静电场对高含黏土凝灰岩钻井防塌的影响

郑明雄，李保珠

(1.昆明理工大学 计算中心，昆明 650500；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650031)

在矿山勘查钻井中常遇到凝灰岩。一些高分解性凝灰岩在水中迅速分解，难以防塌，严重时可造成卡钻事故。如在对云南澜沧铅矿深部接替资源勘查钻井时，由于井塌严重很难钻过凝灰岩地层，并曾多次发生卡钻事故。在对澜沧铅矿凝灰岩的物质成分、防塌钻井液及防塌原理等前期工作基础上，基于影响凝灰岩分解的各因素，本文研究静电场对澜沧铅矿凝灰岩在盐溶液及部分配方溶液中的防塌作用，以探索新的防塌措施，进一步明确防塌原理，并为其它高含黏土岩石钻井防塌做参考。

关于静电场对岩石性质影响的研究并不多，主要是因为一般的岩石性质十分稳定，受电场影响小。但是由电泳现象可知黏土带有电性，所以黏土可受电场影响，故静电场对岩石性质影响的研究主要集中在含黏土岩石上。如：孙虎等[1]研究了电场对黏土矿物颗粒粒度的影响；李先杰等[2]研究了外加直流电场下黏土矿物的膨胀特性；石振明等[3]试验了含盐量对蒙脱石黏土电渗的影响；杜伟等[4]讨论了电场中极化效应对黏土矿物中离子交换吸附的影响；LI等[5]讨论了黏土材料中的电场对金属离子吸附的影响。这些研究都从一个方面探索了电场对含黏土岩石的影响。但总体来说，静电场对岩石影响的研究不多，有待继续。

澜沧铅矿凝灰岩中黏土矿物含量多在40%以上(随层位不同有差别)，是典型的高黏土化凝灰岩，适用于静电场影响的研究范围。澜沧铅矿凝灰岩的物质成分十分复杂，凝灰岩中还含有较多易溶解的无机盐，溶出离子测试表明凝灰岩在水中有多种离子快速溶出，主要有Ca2+、Mg2+、K+、Na+等，这些离子的快速溶出可促进凝灰岩分解，阻止离子溶出可从一定程度上阻碍凝灰岩分解[6]。澜沧铅矿凝灰岩在水中可在数秒至1 min内分解成泥沙。对分解十分迅速难以防塌的凝灰岩来说，虽然最重要的防塌措施是成膜隔水、防盐溶和离子交换，但需要考虑每一个防塌因素，探讨新的防塌措施，这就有必要讨论静电场对凝灰岩稳定性的影响。通过静电场研究，还可进一步明确防塌机理，讨论凝灰岩微片端部电荷作用以及双电层的实际效应等。目前，将静电场与凝灰岩钻井防塌相结合的研究很少。

1 实验方法

实验表明纯水中电场没有任何效果，研究电场影响需在对凝灰岩有防塌效果的盐溶液或者防塌配方溶液中进行。前期对云南省澜沧铅矿凝灰岩进行了系列化学实验获得能有效防塌的钻井液配方及防塌原理[6-7]：主要是碱性可溶淀粉胶联成膜隔水防塌、盐溶液阻溶防塌及离子交换改性防塌。基于此，在有效防塌溶液中对比有无电场时的凝灰岩的稳定性，分别在盐溶液、碱性淀粉溶液、碱性淀粉+KCl混合溶液中进行对比。高浓度钾钠盐中澜沧干凝灰岩较为稳定，故在盐溶液中的电场影响对比时，在对应的降低浓度的半可防塌盐溶液中进行。因为在已经能很好防塌的盐溶液中难以进行比较，完全没有防塌效果的盐溶液施加电场也没有任何效果。

实验设计的电场为两种电场：使用平行金属板施加的模拟平行电场(图1～2)，平板直径25 cm；点电场采用直接在凝灰岩上钻孔插入导线接电源正/负极，分别实验凝灰岩接触端为正负电压的情况，另一极零电压端接金属容器，外金属容器为直径13 cm的圆柱金属口缸，凝灰岩半浸没于烧杯溶液中并连同烧杯置于金属容器中。实验使用静电压设备来产生电场，设备型号HB-S302-3AC，设备输出静电压范围-3 000 V ～+3 000 V，2路电压输出且电压可调，内电流3 mA。

图1 直流高压电源Fig.1 DC high voltage power supply

图2 金属平板 Fig.2 Metal plate

本文中的碱性可溶淀粉溶液为自来水+可溶淀粉+NaOH并充分搅拌使得淀粉交联枝接聚合而成胶状液体，原乳白色的可溶淀粉溶液无任何防塌功能，需搅拌至发生明显黏度变化并变得较透明，本文中的碱性可溶淀粉溶液的pH值均为13。

