云貴高原水敏凝灰巖在鹽溶液中的穩定性

鄭明雄，李保珠

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

1 概述

多數巖石的化學性質比較穩定，不容易與酸堿鹽發生反應，多數巖石在溶液中的強度也比較穩定。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性質關系密切。云貴高原地區盛產有色金屬和煤等礦產，在這些地區常能遇到在水中分解速度極快的水敏凝灰巖[1-5]，給勘查鉆井帶來了極為不利的影響，可導致最嚴重的鉆井事故：卡鉆。一次卡鉆即可帶來數百上千萬的經濟損失，且嚴重影響工期，甚至無法繼續進行勘查工作。所以，需研制防塌鉆井液，而研究防塌鉆井液需要弄清凝灰巖在化學溶液中的穩定性。并且，多數情況下，在含高分解性凝灰巖地區需要事先采取防塌預防措施，這需要根據比較通用的凝灰巖防塌應用基礎來進行。本文從鉆井防塌的角度出發，試驗云貴地區水敏凝灰巖在酸堿鹽溶液中的穩定性，由于單純的酸或堿沒有穩定效果，故主要是對凝灰巖在鹽溶液中進行系列實驗，由此可獲得個性和共性，為鉆井防塌應用提供參考。目前，針對云貴地區水敏凝灰巖在化學溶液中穩定性的研究處于起步階段。目前對涉凝灰巖的坑道、邊坡、強度及力學特性等工程應用和理論研究較多[7-8]，對其它地層的鉆井液防塌的研究也很多[9-10]，但對涉凝灰巖勘查鉆井及凝灰巖在鹽溶液中穩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 凝灰巖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 凝灰巖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 凝灰巖在溶液中較穩定Fig.3 The relatively stable state of tuffs in some solutions

由于鹽溶液對凝灰巖的分解可起到穩定作用，為獲取有效防塌的應用基礎，有必要對比分析不同凝灰巖樣品在不同鹽溶液中的穩定性。本文的化學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。實驗鹽溶液統一使用10 g/100 mL的濃度，其中的少數鹽由于溶解度低或溶解緩慢低于此濃度，實驗結果見表1。由于各凝灰巖在各鹽溶液中的穩定程度不一，表中采用文字描述以較詳細體現分解速度和穩定程度。穩定表示防塌效果最好短時間內見不到凝灰巖表面分解跡象，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 云貴地區典型水敏凝灰巖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。實驗結果如表2所示。

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

表2中，由于凝灰巖具有風化程度及干燥程度不一等非均質性，雖經樣品篩選及重復試驗，仍僅可定性反應一定的趨勢。但由此確定的是，鹽溶液濃度較低時，絕大多數溶液沒有任何防塌效果，凝灰巖快速分解。對有防塌效果的鹽溶液，隨著濃度增加，凝灰巖的穩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巖的穩定性，經擴展試驗，如瀾滄凝灰巖當KCl溶液濃度達13 g/10 mL時變得十分穩定。

高濃度的KCl溶液對瀾滄凝灰巖具有穩定性改性作用，不但瀾滄凝灰巖在高濃度KCl溶液中不容易分解，將浸泡后的凝灰巖取出重新放于水中仍然不易分解。這與瀾滄凝灰巖中含黏土比例很高有關，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巖多為含水軟弱凝灰巖，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。由于各凝灰巖在不同鹽中的穩定性不同，故最好使用以某飽和溶液為基礎的混合溶液，比如在飽和食鹽水基礎上加入KCl和Na2SiO3，以盡量發揮鹽溶液的防塌作用。

一個有意義的現象是：在已有凝灰巖分解后的溶液中，凝灰巖往往具有相對穩定性?？梢越忉尀榉纸鈺r凝灰巖中已經溶出的鹽對后續凝灰巖的分解起阻礙作用，可見已經溶出的凝灰巖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巖分解的作用及阻止鹽溶出對凝灰巖穩定的意義，還為防塌應用提供了思路：在采的涉凝灰巖礦山勘查鉆井時，有條件采出凝灰巖時可使用凝灰巖濾液代替水作為基液。甚至可以采用其它地區的凝灰巖來生產濾液。使用凝灰巖濾液作為基液時必須注意，凝灰巖濾液多呈強化學酸性(表3)，這是由于凝灰巖內部的FeS2氧化后生成了硫酸。前期研究表明，堿性環境具有能有效阻礙凝灰巖內鹽的溶出、提高結晶堵塞能力等提高防塌性能的效應[12]，故需調節凝灰巖濾液pH值到12以上。

表3 凝灰巖浸提液的pH值(5 min)

必須指出的是，鹽溶液在防塌應用中起重要作用，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。

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

3 結論

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

2)對地層中的高風化及高含水等軟弱易塌凝灰巖來說，鹽溶液防塌效果有限，需進行增強。采用凝灰巖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，除具有離子交換穩定改性的鹽外，凝灰巖在多數具有防塌效果的鹽溶液中并不能長期穩定。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容，需結合成膜隔水及控制自由水等配方成分。

3)凝灰巖在鹽溶液中能持續穩定的原理是：高濃度鹽溶液阻礙了凝灰巖內部可溶鹽的溶出，進而起到了穩定凝灰巖的作用。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僅是部分高含黏土凝灰巖的部分穩定性因素。