复杂地层地质钻探冲洗液研究与应用

闫平均，刘东华

（湖北省地质局第四地质大队，湖北咸宁437100）

在勘探过程中，钻探施工中冲洗液的应用技术是最为关键的技术，它在能源、矿产资源的开发中，其作用至关重要，它能够保障勘探、开采过程的安全。钻探工作的好坏会直接影响后续生产的工作，在复杂地质区域进行钻探是业内公认的难点，要想确保在复杂地质环境中钻探的安全性，就一定要完善、优化钻探的相关技术，其中冲洗液的应用,在复杂钻探施工中最为重要。

1 冲洗液在钻探施工中的作用

在复杂地质环境中进行钻探，其施工的难度非常大，要想确保钻探的施工质量，就必须根据地质情况采用相关冲洗液进行辅助钻探[1]。钻探过程中冲洗液的主要作用如下：

（1）能够对钻孔的孔底进行清洗。在钻探的工作过程中，设备带动钻头旋转破碎地下岩层向下推进，在这一过程中将不断产生岩石粉末，这时的冲洗液会将粉末带于地面，进而保证钻孔的孔底处于清洁的状态，确保钻探正常进行。

（2）冲洗液能够对工作中的钻头进行实时冷却。在钻探的过程里，钻头将不断对岩石进行破碎，钻头与岩石的摩擦会使钻头的温度不断升高，此时如果不能对钻头进行及时的冷却，钻头会发生烧钻事故。使用冲洗液实时对工作中的钻头进行冷却，保证钻头在正常温度下工作，不仅能够保证工作顺利进行，而且还能提高钻头的寿命[2]。

（3）冲洗液能够减轻钻具工作过程中的振动，勘探过程中，钻头因与岩石产生摩擦发生振动，振动会随传动机构传输到设备上，它不仅影响正常钻进，而且还减少设备的寿命。冲洗液的使用，能够对钻头进行润滑，减轻钻头和岩石的摩擦，进而减轻了钻头的振动，保证了钻头工作的平稳性，延长了钻头使用的寿命。

（4）冲洗液能够对钻孔起到保护的作用。在钻探工作的过程中，应用相应冲洗液能够在钻孔壁上产生保护层，保护层能够避免钻孔坍塌的事故发生，对不稳定地层起到保护作用，从而确保钻探能够顺利进行[3]。

2 冲洗液材料的研制

2.1 有机膨润土的冲洗液研制

（1）冲洗液制备的研制。当前的有机冲洗液膨胀土研制主要是微波、预凝胶、干法、湿法等四种：

①湿法。湿法主要是先把蒙脱石打散，然后再进行改型、提纯，使用有机碳链阳离子置换蒙脱石金属的离子，从而使得层距扩大为原来的17~30倍，进而变为输水性很好的膨润土材料。随后经过干燥、脱水、研磨工艺加工成产品。

②干法。干法是把含水量在20%~30%的钠基土和有机的覆盖剂进行混合、加热、加压，制备成含有水分的有机土材料。这种材料在经过破碎、烘干制备成产品，也可将其直接分散到有机的溶剂中形成乳胶或者凝胶产品。

③凝胶法。凝胶法是将钠基的膨胀土打散提纯，然后加入有机疏水性溶剂，萃取有机的膨胀土使其融进有机相，随后去除水相并利用蒸发的方法彻底去除水分，最终制备成凝胶有机的膨胀土。

④微波的合成法。它是一种较新的方法，它是在浓度一定的活性溶剂中加入膨胀土进行搅拌，把浆料放置在微波发生器中，通过微波作用去除游离活性剂，在通过烘干、研磨、筛滤后制备成产品[4]。

（2）有机膨胀土泥浆冲洗液性能的评价。通过实验对有机膨胀土材质的流变、滤失、膨胀相对降率、滤失量HTHP进行测试得到表1。

表1 有机膨胀土冲洗液的性能对照表

从表1可知，随加量的不断增高，泥浆的粘度也随之升高，但加量到3%时粘度的变化趋于缓慢。随加量的不断增高，滤失量APL却随之降低，在加量2%时，降低的效果最为明显。另外随加量的不断增高，滤失量HTHP也相反随之降低，但降低膨胀率随之升高。从质量上看，含有钠基的膨胀土比有机膨胀土细腻。

