云貴高原水敏凝灰?guī)r在鹽溶液中的穩(wěn)定性

鄭明雄，李保珠

(1.昆明理工大學(xué) 計算中心，昆明 650093；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093)

1 概述

多數(shù)巖石的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不容易與酸堿鹽發(fā)生反應(yīng)，多數(shù)巖石在溶液中的強度也比較穩(wěn)定。但是在鉆井時，常遇到高膨脹垮塌地層，此時，防塌鉆井液與巖石的化學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切。云貴高原地區(qū)盛產(chǎn)有色金屬和煤等礦產(chǎn)，在這些地區(qū)常能遇到在水中分解速度極快的水敏凝灰?guī)r[1-5]，給勘查鉆井帶來了極為不利的影響，可導(dǎo)致最嚴(yán)重的鉆井事故：卡鉆。一次卡鉆即可帶來數(shù)百上千萬的經(jīng)濟損失，且嚴(yán)重影響工期，甚至無法繼續(xù)進行勘查工作。所以，需研制防塌鉆井液，而研究防塌鉆井液需要弄清凝灰?guī)r在化學(xué)溶液中的穩(wěn)定性。并且，多數(shù)情況下，在含高分解性凝灰?guī)r地區(qū)需要事先采取防塌預(yù)防措施，這需要根據(jù)比較通用的凝灰?guī)r防塌應(yīng)用基礎(chǔ)來進行。本文從鉆井防塌的角度出發(fā)，試驗云貴地區(qū)水敏凝灰?guī)r在酸堿鹽溶液中的穩(wěn)定性，由于單純的酸或堿沒有穩(wěn)定效果，故主要是對凝灰?guī)r在鹽溶液中進行系列實驗，由此可獲得個性和共性，為鉆井防塌應(yīng)用提供參考。目前，針對云貴地區(qū)水敏凝灰?guī)r在化學(xué)溶液中穩(wěn)定性的研究處于起步階段。目前對涉凝灰?guī)r的坑道、邊坡、強度及力學(xué)特性等工程應(yīng)用和理論研究較多[7-8]，對其它地層的鉆井液防塌的研究也很多[9-10]，但對涉凝灰?guī)r勘查鉆井及凝灰?guī)r在鹽溶液中穩(wěn)定性的專門研究很少，故本文具有一定的新穎性。

2 實驗及討論

2.1 實驗

圖1 凝灰?guī)r在水及一些溶液中快速完全分解Fig.1 Rapid and complete decomposition of tuffs in water or some solutions

圖2 凝灰?guī)r在有一定防塌效果的鹽溶液中緩慢或不徹底分解Fig.2 Slow or incomplete decomposition of tuffs in salt solutions with certain anti collapse effect

圖3 凝灰?guī)r在溶液中較穩(wěn)定Fig.3 The relatively stable state of tuffs in some solutions

由于鹽溶液對凝灰?guī)r的分解可起到穩(wěn)定作用，為獲取有效防塌的應(yīng)用基礎(chǔ)，有必要對比分析不同凝灰?guī)r樣品在不同鹽溶液中的穩(wěn)定性。本文的化學(xué)實驗系列分為鈉鹽系列、鉀鹽系列、銨鹽系列及硫酸鹽系列等。實驗鹽溶液統(tǒng)一使用10 g/100 mL的濃度，其中的少數(shù)鹽由于溶解度低或溶解緩慢低于此濃度，實驗結(jié)果見表1。由于各凝灰?guī)r在各鹽溶液中的穩(wěn)定程度不一，表中采用文字描述以較詳細(xì)體現(xiàn)分解速度和穩(wěn)定程度。穩(wěn)定表示防塌效果最好短時間內(nèi)見不到凝灰?guī)r表面分解跡象，慢表示鹽溶液的防塌效果較好需較長時間才會分解，較慢表示有一定防塌效果但仍然緩慢分解，較快表示有微弱防塌效果但分解不迅速或不徹底，快表示沒有任何防塌效果和在水溶液中一樣快。

表1 云貴地區(qū)典型水敏凝灰?guī)r在鹽溶液中的分解速度

從表1可見Na2SiO3及C6H5COONa等具有較為通用的防塌效果。為研究濃度的影響，選取部分有穩(wěn)定效果的鹽溶液進行溶液濃度系列與分解時間的研究。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 溶液濃度與分解時間的關(guān)系Table 2 Relationship between solution concentration and decomposition time

表2中，由于凝灰?guī)r具有風(fēng)化程度及干燥程度不一等非均質(zhì)性，雖經(jīng)樣品篩選及重復(fù)試驗，仍僅可定性反應(yīng)一定的趨勢。但由此確定的是，鹽溶液濃度較低時，絕大多數(shù)溶液沒有任何防塌效果，凝灰?guī)r快速分解。對有防塌效果的鹽溶液，隨著濃度增加，凝灰?guī)r的穩(wěn)定性一般來說會增加。但是這種增加各不相同，有些鹽濃度增加到一定程度后并沒有質(zhì)的變化，僅能延長分解時間并不能最終防塌；有些卻能極大提高凝灰?guī)r的穩(wěn)定性，經(jīng)擴展試驗，如瀾滄凝灰?guī)r當(dāng)KCl溶液濃度達13 g/10 mL時變得十分穩(wěn)定。

