復(fù)合硅酸鹽成膜沖洗液在砂巖型鈾礦鉆探中的應(yīng)用

晉少東，李穎，王琳，郭明義

（1.核工業(yè)二四三大隊，內(nèi)蒙古 赤峰 024006；2.吉林大學建設(shè)工程學院，吉林 長春 130026）

近年來，地質(zhì)資料和鈾成礦環(huán)境調(diào)研表明，松遼盆地具有較大的成（鈾）礦潛力和找礦空間［1-2］。核工業(yè)二四三大隊在該區(qū)域?qū)嵤┾櫟V地質(zhì)勘查鉆探作業(yè)，具體工作區(qū)位于松遼盆地南部通遼市?？档貐^(qū)，勘探鉆進施工中頻繁遇到鉆孔縮徑，沖洗液增粘，鉆頭泥包等問題，極大地影響了施工安全和生產(chǎn)進度，造成該地區(qū)鈾礦勘查進展緩慢［3］。針對保康地區(qū)鉆井過程中存在的技術(shù)難點，本文系統(tǒng)表征了該地區(qū)易縮徑失穩(wěn)地層的地質(zhì)特征，優(yōu)選了甲基硅酸鉀-硅酸鉀復(fù)合硅酸鹽抑制劑，通過對原有沖洗液配方優(yōu)化，最終形成?？档貐^(qū)強抑制沖洗液技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用于工作區(qū)塊兩個試驗鉆孔，均穿過了縮徑地層，合計鉆探工作量1 502 m，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 ?？祬^(qū)塊地質(zhì)特征

?？祬^(qū)塊內(nèi)蓋層厚度較大，由下至上分別為姚家組、嫩江組、四方臺組、泰康組及第四系（表1）?；字饕獮镃-P 的變質(zhì)巖、海西期花崗巖（γ4）和侏羅系的火山碎屑巖。其中泰康組、四方臺組和嫩江組均以泥巖建造為主，姚家組是一套在干旱-半干旱條件下形成的以紅色為主，局部為灰色的內(nèi)陸碎屑巖沉積建造，由架瑪吐凸起向兩側(cè)逐漸加深，其中姚家組砂體較為發(fā)育。工作區(qū)地層主要巖性為第四系松散砂巖、灰白色粗砂巖、粉砂巖、淺灰綠色或淺紅色泥巖、泥質(zhì)細砂巖、深灰色泥頁巖、淺灰色細砂巖、灰色砂礫巖、灰、磚紅、褐黃色中砂巖、細砂巖。鉆進過程中頻繁出現(xiàn)鉆孔縮徑地層，初步判斷主要為泰康組的泥巖層，埋深一般為80～200 m，厚度一般為55～110 m。巖性主要為灰色綠色泥巖，夾薄層灰色砂巖，泥巖以塊狀構(gòu)造為主；遇水后巖層體積膨脹，造成鉆孔縮徑卡鉆，同時，泥巖巖屑水化以膠體或懸浮狀態(tài)分散在水中造成沖洗液嚴重增粘，出現(xiàn)鉆頭泥包，無法保證安全施工。

表1 松遼盆地?？祬^(qū)塊地層結(jié)構(gòu)表Table 1 The stratigraphic structure of the Baokang area

1.1 礦物組成

選取施工中縮徑明顯的鉆孔ZKBK21-7 為例，對出現(xiàn)縮徑的井段巖心間隔取樣，選取5 個巖心樣品U01-U05（表2），進行全巖礦物和黏土礦物組分分析（表3，表4）。

表2 ZKBK21-7 巖心取樣信息Table 2 Depth of the samples in well ZKBK21-7

表3 ZKBK21-7 巖心樣品全巖礦物成分分析結(jié)果Table 3 The mineral composition of rock samples from well ZKBK21-7

由表3、表4 可知，取樣巖心主要為長段泥巖地層，巖心樣品主要成分為蒙脫石、石英及少量斜長石。隨著井深增加，巖層中黏土礦物含量增加，由52 %提高至65 %左右，其中蒙脫石為主要黏土礦物，石英含量約占30%～40 %，U04 巖心樣品中石英含量高達68.7 %，為砂巖段，該鉆孔存在砂泥巖互層現(xiàn)象，且蒙脫石含量高。

1.2 復(fù)雜地層微觀結(jié)構(gòu)

