本文選自核心級(jí)期刊《水文地質(zhì)工程地質(zhì)》，《水文地質(zhì)工程地質(zhì)》1957年創(chuàng)刊，是國土資源部主管，中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院主辦的。國際刊號(hào)ISSN：1000-3665 ；國內(nèi)刊號(hào)CN：11-2202/P。郵發(fā)代號(hào) 2-335。我國水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)專業(yè)領(lǐng)域創(chuàng)刊較早、發(fā)行較廣，并具有權(quán)威性、綜合性的學(xué)術(shù)理論與實(shí)踐刊物之一。

　　摘要：本文主要介紹了地質(zhì)的現(xiàn)狀分析與油頁巖鉆進(jìn)中存在的問題，依據(jù)鉆探施工現(xiàn)場存在的泥漿問題，結(jié)合油頁巖物化特性和井壁穩(wěn)定理論，探討了油頁巖鉆進(jìn)的泥漿體系優(yōu)選，并試驗(yàn)分析了泥漿體系對(duì)泥頁巖膨脹的抑制效果。

　　關(guān)鍵詞：地質(zhì)狀況,油頁巖,問題分析

　　引言：油頁巖是一種腐泥巖，遇水后容易發(fā)生水化膨脹、分散的問題。與泥頁巖遇水產(chǎn)生的問題相同，對(duì)其泥漿體系的研究類似于泥頁巖。油頁巖地層由于其所含粘土比例較高，容易水化，給鉆進(jìn)操作帶來了極大的負(fù)面影響，鉆井過程中常出現(xiàn)井徑擴(kuò)大、井壁失穩(wěn)、卡鉆、糊鉆、扭矩及阻力增大等一系列井下復(fù)雜情況。所以，對(duì)油頁巖地層鉆探施工而言，泥漿體系是個(gè)非常重要的技術(shù)問題。

　　一、我國地質(zhì)狀況的分析

　　1.1我國地質(zhì)技術(shù)總體成新水平

　　我國地質(zhì)技術(shù)裝備在過去3年購置踴躍，成新率較高。在可統(tǒng)計(jì)的130家施工單位中，有60%-70%的主要地勘裝備是在近三年購置的；在可計(jì)算的71個(gè)施工單位中，國產(chǎn)設(shè)備平均成新率約為64%，進(jìn)口設(shè)備成新率約為70%。

　　1.2國產(chǎn)地質(zhì)技術(shù)裝備仍然是地勘施工的主力裝備

　　（1）我國地質(zhì)技術(shù)裝備市場呈現(xiàn)品種多樣、供貨商眾多、需求旺盛的繁榮局面，國產(chǎn)地質(zhì)技術(shù)裝備仍然是廣大地勘施工單位的主力裝備，千米以深國產(chǎn)鉆機(jī)擁有率約為94%。

　　從收回的150份調(diào)查表中統(tǒng)計(jì)，擁有巖心鉆探設(shè)備并承擔(dān)巖心鉆探工作量單位有73個(gè)，擁有300m以深（含300m）巖心鉆探設(shè)備786臺(tái)套，其中：千米以深（含1000m）鉆機(jī)690臺(tái)套，占87.8%；300-1000米鉆機(jī)96臺(tái)套，占12.2%；立軸式鉆機(jī)735臺(tái)，占93.5%；全液壓鉆機(jī)51臺(tái)，占6.5%。在51臺(tái)全液壓鉆機(jī)中，國產(chǎn)鉆機(jī)11臺(tái)，占21.6%；進(jìn)口鉆機(jī)40臺(tái)，占78.4%。

　　從以上數(shù)據(jù)不難得出，立軸式巖心鉆機(jī)在我國仍占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)地位。

　　（2）目前地勘隊(duì)伍典型機(jī)臺(tái)設(shè)備配套現(xiàn)狀見表1。

　　表1目前地勘隊(duì)伍典型機(jī)臺(tái)設(shè)備配套情況

　　孔深

　　設(shè)備300—500米600—1000米1200—2000米

　　鉆機(jī)XY-2、XY-2BXY-4、XU-1000、XY-42XY-5、XY-6B、HXY-6B

　　泥漿泵BW-150、BW-160/10BW-250BW-320、BW-300/10

　　鉆塔SGX-13SGX-17、SG-18SGZ-23

　　動(dòng)力配備電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組+電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)

