摘要
柴达木盆地石圈滩地区铀矿资源调查评价钻探中钻遇地层高压异常，0~600 m地层压力系数为1.25~1.4；地层易溶，含盐量最高达1.025%，钻孔资料较少，在钻探过程中经常出现卡钻、塌孔等严重孔内事故。通过对该区地层进行岩性特征分析，根据地层特点进行冲洗液造浆粘土与处理剂优选，提出了一套适用于该区地层的抗盐防塌冲洗液体系，该体系具有良好的抗盐防塌性能，主要表现为：表观粘度38 mPa·s、动切力16.4 Pa、API滤失量4~5 mL、泥皮厚度0.3~0.4 mm，薄且致密，护壁效果良好。有效解决了该地区施工盐膏层缩径、塌孔及高压异常条件下冲洗液失稳等难题，平均台月效率从729.76 m提升至1378.78 m，孔径扩大率从130%下降至19.4%，泥浆材料和用水成本从57.91元/m降至38.92元/m，在现场实际应用中取得了良好的经济效益，具有推广应用价值。
我国盐膏层广泛分布于华北、新疆、青海、重庆、江汉和长庆等地
2021年我单位在柴达木盆地石圈滩地区施工铀矿资源调查评价钻孔4个，采用正循环回转钻进，钻探工作量共计2437.87 m。其中上半年施工钻孔ZKLH12-1和ZKLH19-1因相关地质资料欠缺，施工经验不足，均发生不同程度孔内事故。ZKLH19-1在钻进到472 m时钻遇浅层气发生小规模井喷，孔内正常后继续施工到510 m发生卡钻事故，最终因孔内气压较高、施工风险太高停止施工。ZKLH12-1孔在施工到597 m时发生钻杆折断事故，打捞3天无果挪孔后重新施工，新孔位施工至695 m时再次发生钻杆折断事故，该孔累计施工51天，报废工作量597 m。测井数据表明，两个钻孔孔径均不同程度扩大，其中ZKLH12-1钻孔孔径扩大率达到145.34%。两孔接连发生孔内事故，给单位带来严重经济损失，影响地质找矿进展。因此，特对该区岩石的理化性能进行分析，开展针对性冲洗液室内研究与现场试验，提高钻进效率。
石圈滩工区位于柴达木盆地柴北缘隆起区赛昆断陷亚区冷湖构造带西北端，其西面是阿尔金山，北面为祁连山，南面为昆特依凹陷，东面是赛什腾凹陷。地表条件较复杂，主要为丘陵、戈壁、碱滩、沼泽、盐湖和风蚀残丘，局部出露下第三系或中生界。区内断裂构造较发育，多为燕山期逆冲断层，断层产状较陡，走向为NWW、WE，地层具有西高东低、南深北浅的特征。
钻遇地层主要为古近系路乐河组和侏罗系小煤沟组。路乐河组以粗碎屑岩为主，颜色多呈棕红色、浅棕红色，局部受油气还原或高岭土化影响呈灰白色。沉积物粒度较粗，多为中、粗砂岩，砾岩，岩石分选差，泥质杂基含量较高，为一套冲积扇相沉积，地层中较大粒径的砾石坚硬，可钻性及研磨性较强，但地层松散，岩心采取率低，易造成塌孔。小煤沟组浅灰色、灰色泥岩，粉砂质泥岩，炭质泥岩与浅黄色、灰白色、灰色砂岩，砾状砂岩，砾岩互层，为一套扇三角洲前缘相沉积。小煤沟组具有较好的“泥-砂-泥”结构，是施工区主要的找矿目的层。由于揭露侏罗系小煤沟组找矿目的层，需揭穿上伏古近系路乐河组地层，而路乐河组地层整体含盐度较高，给钻探查证造成了较大的技术难度。
为探究石圈滩工区地层岩性，取古近系路乐河组岩样及侏罗系小煤沟组岩样进行岩性与孔隙结构等理化性能分析。分别采用正交偏光显微镜、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、Autopore IV 9520高压压汞仪、JHGP气体渗透率测定仪、JC2000DM接触角测量仪对岩样进行定性和定量测试与分析。
首先，采用偏光显微镜对岩心磨片观察，综合XRD分析结果确定岩样矿物成分及相对含量。薄片分析结果显示，两组岩样属于石英质岩屑砂岩，主要由石英、长石和石膏等构成。矿物粒径大都在50~300 μm之间，部分粒径可达500 μm，颗粒分选中等，多呈多边形状或椭圆状，碎屑结构分布较多。
XRD分析结果显示，该地层岩心成分复杂，含有12种矿物，地层中所含盐份成分以NaCl和KCl为主，该地层易溶含盐量最高达到1.025%，远高于盐渍土定义中0.3%的含盐量标准。
依据《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度 第1部分：压汞法》（GB/T 21650.1—2008）测定岩样孔径分布情况，结合SEM测试、气体渗透率实验、润湿性实验对岩样孔隙情况进行定量分析。实验结果见图
图1 岩心压汞试验曲线
Fig.1 The mercury injection test curve of the core