巖心樣品的微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒團聚狀態(tài)影響其水化和分散特性。進一步利用掃描電子顯微鏡對巖心樣品的微觀結(jié)構(gòu)進行表征（圖1）。由圖1a，1b，1d 可見，樣品顆粒表面為不規(guī)則薄片狀黏土礦物，結(jié)構(gòu)松散，可觀察到微米級孔洞，根據(jù)表3 和表4可知其主要為蒙脫石黏土礦物；而U04 巖心樣品顆粒表面比較平整，只有少量片狀黏土礦物，與物相分析結(jié)果一致，主要為砂巖，石英含量高。

圖1 ZKBK21-7 孔巖心樣品掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of rock samples from well ZKBK21-7

表4 ZKBK21-7 巖心間隔取樣全巖黏土礦物成分分析結(jié)果Table 4 The clay composition of the rock samples from well ZKBK21-7

1.3 巖心縮徑機理分析

為明確鉆進該地層時縮徑原因，對巖心水化膨脹以及水化后晶體結(jié)構(gòu)的變化進行分析。取ZKBK21-7 號鉆孔U02、U03 號樣品，將巖心樣品浸泡在蒸餾水中，對浸泡不同時間的樣品狀態(tài)進行觀察（圖2，圖3）。由圖2，圖3 可知，ZKBK21-7號鉆孔巖心樣品在水中水化膨脹分散程度嚴重，1 h 內(nèi)立方體狀樣品已完全坍塌，5 h 后完全潰散。

圖2 巖心浸泡1 h 后狀態(tài)Fig.2 Images of samples immersed in water for 1 h

圖3 巖心浸泡5 h 后狀態(tài)Fig.3 Images of samples immersed in water for 5 h

利用X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）對巖心樣品水化前后黏土礦物的層間距變化進行測試。選取U02、U03 巖心樣品，分別對干燥的巖心樣品、蒸餾水中浸泡后的濕樣進行XRD 表征（圖4）。

由圖4 可見，干燥的巖心樣品中蒙脫石001晶面間距為15 ?，樣品水化后晶層間距增大至21 ? 左右。蒙脫石晶層間兩面都是氧層，層間聯(lián)結(jié)是較弱的分子間力，水分子易沿著硅氧層面進入晶層間，使層間距離增大，引起黏土的體積膨脹，水化分散。

圖4 巖心樣品X 射線衍射譜圖Fig.4 XRD spectra of samples before and after immersion in water

綜上分析，砂巖型鈾礦地層縮徑可能的原因如下［4］：

1）存在水侵入地層通道

砂泥巖互層的砂層孔隙以及泥巖中可能的裂隙通道為沖洗液中水進入黏土礦物含量高的泥巖地層提供了條件。

2）存在易水化膨脹黏土礦物

沖洗液中自由水進入泥巖后，泥巖中的水敏性黏土礦物發(fā)生水化膨脹而引起縮徑。

通過分析保康區(qū)塊縮徑地層組構(gòu)特征，可知該區(qū)塊地層存在巖石黏土礦物含量高，且存在砂泥巖互層的特點。黏土礦物以蒙脫石為主，微米級孔隙、微裂縫較為發(fā)育，且水化膨脹情況嚴重。由于水分子與水合離子極易進入蒙脫石層間，當泥巖與沖洗液濾液接觸時，通過表面水化和滲透水化作用，進入層間的水分子和水合離子引起晶層間距增大，導(dǎo)致黏土礦物顆粒體積膨脹，造成鉆孔縮徑；水化顆粒進入沖洗液則會引起粘度增大，性能不易控制等問題。因此使用普通水基沖洗液鉆進該類地層時極易出現(xiàn)縮徑、提下鉆困難、泥包鉆頭，嚴重時發(fā)生卡鉆，甚至孔眼閉合的情況。

2 強抑制性沖洗液體系

為解決?？祬^(qū)塊孔壁縮徑失穩(wěn)問題，采用強抑制性沖洗液，同時適當調(diào)整沖洗液密度，保證沖洗液合理流變性，控制鉆進速度、緩慢均勻提下鉆等以降低物理沖刷作用，提高沖洗液的綜合能力。

