蘇南地區地處北緯30°00' ～ 32°30'。根據眾多的鉆孔( 井) 資料，其恒溫帶埋深為20m，溫度為18℃。與蘇北相比，蘇南的地熱梯度低于蘇北，地熱梯度為25℃ /km，千米深地溫一般為36 ～ 45℃，研究區內地熱儲層大部分埋深在2000m 左右，地熱井鉆井深度大，地下地層復雜，由于深部可借鑒的地質資料匱乏，而要保證開采量，設計的井徑較大，這對地熱鉆探技術特別是沖洗液技術的要求很高。以前該地區地熱鉆井遇見煤系、泥巖、頁巖、松散易垮塌等復雜地層，多是以膨潤土、纖維素、燒堿為主的細分散體系的化學泥漿，效果不好，出現事故直接影響工程進度、完井質量和工程成本。所以，對該地區復雜地層制定相應的沖洗液體系，顯得尤為重要。本文就該地區復雜地層地熱鉆井沖洗液進行實驗研究，并將其應用在現場實踐中。

 

  1 研究區概況

 

  1． 1 區域地形地貌

 

  本區地貌成因和形態是在印支－ 燕山運動所奠定的基底構造格局基礎上，經受各種內、外力營力的長期作用塑造成的。西南部基巖抬升廣泛，出露地表，發育較多的基巖山體，表現為構造－ 剝蝕地形;而東北部則因持續下降，長期接受第四系松散層的堆積，地形地貌上表現為廣闊的堆積平原。

 

  1． 2 區域地層巖性

 

  研究區屬江南地層區蘇州－ 長興小區的江蘇部分。東部第四系地層較厚，前第四系均被覆蓋于深部，而西部前第四系則廣泛出露于地表，主要有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系古近系及新近系半松散沉積地層。巖性包括石英砂巖、泥巖、粉砂巖、灰巖等。區內巖漿活動比較頻繁，主要為燕山期侵入的復式巖體，以中酸性花崗巖、花崗斑巖為主。

 

  1． 3 區域地質構造

 

  研究區大地構造位于揚子準地臺下揚子臺褶皺帶東端，印支運動使該區上升成陸地，構成木瀆向斜，燕山運動使地殼進一步褶皺隆起，發生斷裂活動，使本區山體與鄰區山體斷離，并伴隨強烈的巖漿侵入和火山噴發。喜馬拉雅運動又以北北東向、北西西向兩組扭裂控制形成了該區的基本構造和地貌格局，其后，地殼運動總體表現為平穩下降，接受沉積，時有短暫海侵，形成以陸相為主的海陸交互相沉積物。無全新活動斷裂，區域基底穩定。區域構造資料顯示，新生代以來的構造活動主要表現為垂直升降運動。

 

  1． 4 研究區地層特征

 

  第四系( Q) : 厚度70． 0 ～ 196． 0m，頂部為填土、灰黃色粘土，中部為灰色粘土、中下部為黃色粘土，夾少量砂礫，磨圓度好、底部為白色粘土，雜色砂礫。

 

  白堊系( K) : 厚度100． 0 ～ 224． 0m，主要巖性為棕黃色泥巖、棕紅色泥巖、以紫色和肉紅色為主的雜色砂巖，夾礫。

 

  侏羅系( J) : 厚度0． 0 ～ 270． 0m，主要巖性為夾少量紫色砂巖的凝灰巖、夾少量灰色砂巖或灰白色砂巖的青灰色砂巖。

 

  二疊系( P) : 厚度895． 0 ～ 1680． 0m，上部為灰黑泥巖、灰色泥質粉砂巖夾少量灰色或灰白色砂巖，夾煤層或煤矸石。中部以灰、深灰色石英砂巖、灰黑色泥巖、灰色泥質砂巖為主，夾灰色、青灰色砂巖或灰色泥巖。下部巖性主要為深灰色石英砂巖、灰色粉砂質泥巖、灰色泥質砂巖、灰巖，局部見花崗巖或石英閃長巖。

 

  2 煤系、破碎泥質砂巖地層

 

