田志超，翟育峰*，林彬，刘振新，马云超，付帆

（1.山东省地矿局钻探工程技术研究中心，山东 烟台 264004；2.山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264004；3.中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037；4.北京探矿工程研究所，北京 100083）

1 概况

西藏甲玛铜多金属矿床3000 m科学深钻是青藏高原固体矿产调查领域首个3000 m深钻，是科技部国家重点研发计划项目——深地勘查开采专项“青藏高原重要矿产资源基地成矿系统深部探测技术与勘查增储示范”的课题“甲玛-驱龙铜多金属资源基地深部勘查与增储示范”的重点工作内容［1-2］。

钻孔位于西藏自治区墨竹工卡县甲玛乡辖区，地处冈底斯山脉东段郭喀拉日居山主峰果沙如则东北部高山深切割区海拔5150 m位置［3-6］。设计孔深3000 m，设计顶角3°，终孔孔深3003.33 m，终孔孔径98 mm［7］，创造了青藏高原小口径固矿勘查领域最新的孔深纪录，为国家深部资源勘查开采与技术装备研发提供了支撑，实现了深部资源勘查增储示范效果，为完善陆陆碰撞造山背景下斑岩铜矿勘查模型及成矿理论创新奠定了坚实基础。图1为钻探现场全景。

图1 钻探现场全景Fig.1 Panoramic view of the drilling site

由于钻孔位置属于青藏高原高寒植被分布区域，环保要求十分严格，要求采用对环境无害的环保冲洗液材料［8］，同时钻孔孔深3000 m，根据以往经验，预计深部地层温度较高［9-10］，但目前常用的环保冲洗液体系抗温能力一般不超过130℃，不能满足目前钻探需求。因此，针对西藏甲玛3000 m科学深钻需求，研发一套耐温150℃环保冲洗液体系，不仅可以解决现有环保体系耐温性差的问题，还可以解决复杂地层护壁难题［11-12］。

2 西藏甲玛3000 m科学深钻地层特点

西藏甲玛3000 m科学深钻施工区域地层主要为被动陆缘火山沉积岩系，包括上三叠统麦隆岗组，中—下侏罗统叶巴组，上侏罗统却桑温泉组和多底沟组，下白垩统组林布宗组、楚木龙组、塔龙拉组，并以侏罗系、白垩系为主［4］。

在钻孔施工中存在的主要问题如下：

（1）上部第四系地层较松软，存在孔壁坍塌的风险；矽卡岩和花岗岩交界部位，地层较破碎［5］，存在坍塌掉块问题（参见图2）；部分地层存在水敏性蚀变地层，浸泡后易吸水分散，导致孔壁坍塌［6］（参见图3）。

图2 破碎地层岩心Fig.2 Cores from the broken formation

（2）矽卡岩地层存在较多孔隙和裂缝，渗透性强，易发生漏失［7］（参见图4）。

（3）深部花岗岩地层存在高地应力，冲洗液密度过大会导致粘卡、渗漏、流变性变差等不利影响（参见图5）。

图3 水敏性蚀变地层岩心Fig.3 Cores from the water⁃sensitive altered formation

图4 易漏失地层岩心Fig.4 Cores from the leaky formation

图5 高地应力地层岩心Fig.5 Cores from the high in⁃situ stress formation

（4）矿区周边为牧区，对于环保要求较高，冲洗液不可以随意排放。

3 耐温150℃环保冲洗液体系设计

耐温150℃环保冲洗液体系组分及作用详见表1。

表1 耐温150℃环保冲洗液体系组分及作用Table 1 Composition and function of the environment⁃friendly drilling fluid system with temperature resistance of 150℃

3.1 耐温150℃环保冲洗液用处理剂优选评价

3.1.1 粘土优选

本体系共收集3种市售膨润土样品，分别为山东钠膨润土、内蒙古钠膨润土和新疆钠膨润土［14］。通过对不同温度老化16 h后3种膨润土基浆进行性能测试，探究温度对粘土基浆性能的影响。

从图6~图9可看出：

（1）随着温度增加，3种膨润土基浆的表观粘度均呈先增加后逐渐降低趋势，在90℃时均达到粘度最高，随后开始下降。（2）在温度高于90℃时，山东钠膨润土和内蒙古钠膨润土基浆的表观粘度与动塑比明显降低，滤失量变大，说明这2种钠膨润土抗温性差。（3）新疆钠膨润土基浆动切力保持良好，这说明新疆钠膨润土在150℃时仍能保持其性能，可以满足高温冲洗液要求。因此，优选新疆钠膨润土作为冲洗液体系用的造浆材料。