2.1 抑制性處理劑優(yōu)選

通過泥球浸泡實驗、線性膨脹測試對沖洗液抑制劑進行篩選，并進行了抑制性能評價［5-10］。

2.1.1泥球浸泡測試

以黏土樣品在溶液中的水化狀態(tài)為依據(jù)，將鈉基膨潤土制作的泥塊分別浸泡在純水、同濃度的不同抑制劑溶液中（圖5）。由圖5 可見，純水中的泥塊表面顯著水化膨脹，氯化鉀溶液中的泥塊潰散嚴重，硅酸鈉、硅酸鉀以及甲基硅酸鈉溶液中的泥球潰散程度稍弱但發(fā)生水化膨脹，而甲基硅酸鉀中的泥塊沒有明顯的水化膨脹和坍塌現(xiàn)象。泥塊潰散是由于在高濃度的無機鹽溶液中，周圍環(huán)境離子濃度大于泥塊內(nèi)離子濃度，由于濃差效應(yīng)和離子交換作用，K+離子進入黏土礦物層間，抑制顆粒水化膨脹，但表面水化導(dǎo)致顆粒間粘結(jié)作用減弱，球形聚集結(jié)構(gòu)被破壞。硅酸鉀溶液中的泥球相較于硅酸鈉溶液，水化膨脹程度較弱，由于Na+離子交換性相對K+離子低，黏土顆粒發(fā)生一定的水化膨脹，水分子進入球體內(nèi)部顆粒表面受到一定阻力。甲基硅酸鉀溶液中黏土球表面水化極弱，且結(jié)構(gòu)保持完整，無坍塌潰散現(xiàn)象。可能的原因是解離后的甲基硅酸陰離子在粘土表面吸附成膜，降低表面能，阻止水分子的進入，使泥塊結(jié)構(gòu)膠結(jié)牢固不易分散［6，11］。

圖5 泥塊在清水和0.2 mol/L 濃度的不同抑制劑溶液中浸泡2 h 后照片F(xiàn)ig.5 Photos of mud pellets immersed in water and different inhibitor solutions for 2 h

2.1.2線性膨脹測試［6-7］

水化線性膨脹測試可以模擬孔內(nèi)沖洗液與巖層接觸，通過測量含膨潤土人工壓制樣品與溶液接觸時發(fā)生水化膨脹的高度，計算線性膨脹率，見公式（1）。

式中：η—線性膨脹率，%；h1—膨脹前巖樣高度，mm；h2—膨脹后巖樣高度，mm。

含膨潤土人工樣品在蒸餾水、甲基硅酸鉀以及其他抑制劑溶液中的線性膨脹曲線，相比蒸餾水，含抑制劑溶液均能有效抑制黏土水化膨脹（圖6）。0.1 mol/L 溶液濃度下，硅酸鉀線性膨脹率相對氯化鉀和甲基硅酸鉀最先達到平衡，具有更好的抑制水化效果。在等離子濃度（0.2 mol/L）條件下，樣品在甲基硅酸鉀溶液中水化膨脹最快達到平衡，且線性膨脹率最低，甲基硅酸鉀具有相對良好的抑制效果。

圖6 膨潤土在蒸餾水和不同抑制劑溶液中的線性膨脹曲線Fig.6 Linear swelling curves of bentonite in water and inhibitor solutions

2.2 復(fù)合硅酸鹽抑制劑優(yōu)選

通過對抑制劑單劑性能進行評價，選定甲基硅酸鉀和硅酸鉀溶液進行復(fù)配性能評價［12-13］。

2.2.1泥球浸泡測試

泥球置于不同抑制劑溶液12 h 后，0.2 mol/L甲基硅酸鉀溶液中泥球（c 泥球）形態(tài)未發(fā)生明顯變化，而a、b 泥球發(fā)生明顯水化膨脹，表明甲基硅酸鉀在濃度低于0.2 mol/L 時，抑制能力與濃度成正比（圖7）。含有0.5%硅酸鉀的復(fù)合硅酸鹽溶液中的泥球發(fā)生輕微水化膨脹，隨硅酸鉀含量增加，抑制效果成正比提高；有機-無機復(fù)合硅酸鹽溶液中（圖7d、7e、7f）泥球結(jié)構(gòu)完整未發(fā)生明顯變化。對比圖7c、7f，0.2 mol/L 甲基硅酸鉀與1.0～2.0%硅酸鉀復(fù)配明顯提高了甲基硅酸鉀的抑制能力，由于K+濃度提高，進入黏土晶層間降低黏土水化應(yīng)力，同時表面成膜協(xié)同作用有效地抑制了泥球的水化膨脹。

圖7 泥球浸泡12 h 后水化分散照片F(xiàn)ig.7 Photos of mud pellets immersed in different concentration of silicate solutions

