李之軍，趙淦，向浩天，陳俊秀，劉闊
(成都理工大學環境與土木工程學院,四川 成都 610059)
鬆散破碎性地層孔壁失穩一直是困擾鑽探工程界的難題之一，增強該類地層的膠結性，提高其力學性能是有效解決孔壁失穩的技術關鍵。本文將微生物誘導碳酸鈣沉積（MICP）技術與CMC無固相鑽井液相結合，構建微生物-CMC無固相鑽井液體系。通過巖心浸泡實驗、X射線衍射實驗（XRD）以及掃描電鏡分析兩種微觀分析手段對微生物-CMC無固相鑽井液的固壁作用與機理進行了初探。結果表明：微生物-CMC無固相鑽井液對鬆散破碎性地層具有較明顯的加固作用，且作用時間越長、初始菌種濃度越高、鈣源濃度越大，固壁效果越好。在固壁過程中，微生物隨鑽井液滲透進入試樣內部，在鬆散顆粒之間誘導生成碳酸鈣晶體，填充孔隙空間，將鬆散顆粒膠結成整體，並具有一定的力學強度，從而達到加固孔壁的目的。本研究結果為解決鬆散破碎性地層孔壁失穩探索了新的鑽井液技術方案。
鬆散破碎性地層；孔壁失穩；微生物；CMC無固相鑽井液；固壁作用與機理
0 引言鑽探作為探索地球奧秘的主要技術支撐手段，遇到的地層也越來越複雜[1]。複雜地層亦稱為不穩定地層，屬於鑽探工程中的難鑽進地層，主要包括水敏性地層、泥頁巖地層、破碎性地層、斷層等[2]。在複雜地層的鑽進過程中，孔壁失穩的情況時常發生[3]，導致鑽進效率低，取心效果差，施工成本高[4]。既有研究主要針對水敏性泥頁巖地層、斷層等複雜地層的孔壁失穩問題，卻鮮有針對取心鑽探中常遇到的破碎性地層的孔壁失穩問題進行研究[5-6]。破碎性地層是指受構造應力作用而原本破碎的地層以及在井眼形成後在上覆壓力作用下產生的地層，具有裂隙發育、膠結性差、破碎不完整等特點[7]。增強鬆散破碎地層孔壁圍巖膠結性，是維持該類地層孔壁穩定的關鍵。因此，探索一種能提高孔壁圍巖膠結性從而穩定鑽孔孔壁的鑽井液技術，具有積極的理論和現實意義。
微生物誘導碳酸鈣沉積（MICP）技術為解決破碎性地層孔壁失穩提供了借鑑，其主要是利用產脲酶微生物巴氏芽孢桿菌分解尿素生成的碳酸根離子與鈣離子反應最終生成碳酸鈣沉澱的過程，其化學反應式表示為[8-9]：
本文嘗試將MICP技術與地質鑽探應用最廣泛的無固相鑽井液體系相結合，選擇巴氏芽孢桿菌作為微生物菌種，基於羧甲基纖維素鈉(CMC)無固相鑽井液，構建微生物-CMC無固相鑽井液體系。通過試樣浸泡實驗，以試樣的滲透係數、碳酸鈣生成量以及力學強度為指標，對微生物-CMC無固相鑽井液體系的固壁作用進行了初探，並藉助X射線衍射實驗(XRD)、掃描電鏡(SEM)分析探討了微生物-CMC無固相鑽井液體系的固壁作用機理。為解決破碎性地層孔壁失穩探尋新的鑽井液技術方案。
1 微生物-CMC無固相鑽井液體系構建1.1 微生物在CMC無固相鑽井液中的適應性研究
本文選用CMC配製無固相鑽井液，其流變性能如表1所示。
表1 CMC無固相鑽井液流變性能
由表1可知，隨著材料加量的增加，無固相鑽井液的性能參數也相應發生了改變。將巴氏芽孢桿菌接種至表1所示的CMC無固相鑽井液中，並補充相應的營養物質，測定24h內微生物的菌種數量和脲酶活性的變化，繪製其生長曲線和脲酶活性曲線，並計算二者的增長率，分析微生物在CMC無固相鑽井液中的適應性，選擇最適應微生物生長的CMC加量。結果見圖1所示:
圖1 微生物-CMC無固相鑽井液的生長情況
