深部找礦復(fù)雜地層鉆探?jīng)_洗液的研制

吳景華，謝俊革

（長春工程學(xué)院，長春130021）

0 引言

目前，隨著資源勘探深度的增加和危機(jī)礦山深部找礦的工作量加大，經(jīng)常遇到復(fù)雜地層。復(fù)雜地層存在4大難題：護(hù)壁、堵漏、取心、涌水。鉆進(jìn)復(fù)雜地層時，如措施不當(dāng)，往往會造成孔內(nèi)事故多，鉆進(jìn)效率低，鉆孔質(zhì)量差，鉆進(jìn)成本高。所以需要研制出性能更優(yōu)良的沖洗液，并解決：（1）孔壁失穩(wěn)，護(hù)壁困難；（2）回轉(zhuǎn)阻力大，動力和材料消耗大，孔內(nèi)事故多；（3）鉆進(jìn)效率低，成本高；（4）隨著孔深增加，溫度升高等問題。因此必須研制具有良好的護(hù)壁堵漏性能、能防止鉆具結(jié)垢、具有良好的攜帶巖粉、清洗孔底和冷卻鉆頭以及膠凝時間可控且抗一定溫度的沖洗液。

1 深部找礦對可控護(hù)壁沖洗液的要求

1.1 深部地層特點

深部地層多為復(fù)雜地層，復(fù)雜地層的護(hù)壁堵漏是長期以來巖心鉆探中存在的困難問題。復(fù)雜地層，也有的稱它為難鉆地層，廣義的是從鉆進(jìn)、護(hù)孔、取心、孔斜等角度來說的。若單從鉆孔沖洗和護(hù)孔角度來考慮，復(fù)雜地層則是指鉆進(jìn)時產(chǎn)生不同程度的鉆孔坍塌、掉塊、漏失、涌水或井噴、膨脹縮徑等復(fù)雜情況的地層。鉆進(jìn)復(fù)雜地層時，如措施不當(dāng)，往往會造成孔內(nèi)事故多，鉆進(jìn)效率低，鉆孔質(zhì)量差，鉆進(jìn)成本高。甚至達(dá)到不能繼續(xù)鉆進(jìn)和造成鉆孔報廢的嚴(yán)重后果。因此，必須認(rèn)真研究與分析產(chǎn)生復(fù)雜情況的原因和復(fù)雜地層的特點，采取必要的測試手段，具體確定復(fù)雜地層的部位、復(fù)雜程度等地質(zhì)要求以便順利地完成深部找礦鉆探任務(wù)。

1.2 深部找礦鉆探工藝特點

（1）鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。深孔鉆探，由于鉆遇的地層種類較多，地層相對復(fù)雜，因此，一般采取多級孔徑設(shè)計，開孔及上部孔徑加大。鉆孔直徑的增大會造成地層側(cè)壓力的增加，對于松散破碎且傾角陡斜的地層，孔壁的穩(wěn)定性變差，不穩(wěn)定的巖石就會向孔內(nèi)滑落和坍塌，造成孔內(nèi)坍塌掉塊事故。

（2）深部找礦鉆探技術(shù)最主要的特點是孔壁間隙小，應(yīng)采用較低黏度和切力的沖洗液。

（3）深孔鉆探，高轉(zhuǎn)速，需要沖洗液有潤滑性，同時還要求沖洗液中固相含量少，以防鉆桿內(nèi)壁結(jié)皮。

（4）護(hù)壁堵漏難。進(jìn)行深部找礦鉆探，區(qū)內(nèi)大多裂隙發(fā)育，地層破碎，幾乎所有的鉆孔都要穿過斷層和破碎帶。硬、脆、碎、酥、漏是多數(shù)礦區(qū)地層的特點。多數(shù)鉆孔是漏失、坍塌、掉塊并存，多層位坍塌、掉塊，給護(hù)壁帶來困難，大量漏失又使沖洗液護(hù)壁難度加大，尤其是深孔、斜孔，施工周期長，地層被鉆穿后裸露時間長，易造成孔壁失穩(wěn)，護(hù)壁堵漏就更加困難。