2.2.2頁巖熱滾回收測試

稱取6～10目的50 g巖屑分別加入裝有蒸餾水、不同配比復(fù)合硅酸鹽溶液的老化罐中，將老化罐置于滾子加熱爐中，在120 ℃高溫下熱滾16 h。冷卻后將巖屑取出過40目篩，流動清水沖洗1 min；將收集的巖屑放置烘箱中，在105 ℃下干燥5 h 后放置室溫稱量質(zhì)量，計算巖屑熱滾回收率。

巖屑在清水中的回收率為18%，在甲基硅酸鉀和硅酸鉀中回收率大于90%，具有良好的抑制性；在兩者復(fù)合溶液中回收率為98%，具有較好的協(xié)同抑制效果（表5）。

表5 不同抑制劑溶液中的巖屑回收率Table 5 Shale cuttings recovery rate in different inhibitor solutions

2.2.3巖心礦物晶面間距測試

為明確復(fù)合硅酸鹽抑制劑對巖心抑制作用，對巖心樣品在復(fù)合硅酸鹽溶液中處理后進行了X-射線衍射測試。對比巖心樣品中蒙脫石黏土礦物的層間距變化，明確甲基硅酸鉀/硅酸鉀抑制劑對工作區(qū)巖心水化膨脹的抑制效果。

隨著水分子進入黏土礦物晶層間，蒙脫石（001）晶面間距會增加（圖8）。由圖8 可見，對ZKBK21-7 的U02，U03 巖心樣品進行了測試，因巖心樣品為鉆取后直接保存，巖心中黏土礦物有一定水化膨脹發(fā)生，蒙脫石（001）晶面間距為15 ? 左右。在復(fù)合抑制劑中浸泡的樣品中蒙脫石（001）晶面間距與原始巖樣晶面間距相比無明顯變化，在蒸餾水中處理的樣品晶面間距增加，說明復(fù)合抑制劑作用顯著，可以有效地抑制黏土礦物的水化膨脹。

圖8 工作區(qū)巖心樣品在不同抑制劑處理前后XRD 譜圖Fig.8 XRD spectra of core samples before and after treatment with different inhibitor solutions

2.3 強抑制性沖洗液配方研究

現(xiàn)場鉆進施工起初使用氯化鉀沖洗液配方，長井段縮徑問題突出，因此在此基礎(chǔ)上加入復(fù)合抑制劑對配方進行優(yōu)化［13-14］。優(yōu)化后的沖洗液配方具有較強抑制性和良好的流變性，失水量較低，同時配方成分簡單，綠色環(huán)保。

通過正交實驗最終確定的沖洗液基礎(chǔ)配方為：

2%～3%鈉基膨潤土＋0.5%～1.5%CMC＋0.1%～0.2%K-PAM＋0.5%KCl＋0.5%K2SiO3＋2%～3%PMS＋1%～2%CaCO3。以其中兩組配方為例進行試驗研究（表6）。

表6 沖洗液配方Table 6 Formula of drilling fluid

2.3.1沖洗液配方流變性能

在原有氯化鉀沖洗液配方基礎(chǔ)上加入復(fù)合硅酸鹽后，沖洗液配方的粘度降低，動切力在合理范圍內(nèi)，有利于鉆具鉆進。尤其2#沖洗液配方濾失量降低了43%，具有良好的降濾失效果，且動塑比穩(wěn)定，具有良好的攜巖能力（表7）。

表7 沖洗液的性能參數(shù)Table 7 The parameters of drilling fluid

由于粘土層水化膨脹產(chǎn)生一定的膨脹壓力，同時地層易產(chǎn)生蠕變，通過適當提高沖洗液的密度，能夠平衡粘土地層的膨脹壓力和蠕變應(yīng)力［15］，因此對上述沖洗液添加重晶石粉提高密度，并對加重后沖洗液性能參數(shù)進行了測試（表8）。

由表8 可見，密度加重至1.3 g/cm3后，強抑制性沖洗液粘度和切力等流變參數(shù)穩(wěn)定，濾失量相較氯化鉀沖洗液配方進一步降低，有利于減弱地層的水化程度，保證施工安全進行，重晶石與強抑制性沖洗液的適配性好，從而可以根據(jù)施工井段配制不同密度的沖洗液滿足鉆孔需求。

表8 加重后沖洗液的性能參數(shù)（ρ=1.3 g/cm3）Table 8 The parameters of weighted drilling fluid（ρ=1.3 g/cm3）