　　（3）除傳統(tǒng)的鉆機(jī)、鉆具、儀器承擔(dān)了大量施工任務(wù)外，為滿足地質(zhì)勘查市場新的需求，深度更深、自動(dòng)化程度更高、能力更強(qiáng)的一系列新型號(hào)鉆探設(shè)備研制成功并投入市場，比如XY-6B、HXY-8B等機(jī)械傳動(dòng)巖心鉆機(jī)，滿足了大深度巖心鉆探施工要求；HCD-5、XD-5、HYDX-8B等全液壓巖心鉆機(jī)在中深孔巖心鉆探施工中效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安裝搬運(yùn)簡便，部分替代進(jìn)口。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2008年國產(chǎn)全液壓巖心鉆機(jī)全球銷售量超過了150臺(tái)。

　　二、油頁巖井壁穩(wěn)定機(jī)理

　　研究油頁巖穩(wěn)定性有兩個(gè)主要的方面：①油頁巖膨脹力；②油頁巖的運(yùn)移過程。

　　（1）油頁巖的膨脹力

　　膨脹力是油頁巖以及泥頁巖在鉆井過程中與鉆井液相互作用過程中影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵作用力，要穩(wěn)定油頁巖，必須在鉆井液中添加抑制劑，以控制和減小膨脹力。圖1為油頁巖受鉆井液影響的膨脹力受力模型。

　　1連有微孔的粘土片層體系受力

　　膨脹力是所有粘土固有的特性，它總是存在于富含粘土的油頁巖及泥頁巖中，在粘土片層上表現(xiàn)為張力。當(dāng)在鉆井過程中，油頁巖與水基鉆井液接觸時(shí)，膨脹力不會(huì)突然變化，但粘土與鉆井液接觸過程中所發(fā)生的相互作用的化學(xué)變化可改變其大小。抑制劑是能減少這種膨脹的作用力，但并不是說最佳的抑制劑能將膨脹力降為零[1]，且抑制劑減少膨脹力的效果會(huì)根據(jù)粘土的種類不同而不同。

　　（2）油頁巖的運(yùn)移過程

　　泥頁巖－鉆井液體系如同“透過性的滲透膜”發(fā)生化學(xué)滲透[2]，膜的特性源于低滲透、富含粘土的泥頁巖中水及水化質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)差異性，通過化學(xué)勢梯度驅(qū)動(dòng)形成水的流動(dòng)，導(dǎo)致了泥頁巖與鉆井液體系之間的水及離子的交換，從而改變了膨脹壓力、水含量及孔隙壓力。

　　侵入泥頁巖的離子將在粘土片層間進(jìn)行交換，從而改變膨脹力。泥漿壓力的侵入將提高孔隙壓力。如果發(fā)生滲透，井壁周邊的泥頁巖將去水化。這些變化將及時(shí)影響剛鉆的泥頁巖的應(yīng)力狀況及強(qiáng)度，從而影響泥頁巖的穩(wěn)定性。

　　油頁巖地層鉆進(jìn)過程中，除井壁穩(wěn)定問題，還有鉆屑分散和鉆頭泥包問題。

　　2泥漿體系配方的確定

　　根據(jù)油頁巖的性能，初步確定出兩種泥漿體系：低固相泥漿體系物為：膨潤土、XY-27、腐植酸鉀、磺化酚醛樹脂、聚合醇、部分水解聚丙烯晴銨鹽和純堿；無固相泥漿配方物為：PHP水解聚丙烯酰胺、KHm腐植酸鉀、PVA聚乙烯醇、CMC和KCL。

　　通過正交實(shí)驗(yàn)所得的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)出配方中各物質(zhì)的最優(yōu)含量。低固相泥漿體系最優(yōu)含量見表1，性能指標(biāo)見表2。無固相泥漿體系最優(yōu)含量見表3，性能指標(biāo)見表4。

　　表1低固相泥漿體系各組分含量單位：%

　　配方彭潤土（XY-27）（腐植酸鉀）（磺化酚醛樹脂）聚合醇

　　（JC-2）純堿部分水解聚丙烯腈銨鹽

　　含量40.31220.20.5

　　表2低固相泥漿體系的性能指標(biāo)