图6 不同温度老化后粘土基浆表观粘度对比Fig.6 Comparison of apparent viscosity of clay⁃based mud aging at different temperatures

3.1.2 环保增粘剂优选

在150℃条 件 下，对GZDJ、GHMC、GHAC、ZWXC等环保冲洗液增粘剂的增粘性能进行评价。采用4%新疆钠膨润土浆作为基浆，并在25℃陈化16 h。陈化后的基浆中分别加入1%的增粘剂样品，测试加样后的基浆在不同温度老化16 h后的性能。

图7 不同温度老化后粘土基浆塑性粘度对比Fig.7 Comparison of plastic viscosity of clay⁃based mud aging at different temperatures

图8 不同温度老化后粘土基浆动塑比对比Fig.8 Comparison of yield point and plastic viscosity ratio of clay⁃based mud aging at different temperatures

图9 不同温度老化后粘土基浆滤失量对比Fig.9 Comparison of filtration loss of clay⁃based mud aging at different temperatures

从图10~13可看出，虽然环保增粘剂GZDJ具有最优的抗高温增粘效果，但是基浆的动塑比明显增加，导致基浆的流动性很差，而且滤失量明显增大。对比另外3种环保增粘剂结果，可知GHMC具有最佳的增粘效果。因此，优选GHMC作为耐150℃环保水基冲洗液体系用环保增粘剂。

3.1.3 环保高温稳定剂优选

本体系收集了3种环保高温稳定剂样品，分别为GHTS、CGSJ和GMSJ。在配制好的基浆冲洗液（蒸馏水+4%钠膨润土+1%环保增粘剂GHMC）中分别加入1%样品，测试加样后的冲洗液在150℃高温老化16 h后的性能，试验结果见表2。

图10 不同温度老化后增粘剂表观粘度对比Fig.10 Comparison of apparent viscosity of thickeners aging at different temperatures

图11 不同温度老化后增粘剂塑性粘度对比Fig.11 Comparison of plastic viscosity of thickeners aging at different temperatures

图12 不同温度老化后增粘剂动塑比对比Fig.12 Comparison of yield point and plastic viscosity ratio of thickeners after aging at different temperatures

从表2可以看出，环保高温稳定剂GHTS在150℃环保下能很好地起到提高增粘剂和降失水剂的抗高温稳定性。因此，优选GHTS作为耐150℃环保水基冲洗液体系用环保高温稳定剂。

图13 不同温度老化后增粘剂滤失量对比Fig.13 Comparison of filtration loss of the thickeners after aging at different temperatures

表2 环保高温稳定剂优选评价结果Table 2 Optimal evaluation results of environmentfriendly high temperature stabilizers

3.1.4 环保降滤失剂优选

本体系收集了4种环保降滤失剂样品，分别为GLMC、GLAC、GSTP、GHMS。在150℃条件下评价了样品的降滤失性能。配制好的基浆冲洗液（蒸馏水400 mL、钠膨润土16 g和1%环保增粘剂GHMC、1%高温稳定剂GHTS）在25℃陈化16 h。在陈化后的基浆中分别加入2%降滤失剂样品，测试加样后的基浆在不同温度下老化16 h后的性能。

从图14、图15可看出，在150℃条件下，GSTP的降滤失效果最好，其次是GLAC。因此，这里选用环保降滤失剂GSTP和环保降滤失剂GLAC作为耐150℃环保水基冲洗液体系用降滤失剂。

3.1.5 环保抑制剂优选

本体系收集了4种环保抑制剂样品，分别为CMBJ、GPNH、GBLQ和GBBJ。在150℃条件下评价了样品的抑制性能。配制好的基浆冲洗液（蒸馏水400 mL、钠膨润土16 g和1%环保增粘剂GHMC、1%高温稳定剂GHTS）在25℃陈化16 h。在陈化后的基浆中分别加入0.5%抑制剂样品，测试加样后的基浆在不同温度下老化16 h后的性能。

图14 降滤失剂API滤失量对比Fig.14 Comparison of API filtration loss of the filtration reducer

图15 降滤失剂HTHP滤失量对比Fig.15 Comparison of HTHP filtration loss of the filtration reducer

