上天、入地、下海是人类向自然界挑战的三大壮举。过的去50年，人类对“太空”研究收获巨大，对“地球”内部的勘查却因岩石坚硬而困难重重，收获甚微。 直接观察地壳的“科学钻探”是伸入地球内部的“望远镜”，是具有划时代意义的地学高科技系统工程。通过钻孔获取岩芯、岩屑、岩层中的流体(包括气体和液体)以及进行地球物理测井和在钻孔中安放仪器进行长期观测，获取地下岩层中的各种地学信息，进行地学研究，所以，科学钻探是目前唯一能直接观测地壳深部并获取地下深处实物信息和图像的地学研究方法，是解决资源、灾害、环境等可持续发展重大问题不可或缺的技术手段之一。为了尽可能多的地下信息，科学钻探常常采用绳索取心钻进方法。 绳索取心钻进系统有两个较小的环状空间，即钻杆与井壁之间的外环空(1.5mm—3.0mm)和钻杆内壁与内岩心管或悬挂系统之间的内环空(0.5mm—1.0mm)。外环空间隙小，导致泵压和泥浆上返速度升高，环空压力损失很大，易于导致泥浆紊流冲刷井壁，造成循环漏失，以及起下钻时造成压裂压漏地层或抽垮地层。钻井液中的固相颗粒在钻杆高速旋转所造成的离心力场的作用下，有可能沉积于钻杆内壁上，形成所谓的“泥垢”，导致钻杆实际通径减少。当钻杆内壁结垢超过一定厚度时，打捞器或携带岩心的内管在钻杆内的运动将会受阻，甚至打捞失败，严重影响钻进效率。 一种泥浆是否易于结垢，可以用临界通径和结垢指数来判断。临界通径是指泥浆在钻杆内由层流转变为紊流，雷诺数为临界值时的通道直径。钻井泥浆的临界通径是泥浆的固有属性，与泥浆的内在因素有关，而与钻具结构无关，是一个恒定值。结垢指数是用于评价泥浆的结垢特性，与钻井液固相颗粒含量、钻杆内径、固相颗粒直径的平方成正比，结垢指数越高，越易于结垢。一般来说，科学钻探用绳索取心钻杆的内径大于常规绳索取心钻杆，所以，科学钻探用绳索取心钻杆更易于结垢。 通常，环空外压力(或环空外压力当量密度)是随工况而发生变化。在绳索取心钻进时，由于环空间隙小、循环动压力大以及起下钻时的激动压力，易于造成地层漏失。环空外压力最大值是下钻加速期的末期，或开泵和循环工况，此时有可能导致压漏或压裂地层。环空外压力最小值发生在提钻加速末期，此时有可能产生较大的负压，引起抽垮地层和井涌。在起钻和下钻时，粘滞波压力的方向不同，下钻时，粘滞波压力是正值，是附加外力；起钻时，粘滞波压力是负值。惯性波压力总是与钻具加速度的方向一致。在石油和其它大直径金刚石钻进中，粘滞波压力和惯性波压力较小，一般不超过环空循环压力。然而，在金刚石绳索取心钻进时，由于较小的外环空间隙和高速起下钻(或内岩心管)，导致粘滞波压力和惯性波压力较大，通常超过600kg/m3，过高的激动压力导致孔内复杂问题。 绳索取心钻进对钻井液提出更高的要求：第一，环空动压力降应尽可能低，以防止地层漏失或压裂；第二，环空钻井液应达到或近于紊流状态，保持较薄的泥皮，防止因岩屑沉积导致井径缩小和粘附卡钻；第三，钻杆内钻井液处于紊流状态，达到紊流冲蚀的目的，冲蚀掉钻杆内壁的结垢；第四，钻井液固相含量低，固相颗粒粒度小，以降低钻井液的结垢指数。钻杆内的泥浆固相中，平均粒径要小于4μm，80％以上的粒径小于10μm。 金刚石绳索取心钻进通常采用清水作为冲洗液。由于金刚石钻进需要高转速，而水的摩擦阻力较大，很难达到高转速钻进。根据科学钻探对钻井液的要求，由于油基钻井液中含有大量的有机烃类物质，对录井有严重的干扰，是不适合科学钻探的。为了获得较好的润滑性能，常常配成水包油类乳状液或水溶性表面活性剂溶液，将清水转化为乳状冲洗液。科学钻探所钻地层成分往往是未知的，若钻遇含硬水地层(或钙侵)。阴离子活性剂或非离子活性剂容易失效或产生破乳。 无固相钻井液主要是在清水或盐水中添加聚合物，使岩屑在水中不分散，岩屑有可能在地面全部清除。同时，无固相钻井液具有一定的护壁作用。流动性好，有润滑减阻作用等，但价格昂贵，对电解质敏感，抗钙、镁等高价离子侵的能力差。一旦钻遇水敏地层，泥浆黏度、切力升高，岩屑变细而难于清除，泥浆密度增加，无固相钻井液实际上变为有固相泥浆。