（5）鉆探效率低。

（6）防斜治斜難。

（7）操作難度大。

1.3 深部找礦對沖洗液的要求

對于復(fù)雜地層中所用沖洗液，常用低固相不分散泥漿，但因為泥漿護(hù)壁存在缺陷，常導(dǎo)致孔內(nèi)事故，現(xiàn)以無固相沖洗液為主，復(fù)雜地層對無固相沖洗液的要求從性能上考慮要求其黏度低、低切力、浸泡巖樣不散等，這樣它的護(hù)壁防塌效果就好，如果沖洗液在一定時間里會絮凝，還可堵漏一些細(xì)小裂隙。

（1）沖洗液的流變性要求

沖洗液應(yīng)有很低的黏度和切力，以減少沖洗液在孔壁間隙內(nèi)上返的流動阻力，并有利于細(xì)小巖粉的沉降和清除。本次課題研制的無固相沖洗液的漏斗黏度要求在20～30s之間。

（2）沖洗液的失水量要求

沖洗液的失水性對鉆井的有利影響是：初失水可以濕潤巖土，使其強(qiáng)度降低，有利于鉆頭對其破碎，提高鉆進(jìn)速度?？變?nèi)沖洗液濾失過程控制不當(dāng)，必然要產(chǎn)生失水量過大的問題。沖洗液循環(huán)時，失水量過大對于一些遇水易膨脹的地層容易形成鉆孔擴(kuò)大或縮小，會造成卡鉆、鉆桿折斷等孔內(nèi)事故。對于砂礫層、巖石破碎層等地層，濾液滲入鉆孔周圍地層，會破壞地層的原始平衡，加劇了孔壁的不穩(wěn)定性，因此沖洗液的失水量是越小越好。

（3）沖洗液在高溫下時間可控的要求

按照深部找礦鉆孔深度估算，沖洗液應(yīng)能抗80～90℃的溫度而性能不變，沖洗液的漏斗黏度在20～30s之間，浸泡巖樣不散，沖洗液膠凝時間可控，溫度越高，沖洗液的膠凝時間越短。

2 深部找礦可控護(hù)壁沖洗液的研制

2.1 可控護(hù)壁沖洗液配方初選

根據(jù)沖洗液研制程序與經(jīng)驗，結(jié)合深部找礦地層和工藝特點，以及對沖洗液性能要求，擬選如下產(chǎn)品作為初選配方產(chǎn)品。

（1）羧甲基纖維素鈉

羧甲基纖維素鈉作為沖洗液的主要成分之一，主要起防坍塌的作用，附帶增黏的作用，具有黏合、增稠、增強(qiáng)、乳化、保水、懸浮等作用。

（2）80A51

產(chǎn)品具有有效地調(diào)節(jié)流型，良好的抗污染性和抗溫性，可以顯著地改善沖洗液的觸變性和攜屑能力。

（3）氯化鐵

氯化鐵主要是交聯(lián)作用，交聯(lián)沖洗液中的80A51。

（4）水玻璃

水玻璃在沖洗液中起護(hù)壁防坍及膠凝的作用。水玻璃溶液加入酸和銨鹽等，會引起片狀二氧化硅微粒鏈接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成不流動的凍膠體，可用于堵漏。

（5）硫酸銨

硫酸銨可作為絮凝劑，起絮凝作用，主要與沖洗液中的水玻璃發(fā)生反應(yīng)，使沖洗液膠凝。

初選配方組成是：羧甲基纖維素鈉，80A51，氯化鐵，水玻璃，硫酸銨。

2.2 可控護(hù)壁沖洗液正交試驗及結(jié)果分析

2.2.1 可控護(hù)壁沖洗液的正交試驗

初選配方采用“五因素、四水平”的L16（45）正交試驗方法（見表1），試驗溫度在80℃條件下進(jìn)行。

表1 初選配方材料及加量

初選配方正交試驗表見表2。

表2 正交試驗表

2.2.2 正交試驗結(jié)果分析

沖洗液性能評價指標(biāo)主要從巖樣浸泡、失水量、漏斗黏度綜合考慮，考慮具體原則有以下2點：（1）沖洗液巖樣浸泡未散的情況下，主要看沖洗液的漏斗黏度和失水量這2個指標(biāo)；（2）漏斗黏度在20～30s之間，主要以失水量為沖洗液性能評價指標(biāo)，理論上沖洗液的失水量越小沖洗液越好。正交試驗結(jié)果及性能指標(biāo)分析見表3。

