飽和鹽水鉆井液對(duì)高膨脹凝灰?guī)r的防塌機(jī)理分析

鄭明雄李 峰

（1.昆明理工大學(xué)計(jì)算中心，云南昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)國土工程資源學(xué)院，云南昆明 650093）

飽和鹽水鉆井液對(duì)高膨脹凝灰?guī)r的防塌機(jī)理分析

鄭明雄1，2李 峰2

（1.昆明理工大學(xué)計(jì)算中心，云南昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)國土工程資源學(xué)院，云南昆明 650093）

針對(duì)高膨脹快速垮塌凝灰?guī)r帶來的鉆井卡鉆問題，前期研究中研制了飽和鹽水防塌鉆井液，對(duì)該鉆井液的防塌機(jī)理進(jìn)行研究。通過討論可溶淀粉、NaCl、NaOH和凝灰?guī)r浸提液的作用、井壁膜組分等分析鉆井液的阻水防塌作用；通過設(shè)計(jì)增量溶劑防塌實(shí)驗(yàn)并對(duì)比溶出離子狀態(tài)，分析鉆井液對(duì)凝灰?guī)r中可溶物的阻溶防塌作用。研究認(rèn)為：配方中的可溶淀粉沿微裂縫失水絮凝，淀粉絮凝可堵塞溶液進(jìn)入凝灰?guī)r的通道，淀粉還為NaCl結(jié)晶提供結(jié)晶和生長的基礎(chǔ)；NaOH的加入有助于淀粉絮凝和NaCl結(jié)晶，并對(duì)可溶物的溶解有增進(jìn)阻礙作用；飽和NaCl有阻止凝灰?guī)r中可溶物溶出和結(jié)晶堵塞的雙重作用；凝灰?guī)r浸提液對(duì)阻溶及助結(jié)晶有重要作用。井壁凝灰?guī)r吸水后，鉆井液中的NaCl和可溶淀粉在其他成分的共同作用下，在井壁形成含NaCl結(jié)晶的混合膜，絮凝、結(jié)晶及成膜均阻礙了水滲入凝灰?guī)r中。由定性和定量分析得到可溶物的溶出在凝灰?guī)r分解垮塌中起重要作用的結(jié)論。對(duì)溶出物質(zhì)的定量分析表明，鉆井液不僅從物理上隔水防塌，也從化學(xué)上阻溶防塌。

飽和鹽水鉆井液；凝灰?guī)r；防塌機(jī)理

凝灰?guī)r的分布十分廣泛，多為高膨脹軟巖，在石油和有色金屬勘探中均有遇到。如李培林等介紹了針對(duì)芳深9-2井的凝灰?guī)r易垮塌地層的鉆井［1］，王鵬等認(rèn)為凝灰?guī)r是一種新型烴源［2］。瀾滄凝灰?guī)r為遇水快速分解垮塌型沉凝灰?guī)r，極易卡鉆。前期研究中［3］，在飽和鹽水配方基礎(chǔ)上做了成分適應(yīng)性研究，并使用了可溶淀粉和凝灰?guī)r浸提液進(jìn)行防塌性能改進(jìn)，并去除防結(jié)晶添加劑，獲得了能有效防止瀾滄凝灰?guī)r分解垮塌的鉆井液配方：就地取材的凝灰?guī)r浸提液+過飽和NaCl+NaOH+可溶淀粉，將常壓下水中2 min迅速完全泥沙化的垮塌速度降低到了10 d仍然保持穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，筆者繼續(xù)研究該配方鉆井液對(duì)高膨脹凝灰?guī)r的防塌機(jī)理。