  煤系、破碎泥質砂巖地層松散，遇水變軟，易坍塌掉快，嚴重的可能產生埋鉆。煤系中多夾有粉砂巖，地層掉快后常有探頭石，容易產生卡鉆等事故，對正常鉆進的危害較大。

 

  2． 1 沖洗液的選擇

 

  針對地層特性，經過試驗和實踐，選擇以降失水為主的鈣處理泥漿體系( 高元文，2006) ，適當的沖洗液比重控制液柱壓力，對坍塌地層進行壓力平衡。

 

  鈣處理泥漿是在泥漿中加入絮凝劑( 石灰、石膏或氯化鈣) ，并用稀釋劑和降失水劑等調節泥漿性能，形成適度的含有一定鈣離子的粗分散泥漿。具體泥漿配方( 質量比) : 膨潤土6%，石灰0． 3%，鐵鉻木質素磺酸鹽( FCLS) 0． 2% ～ 0． 3%，羧甲基纖維素鈉( CMC) 0． 1% ～ 0． 2%，使用燒堿把pH 值調制到10即可。性能: 比重1． 15，漏斗粘度30 ～ 45s，失水量10ml，泥皮厚0． 8mm，初切力0Pa，終切力1 ～ 4Pa，動切力3Pa，pH 值10 ～ 12。

 

  2． 2 作用機理的分析

 

  鈣處理泥漿是在普通泥漿中加入絮凝劑、石灰、石膏、氯化鈣等，并用降粘劑和降失水劑來調整泥漿性能，以形成控制絮凝而又穩定的粗分散泥漿體系。

 

  鈣處理泥漿中含有較大數量的鈣離子，由于鈣的電位高，易被粘土顆粒吸附，促使粘土表面的水化膜變薄，粘土顆粒與高分子化合物達到牢固連接，可使細分散的粉土顆粒適度地絮凝變成粗分散狀態，因而提高了對外來可溶鹽的抗污染能力，使泥漿性能穩定。而此時的粘度和切力將迅速上升，以鐵鉻鹽來稀釋，          降低粘度，保持泥漿一定的流動性。若失水量較大時，可加入CMC 調節失水量，粘土吸附CMC后，其表面包裹較厚的可塑性大的水化膜，是粘土顆粒在壓差作用下堆積是形成致密的滲透性小的泥皮，從而使失水量降低( 王立仁，2007) 。其次有機降失水劑具有很多的親水性很強的親水基，束縛住大量的自由水，降低失水量，與鈣處理后的泥漿共同阻止水分子滲入地層，故能抑制粘土膨脹、水化分散( 胡繼良，2012; 馬日等，2007; 張曉靜，2007) ，抑制孔內自然造漿和鞏固孔壁，有利于避免或降低鉆孔的坍塌、縮徑和吸水膨脹的現象發生，即使有坍塌，鈣處理泥漿有較強的絮凝作用，可以把大的巖粉顆粒絮凝成團帶至地面，有利子地面除砂。

 

  2． 3 特點

 

  泥漿粘度和切力低，流動性好，起下鉆時粘附性小，性能穩定，處理周期長。

 

  2． 4 沖洗液實踐應用

 

  蘇州臨湖地熱第一口井施工中，鉆進690 ～1596m，鉆遇厚度達906m 的煤系，中間還夾有粉砂巖。由于沒預先對該地層制定適應的方案，采用常規泥漿，導致孔壁坍塌，雖然做了很多補救措施，還是導致了埋鉆。在臨湖地熱第二口井的煤系地層，改變泥漿方案，按上述配比和性能要求，采用鈣處理泥漿體系，快速順利地通過該地層，且施工過程中未發現明顯的坍塌跡象。

 

  3 凝灰巖、泥巖、頁巖地層

 

  凝灰巖、泥巖、頁巖地層中，凝灰巖及泥頁巖的水化造成孔壁不穩定，引起井壁縮徑，進而垮塌，原因是沖洗液向凝灰巖、泥巖、頁巖中滲流，引發地層孔壓增加以及水化效應，其中水化效應包括泥頁巖等水化膨脹、分散產生水化應力等( 劉選鵬等，2010) 。還有地層中的粘土易吸水膨脹和分散，造成井壁的巖石強度降低。在鉆進過程中，沖洗液對井壁的沖刷作用，加上鉆具回轉對縮徑井壁的撞擊作用，導致井壁的垮塌，嚴重時發生吸鉆、埋鉆、造成井壁局部超徑，影響沖洗液上返速度，并降低沖洗液攜帶巖粉的能力，產生二次破碎。穩定此類地層，從沖洗液的角度關鍵是要控制失水量。