2.3.2沖洗液配方抑制性能

為評價沖洗液配方的抑制性能，進行了頁巖熱滾回收測試。稱取6～10 目的50 g 頁巖巖屑，放入3 %膨潤土基漿以及0#、1#、2#沖洗液中在80 ℃條件下熱滾16 h，取出巖屑過40 目篩，并在清水下沖洗1 min。將收集到的巖屑在105 ℃條件下放置5 h，烘干稱量質(zhì)量，計算巖屑回收率（表9）。

表9 頁巖熱滾回收率Table 9 Shale cuttings recovery rate in different drilling fluids

由表9 可見，3 %基漿中巖屑熱滾回收率為25.6 %，巖屑在1#、2#沖洗液中熱滾后回收率均大于90 %，且能維持完整的原始形貌，說明復(fù)合硅酸鹽-氯化鉀沖洗液具有良好的抑制性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

近年來在?？祬^(qū)塊使用普通沖洗液和氯化鉀沖洗液鉆進施工中，多個孔出現(xiàn)縮徑事故導(dǎo)致鉆孔報廢，而且成功終孔的鉆孔臺月效率均低于950 m/臺月，而使用強抑制性沖洗液后臺月效率提高至1 100～1 300 m/臺月。

強抑制性沖洗液技術(shù)在?？祬^(qū)塊的兩個試驗鉆孔進行了現(xiàn)場試驗，順利鉆穿了長段縮徑地層，取得了良好的應(yīng)用效果。其中一個孔鉆進至87.85 m 處遇到縮徑地層，無法鉆進，換用復(fù)合硅酸鹽沖洗液配方，順利穿過約30 m 厚縮徑最嚴重的孔段。鉆穿119 m 后，縮徑卡鉆現(xiàn)象減弱，正常鉆進至664.3 m 終孔。與孔內(nèi)上返氯化鉀配方?jīng)_洗液相比，現(xiàn)場測得的復(fù)合硅酸鹽沖洗液漏斗粘度、動切力和濾失量顯著減小，有效提高了鉆進速度，強抑制性沖洗液配方能有效改善原配方的流變性能以及提高其降濾失效果（表10）。使用氯化鉀沖洗液鉆孔得到的巖心不完整，且出現(xiàn)膨脹、剝離，孔內(nèi)出現(xiàn)卡鉆情況。換用復(fù)合硅酸鹽強抑制沖洗液后，鉆探取得到的巖心完整，未發(fā)生明顯水化膨脹、卡鉆現(xiàn)象，與原氯化鉀配方相比，優(yōu)化后的配方具有強抑制性，并且大大減少了掃孔次數(shù)以及處理孔內(nèi)事故的時間和成本（圖9）。該鉆孔順利終孔說明優(yōu)選了沖洗液配方，結(jié)合合適的鉆進工藝可以解決蒙脫石黏土礦物含量高的泥巖縮徑鉆進難題，保障安全施工，提高鉆進效率并能降低成本，推進該地區(qū)的鈾礦勘查項目工作。

表10 現(xiàn)場實測的孔內(nèi)上返沖洗液性能參數(shù)Table 10 The parameters of the drilling fluid in field trial

圖9 現(xiàn)場使用不同沖洗液獲得的巖心樣品Fig.9 The core samples obtained using different drilling fluid in field trial.

4 結(jié)論

1）?？祬^(qū)塊泰康組的泥巖層存在砂泥巖互層，其中蒙脫石為主要粘土礦物。鉆進中提鉆后下鉆遇阻是由于該井段泥巖層遇水發(fā)生水化膨脹及分散，造成鉆孔縮徑卡鉆、泥包鉆頭等問題。

2）針對工作區(qū)長段泥巖鉆井難題，系統(tǒng)研究了不同抑制劑的性能，優(yōu)選了強抑制性沖洗液成分：甲基硅酸鉀與硅酸鉀復(fù)配處理劑，在此基礎(chǔ)上進一步形成了強抑制性沖洗液配方。

3）研制的強抑制性沖洗液技術(shù)在?？祬^(qū)塊兩個試驗鉆孔取得成功應(yīng)用，順利鉆穿縮徑最嚴重孔段，未出現(xiàn)縮徑卡鉆現(xiàn)象，不但保障了鉆孔質(zhì)量，而且提高了鉆進效率，降低了施工成本。