1 鉆井液防塌機(jī)理研究現(xiàn)狀

研究鉆井液的防塌機(jī)理對(duì)于合理設(shè)計(jì)鉆井液體系具有重要意義。藍(lán)強(qiáng)［4］等通過電位、粒徑分布、紅外穩(wěn)定性、壓力吸附及吸附量等的測(cè)定研究了硅酸鹽鉆井液的防塌機(jī)理，認(rèn)為較高的膜效率是防塌的原因；秦永和［5］利用電位粒度儀、紅外分散穩(wěn)定儀、活度儀及SHM等研究了硅酸鹽和改性多元醇防塌劑的防塌機(jī)理，認(rèn)為膠體和成膜是防塌的主要原因；魏新勇［6］等對(duì)硅酸鹽的防塌機(jī)理進(jìn)行了討論，認(rèn)為pH值是影響防塌能力的主要因素，這從一個(gè)方面反映了pH值的重要性，但結(jié)論在應(yīng)用對(duì)象上不能一概而論；張紅紅［7］等從膜穩(wěn)定性等方面研究了聚合物鉆井液的防塌機(jī)理；鄭力會(huì)［8］等研究了仿磺化瀝青的膠束離子的封堵防塌作用等。

可見，對(duì)防塌機(jī)理的討論多有關(guān)于硅酸鹽成膜的討論，成膜無疑是防塌的重要因素，對(duì)本文研究有一定參考價(jià)值，但鉆井液的防塌機(jī)理不僅僅是成膜封堵作用。對(duì)于非成膜防塌成分，也有其作用機(jī)理。

飽和鹽水鉆井液的應(yīng)用起于19世紀(jì)40年代初，對(duì)其防塌機(jī)理的系統(tǒng)研究不多，一般認(rèn)為是防鹽侵。但對(duì)于飽和鹽水中的淀粉類的研究非常廣泛，王中華［9］總結(jié)了一段時(shí)間內(nèi)的鉆井液中淀粉類聚合物研究與應(yīng)用；劉祥［10］等以馬鈴薯淀粉和氯乙酸為主要原料制備了交聯(lián)—羧甲基復(fù)合變性淀粉，并討論了其在飽和鹽水鉆井液和4%鹽水鉆井液中的增黏、降濾失性能指標(biāo)；陳馥［11］等以可溶性玉米淀粉、AMPS、DMDAAC、AM四元共聚，制得一種兩性離子改性淀粉鉆井液降濾失劑，對(duì)淡水基漿、鹽水基漿、人工海水基漿均具有較好的降濾失性能。Sifferman［12］等研制并實(shí)驗(yàn)了由水、淀粉和潤滑油生產(chǎn)含有懸浮潤滑油滴的水淀粉混合物，以之來改善水基鉆井液的潤滑性和濾失性；Simonides［13］等討論了淀粉交聯(lián)、羧甲基化處理，認(rèn)為淀粉在降濾失和改善流體流變性中起主要作用。

除淀粉應(yīng)用外，有必要進(jìn)一步研究淀粉的作用，同時(shí)研究為什么要選擇NaCl，NaCl的作用還有哪些，以及鉆井液中其他成分的作用及成分間的相互作用等。由于研究表明易分解垮塌地層含黏土，本文暫未考慮加入膨潤土等黏土成分。

2 研究思路及實(shí)驗(yàn)方法

本文主要通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法來研究飽和鹽水鉆井液的防塌機(jī)理。通過化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行定性的研究，繼而通過物質(zhì)檢測(cè)進(jìn)行定量研究。通過設(shè)計(jì)一系列的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，比較凝灰?guī)r在不同溶質(zhì)條件下的穩(wěn)定性、溶出物質(zhì)，以及溶液表面結(jié)晶狀態(tài)等。

筆者對(duì)高膨脹凝灰?guī)r的膨脹垮塌機(jī)理進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究：研究了凝灰?guī)r的化學(xué)反應(yīng)特征、膨脹垮塌的微觀結(jié)構(gòu)原因、膨脹垮塌的物質(zhì)因素、防塌鉆井液及機(jī)理等，這些研究相互支持，其余研究是防塌機(jī)理的重要支撐。本文從兩個(gè)方面來研究和闡述鹽水鉆井液的防塌機(jī)理：一是從單獨(dú)成分討論，從可溶淀粉的作用、NaCl的作用及巖石微觀表面研究、NaOH的作用，研究其物理阻隔水作用；二是精心設(shè)計(jì)了按鉆井液配方增量溶質(zhì)實(shí)驗(yàn)，從凝灰?guī)r在增量實(shí)驗(yàn)中的可溶成分的離子濃度變化，定量地研究鉆井液的阻止溶解的作用，并通過對(duì)凝灰?guī)r中可溶物質(zhì)的定量分析和準(zhǔn)確定位，為鉆井液體系的正確選擇提供理論基礎(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 可溶淀粉的作用