2 静电场对凝灰岩防塌的影响

2.1 盐溶液中静电场的影响

实验表明，对纯水及多数低浓度水溶液来说，电场的影响可以忽略不计。但是在较低浓度钾盐或钠盐溶液中，电场对澜沧凝灰岩的影响较明显，未施加电场的凝灰岩分解相对较快，电场中的凝灰岩在低浓度钾盐溶液中仍能较长时间保持较大块状，除去电场后在较长一段时间内仍不会迅速分解为泥砂。图3中左侧烧杯置于1 000 V平板电场(平板间距15 cm)中5 min后取出，右侧为相同浓度溶液中无电场的对比，可见电场有一定影响。但是，随着样品放置时间的长期变化，澜沧凝灰岩样品干燥后相对变硬，土状光泽变为具有一定的珍珠光泽，且在能防塌的盐溶液中更稳定。实验表明，新采凝灰岩的电场影响对比较明显，电场对久置干燥凝灰岩块的影响越来越弱甚至没有影响。

图3 在5 g/100 mL KCl中5 min电场影响对比Fig.3 Comparison of electric field effect in 5 min and in 5 g/100 mL KCl

图4为在10 g/100 mL NaCl溶液中的点电场实验(电压+200 V)，起初有对比效果，但是久置后凝灰岩泥沙化。平板电场实验中的凝灰岩久置后亦分解为细小层片等(凝灰质硬块除外)。实验表明，电场对凝灰岩在盐溶液中的影响对稳定性不具有决定性，较长时间后，凝灰岩在多数低浓度盐溶液中均泥沙化，或者能保持块状也十分软弱(能对凝灰岩进

图4 在10 g/100 mL NaCl中久置后分解Fig.4 Decomposition in 10 g/100 mL NaCl for a long time

实验还表明，盐溶液中，对直接接触凝灰岩的点电场情况，使用正负电压的差别不大。同时，点电场下，电压大小的影响不明显，数十伏和数百伏区别不明显。

2.2 碱性可溶淀粉溶液中静电场的影响

碱性淀粉胶状溶液的防塌功能主要是在凝灰岩表面成膜[6，8]，该膜十分细腻，可有效防止水进入凝灰岩内部引起垮塌；胶状液体同时具有对自由水的控制作用，并可极大增加溶液向凝灰岩内部运动的阻力。图5～7中的碱性可溶淀粉溶液浓度8 g/100 mL，经充分搅拌成胶状。图5中采用平板电场电压500 V，平板间距15 cm。图5中左侧烧杯为电场中5 min后取出的样品，右侧为无电场的同浓度溶液中5 min的样品，均轻微搅动以检验块状态。图6点电场实验中电压+200 V接凝灰岩端，溶液未直接接触金属导体，零电位极接外壳。图7点电场实验中电压-200 V接凝灰岩端，零电位极接外壳。

由图5可见，澜沧铅矿凝灰岩在碱性可溶淀粉溶液中对比较明显，电场中的凝灰岩表面模糊且有少许掉块，但主体硬块还在，说明平板静电场对黏土含量大的澜沧凝灰岩表面成膜有明显影响，静电场对防塌效果有明显增强。将图5中的电场中的凝灰岩取出检验，可知少许水分已浸润凝灰岩内部，凝灰岩软化但不松散。

图5 碱性可溶淀粉溶液中平板电场影响对比Fig.5 Comparison of the influence of flat electric field in alkaline soluble starch solution

由图6可知，在+200 V电压直接接触凝灰岩的近似点电场作用下(5 min)，凝灰岩在碱性淀粉胶状溶液中的稳定性显著增强，凝灰岩基本保持原来的块状。表明直接接触时的静电场电荷作用较强，这种静电作用可使得凝灰岩表面的隔水膜的功效更好。图7的-200 V具有与+200 V相近的功效。将图6—7的电场中的凝灰岩取出检查，可见仍然有少许水分已浸润凝灰岩内部，凝灰岩部分少许软化但不松散。

图6 碱性可溶淀粉溶液中点电场的影响对比Fig.6 Comparison of the influence of the point electric field in alkaline soluble starch solution

图7 碱性可溶淀粉溶液中点电场的影响对比Fig.7 Comparison of the influence of the point electric field in alkaline soluble starch solution

点电场实验表明直接电荷作用可增强成膜阻水，该发现具有一定的实际应用前景。

2.3 碱性可溶淀粉加KCl溶液中静电场的影响

前期研究表明，NaCl、KCl等盐溶液在达到一定浓度时对澜沧凝灰岩具有防塌作用，仅仅使用成膜隔水效果还有待提高，在胶状的碱性可溶淀粉溶液中加入KCl等盐将极大地增加凝灰岩的稳定性，且盐溶液浓度越高防塌能力越强[9]。为增加对比效果，将图8～10中的碱性可溶淀粉溶液浓度降为4 g/100 mL，KCl浓度也定为偏低的4 g/100 mL。图8中平板电场电压500 V，平板间距15 cm。图9～10中点电场实验中电压分别为±200 V，溶液未直接接触金属导体。图8～10中左侧烧杯均为电场中5 min样品，右侧为相同溶液相同时间无电场对比样。

