浅析海洋地质钻孔纯裸钻绳索取心工艺对泥浆材料的要求

罗旭龙

(广州海洋地质调查局，广州 510760)

1 泥浆的作用

1.1 冷却钻头、润滑钻具和破碎岩石

在浅海地质钻井中，用清水(海水)做为冲洗液开孔，一般情况下常遇到粉质黏土层，钻孔结构稳定，取样率高。在继续钻进过程中，逐渐会出现粉沙质黏土、粉砂及砂砾层，若遇致密性粉砂地层而冲洗液不能正常喷射，很可能会使钻头得不到及时冷却而发生烧钻事故，钻柱也可能出现泥包卡钻现象[1-3]。

为了避免此类情况的发生，需提前将泥浆泵泵冲加大，提高钻速，同时将海水冲洗液换成充分搅拌混合的泥浆(海水+膨润土)冲洗液，此时泥浆的注入可保护钻孔井壁，避免烧钻或塌孔等现象发生。因此，泥浆泵的正常运转和维护以及正确操作显得极其重要。

1.2 泥浆冲洗液的排出和携带岩粉能力

由于海洋地质十号船采用直径150 mm的牙轮钻头，钻进过程中钻头旋转切削地层产生的大量泥土碎屑需要选择不同的泥浆泵冲及时将孔内钻渣排出，保证钻孔的畅通。

1.3 平衡地层压力

不同的地层对泥浆的稀释浓度是不同的，若遇砂砾含量较高的漏失性地层，就需要配比较高浓度的泥浆，才能维持地层的平衡，保护井壁。

1.4 保护孔壁和处理孔内复杂情况

海洋地质钻探过程中，极易出现塌孔和漏失现象，这是由于地层疏松和含水量较高等原因造成的。因此，泥浆浓度的配比就起到至关重要的作用，根据近年来海洋地质十号船的施工经验来看，不同的地层、不同的深度，都要及时调整泥浆配比，才能保证钻孔的顺利进行。

2 钻孔对泥浆冲洗液的要求

(1)冲洗液应具有良好的冷却和散热能力。在海洋地质钻井中，开孔阶段常采用清水作为冲洗液，由于海水低温的特性，钻进过程中具有较好的冷却散热能力，对钻头、钻具起到很好的散热作用。

(2)冲洗液应具有良好的润滑性。针对钻井中遇到的致密性地层，钻进过程中往往需要提高钻机的转速以达到正常钻进的施工需求，具有良好润滑性的乳状液、表面活性剂和润滑泥浆就会减少钻柱卡顿现象。

(3)泥浆应具有良好的剪切稀释作用。这有利于破碎岩石和携带碎屑，对高压喷射钻井特别重要。

(4)泥浆应具有良好的护壁、防喷、防漏作用。为避免水敏地层发生坍塌，应采用能抑制岩层水敏的泥浆(各种钙处理泥浆、盐水泥浆、聚丙烯酰胺泥浆等)。对无胶结破碎地层的坍塌，应采用适当黏度、滤失量和密度的泥浆，以维持孔壁稳定。对易溶岩层应采用饱和盐水或饱和盐水泥浆，防止孔壁和岩心被溶解。对漏水和井喷地层，应适当增大泥浆密度。对漏失层应降低泥浆密度，并同时调节泥浆黏度以及向泥浆中加入堵漏材料等[4-6]。

(5)冲洗液应能抵抗各种外界影响。盐钙侵对泥浆和乳状液的性能均有较大影响，黏土侵增加泥浆固相，影响钻进，均必须设法去除。

(6)冲洗液质量要有利于取心、防斜、测井等工作的进行。要防止冲洗液污染岩心品质，减小钻孔缩径，泥浆切力不应过大。一般在黏土层、粉砂层取心的回次，都采用低转速、小泵量以免岩心遭到外力破坏。

(7)其他要求。应防止钻具被腐蚀，冲洗液不会发酵变质且环保，不对海洋生物造成污染和伤害。

3 泥浆的循环方式

泥浆循环有正循环和反循环两种基本方式，而海洋钻井中，受海水深度及潮水变化的影响，一般采用直喷纯裸钻的钻进工艺，对泥浆的配比和环保属性提出了严格的要求。

4 泥浆材料的选择

常规泥浆一般包括水、黏土、化学处理剂、惰性物质及其他材料。在海洋地质钻探工作中，受所处地理环境限制常采用海水和膨润土作为原材料，结合地层需要添加部分化学处理剂。

海洋钻井施工中常遇到砂层、砾石及破碎带地层，成孔难度很大，这种机械分散地层，由于颗粒间缺乏胶结，钻进时井壁很容易坍塌[7]。若要增加井壁颗粒间的胶结力，黏性较大的泥浆适当渗入井壁地层中，可以明显增强砂、砾之间的胶结力，以此使井壁稳定性增强。提高泥浆黏度，可通过增加泥浆中黏土含量、加入有机或无机增黏剂等措施来实现[5]。其组成除黏土、碳酸钠和水外，为了满足钻井需要，往往加有提黏剂、降滤失剂和防絮凝剂。