 

  3． 1 沖洗液的選擇

 

  針對此類地層特性，選擇低固相不分散沖洗液體系，以降低失水為主，來保持沖洗液中的礦物化濃度與地層中保持平衡，從而抑制水分子向地層中滲入。此類沖洗液主要是加入高分子聚合物水解聚丙烯酰胺，同時加入腐植酸鉀提高礦化度( 歐哲金，2011) ，為了更好地阻止水分子向地層滲入，還可加入油脂類磺化瀝青做封堵劑和潤滑劑。具體泥漿配方( 質量比) : 粘土4%，聚丙烯酰胺( 1600 萬分子量) 0． 5%，中粘CMC 為0． 1%，腐植酸鉀0． 2%，磺化瀝青0． 1%，使用燒堿把pH 值調制到8 ～ 10 即可。性能: 比重1． 05，漏斗粘度25 ～ 40s，失水量8 ～10ml，泥皮厚0． 4mm，初切力0Pa，終切力2 ～ 6Pa，動切力5Pa，pH 值8 ～ 10。

 

  3． 2 作用機理分析

 

  配漿時，由于粘土( 膨潤土) 多為鈣質土，必須將其轉化為鈉質土，所以要先預水化粘土。然后加入穩定劑CMC( 唱偉，2004) ，使之包圍在分散的粘土顆粒周圍，穩定泥漿膠體，再加入水解度為30%的PHP( 水解聚丙烯酰胺) ( 石得權，2010; 鄭哲武等，2004; 郝振軍等，2011) ，攪拌均勻后加入腐植酸鉀和磺化瀝青。若不加入穩定劑CMC，直接加入PHP，粘土會絮凝成團狀，不利于分散。

 

  不分散低固相泥漿，由于粘土含量較少，在孔壁形成的泥皮較薄，而加入PHP 以后，它可以有效的把無用的固相顆粒絮凝成團，能防止巖屑分散，起到包被作用。水解的PHP 分子鏈上的水化基團–COONad 在水中電離成COO 和Na，使其分子鏈帶負電荷和易于水化，在靜電引力和水化膜斥力的作用下，使卷曲的分子鏈得以伸展，這種伸展的長鏈高分子在泥頁巖井壁表面上產生多點吸附，并可橫過微裂縫，從而阻止凝灰巖、泥頁巖的剝落( 王勐，2006) ; 同時能在井壁表面形成致密的吸附膜，對水敏地層減輕侵蝕作用，減少水滲入地層的速度，對地層的水化膨脹起抑制作用( 孫丙倫等， 2008) 。PHP 還具有降失水作用，這點與CMC 類似，通過提高液相粘度，其吸附基吸附在粘土的表面，眾多的水化基束縛住大量的自由水，使失水量降低。若失水量過大，可適量加入低粘CMC，但不能加入無機降失水劑。

 

  腐植酸鉀也具有降失水作用，它同時能提供K + ，K + 能鑲嵌在硅氧四面體氧原子組成的六角環中，緊緊地與粘土片連結在一起。K + 還可以減小粘土顆粒表面的水化半徑，阻止其水化膨脹。通過加入腐植酸鉀，還能提高沖洗液中的礦化度，阻止因沖洗液與地層的礦物質濃度差導致水流向地層。

 

  磺化瀝青物質親水性差，親油性強，能在泥皮上形成一層油膜，防止水分子的滲入，同時具有潤滑作用，減少沖洗液循環對孔壁的沖刷作用。

 

  3． 3 沖洗液實踐應用

 

  蘇州臨湖地熱鉆井420 ～ 690m 為凝灰巖。同樣是第一口井，泥漿運用不當，導致坍塌。返鉆時，局部嚴重超徑，導致事故頭找不到。在第二口井開鉆后，上部比較軟的地層采用上述配比和性能的不分散低固相體系沖洗液，很好地抑制了地層坍塌，未發現縮徑、超徑等現象。另在蘇州石湖地熱鉆井上部泥巖地層使用此沖洗液方案，起下鉆順利無阻，下鉆到底，未發生泥質包鉆等現象。