表3 沖洗液的正交試驗及其試驗結(jié)果

綜合考慮在黏度合適情況下，失水量優(yōu)先，最終確定優(yōu)選配方為配方，見表4。

表4 優(yōu)選配方

2.3 各組分的加量對沖洗液性能指標(biāo)的影響

在5種組分中，調(diào)整一種組分的加量，進(jìn)行實驗研究，以分析該組分對沖洗液主要性能的影響，以便對沖洗液性能進(jìn)行調(diào)整。具體如圖1～5。

從圖1可得出結(jié)論，隨著羧甲基纖維素鈉的加量增加，沖洗液的失水量先下降后上升然后再下降，說明羧甲基纖維素鈉的加量對沖洗液失水量的影響較大，因羧甲基纖維素鈉有增黏的作用，所以羧甲基纖維素鈉的用量不宜過大，需要根據(jù)實際需要添加羧甲基纖維素鈉的用量。

圖1 80℃時羧甲基纖維素鈉的加量對沖洗液失水量的影響

圖2 80℃時80A51的加量對沖洗液失水量的影響

從圖2可得出結(jié)論，隨著80A51加量的增加，沖洗液的失水量逐漸變小。

圖3 80℃時氯化鐵的加量對沖洗液失水量的影響

從圖3可得出結(jié)論，氯化鐵的加量逐漸增大時，沖洗液的失水量逐漸變大，當(dāng)沖洗液的加量達(dá)到0.2%時，沖洗液的失水量較大，氯化鐵加量繼續(xù)增大時，沖洗液的失水量逐漸變小，但氯化鐵的加量不能超過0.5%，超過0.5%的加量后會過度交聯(lián)。

圖4 80℃時水玻璃的加量對沖洗液失水量的影響

從圖4可以看出，隨著水玻璃加量的增加，沖洗液的失水量逐漸變小，但失水量變小的范圍不大，說明水玻璃的加量對沖洗液失水量的影響較小。

圖5 80℃時硫酸銨加量對沖洗液膠凝時間的影響

從圖5中可得出，當(dāng)硫酸銨的加量逐漸增大時，沖洗液的膠凝時間縮短。沖洗液的膠凝時間不僅與硫酸銨的加量有很大關(guān)系，且與溫度也有關(guān)，當(dāng)溫度升高時，沖洗液的膠凝時間會繼續(xù)縮短，在實際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)實際需要添加硫酸銨的加量。

2.4 可控護(hù)壁沖洗液優(yōu)選配方性能的測定

在優(yōu)選配方和80℃溫度下，研制的深部找礦復(fù)雜地層鉆探?jīng)_洗液主要性能參數(shù)見表5。

表5 優(yōu)選配方80℃高溫條件下的性能指標(biāo)

3 結(jié)語

隨著深部找礦工作量的加大，孔越來越深，溫度升高，地層越來越復(fù)雜，針對這些特點，通過大量實驗，最終確定了沖洗液的最終配方：0.2%羧甲基纖維素鈉＋0.2%80A51＋0.01%氯化鐵＋12%水玻璃＋0.8%硫酸銨。

此沖洗液在80℃高溫條件下有如下優(yōu)點：（1）沖洗液具有低黏度，低切力，泵壓阻力小，有利于保護(hù)孔壁的優(yōu)點；（2）長期浸泡巖樣不散，具有較好的護(hù)壁防塌性；（3）此沖洗液膠凝時間可控，能堵漏地層中細(xì)小裂隙；（4）沖洗液具有較好的流變性，紊流減阻；（5）沖洗液的材料易采購，配制簡單，環(huán)保，成本較低；（6）此沖洗液能滿足3 000m深孔鉆進(jìn)，具有良好的發(fā)展前景。

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