另外，聚合物存在高温降解问题。 膨润土是水基泥浆的主要材料，钠基膨润土被广泛应用于水基泥浆。但是，我国是一个钠基膨润土资源匮乏的国家。北京探矿工程研究所曾研发出钙基膨润土钠化的工艺，并生产钠基膨润土(NV-1)。NV-1的泥浆性能完全达到API标准，但其固相颗粒较大，黏度和切力较高，对于绳索取心钻进，易造成钻杆结垢和地层破裂。 根据中国大陆科学钻探工程科钻一井(CCSD-1井)金刚石取心钻进岩屑颗粒分布、现场泥浆固相控制能力、以及科学钻探绳索取心钻具的结构，北京探矿工程研究所成功地研发出低粘高分散膨润土(LBM-SD)。 LBM-SD是由人工钠基膨润土(NV-1)与小分子量的三元共聚物按照一定比例，经过混炼、挤压、干燥和粉碎而成。在其加工过程中，混炼和挤压机挤压对提高膨润土的分散具有非常重要的作用。挤压机对膨润土颗粒反复的剥片作用和断键作用，使得膨润土颗粒变小，表面电荷增加，对三元共聚物的吸附作用更强，结合更紧密。通过挤压，膨润土的平均粒径可降低23.4％，平均质量比表面积提高19.7％，ξ电位值增加10.5％。 三元共聚物为丙烯酸、丙烯酰胺和丙烯腈按照一定工艺聚合而成的丙烯酸钠、丙烯酸钙、丙烯酰胺和丙烯腈的共聚物，其分子链上含有大量的羧钠基(-COONa)、酰胺基(-COONH2)和腈基(-CN)。 亲水性强的羧钠基(-COONa)可吸附于膨润土颗粒表面，给膨润土颗粒带来电离水化作用，使膨润土颗粒表面形成水化膜，增大了膨润土颗粒间的距离，降低膨润土的絮凝趋势，增加膨润土的分散度，从而降低了膨润土颗粒间的作用力和网状结构强度，减小膨润土颗粒的平均粒径，提高其平均比表面积。 中等亲水的酰胺基(-COONH2)可以通过氢键联结，与膨润土颗粒相吸附，有降失水作用，更重要的是非离子亲水基团酰胺基的抗电解质污染能力较强，可以提高羧钠基的抗污染能力： 弱亲水、强极性的腈基(-CN)也可以通过氢键联结，与膨润土颗粒相吸附，使聚合物链的刚性增加，高温下的吸附作用增强。从而提高聚合物的抗高温能力，并进一步提高了聚合物的抗电解质污染能力。 三元共聚物分子链上还含有一定数量的(-COO)2ca，提高了钻井液的抗钙镁能力和降失水作用。另外，一定的聚合度可使膨润土颗粒吸附在聚合物的链节上，形成高分子结构保护作用，使膨润土颗粒保持分散和稳定。并有一定的降黏度、降切力的作用。 根据室内分析试验和现场应用证明，LBM-SD及其泥浆具有下列特点： 1)LBM-SD泥浆适合于科学钻探绳索取心钻进，现场配浆简单快捷，可以作为单一泥浆材料。LBM-SD颗粒呈高分散状态，其平均粒径小于3μm，90％的颗粒小于10μm。与NV-1相比，LBM-SD颗粒粒径平均降低41.7％，平均质量比表面积提高43.6％，ξ电位值增加28.4％。 2)LBM-SD泥浆具有良好的流变性能。LBM-SD具有低黏度、低切力、低失水和高分散的优良特性，加入2％～3％的LBM-SD可配制超低固相泥浆，是一种较理想的科学钻探绳索取心钻进泥浆。 3)以CCSD-1井绳索取心钻具为例，泥浆泵排量51/s，当临界雷诺数为4000时，3％LBM-SD泥浆的临界通径为123.2mm；当临界雷诺数为2100时，临界通径为234.6mm，均大于科学钻探绳索取心钻杆内径(φ110mm)。 4)3％LBM-SD泥浆的结垢指数为0.411，小于钻杆内壁开始形成结垢临界值(I＝1)，说明3％LBM-SD泥浆在φ110mm钻杆内不会形成结垢。 5)以CCSD-1井井身结构为例，绳索取心钻进时，3％LBM-SD泥浆以51/s的泵量循环时，最大井底压力当量密度为1265kg/m3，不会造成地层漏失或压裂；而以0.5m/s2加速度提下钻时，最大外环空压力当量密度为1396kg/m3，最小外环空压力当量密度为919kg/m3，提钻初期有可能造成井涌，所以，绳索取心钻进时，必须缓慢起下钻具。 同时，本文还对LBM-SD试验分析中出现的问题，提出了进一步改进的具体建议。