 

  4 高溫地層

 

  蘇南地區目前遇到的高溫地層一般存在于灰巖中，也是熱儲層，溫度一般在60℃ ～ 100℃。首先是高溫對水基泥漿中的粘土產生影響，出現“高溫分散”等現象; 其次高溫對水基泥漿處理劑的作用將產生“降解”、“交聯”、“解吸”、“去水化作用”，使泥漿失去流變性和穩定性，甚至失效或者產生更嚴重的后果，直接影響鉆進效率及鉆孔安全( 張琰，1999) 。所以，解決高溫地層泥漿問題主要是泥漿獲得熱穩定性，保持流變性和濾失性。

 

  4． 1 沖洗液的選擇

 

  經實踐對比分析總結，高溫地層鉆井沖洗液采用鐵鉻鹽－ CMC 體系，這種泥漿體系中，鐵鉻木質素磺酸鹽作為稀釋劑控制流變性能，低粘CMC 用來控制失水( 胡繼良等， 2012; 鄢泰寧，2010) 。由于地熱資源中一般都含有S 等腐蝕性元素，為了提高熱穩定性，一般還加入表面活性劑OP － 10( 聚氧乙烯烷基苯酚醚) ，不至于在高溫下導致泥漿體系分解，此泥漿抗鹽抗高溫效果明顯。具體泥漿配方: 粘土4%，CMC 為0． 3%，鐵鉻鹽0． 5%，OP － 10 為0. 2%，使用燒堿把pH 值調制到9 ～ 10。性能: 比重1． 05，漏斗粘度30s ～ 40s，PTPH 失水量10 ～ 15ml，泥皮厚0． 5mm，初切力2Pa，終切力2 ～ 4Pa，動切力5Pa，pH 值9 ～ 10。

 

  4． 2 作用機理分析

 

  4． 2． 1 高溫對粘土的影響

 

  高溫對粘土的影響主要表現在兩個方面，即高溫促使粘土分散和粘土鈍化( 鮑允紀， 2012) 。高溫使水分子和一些離子的動能增加，水分子和離子易進入粘土顆粒層間，增強了層間表面的水化從而使粘土膨脹和分散。同時，高溫也使片狀粘土微粒的熱運動加劇，加速其分散。粘土因高溫分散的結果，使泥漿粘度升高，流動性下降，甚至難以流動。但高溫又有使粘土表面鈍化的傾向，其原因是高溫下粘土晶胞表層的硅、鋁、氫等易與泥漿中的OH －、Ca2 +等起反應，生成水化硅酸鹽或水化鋁酸鹽等類物質，從而改變了粘土晶胞表層的結構和帶電情況，降低了粘土的活性，由此改變泥漿的性能，表現為高溫增稠。

 

  4． 2． 2 高溫對泥漿處理劑的影響

 

  高溫對水基泥漿處理劑將產生“降解”、“交聯”、“解吸”、“去水化作用”( 鮑允紀，2012) ，其中高溫降解是高溫下有機處理劑分子主鏈間或主鏈與官能團之間產生鏈的斷裂，其表現是有機處理劑分子量減小和吸附能力減弱甚至失效。高溫降解的強烈程度決定于有機處理劑的結構、高溫持續的時間和剪切攪拌的強烈程度。高溫交聯是高溫下，具有不飽和鍵或活性基團的有機化合物與高價金屬鹽或低分子有機物產生交聯反應而增大分子量的現象，甚至出現體型分子結構。適度交聯可抵消高溫降解作用。高溫解吸是高溫下處理劑分子熱運動能量增大，處理劑在粘土顆粒表面的吸附量降低，從而引起泥漿性能的改變。高溫去水化是高溫下水分子活動能量增大，粘土表面和處理劑親水基團的水化作用減弱，減薄其水化膜厚度。高溫水化降低了處理劑分子對粘土顆粒的保護，導致泥漿失水量增大。

 

  4． 2． 3 配置高溫泥漿的要求

 