由圖1可見，在不同濃度的CMC無固相鑽井液中，微生物的生長情況並不一樣。在CMC濃度為0.4%的鑽井液中長勢最好，經過24h的生長，微生物數量的增長率達到了47.5%。微生物脲酶活性也受到CMC濃度的影響，並且在24h內，脲酶活性處于波動狀態。根據MICP技術原理，微生物的脲酶活性越高，越有利於碳酸鈣的沉積。綜合微生物生長曲線以及脲酶活性曲線，可知微生物在濃度為0.4%的CMC無固相鑽井液中的生長情況較好，更加適應微生物的生長。因此，後續研究採用濃度為0.4%的CMC無固相鑽井液。1.2 微生物-CMC無固相鑽井液體系基本性能微生物-CMC無固相鑽井液體系由微生物菌液和CMC無固相鑽井液組成，各材料具體加量見表2。其中尿素、酪蛋白腖、大豆蛋白腖、氯化鈉是微生物生長所需要的營養物質。
表2 微生物-CMC無固相鑽井液體系的組成
測試15d內該體系流變性能和密度的變化，以評價其穩定性，結果如圖2所示。
由圖2中可見，15d內，微生物-CMC無固相鑽井液體系的表觀粘度和塑性粘度都表現出了較好的穩定性。其表觀粘度保持在14mPa·s左右，塑性粘度保持在10mPa·s左右，密度保持在1.01g/cm3。
圖2 15d內微生物-CMC無固相鑽井液基本性能變化情況2 微生物-CMC無固相鑽井液固壁作用研究用鬆散砂土模擬破碎性地層，採用浸泡法研究微生物-CMC無固相鑽井液的固壁作用，實驗示意圖如圖3所示。以初始菌種濃度、鈣源濃度和作用時間為因素，以試樣無側限抗壓強度為指標，實驗設計與結果見表3。
圖3 微生物-CMC無固相鑽井液固壁實驗示意圖
表3 微生物-CMC無固相鑽井液固壁作用實驗結果
由表3可知，經過微生物- CMC無固相鑽井液作用後，原本鬆散無膠結的砂土交接成了整體，並具有了一定的力學強度，平均無側限抗壓強度為0.18MPa，最高為0.324MPa。表明微生物-CMC無固相鑽井液具有較為明顯的提高破碎性地層膠結性和力學性能的作用，有利於破碎性地層孔壁穩定，且作用時間越長、初始菌種濃度越高、鈣源濃度越大，其固壁作用越好。
3 微生物-CMC無固相鑽井液固壁作用機理研究基於固壁作用實驗研究結果，取微生物-CMC鑽井液中固壁效果最好的試樣，採用X射線衍射（XRD）、掃描電鏡測試（SEM）兩種分析測試手段，分析試樣在微生物-CMC無固相鑽井液作用後的物相成分和微觀形貌，淺析其固壁作用機理。
3.1 XRD
取試樣中的生成物進行分析，XRD圖譜如圖4所示，並運用Jade 6.5軟體對檢測樣品的物相進行了分析，結果如表4所示。
由圖3、表4可知，在25°、30°、40°衍射角附近和50°到60°的衍射角區間內出現了與PDF卡片33-0268的球霰石相對應的特徵峰，在20°、30°、45°衍射角附近和55°到65°的衍射角區間內出現了與PDF卡片05-0586的方解石相對應的特徵峰，在30°、45°、55°衍射角附近出現了與PDF卡片51-1167的碳化鈣相對應的特徵峰。
圖4 生成物的XRD圖譜
表4 生成物的物相組成
3.2 電鏡掃描（SEM）取微生物-CMC無固相鑽井液作用後無側限抗壓強度最高的試樣進行SEM掃描電鏡分析，如圖5所示。