對(duì)遇水快速垮塌型凝灰?guī)r來說，淀粉是防塌的主要成分之一。雖然淀粉的作用比較確定，但由于其在本文鉆井液中的重要性，這里仍進(jìn)行簡(jiǎn)單描述和討論。

單純的可溶淀粉溶液不具有防塌功能，需和NaOH結(jié)合，凝灰?guī)r在單純可溶淀粉溶液中迅速分解為細(xì)泥沙。如圖1，將干凝灰?guī)r置入NaOH+可溶淀粉混合溶液中，10 min內(nèi)，產(chǎn)生明顯的條狀絮凝（不同淀粉及NaOH加量均有），凝灰?guī)r較穩(wěn)定。多數(shù)凝灰?guī)r塊樣在飽和NaCl水溶液+NaOH混合溶液中的穩(wěn)定時(shí)間不超過1 d，加入可溶淀粉后的凝灰?guī)r的穩(wěn)定性有相當(dāng)大的提高，大部分樣品（包括濕潤凝灰?guī)r塊）的穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到3 d以上。

圖1 可溶淀粉絮凝

圖1中條狀絮凝的位置均與干凝灰?guī)r的較大裂縫有關(guān)，凝灰?guī)r的表面也有一層淀粉絮凝膜。絮凝膜首先與凝灰?guī)r中的微裂縫和微孔隙有關(guān)。由微觀結(jié)構(gòu)及物質(zhì)分析可知，凝灰?guī)r中普遍存在的高吸水性層片狀高嶺石是凝灰?guī)r膨脹垮塌的主要礦物質(zhì)因素［14］，凝灰?guī)r表面吸水而使淀粉絮凝成膜。目前，成膜堵水鉆井液技術(shù)應(yīng)用較普遍［15］。淀粉還對(duì)NaCl結(jié)晶提供結(jié)晶基礎(chǔ)，在3.4中討論。

3.2 NaCl的作用

這里從飽和NaCl溶液的結(jié)晶阻水作用和阻礙凝灰?guī)r中鹽的溶出兩方面來討論。

3.2.1 NaCl結(jié)晶分析 使用配方溶液對(duì)凝灰?guī)r浸泡10 h后，對(duì)凝灰?guī)r的表面進(jìn)行掃描電鏡觀察，可見凝灰?guī)r的表面覆蓋有一層NaCl結(jié)晶。如圖2，部分表面的NaCl結(jié)晶易于識(shí)別，為立方體規(guī)則結(jié)晶突出；如圖3，凝灰?guī)r表面產(chǎn)生不規(guī)則葉狀、冰晶狀結(jié)晶，經(jīng)電子探針檢測(cè)該結(jié)晶主要成分為Na、Cl、O，分析認(rèn)為是在淀粉絮凝基礎(chǔ)上NaCl附著生長結(jié)晶（后文3.4有結(jié)晶分析）；如圖4，在凝灰?guī)r表面的突出結(jié)晶以外，可見冰狀透明結(jié)晶層完全覆蓋凝灰?guī)r表層，經(jīng)電子探針檢測(cè)（表1），該結(jié)晶主要成分為C、O、Na、Cl，其中C及O元素占較大比例，應(yīng)為淀粉和NaCl結(jié)晶混合膜，從圖4裂口可見，裂口整齊銳利，說明混合膜為淀粉膜上進(jìn)行的NaCl結(jié)晶，最表面以NaCl結(jié)晶為主。