  配置高溫泥漿必須做到: ① 降低高溫分散強烈的優質膨潤土的含量，防止高溫增稠和固化現象; ②必須采用抗高溫能力強的有機處理劑; ③ 減少粘土的情況下，為保持泥漿攜帶巖屑和懸浮重晶石的能力，必須加入抗溫抗鹽的結構增粘劑。

 

  4． 2． 4 鐵鉻鹽－ CMC 體系的分析

 

  由于高溫地層多存在于熱儲層中，且地熱本身礦物質含量豐富，所以配置的泥漿在確保抗高溫的前提下，還需抗鹽。鐵鉻鹽－ CMC 體系能滿足此需要( 陳禮儀等，2003) 。

 

  配漿時，首先預水化粘土24h，加入鐵鉻鹽，待泥漿穩定好，再加入CMC，使失水量控制在合理的范圍內，最終后加入OP － 10，攪拌均勻。

 

  鐵鉻木質素磺酸鹽( FCLS) 是以亞硫酸鹽木漿木質素經濃縮、置換、氧化絡合、干燥精制而成，產品外觀為棕褐色粉末，易溶液于水，水溶液呈弱酸性。

 

  它抗鹽、抗鈣和抗高溫能力強( 170℃ ～ 180℃) ，與粘土顆粒的斷鍵邊緣上形成吸附水化層，從而削弱粘土顆粒之間的端–面和端–端連接，拆散泥漿空間網架結構，降低泥漿的粘度和切力。它具有良好的降粘、降切力、稀釋作用，也有降濾失作用。泥漿在高溫條件下循環時，粘度切力會逐漸增高，進而固化，鐵鉻鹽的作用就是為了保證其流變性的穩定。

 

  而CMC 是一種良好的降濾失劑，同時還具有一定的抗鹽、抗鈣和抗高溫能力( 130℃ ～ 140℃) 。加入CMC 是為了降低失水量，確保高溫地層中的泥質膠結物不被水化。OP － 10( 聚氧乙烯烷基苯酚醚) 是為了提高各處理劑的抗溫性能，且具有潤滑的作用。

 

  另外此體系泥漿固相含量( 粘土含量) 必須受控制，固相含量過高，溫度對它的影響也就越大，一般粘土含量控制在5%以內。

 

  4． 3 沖洗液實踐應用

 

  在宛平地熱的井底溫度達到了40 多度，溫度不是很高，但若運用粗分散體系泥漿，其會隨著循環變得越來越稠，同時失水量逐漸偏大。臨湖地熱儲層溫度68℃，采用了鐵鉻鹽－ CMC 泥漿后，流變性和泥漿的穩定得到了徹底的改善，基本沒換漿，且調試次數明顯減少。由于固相含量低，井壁上的泥皮很容易就被洗掉，減少了后期的洗井工作，為確保出水量創造了條件。

 

  5 石湖地熱鉆井應用實例

 

  以石湖地熱井為例，該井井深1680m，其井身結構為: 0 ～ 72m，井徑445mm; 72 ～ 801m，井徑331mm; 801 ～ 1680m，井徑216mm。井管均為J － 55級石油套管。0 ～ 72m，第四系，采用一般的細分散體系泥漿。

 

  該井段的泥漿配方( 質量比) : 膨潤土4%，CMC( MV) 0． 1%，使用燒堿把pH 值調至8 ～ 10。性能:

 

  比重1． 05，漏斗粘度20s ～ 30s，API 失水量≤10ml，泥皮厚度0． 4mm，初切力0Pa，終切力1 ～ 4Pa，動切力4Pa，pH 值8 ～ 10，含沙量≤3%。

 

  72 ～ 801m，泥質粉砂巖，植物膠－ CMC( LV) －腐植酸鉀體系的泥漿，膨潤土5%，植物膠0． 2%，CMC( LV) 0． 1% ～ 0． 2%，使用燒堿把pH 值調至8－ 9。性能: 比重1． 07，漏斗粘度25 ～ 35s，API 失水量≤10ml，泥皮厚度0． 5mm，被切力0Pa，終切力2 ～6Pa，動切力5Pa，pH 值8 ～ 9，含沙量≤4%。

 