由圖5可以看出，試樣中生成的碳酸鈣主要為大小不一的球形晶體，從形態上可以分析得出該條件下生長的碳酸鈣晶體為球霰石。從圖5（a）中可知，碳酸鈣顆粒整體均勻分布，以大型球形晶體零散分布，小型球形晶體均勻分布的形式存在。在具有最佳固壁效果條件下，充足的生長時間保證了微生物-CMC無固相鑽井液在試樣孔隙中的滲透過程充分完成，微生物得以均勻分布。而鈣源濃度和初始菌種濃度較高，則為MICP作用提供了良好的反應條件，碳酸鈣沉積過程會以微生物的晶核作為作用中心，在晶核周圍不斷沉積富集，從而形成了碳酸鈣晶體的均勻分布。從圖5（b）可知，碳酸鈣晶體之間間距小，貼合緊密，足以在試樣顆粒間形成膠結網絡，提高砂土顆粒之間膠結性的同時減小巖心內部的孔隙空間，從而提高巖心的物理力學強度。從圖5（c）、（d）中可知，碳酸鈣晶體的直徑大者能達到22.61μm，這一數值符合Al Qanany[10]研究所得結果。但小者僅為6.33μm，初步推斷，在無固相鑽井液環境中，碳酸鈣沉積過程受到抑制，小型球形晶體直徑無法超過10μm，碳酸鈣晶體形成的完整程度不充分。
（a）500×（b）2500×（c、d）5000×
圖5 試樣中生成碳酸鈣的微觀形貌
3.3 微生物-CMC無固相鑽井液固壁作用機理結合XRD和SEM分析結果可知，經過微生物-CMC無固相鑽井液作用後，試樣內生成物的主要成分是碳酸鈣晶體，其晶體晶型包括球霰石和方解石，球霰石佔比為93%左右，方解石佔比在3%左右，生成的碳酸鈣晶體均勻分布於巖心鬆散土顆粒之間，在顆粒之間形成網狀結構，以填充顆粒孔隙空間。
微生物無固相鑽井液固壁的作用機理如圖6所示，其中圖中褐色部分代表試樣的鬆散砂土顆粒，綠色部分代表微生物-CMC無固相鑽井液中的巴氏芽孢桿菌，藍色部分代表微生物-CMC無固相鑽井液作用後生成的碳酸鈣。圖6(a)是微生物-CMC無固相鑽井液作用之前孔隙發育的鬆散巖心試樣，圖6(b)是作用開始時微生物-CMC無固相鑽井液滲流進入巖心試樣內部後，微生物在孔隙之間分布和生長，圖6(c)是經過微生物-CMC無固相鑽井液作用完成後，微生物在巖心孔隙之間生成碳酸鈣晶體並填充孔隙空間，將鬆散巖心膠結為一個整體，從而達到固壁的作用。
圖6 微生物-CMC無固相鑽井液固壁作用機理示意圖微生物-CMC無固相鑽井液固壁的作用機理，本質上是基於微生物誘導碳酸鈣沉積（MICP）作用，在鬆散破碎地層的鑽探過程中，微生物在鑽井液在循環過程中進入鬆散土體間隙中，藉助鑽井液提供的生長環境和營養源、鈣源，在孔隙間形成具有膠結性質的碳酸鈣晶體，將破碎地層中的鬆散土體膠結為一個整體並提高整體力學性能，達到加固鬆散破碎性地層孔壁圍巖的目的。
4 結論本文將微生物誘導碳酸鈣沉積（MICP）技術與CMC無固相鑽井液相結合，構建微生物-CMC無固相鑽井液體系，並對其固壁作用與機理進行了初探，取得了如下幾點結論：
（1）通過檢測微生物在CMC無固相鑽井液中的生長情況，優出選適合微生物生長的CMC加量為0.4%，由此構建微生物-CMC無固相鑽井液體系，該體系在15d內保持基本性能穩定。
（2）微生物-CMC無固相鑽井液體系對鬆散破碎性地層具有較明顯的固壁作用，且作用時間越長、初始菌種濃度越高、鈣源濃度越大，其固壁作用越好。
（3）微生物-CMC無固相鑽井液的固壁作用的本質是微生物隨鑽井液在進入鬆散土顆粒孔隙後，在顆粒孔隙內生成具有膠結性質的碳酸鈣晶體，填充孔隙空間，並鬆散土體膠結成為一個整體，提高土體物理力學性能，從而達到固壁作用的目的。
李之軍，男，漢族，1984年生，博士，講師，主要從事鑽井液及井壁穩定理論與技術科研與教學工作。四川省成都市成華區二仙橋東三路1號，lizhijun2014@cdut.edu.cn。
本文刊登於第二十一屆全國探礦工程（巖土鑽掘工程）學術交流年會論文集