海洋地质十号船钻探系统泥浆配制常采用Na-CMC(钠羧甲基纤维素)泥浆，这是一种最普通的提黏性泥浆，Na-CMC起进一步提黏和降滤失作用。具体配方为：黏土150～200 g，水1000 mL，纯碱5～10 g，Na-CMC 6 g左右。泥浆性能：密度1.07～1.10 g/cm3，黏度25～35 s，滤失量<12 mL/30 min，pH约9.5。

还有一种铁铬盐-Na-CMC泥浆，相比前一种该泥浆提黏且稳定性较强，铁铬盐起防絮凝(稀释)作用。配方为：黏土200 g；水1000 mL；纯碱浓度50%，加量约20%；铁铬盐溶液浓度20%，加量0.5%；Na-CMC 0.1%。泥浆性能：密度1.10 g/cm3，黏度25 s，滤失量12 mL/30 min，pH约9.0。

5 泥浆的性能

(1)泥浆密度。工程钻探用泥浆密度一般控制在1.03～1.20 g/cm3，泥浆密度指标常用泥浆密度称测评。

(2)泥浆固相含量。通常采用泥浆固相含量测定仪测定，泥浆中所含有用(黏土)、无用(岩粉、沉沙)固相颗粒占泥浆总量的百分率称为泥浆固相含量。泥浆固相含量越低越好，低固相泥浆要求固相含量<4%。

(3)泥浆黏度。相对黏度一般用漏斗黏度表示，控制在18～30 s，有条件的情况下可采用旋转黏度仪测定泥浆的绝对黏度和视黏度。泥浆黏度是指泥浆流动时，其内部的液体分子间、固相颗粒间和液固相间所具有的内摩擦力表现，它是泥浆流动难易程度的一种表现指标。黏度大小对钻进、排粉、保持孔底清洁和安全施工影响很大。

(4)泥浆的触变性与静切力。一般采用泥浆静切力计或旋转黏度仪测定，泥浆搅动时其内部结构受到破坏，但在静止时又恢复形成网状结构，称为泥浆的触变性。泥浆静止时，受外力影响而开始流动所需最小的剪切应力，称为静切力。

(5)泥浆含砂量。现场多用含砂量测定仪测定泥浆中不能通过200目筛孔(即直径大于0.074 mm砂粒占泥浆体积的百分数)来计算泥浆含砂量。

(6)泥浆滤失量与造壁性。现场多用泥浆失水仪来测定泥浆滤失量，即当泥浆承受压力差作用后，一部分自由水渗入孔壁岩层的数量。造壁性即泥浆失去自由水的同时，泥浆中的黏土等固相颗粒在孔壁上形成泥皮的能力。

(7)泥浆pH。现场多采用pH试纸进行测定，pH<7时泥浆呈酸性，pH=7时泥浆呈中性，pH>7时泥浆呈碱性。

(8)泥浆的胶体与稳定性。表示泥浆中黏土颗粒分散和水化程度的指标称为泥浆的胶体率，表示泥浆中黏土颗粒分散的均匀程度的指标称为泥浆的稳定性。

(9)泥浆的润滑性与泥皮的黏滞性。此项指标对钻进影响很大，可用其改善泥浆润滑性，降磨减阻，提高转速。

6 环保要求及建议

目前海洋地质十号船钻探泥浆多使用膨润土加海水作为钻具冲洗液，根据地层需要再添加适量的化学材料(黄原胶、聚丙烯酰胺)。膨润土的主要成分是蒙脱石，经无机酸化处理呈粉末状，无味、无毒，具有良好的增稠性、润滑性、悬浮稳定性、高温稳定性、耐水性及化学稳定性，和海水充分搅拌溶合，是海洋地质钻探中常见的环保泥浆，能起到冷却钻具、护壁堵漏、稳定钻孔结构的作用，且不会对海洋环境造成污染。

海洋地质钻探施工中，在保证泥浆材料安全可靠的同时，要树立保护海洋环境的生态文明理念，在行动上尽可能减少施工过程中生活垃圾和物料垃圾对海洋环境的污染，文明施工，科学钻井。