　　溫度表觀粘度塑性粘度濾失量泥餅厚度泥餅質(zhì)量

　　20℃32284.51致密、有韌性

　　注：沉化2天沒有分層現(xiàn)象。

　　表3無固相泥漿體系各組分含量單位：%

　　配方PHP水解聚丙稀酰胺KHｍ腐植酸鉀PVA聚乙烯醇CMCKCL

　　含量0.0721.50.35

　　表2無固相泥漿體系性能指標(biāo)

　　溫度表觀粘度塑性粘度濾失量泥餅厚度泥餅質(zhì)量

　　20℃20.5164.50.5致密、有韌性

　　注：沉化2天沒有分層現(xiàn)象。

　　三、泥漿體系的評(píng)價(jià)

　　泥漿體系得評(píng)價(jià)主要做了兩個(gè)方面的測試：膨脹性和巖屑回收率。

　　3.1低固相泥漿體系

　　在低固相泥漿體系中，聚合醇對(duì)泥頁巖的抑制性比較關(guān)鍵，把4%膨潤土+0.3%XY-27+1%腐植酸鉀+2%磺化酚醛樹脂+0.5%部分水解聚丙烯腈銨鹽+0.2%Na2CO2定位基漿。利用頁巖膨脹儀分別測定①基漿、②基漿+1.5%聚合醇、③基漿+2%聚合醇、④自來水體系的膨脹。得到的膨脹曲線見圖2和圖3所示。

　　圖2①、②、③泥漿的膨脹曲線圖

　　圖3①、②、③、④體系的膨脹曲線圖

　　從圖2和圖3可以看出：聚合醇加量在2%時(shí)候?qū)�頁巖的抑制性最強(qiáng)。與水相比，其體系可以降低頁巖膨脹率達(dá)到88.7%。

　　篩取30目的泥巖50g，分別加于上述①、②、③、④體系中，在120℃的滾爐中熱滾16小時(shí)，然后利用40目篩回收巖屑，測得回收率如圖4所示。

　　圖4低固相泥漿體系巖屑回收率對(duì)比圖

　　從圖4可以看出聚合醇加量為2%時(shí)，巖屑的回收率最高，對(duì)頁巖的抑制性最強(qiáng)，確定聚合醇JC-2的最佳加量為2%。

　　3.2無固相泥漿體系

　　把0.07%PHP水解聚丙稀酰胺+2%KHｍ腐植酸鉀+0.3%CMC+5%KCL定為基漿，利用頁巖膨脹儀對(duì)①基漿+1.5%PVA、②基漿+2%體系、③自來水進(jìn)行頁巖膨脹率實(shí)驗(yàn)的測定，所測定的膨脹率結(jié)果如圖5和圖6所示。

　　圖5①、②體系的膨脹曲線圖

　　圖6①、②、③體系的膨脹曲線圖

　　從圖5和圖6可以看出：聚合醇加量在PVA1.5%時(shí)候?qū)�頁巖的抑制性最強(qiáng)。與水相比，無固相泥漿體系可以降低頁巖膨脹率達(dá)到86.7%。

　　篩取30目的泥巖50g，分別加于基漿+1%PVA、基漿+1.5%PVA、基漿+2%PVA、自來水體系中，在120℃溫度下熱滾16小時(shí)，然后利用40目篩回收巖屑，所得到巖屑回收率對(duì)比如圖7所示。

　　圖7無固相泥漿體系巖屑回收率對(duì)比圖

　　由圖5、圖6和圖7可以看出PVA的加量最佳為1.5%，對(duì)泥頁巖的整體抑制效果最好。

　　四、結(jié)語

　　在對(duì)油頁巖的物理化學(xué)特性測定的基礎(chǔ)上，優(yōu)選了低固相泥漿和無固相泥漿兩種體系，通過正交實(shí)驗(yàn)，測定了泥漿體系中各組分的最優(yōu)加量；通過頁巖膨脹率和巖屑回收率檢測實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)了泥漿體系對(duì)泥頁巖地層的抑制效果。低固相泥漿體系的配方為：4%膨潤土+0.3%XY-27+1%腐植酸鉀+2%磺化酚醛樹脂+0.5%部分水解聚丙烯腈銨鹽+0.2%Na2CO2+2%聚合醇（JC-2）。無固相泥漿體系的配方為：0.07%PHP水解聚丙稀酰胺+2%KHｍ腐植酸鉀+0.3%CMC+5%KCL+1.5%PVA聚乙烯醇。

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