图2 岩样SEM图像
Fig.2 SEM images of the rock samples
图3 岩样接触角图像
Fig.3 Contact angle image of the rock sample
实验结果表明，古近系路乐河组岩心的孔隙主要分布在孔隙直径为10、40、60 nm以及100、300 μm处，孔隙度为10%（
侏罗系小煤沟组岩心的孔隙主要分布在孔隙直径为9~13 nm、26~32 nm处，孔隙度为11%（
通过对石圈滩地区古近系路乐河组岩样及侏罗系小煤沟组岩样进行岩性与孔隙结构等理化性能分析，得到两点结论：
（1）石圈滩地区钻遇地层路乐河组整体含盐度较高，最高达到1.025%，以水溶性盐份NaCl和KCl 为主。
（2）石圈滩地区钻遇地层孔隙度普遍较高，且表现出良好的亲水性。
根据岩样分析结果，施工该类易溶盐膏地层的关键是解决冲洗液护壁问题，结合前期施工经验，为保证钻孔施工安全与岩心采取率，设计及应用的冲洗液体系需具备以下几点要求：（1）具有良好的造壁、护壁性能；（2）具有良好的流变性能；（3）具有良好的润滑性能；（4）具有良好的悬浮性能；（5）具有较强的抗盐侵能力；（6）具有足够的密度，能够平衡浅层气压，避免因为浅层气外溢、孔内井壁被破坏，上部不稳定地层发生掉块而引发卡钻事故。
在ZKLH12-1与ZKLH19-1孔前期施工中，选择具有“双护
（1）钻遇岩盐地层后冲洗液中粘土的电动电位会下降、水化膜减薄，导致粘土颗粒不易形成端-端或端-面连接的网架结构，产生面-面聚结，形成大颗粒而沉
（2）冲洗液性能材料受盐侵后在粘土表面吸附量上升，导致粘土粒子表面电动电位上升、水化膜增厚。
（3）冲洗液滤失量升高后冲洗液体系内水分子更容易渗入地层，岩盐地层遇水后盐份溶解进入冲洗液体系造成冲洗液粘度、切力下降，引起孔径扩大后发生塌孔事
通过调研国内类似地层冲洗液技术，针对柴达木盆地石圈滩地区地层岩性及施工难点优选处理剂，确定该冲洗液主要由造浆材料钠膨润土、具有抗盐能力的增粘剂抗盐共聚物GTQ、冲洗液用降滤失剂羧羟基烷烯共聚物Redu 1、冲洗液用防塌封堵剂聚醇硬脂酸共聚物BZ-YFT组成，各冲洗液材料的加量范围及作用见
| 材料名称 | 代 号 | 加量范围/% | 作 用 |
|---|---|---|---|
| 膨润土 | 钠基膨润土 | 2~4 | 增加粘度和切力，形成致密泥皮 |
| 降滤失剂 | Redu 1 | 0.4~0.8 | 降滤失、抗盐 |
| 防塌封堵剂 | BZ-YFT | 0.8~1.2 | 具有封堵降低渗透率和软化粘结的防塌作用 |
| 增粘剂 | GTQ | 0.3~0.7 | 具有提高粘度和切力、抗盐、抑制粘土水化 |
参考国内相关冲洗液研究方
| 配方 | 钠膨润土/% | GTQ/% | Redu 1/% | BZ-YFT/% |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 0.3 | 0.4 | 0.8 |
| 2 | 2 | 0.5 | 0.6 | 1.0 |
| 3 | 2 | 0.7 | 0.8 | 1.2 |
| 4 | 3 | 0.3 | 0.6 | 1.2 |
| 5 | 3 | 0.5 | 0.8 | 0.8 |
| 6 | 3 | 0.7 | 0.4 | 1.0 |
| 7 | 4 | 0.3 | 0.8 | 1.0 |
| 8 | 4 | 0.5 | 0.4 | 1.2 |
| 9 | 4 | 0.7 | 0.6 | 0.8 |
测定9组冲洗液配方API滤矢量与六速旋转粘度计读值数据，计算每组冲洗液配比的表观粘度、塑性粘度、动切力，具体数据见
| 配方 | AV/（mPa•s） | PV/（mPa•s） | YP/Pa | YP/PV/ [Pa/(mPa•s)] | FL/mL |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 28 | 16 | 12.3 | 0.5 | 11.6 |
| 2 | 38 | 22 | 16.4 | 0.7 | 4.5 |
| 3 | 40 | 25 | 15.3 | 0.6 | 4.8 |
| 4 | 30 | 19 | 11.2 | 0.6 | 7.4 |
| 5 | 42 | 30 | 12.3 | 0.4 | 5.2 |
| 6 | 40 | 27 | 13.3 | 0.5 | 8.4 |