圖2 凝灰?guī)r表面的規(guī)則NaCl晶體SEM

圖3 配方溶液處理后凝灰?guī)r表面的不規(guī)則葉狀晶體SEM

圖4 配方溶液處理后凝灰?guī)r表面的晶體膜覆蓋SEM

表1 電子探針物質(zhì)及含量

實(shí)驗(yàn)室研究測(cè)試有效果放大情況，主要因?yàn)閽呙桦婄R觀察室是真空環(huán)境，溶液中的水分必然大量揮發(fā)，結(jié)晶狀態(tài)被放大。在非真空的液體環(huán)境中，NaCl有可能在井壁和裂縫中結(jié)晶嗎？實(shí)際應(yīng)用中，出現(xiàn)圖2、圖3及圖4這樣干燥堅(jiān)實(shí)的結(jié)晶的可能性不大，但從一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中可以明顯看到液體中的NaCl結(jié)晶。圖5為NaCl沿凝灰?guī)r裂縫結(jié)晶現(xiàn)象（溶液為飽和NaCl+NaOH溶液，pH值12），并由后文的淀粉作用進(jìn)一步分析得出淀粉有助于結(jié)晶，由此可以進(jìn)一步認(rèn)為：鉆井時(shí)，由于凝灰?guī)r強(qiáng)烈吸水而可能在井壁發(fā)生一定的NaCl結(jié)晶現(xiàn)象，在近井壁凝灰?guī)r裂縫中NaCl結(jié)晶可能性較大，由井壁局部失水導(dǎo)致形成以淀粉和NaCl為主的含結(jié)晶物的膠狀黏稠液體可在井壁成膜［16］，顯然，這種含NaCl結(jié)晶的混合膜對(duì)水進(jìn)入凝灰?guī)r的阻礙作用將遠(yuǎn)大于單純的淀粉絮凝及淀粉膜對(duì)水的阻礙作用，混合膜穩(wěn)定持久性更強(qiáng)。

圖5 NaCl沿凝灰?guī)r裂縫結(jié)晶

3.2.2 飽和NaCl對(duì)鹽溶出阻礙 對(duì)于飽和NaCl對(duì)鹽溶出阻礙，先由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可進(jìn)行定性分析和推測(cè)，再結(jié)合定量分析證實(shí)，定量的溶出離子分析見后文。

將凝灰?guī)r置于稀鹽酸中，反應(yīng)十分強(qiáng)烈，溶液呈淡綠色；在凝灰?guī)r純水分解浸提液中加入NaOH，液體由無色變?yōu)槟G色?？芍?guī)r中含有Fe2+，淡綠色為FeCl2溶液，墨綠色為Fe（OH）2膠體。在圖6中，從右到左依次為：2#樣，飽和NaCl水溶液；3#樣，飽和NaCl水溶液+NaOH；4#樣，飽和NaCl水溶液+NaOH+可溶淀粉；5#樣，凝灰?guī)r浸提液+飽和NaCl+NaOH+可溶淀粉溶液；圖7及圖8為放置一段時(shí)間后的狀態(tài)。在中間2個(gè)燒杯的飽和NaCl水溶液+淀粉+NaOH液體及飽和NaCl水溶液+NaOH中置入凝灰?guī)r塊，較長時(shí)間內(nèi)無墨綠色出現(xiàn)，在這兩種溶液中凝灰?guī)r較穩(wěn)定且Fe2+一段時(shí)間內(nèi)難于溶出，而水中凝灰?guī)r迅速分解且Fe2+溶出明顯較快（圖6左1，凝灰?guī)r浸提液為基液含F(xiàn)e2+）。

圖6 顏色及亞鐵鹽溶出對(duì)比

圖6的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可得出初步結(jié)論：飽和鹽水對(duì)凝灰?guī)r中的一些鹽溶出起阻礙作用，結(jié)論在物質(zhì)因素定量分析中得到證實(shí)。由飽和NaCl等溶液中凝灰?guī)r的穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于水中的穩(wěn)定性，亦可知鹽溶出對(duì)凝灰?guī)r分解垮塌具有重要作用。

3.3 NaOH的作用

在上述實(shí)驗(yàn)中，NaOH起到了指示劑作用，可由其觀察Fe2+溶出。一般認(rèn)為，NaOH的作用有雙電層作用、保持堿性、防鈣侵等，飽和鹽水鉆井液由于大量鈉離子置換出了黏土顆粒中部分H+，使OH-減少，pH值降低，所以使用的燒堿比較多。這里討論其他作用。