从图16、图17可看出，在150℃条件下，抑制剂GBBJ页岩膨胀降低率随着温度的增加而升高，可以达到84.91%，HTHP滤失量最低。因此，优选GBBJ作为耐150℃环保水基冲洗液体系用抑制剂。

3.1.6 环保封堵剂优选

图16 抑制剂页岩膨胀降低率对比Fig.16 Comparison of shale expansion reduction rates of inhibitors

本体系收集了3种环保封堵剂样品，分别为HGPC、HGFD、HGHB。它们的粒径大小不同，因此需要相互搭配使用。对它们搭配后在150℃条件下的冲洗液性能和抑制性能进行了评价，调配基浆（蒸馏水400 mL、钠膨润土16 g、1%环保增粘剂GHMC、1%高温稳定剂GHTS、0.5%抑制剂GBBJ和1%环保降滤失剂GSTP），在25℃陈化16 h。向陈化后的基浆中分别加入2%环保封堵剂样品，测试加样后的基浆在不同温度下老化16 h后的性能。

图17 抑制剂HTHP滤失量对比Fig.17 Comparison of HTHP filtration loss of inhibitors

从图18、图19可看出，在150℃条件下，HGPC和HGFD的封堵效果最好。因此，优选封堵剂HG‑PC和封堵剂HGFD作为耐150℃环保水基冲洗液体系用抑制剂。

图18 封堵剂API滤失量对比Fig.18 Comparison of API filtration loss of the plugging agent

3.2 耐温150℃环保冲洗液配方优化

经过优选试验，最终确定冲洗液体系中的泥浆材料为新疆钠膨润土、增粘剂GHCM、降滤失剂GLAC、降滤失剂GSTP、抑制剂GBBJ、封堵剂HG‑PC、封堵剂HGFD和高温稳定剂GHTS。

采用正交试验法对配方进行优化研究，通过对每组正交试验结果中的主要因素，如HTHP滤失量、表观粘度、塑性粘度及API滤失量进行极差分析，找出每个因素的最优水平组合。分析得到了各项指标所对应的水平的影响大小和优化水平取值，综合考虑各指标的影响因素的主次并结合体系目标性能确定冲洗液的优化配方范围为：水+4%~5%钠膨润土+0.5%~1%增粘剂GHCM+1%~2%降滤失剂GLAC+2%~3%降滤失剂GSTP+0.3%~0.5%抑制剂GBBJ+2%~3%封堵剂HGPC+2%~3%封堵剂HGFD+1%高温保护剂GHPS。

图19 封堵剂HTHP滤失量对比Fig.19 Comparison of HTHP filtration loss of the plugging agent

4 现场应用

西藏3000 m科学深钻现场采用的是环保冲洗液体系配方：水+3%~4%钠膨润土+0%~0.5%增粘剂GHCM+1%~2%降滤失剂GLAC+1%~2%降滤失剂GSTP+0.2%~0.3%抑制剂GBBJ+1%~2%封堵剂HGPC+1%~2%封堵剂HGFD。现场应用表明该冲洗液具有较强的抑制能力，起到了很好的护壁效果，顺利完成了在极易出现坍塌的第四系、破碎地层、水敏性蚀变地层钻探工作［15-16］，但钻孔深部温度较低，与设想有较大的差距，冲洗液体系的耐温性没有得到很好的应用验证。

5 结论

（1）通过对现有常用的环保处理剂进行性能优选评价，最终确定新疆钠膨润土、增粘剂GHCM、降滤失剂GLAC、降滤失剂GSTP、抑制剂GBBJ、封堵剂HGPC、封堵剂HGFD、高温保护剂GHPS作为该体系用处理剂。

（2）研究了1套耐150℃高温环保冲洗液体系配方：水+4%~5%钠膨润土+0.5%~1%增粘剂GHCM+1%~2%降 滤 失 剂GLAC+2%~3%降滤失剂GSTP+0.3%~0.5%抑制剂GBBJ+2%~3%封堵剂HGPC+2%~3%封堵剂HGFD+1%高温保护剂GHPS。

（3）该冲洗液体系的现场应用表明其具有较强的抑制能力，起到了很好的护壁效果，顺利完成了在极易出现坍塌的第四系、破碎地层、水敏性蚀变地层钻探工作，对环境无害，绿色环保。