  801 ～ 1680m，石英砂巖、石英閃長巖。此層為儲層，所以在滿足沖洗液各項功能要求的前提下，還得保護儲層，選用PHP － CMC( HV) 體系的泥漿。

 

  粘土0． 3%，PHP 0． 5%，CMC 0． 3%，使用燒堿把pH 值調至8 ～ 10。性能: 比重1． 05，漏斗粘度30s ～40s，API 失水量≤10ml，泥皮厚度0． 4mm，初切力0Pa，終切力1 ～ 4Pa，動切力4Pa，pH 值8 ～ 10，含沙量≤3%。

 

  上部第四系地層較淺，加入CMC，確保地層不

 

  因吸水膨脹導致縮徑即可，采用了快速鉆進通過此地層，下入孔口管進行隔離。對于二開的泥質粉砂巖，沖洗液同樣注重降失水，在300m 左右，有輕度的涌水現象發生，又臨雨季，沖洗液總是受到稀釋，導致下鉆時，涌出來的泥漿中局部為清水，且鉆孔底部有4m 的沉沙，經過反復循環都未返清。造成此類現象發生原因是泥漿的懸浮能力很弱，且粘度和切力均降低，為了確保沖洗液的粘度、切力，加入了植物膠，用以維持泥漿的穩定。對于三開，由于是儲層，在滿足沖洗液基本功能的前提下，以保護儲層為主，兼顧后期的洗井工作。該層沖洗液必須滿足比重輕( 避免由于液柱壓力過大而使水的流動方向流向地層) ，固相含量低( 固相含量高，會堵塞孔隙，影響出水量) ，所以必須使用固相含量低或者無固相泥漿，最終選擇使用以水解聚丙烯酰胺為主的低固相泥漿。事實證明，在使用空壓機洗井20h，水量已經遠遠超出合同要求，這進一步說明完井液的重要性。

 

  6 研究區地熱鉆井沖洗液應用效果

 

  6． 1 有效穩定孔壁

 

  臨湖地熱的第二口井和石湖地熱井使用了以上

 

  泥漿方案，基本未發現大面積的坍塌，未出現明顯的憋鉆、卡鉆、憋泵等現象，也說明了泥漿對孔壁的穩定作用，根據完井后測井中的孔徑參數分析，孔徑的超徑率基本都在8%之內，這說明針對不同地層制定的不同體系方案是有效可行的，穩定孔壁效果較好。

 

  6． 2 提高鉆進效率

 

  研究區地熱鉆井使用了以上泥漿方案，提高了

 

  鉆速，減少了輔助時間，鉆進效率有了很大提高。地熱井使用不同泥漿體系鉆井效率統計如表1。

 

  泥漿類型比重平均機械鉆速平均鉆頭進尺m/h % m/只%普通分散泥漿1． 12 ～ 1． 20 0． 9 100 61． 85 100鈣處理泥漿1． 08 ～ 1． 15 1． 2 133． 3 83． 54 135． 1低固相泥漿1． 05 ～ 1． 10 1． 6 177． 8 123． 46 199． 66． 3 保護儲層研究區臨湖地熱和石湖地熱等鉆井，使用了上述泥漿方案，水量與測井資料反應的滲透率計算出來的水量一致，這說明地熱儲層得到了保護。

 

  6． 4 節省鉆探成本

 

  泥漿使用優劣，對經濟效益影響是明顯的，研究區內復雜地層地熱鉆井使用上述泥漿方案，經成本核算，單孔成本可降低40 ～ 50 萬       元。

 

  7 結論和建議

 

  煤系、破碎泥質砂巖地層的鉆井沖洗液應選擇以降失水為主的鈣處理泥漿體系，并選擇適當的沖洗液比重; 凝灰巖、泥巖、頁巖地層鉆井沖洗液選擇低固相不分散沖洗液體系，以降低失水為主; 高溫地層鉆井沖洗液采用鐵鉻鹽－ CMC 體系。由于地熱資源中一般都含有S 等腐蝕性元素，為了提高熱穩定性，一般還加入表面活性劑OP － 10。

 

  目前復雜地層沖洗液的選擇，還是針對特定地層，采用特定體系，還未出現某種沖洗液方案能解決所有復雜地層，因此，體系的選擇很重要。