前期實(shí)驗(yàn)表明［3］，單一的淀粉溶液及單一的NaOH溶液均不能防塌（NaOH中分解物呈帶層片的絮狀），但淀粉+NaOH溶液中凝灰?guī)r較穩(wěn)定，這是由于堿性環(huán)境中淀粉更易絮凝，堵塞加強(qiáng)。

對(duì)比凝灰?guī)r在單純的飽和NaCl溶液（圖7a，簡(jiǎn)稱2#樣，與后文表3中一致，水為1#樣）及飽和NaCl+NaOH溶液（3#樣，圖7b）中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，置入3 d后，明顯可見3#燒杯上先有NaCl沿?zé)诮Y(jié)晶，而2#無結(jié)晶，可見NaOH有助于NaCl結(jié)晶。

圖7 有、無NaOH的飽和鹽水中結(jié)晶比較

從顏色來看明顯不同，沒有NaOH的2#樣中有Fe2+析出并被氧化為Fe3+，而有NaOH的3#樣中卻未見變色（如變色應(yīng)為墨綠），可以定性說明NaOH對(duì)凝灰?guī)r中的鐵離子析出有一定阻礙作用，可由此推測(cè)以飽和NaCl溶液為基礎(chǔ)時(shí)加入NaOH對(duì)某些其他離子的溶出也有阻礙作用。結(jié)合后文增量實(shí)驗(yàn)中對(duì)溶液離子濃度的定量對(duì)比分析可知，飽和NaCl溶液中加入NaOH對(duì)凝灰?guī)r中物質(zhì)溶出有進(jìn)一步的阻礙作用。

3.4 結(jié)晶比較和結(jié)晶分析

圖7表明加入NaOH后飽和NaCl溶液更易結(jié)晶。接下來再對(duì)比純水（圖8a，4#樣）和凝灰?guī)r浸提液（圖8b，5#樣）作基液，含飽和NaCl+NaOH+淀粉及凝灰?guī)r浸泡時(shí)的結(jié)晶情況，均為放置3 d。

圖8 水和凝灰?guī)r浸提液作基液的結(jié)晶比較

圖7、圖8是一個(gè)溶質(zhì)遞增序列，對(duì)應(yīng)于后文表3中的2#～5#樣。對(duì)比4#和5#可知，5#樣中結(jié)晶明顯較4#厚，分析認(rèn)為凝灰?guī)r浸提液中含多種離子和微顆粒，為NaCl結(jié)晶提供了更多的晶核，故5#更易結(jié)晶。對(duì)比2#～5#實(shí)驗(yàn)樣品，不難發(fā)現(xiàn)無淀粉樣品的結(jié)晶均易沿?zé)谶M(jìn)行結(jié)晶（2#久置后亦先沿杯壁結(jié)晶），而圖8的4#、5#樣卻易于溶液表面結(jié)晶（燒杯壁有殘液時(shí)除外，有殘液時(shí)均易沿杯壁結(jié)晶）。為對(duì)比需要，燒杯中均有多余的未溶解的過量NaCl固體。這是一個(gè)非常有意義的現(xiàn)象，它說明了淀粉對(duì)結(jié)晶的影響。

在4#、5#樣中結(jié)晶發(fā)生于溶液表面，說明溶液中本身存在晶核，不需要燒杯壁上首先析出的微小晶體作為晶核，5#中可以解釋為凝灰?guī)r浸提液（沉淀液）中含有較多微小顆粒，但是4#中并無現(xiàn)存的巖石微小顆粒提供晶核，故只有一種可能，就是淀粉的絮凝可以為NaCl結(jié)晶提供結(jié)晶和晶體生長的基礎(chǔ)。從日常生活中知道淀粉在液體表面易絮凝，故由4#、5#實(shí)驗(yàn)中的結(jié)晶產(chǎn)生于液體表面，可知NaCl可沿淀粉絮凝物結(jié)晶并生長。由淀粉絮凝還發(fā)生在凝灰?guī)r裂縫和表面可推知，淀粉可使得NaCl在凝灰?guī)r裂縫和表面發(fā)生結(jié)晶，結(jié)合圖5及掃描電鏡觀察結(jié)果，可認(rèn)為凝灰?guī)r裂縫和表面由于凝灰?guī)r強(qiáng)烈吸水而存在NaCl結(jié)晶，這種結(jié)晶同淀粉膜一起對(duì)井壁阻水防塌有一定作用。