| 7 | 30 | 18 | 12.3 | 0.7 | 7.8 |
| 8 | 36 | 23 | 13.3 | 0.6 | 9.6 |
| 9 | 40 | 26 | 14.3 | 0.6 | 7.2 |
根据动切力越大越好，表观粘度、塑性粘度和滤失量较小的原则，结合冲洗液配方选用材料经济性，最终优选出抗盐防塌冲洗液配比为2号：1
针对石圈滩地区钻遇地层含盐度较高的问题，对优选的冲洗液配方进行抗盐性能评价，向优选冲洗液中加入不同比例盐水溶液（5%KCl＋5%NaCl），盐水溶液比例分别取15%、20%、25%，实验结果见
| 序号 | 加入盐水比例/% | 含盐量/% | AV/(mPa•s) | PV/(mPa•s) | YP/Pa | （YP/PV）/[Pa/(mPa•s）] | FL/mL |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 | 38 | 22 | 16.4 | 0.7 | 4.5 |
| 2 | 15 | 0.75 | 38 | 23 | 15.3 | 0.7 | 4.6 |
| 3 | 20 | 1 | 35 | 20 | 15.3 | 0.8 | 4.8 |
| 4 | 25 | 1.25 | 31 | 18 | 13.3 | 0.7 | 5.0 |
上述实验结果表明，在优选的冲洗液配方中加入3种比例盐水溶液，粘切略微下降，有轻微盐侵影响，但基本稳定，具备良好的悬浮性能，能够满足该地区施工需求。
（1）向搅拌罐中加入1
（2）在配制好的膨润土基浆中，根据设计配方依次添加GTQ、Redu 1、BZ-YFT，搅拌15~25 min后加入适量润滑剂HX-B。
（3）按现场施工需要加入重晶石粉充分搅拌均匀后即可放入泥浆池。
2021年8月至2022年8月，在石圈滩地区8个钻孔的钻探施工中对该冲洗液进行现场应用，总体上适用性较强，能够满足施工要求，且冲洗液性能较稳定。2021年4月份施工的ZKLH12-1孔设计孔深700 m，钻遇古近系路乐河组棕红色砂岩与侏罗系炭质泥岩接触段时有油气侵入，严重破坏了冲洗液性能（见
图4 现场应用的冲洗液对比
Fig.4 Comparison of flushing fluids used on site
ZKLH12-1孔施工使用低固相“双护”泥浆作冲洗液，因冲洗液滤失量过高，路乐河组钻取岩心（见
图5 ZKLH12-1孔钻取的岩心
Fig.5 Core drilled from Hole ZKLH12-1
图6 ZKLH8-1孔钻取的岩心
Fig.6 Core drilled from Hole ZKLH8-1
对比前期使用的普通低固相“双护”泥浆，抗盐防塌冲洗液配方的研究与应用取得了理想效果，具体表现在以下几个方面：
（1）工区钻探施工效率稳定增长。石圈滩工区外单位施工钻孔4个，台月效率相对较低，平均为469 m；我单位在石圈滩地区2021年施工4个钻孔，其中前期施工两个钻孔平均台月效率为729.76 m，自2021年8月应用抗盐防塌冲洗液配方施工钻孔共8个，累计4625.33 m，平均台月效率达到了1378.78 m。
（2）该冲洗液体系具有良好的护壁性能。前期施工钻孔孔径过大，井径扩大率为126.59%~145.34%，更换冲洗液后平均孔径扩大率仅为19.4%。
（3）该冲洗液体系具有较好的抗盐侵能力，钻遇含盐地层时冲洗液悬浮能力相对稳定，孔内顺畅，测井作业均一次性成功。
（4）钻探施工取得了良好的经济效益，降低了钻探成本。2021年前期在该地区施工泥浆材料与用水成本为57.91元/m，2022年试验钻孔成本为38.92元/m，试验钻孔平均孔深565 m，单孔可节省泥浆材料与用水成本32.79%，经济效益较显著。
（1）针对石圈滩地区施工存在的难点，提出了一套适用于该区地层的抗盐防塌冲洗液，配比为：1 m³水+20 kg膨润土+2 kg片碱NaOH+5 kg抗盐共聚物GTQ+6 kg降滤失剂Redu 1+10 kg防塌封堵剂BZ-YFT，另外需要根据施工钻孔地层压力情况加入适量重晶石配合使用。
（2）该冲洗液能够抑制降粘切，其密度可调、失水量低，应用效果好，成功克服了石圈滩地区钻探施工中含盐地层蠕变引起的孔内事故多发、钻探效率低等难题。
（3）通过近2年在石圈滩地区的现场应用效果表明，该冲洗液适用性较强，在施工类似地层时可参考使用。
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