基钻井液选用的环保处理剂可直接为施工单位节约钻井液材料成本80%以上，另外节省了废弃钻井液处理费用，取得了良好的经济和环境效益，在钾盐钻探工程中应用前景广阔。

［附中文参考文献］

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