高濃度的KCl溶液對瀾滄凝灰?guī)r具有穩(wěn)定性改性作用，不但瀾滄凝灰?guī)r在高濃度KCl溶液中不容易分解，將浸泡后的凝灰?guī)r取出重新放于水中仍然不易分解。這與瀾滄凝灰?guī)r中含黏土比例很高有關(guān)，鉀離子與黏土可進行離子交換[11]。

2.2 討論

總體來看，選擇合適的鹽種類是十分重要的，但是意圖確定鹽溶液的濃度并試圖在實際應(yīng)用中使用最低有效防塌濃度沒有意義。鑒于地層中水敏性凝灰?guī)r多為含水軟弱凝灰?guī)r，強度極低分解性極強，使用鹽溶液防塌必須使用最大的飽和溶液甚至是含鹽固體的過飽和溶液，例如以飽和NaCl為基礎(chǔ)。由于各凝灰?guī)r在不同鹽中的穩(wěn)定性不同，故最好使用以某飽和溶液為基礎(chǔ)的混合溶液，比如在飽和食鹽水基礎(chǔ)上加入KCl和Na2SiO3，以盡量發(fā)揮鹽溶液的防塌作用。

一個有意義的現(xiàn)象是：在已有凝灰?guī)r分解后的溶液中，凝灰?guī)r往往具有相對穩(wěn)定性。可以解釋為分解時凝灰?guī)r中已經(jīng)溶出的鹽對后續(xù)凝灰?guī)r的分解起阻礙作用，可見已經(jīng)溶出的凝灰?guī)r本身含有鹽成分對防塌具有高度的針對性，這不僅印證了鹽溶出對于凝灰?guī)r分解的作用及阻止鹽溶出對凝灰?guī)r穩(wěn)定的意義，還為防塌應(yīng)用提供了思路：在采的涉凝灰?guī)r礦山勘查鉆井時，有條件采出凝灰?guī)r時可使用凝灰?guī)r濾液代替水作為基液。甚至可以采用其它地區(qū)的凝灰?guī)r來生產(chǎn)濾液。使用凝灰?guī)r濾液作為基液時必須注意，凝灰?guī)r濾液多呈強化學(xué)酸性(表3)，這是由于凝灰?guī)r內(nèi)部的FeS2氧化后生成了硫酸。前期研究表明，堿性環(huán)境具有能有效阻礙凝灰?guī)r內(nèi)鹽的溶出、提高結(jié)晶堵塞能力等提高防塌性能的效應(yīng)[12]，故需調(diào)節(jié)凝灰?guī)r濾液pH值到12以上。

表3 凝灰?guī)r浸提液的pH值(5 min)

必須指出的是，鹽溶液在防塌應(yīng)用中起重要作用，但是僅僅依靠鹽溶液防塌是不可靠的，必須在鹽溶液研究的基礎(chǔ)上加上其它配方成分，特別是納米成膜隔水是不可或缺的，可加入堿性可溶淀粉等可以控制和減少自由水并成膜。

凝灰?guī)r在鹽溶液中具有穩(wěn)定性的原因有：1)離子交換改性使得礦物晶格發(fā)生變化；2)高濃度鹽溶液中離子與水結(jié)合為水合離子，自由水減少，帶電水合離子受到部分凝灰?guī)r表面雙電層吸引；3)高濃度鹽溶液阻礙了凝灰?guī)r內(nèi)部可溶鹽的溶出[12]，進而起到了穩(wěn)定凝灰?guī)r的作用，實驗及測試表明，阻止溶出的因素是最主要的因素。

3 結(jié)論

1)較高濃度鹽溶液對云貴高原地區(qū)水敏凝灰?guī)r具有明顯的防塌作用，但各凝灰?guī)r在不同的鹽溶液中的穩(wěn)定性各不相同。本文經(jīng)過系列實驗得到一些穩(wěn)定性實驗結(jié)果，在進行涉凝灰?guī)r鉆井液防塌時可進行參考。Na2SiO3及C6H5COONa等鹽具有較好的效果。

2)對地層中的高風(fēng)化及高含水等軟弱易塌凝灰?guī)r來說，鹽溶液防塌效果有限，需進行增強。采用凝灰?guī)r濾液及飽和鹽溶液為基液，輔以幾種鹽進行混合可取得增強效果。但是，除具有離子交換穩(wěn)定改性的鹽外，凝灰?guī)r在多數(shù)具有防塌效果的鹽溶液中并不能長期穩(wěn)定。故鹽溶液防塌是鉆井液防塌的一個重要部分而不是全部內(nèi)容，需結(jié)合成膜隔水及控制自由水等配方成分。

3)凝灰?guī)r在鹽溶液中能持續(xù)穩(wěn)定的原理是：高濃度鹽溶液阻礙了凝灰?guī)r內(nèi)部可溶鹽的溶出，進而起到了穩(wěn)定凝灰?guī)r的作用。阻止溶出的作用是最主要的因素，離子交換改性或雙電層效應(yīng)僅是部分高含黏土凝灰?guī)r的部分穩(wěn)定性因素。