图8 碱性可溶淀粉+KCl溶液中平板电场的影响对比Fig.8 Comparison of the influence of the plate electric field in KCl+alkaline soluble starch solution

图9 碱性可溶淀粉+KCl溶液中点电场影响对比Fig.9 Comparison of the influence of the point electric field in KCl+alkaline soluble starch solution

图10 碱性可溶淀粉+KCl溶液中点电场影响对比Fig.10 Comparison of the influence of the point electric field in KCl+alkaline soluble starch solution

由图8实验可见，在碱性可溶淀粉及KCl盐溶液中，凝灰岩表面虽有局部少许分解，但平板静电场对凝灰岩的稳定性有十分明显的作用，电场中的凝灰岩取出后仍具有之前的硬度，干凝灰岩内部未浸润软化。同样，对于图9～10的点电荷也具有十分显著的防塌增强作用。本实验结果表明，静电场对碱性可溶淀粉及KCl盐溶液的防塌性能有显著增强，自由水进入凝灰岩内部更加困难，静电场对配方防塌溶液的防塌能力有明显增强。本发现具有实际应用价值。

3 原理讨论

盐溶液中的电荷是带电水合离子，防塌作用本质上来说是水合离子与凝灰岩表面的电荷作用。当钾盐钠盐铵盐等盐溶液达到一定浓度时，较长一段时间内高分解性水敏凝灰岩可在溶液中保持稳定，但多数盐溶液不具备防塌功能而凝灰岩快速分解[9]。澜沧铅矿凝灰岩中含大比例黏土而凝灰岩表面可形成双电层[10-11]，凝灰岩微片端部电荷可吸附带电水合离子，但是，由多数饱和盐溶液不具备防塌功能来看，这种双电层对水合离子的吸附阻碍效应或者端电荷对水合离子的吸附阻碍效应并不能起到较好的防塌作用，因为其他盐溶液中的离子也是带电水合离子却完全没有防塌效应。本文的中低浓度KCl溶液的静电场增强电荷作用实验效果有限，进一步证实了双电层及对带电水合离子的电荷吸引阻碍作用十分有限。结合前面的防塌原理研究[6]，可知仅仅盐溶液的防塌作用在于防止溶出而防塌，防溶出是防塌的主要因素之一；当然，离子交换也是使得凝灰岩稳定的一个因素，对澜沧铅矿凝灰岩十分有效。

由碱性可溶淀粉中的静电场影响来看，仍然是电场中电荷对电荷的吸引，却取得了明显的效果。这是因为碱性可溶淀粉溶液中含有一定量的带电离子(NaOH和自来水中的离子)，使得部分溶液整体带有多电荷，相对于单个水合离子来说，这种电荷间作用大大增强，故凝灰岩表面及裂缝中对致密膜的吸引显著增强，可增加膜的厚度和强度，进而起到强化成膜效应的作用。当在碱性淀粉中加入KCl后，带电离子浓度大增，对膜体/膜层的电荷吸附作用起到增强作用，防塌能力得到进一步增强。由本文研究结果可以推知：对于含黏土岩层等高风险塌的钻井成膜防塌应用中，使用含盐离子防塌剂混合隔水成膜剂时，静电场具有增强防塌性能的作用。

4 结论

本文通过应用平板静电场和点静电场，对澜沧铅矿高黏土化凝灰岩在具有防塌能力的盐溶液、碱性可溶淀粉溶液、碱性可溶淀粉+KCl溶液中进行电场影响对比，并分析了现象的原理，得出以下结论：

1)高含黏土澜沧凝灰岩在具有一定防塌能力的中低浓度盐溶液中时，静电场对凝灰岩的稳定性有一定的影响，但这种影响十分有限。仅有凝灰岩双电层对带电水合离子的作用并不能阻止水进入凝灰岩内部。盐溶液的防塌表现为防盐溶防塌和离子交换稳定。

2)碱性可溶淀粉溶液中，静电场对防塌有明显的增强作用。静电场可增强对含带电离子的致密膜层的吸附，使得水难以进入凝灰岩内部。在碱性可溶淀粉中加入KCl后隔水膜中带有更多电荷，静电场的作用效果进一步加强，静电场对澜沧铅矿凝灰岩的防塌具有良好的实用价值。

3)在高井塌风险的防塌钻井的成膜隔水应用中，使用含盐防塌剂混合隔水成膜剂时，外加静电场可增强防塌性能。