2.2 聚合物定粉冲洗液的研制

（1）聚合物定粉冲洗液的研制工艺。聚合物定粉冲洗液制备工艺是先要把玉米的定分加入准备好的水里，通过活化进行处理，此时要调整反应温度在60oC~80oC度之间。把丙烯酸混合在20%到40%的盐水中，使其形成丙酸钠液体，随后将丙酰胺通过适量的H2O进行溶解成丙酰胺液体。在进行冲洗液合成工艺中，首先将硫酸钾倒入，并进行不断搅拌，随后缓慢倒入亚硫酸钠，5~15min后，再倒入丙酸钠与丙酰胺液体，反应过程中保持温度60oC~80oC之间直到结束反应。最后，在105oC下进行烘干以及粉碎获得聚合物淀粉[5]。

（2）聚合物定粉冲洗液性能的评价。通过实验得知，聚合物定粉在水中的动塑比与粘度都低于其它冲洗液，这主要是因为聚合物淀粉是有机物和淀粉发生反应而产生的，从而提高了流动性，并使其能够形成良好水化膜。另外，聚合物淀粉滤失率也很低，在各种材料中质量最好、最薄。所以这种聚合物淀粉目前使用非常广泛。

聚合物淀粉在4%的NaH2O中粘度比羧甲基的淀粉与L-CMC要高，但比聚丙酸钾要低，动塑比要比其它材料要高，从而使得自身具有良好的稳定悬浮性。当聚合物淀粉加到0.6%时，和其他材料相比滤失率最小。

3 复杂地质环境钻探过程中冲洗液的应用

（1）复杂地质环境钻探工艺。在湖北矿区复杂地层进行冲洗液辅助地质钻探。矿区的地质特点为脆、硬、钻孔容易发生坍塌。

①钻进方式的选择；在复杂的地质环境进行钻探，选择正确的钻进方式会对钻探的质量起到直接的作用。复杂的地质条件进行钻探前，首先要根据岩层性质选择钻探的方案。岩石硬度在6~8级时，要使用冲击硬合金钻头，岩石硬度在9~12级时，要使用回钻金刚石钻头进行钻进，岩石硬度在1~6级时，可用以上两种钻头进行钻进。在钻进施工过程中，必须严格遵守操作规范以及技术标准，只有这样才能保证复杂地质钻探的质量。

②钻进过程的工艺：钻进前，要选择恰当的钻孔结构。在钻进过程中，要选择恰当的冲洗液，防止钻孔过程中出现孔壁坍塌、剥落、钻杆出现严重的结垢现象，避免起升内管困难，孔壁出现坍塌、岩粉增多、钻杆折断的事故发生。

要使用冲洗液为有机膨胀土浆液进行辅助钻探，它的特点是失水量低，孔壁不易坍塌，并且成孔孔壁清洁光滑稳定，钻井过程中结垢的现象较轻，钻进能够正常进行。

（2）冲洗液的现场应用。冲洗液的现场应用选定在湖北矿区，地质结构上层为盐层，下层主要为粉岩、泥岩并夹杂有砾岩、淤泥等，这里钻探用水非常不便，在配浆时使用的主要是含盐量达16%的盐水。原钻探使用的浆液极易分层，并且失水大、粘度较低，其处理剂的使用量较大，浆液的成本较高[6]。

在改用聚合物定粉冲洗液进行辅助施工1000m后，通过测试，其效果非常理想，聚合物定粉冲洗液具有良好抗盐能力，浆液无分层情况，在进行泥页岩钻探时，钻进顺畅无孔壁掉块的情况发生。聚合物定粉冲洗液的悬浮力较强，能够实时携带岩屑，保证钻孔的孔底随时干净，在下钻时不用冲孔就能使钻头到底[7]。

4 结束语

随着国民经济的高速发展，我国对能源的需求也不断增加，能源的钻探开发已经成为重中之重的工作。本文针对能源勘探钻探中冲洗液技术进行深入研究，通过冲洗液的制备研究与应用研究整合出各冲洗液特点优势，从而确保了复杂地质钻探施工的安全性，减少了钻头与岩石的摩擦与工作时的振动，并且有效地避免了钻孔孔壁的坍塌，及时地清洁了钻孔的孔底，保证了钻探施工顺利、安全进行。