3.5 鉆井液對(duì)可溶物溶出的阻礙

在凝灰?guī)r的分解垮塌過程中，由飽和鹽水中凝灰?guī)r穩(wěn)定性較水中極大提高可知，可溶物溶出對(duì)凝灰?guī)r分解垮塌起重要作用。故需確定到底是何種物質(zhì)起作用，鉆井液是否能阻礙該物質(zhì)的溶出等問題。通過對(duì)可溶物質(zhì)及溶出狀態(tài)的對(duì)比分析，可以研究鉆井液的阻溶能力。由于凝灰?guī)r在5 min內(nèi)基本完成分解，故首先檢測(cè)5 min內(nèi)的離子溶出狀態(tài)，結(jié)果見表2。

表2 5 min內(nèi)水浸泡凝灰?guī)r的溶液離子濃度 mg/L

表2實(shí)驗(yàn)，水沒出凝灰?guī)r少許。由表2可知：凝灰?guī)r近于已完全分解的5 min快速水分解溶液中（pH值7.8），離子濃度較大的為K+、Na+、Ca2+和Mg2+，與其余離子有數(shù)量級(jí)差距，說明這些離子的鹽溶出較快，Na+、K+、Ca2+和Mg2+對(duì)凝灰?guī)r遇水垮塌可能有一定影響。

為測(cè)試鉆井液成分對(duì)可溶物溶出的阻礙，設(shè)計(jì)了按鉆井液防塌配方成分進(jìn)行增加溶質(zhì)種類的溶出對(duì)比實(shí)驗(yàn)，增量溶液物質(zhì)下浸泡凝灰?guī)r相同時(shí)間的溶液離子對(duì)比結(jié)果見表3（巖石質(zhì)量及液體體積相同），凝灰?guī)r在表3的2#～5＃序列中的穩(wěn)定性依次增加。

表3 增量溶質(zhì)下浸泡凝灰?guī)r3 d的溶液離子濃度 mg/L

由表3可知：（1）按鉆井液防塌配方增量序列，多數(shù)離子溶出呈較明顯的下降趨勢(shì)（Na+由于飽和NaCl為基礎(chǔ)不具可比性），對(duì)應(yīng)凝灰?guī)r在液體中的穩(wěn)定性呈相反的上升趨勢(shì)，說明這些配方成分有明顯的防止可溶物溶出的功能；（2）按增量序列，Ca2+和Mg2+濃度呈明顯的下降趨勢(shì)，說明Ca2+和Mg2+可能為功能離子，K+的溶出受溶液成分影響不大，說明K+隨凝灰?guī)r分解溶出較快，也可能為功能離子；（3）對(duì)比2#和3#，加有NaOH的溶液中，各離子濃度均大幅度降低，說明NaOH對(duì)物質(zhì)溶出具有阻礙作用或?qū)κ雏}結(jié)晶堵塞有較大的幫助。表3中，由于浸入的凝灰?guī)r為塊狀，所以雖凝灰?guī)r的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)溶液體積相同，但由于凝灰?guī)r的成分具有不均一性，故部分離子濃度有一定差別，但可確定趨勢(shì)。

由上可知，在凝灰?guī)r垮塌過程中，Na+、K+、Ca2+及Mg2+的溶出與垮塌可能有較大聯(lián)系，需確認(rèn)。使用這4種離子的飽和溶液來進(jìn)行凝灰?guī)r浸泡驗(yàn)證，結(jié)果表明：Ca2+及Mg2+飽和溶液無明顯的防塌作用，Na+、K+飽和溶液防塌作用明顯。實(shí)際上，由凝灰?guī)r的化學(xué)反應(yīng)研究可知［3］，除Na+、K+外表1中其余離子的飽和溶液均無明顯效果，K+系列中的KNO3、K2SO4等多種鉀鹽的防塌效果較弱，應(yīng)使用Cl-和Br-為陰離子。

由凝灰?guī)r在飽和NaCl溶液中穩(wěn)定性較在水中的穩(wěn)定性顯著提高，及凝灰?guī)r在鉆井液配方溶液中可保持10 d以上穩(wěn)定性的現(xiàn)象，結(jié)合表3的離子濃度變化可見，雖凝灰?guī)r不是典型的鹽溶巖石，但離子溶出對(duì)凝灰?guī)r垮塌具有重要作用，阻止凝灰?guī)r離子溶出可起到防塌作用。

4 結(jié)論

（1）鉆井液配方中，堿性環(huán)境中可溶淀粉絮凝具有強(qiáng)烈的堵塞作用；NaOH具有一定的阻礙凝灰?guī)r中可溶物溶出的作用，并可形成Fe（OH）2等膠體；凝灰?guī)r浸提液可增加鉆井液中凝灰?guī)r可溶出成分的離子濃度以降低井壁凝灰?guī)r物質(zhì)溶出速度。

（2）鉆井液中的可溶淀粉沿凝灰?guī)r裂縫及表面絮凝，井壁由淀粉絮凝物、NaCl結(jié)晶及膠體形成的混合膜覆蓋，極大地阻礙了水浸入凝灰?guī)r層，鉆井液的隔水能力是防塌的重要原因。

（3）飽和鹽水+NaOH對(duì)凝灰?guī)r中的可溶物溶出有初步的阻礙作用，絮凝結(jié)晶及膜覆蓋后溶出被進(jìn)一步阻止，鉆井液具有較強(qiáng)的阻溶能力亦是防塌的重要原因。

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（修改稿收到日期 2013-12-26）

〔編輯 朱 偉〕

Anti-caving mechanism analysis of saturated saltwater drilling fluid for high expansion tuff

ZHENG Mingxiong1,2,LI Feng2
（1.Computer Center,Kunming University of Science and Technology,Kunming650500,China;2.Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming650093,China）

s:To solve the problems with drill pipe sticking caused by high-expansion and collapse tuff,the drilling fluid has been developed in early stage research,and the anti-caving mechanism of the saturated saltwater drilling fluid is discussed in this paper.Here,by discussing the functions of the soluble starch,NaCl,NaOH,tuff extracting solution and the wall film components,the anti-water and anti-caving function of the drilling fluid is studied.By designing incremental solvent anti-sloughing experiments and comparing the dissolution ion state,the anti-dissolving function is studied too.Researches show that,the soluble starch of the formula flocculates along the crack when it loses water,and the flocculation may block the channels along which the solution go into the tuff,and,soluble starch provides the basis for NaCl crystallization;the adding of NaOH contributes to the NaCl crystallization and NaOH can prevent the salt solution;saturated NaCl can block the solution of the salt in tuff and NaCl crystallization can block the channels;the tuff extracting solution plays an important role in preventing dissolution of the salt solution,and in helping the crystal formation.After the well tuff absorbs water,under the common action of NaCl and other components,the hybrid film which contained NaCl crystallization is formed on the well wall.All the flocculation,crystallization and film prevent water infiltration into the tuff.The quantitative and qualitative analysis shows that the leaching of soluble matters plays an important part in tuff breakdown and collapse.The quantitative analysis of the leached material shows that,the drilling fluid not only prevents collapse and obstructs water obstructing physically,but also it prevents dissolution and collapse chemically.

saturated saltwater drilling fluid;tuff;anti-caving mechanism

鄭明雄，李峰.飽和鹽水鉆井液對(duì)高膨脹凝灰?guī)r的防塌機(jī)理分析［J］.石油鉆采工藝，2014，36（1）：51-56.

TE254

：A

1000-7393（2014）01-0051-06

10.13639/j.odpt.2014.01.014

云南省教育廳基金“基于垮塌機(jī)理的瀾滄凝灰?guī)r鉆井液研究”（編號(hào)：2013Y312）。

鄭明雄，1974年生。1998年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，主要從事地質(zhì)及鉆井工程方向的研究，博士，副教授。E-mail：zhmxggg@126.com。