青海五龍溝礦區(qū)破碎地層鉆探技術(shù)探究

劉 文，葉發(fā)暉，趙 珽

(1.青海省第二地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000；2.青海省第三地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810008)

0 引 言

泥巖、頁巖等破碎性地層，在受地下水、積水沖擊后很容易發(fā)生膨脹、松散現(xiàn)象，在地質(zhì)鉆探過程中就極易發(fā)生鉆孔坍塌或縮孔問題，同時黏土對鉆頭的粘黏作用也會影響到鉆頭扭矩以及破巖效率，影響到巖芯采取過程。五龍溝礦區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，已堪明金礦床眾多，同時區(qū)域泥巖地層規(guī)模龐大，文章通過研究泥巖破碎地層等敏感性地層下的鉆探?jīng)_洗液，為礦區(qū)內(nèi)高精度、高效鉆探作業(yè)提供解決辦法。

1 地質(zhì)條件分析

五龍溝礦區(qū)中的泥巖地層多為水敏型地層，見圖1。該地層鉆探取芯施工極其困難，經(jīng)常出現(xiàn)坍塌、縮孔問題，因此為研發(fā)適用于破碎地層的鉆探?jīng)_洗液，用于穩(wěn)固地層提高破碎地層強度，對該泥巖地層巖樣進行結(jié)構(gòu)組分分析，用于沖洗液成分配置，觀測分析方式主要包括形貌儀、X射線衍射2種形式。

圖1 五龍溝礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional Geological Map of Wulonggou Mining Area

1.1 X射線衍射

該觀測手段對粘性礦物的結(jié)構(gòu)分析較為精確，可以對巖樣組分進行定性定量分析，具體分析結(jié)果見表1?？梢钥闯鑫妪垳系V區(qū)泥巖地層中粘土成分高達38 %～57 %，其中伊利石含量在30 %左右，因此可以判定五龍溝礦區(qū)地層破碎，容易受積水、地下水的影響，從而影響到取芯率。

表1 五龍溝泥巖地層X射線衍射結(jié)果分析/%Tab.1 Analysis of X-ray Diffraction Results of Wulonggou Mudstone Stratum

1.2 形貌儀觀測

通過三維表面形貌儀對鉆孔取出的泥巖巖芯進行拍照觀測，發(fā)現(xiàn)泥巖地層微裂隙構(gòu)造發(fā)育，而且在取芯過程中沖洗液會進入微裂隙中，進一步軟化泥巖降低結(jié)構(gòu)強度。通過上述分析可以看出，優(yōu)化沖洗液成分，通過沖洗液封堵松散破碎泥巖地層，降低滲水量以及鉆孔膨脹縮孔情況，是進行沖洗液配方設(shè)計的關(guān)鍵。

2 鉆探?jīng)_洗基液配比設(shè)計

通過上述地質(zhì)條件分析可以看出，配置沖洗液的關(guān)鍵在于降低沖洗液自身在破碎泥巖地層中的滲漏性，同時減緩泥巖膨脹降低鉆孔孔壁受沖洗液的影響。本文設(shè)計1種高粘聚陰離子纖維素HV-PAC材料來增強沖洗液粘度，同時在沖洗液中添加低粘納羧甲基纖維素、無熒光防塌潤滑劑來降低沖洗液滲漏，通過配置正電膠抑制劑來緩解泥巖膨脹，通過配置白油潤滑劑來緩解鉆探過程中對泥巖孔壁造成的摩擦。

2.1 防滲漏材料配比分析

由于在沖洗液中添加的傳統(tǒng)防滲漏材料可以降低失水量，但自身粘度不高，因此通過配置上述材料添加劑增強沖洗液的粘度，具體配方為5 %的膨潤土、0.05 %～0.2 %的HV-PAC高粘聚陰離子纖維素，2 %的碳酸鈉，0.3 %～0.5 %的低粘納羧甲基纖維素LV-CMC以及1.5 %的磺甲基酚醛樹脂SMP-1。通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，上述材料中低粘納羧甲基纖維素對沖洗液使用過程中失水量的影響最大，因此在實際鉆探作業(yè)過程中，可以通過調(diào)整配方含量中該組分的含量，來增強沖洗液粘性，降低沖洗液沖洗鉆孔過程中在破碎泥巖地層中的滲漏。在沖洗液成分配置中，除了要考慮鉆探過程中因沖洗液在鉆孔微裂隙孔隙的滲漏造成的失水影響外，還應(yīng)考慮沖洗液對泥巖鉆孔膨脹造成的影響，也就是膨脹抑制劑材料的添加。

2.2 抑制劑材料配比分析

膨脹抑制劑材料是避免泥巖鉆孔膨脹失穩(wěn)的關(guān)鍵，沖洗液中的抑制劑主要是正電膠材料，組分為混合金屬層狀氫氧化物MMH，該材料自身呈正電性，由于鉆探過程中在泥巖粘土中加入沖洗液，粘土成分在處理劑中呈現(xiàn)負(fù)電性，導(dǎo)致鉆孔孔壁穩(wěn)定性下降，鉆屑松散，將上述抑制劑加入沖洗液中，可以通過正電性材料進行抑制，緩解鉆孔孔壁松散現(xiàn)象，對固結(jié)鉆屑提高孔壁穩(wěn)定性有著顯著作用。其中通過分析加入抑制劑后，五龍溝泥巖巖樣的膨脹程度變化情況進行了研究，其變化規(guī)律見表2[1]。

表2 添加抑制劑后泥巖巖芯膨脹變化情況Tab.2 Expansion of Mudstone Core After the Addition of Inhibitors

為便于研究表中數(shù)據(jù)變化趨勢，繪制出添加抑制劑后泥巖巖芯膨脹變化曲線，見圖2。可以看出，當(dāng)抑制劑含量低于0.4 %時，隨著膨脹劑含量的提高，沖洗劑對泥巖膨脹變化的抑制效果較好，在0.4 %時抑制性達到最大值；在抑制劑于沖洗劑中的含量繼續(xù)提高時，可以看出泥巖巖芯膨脹率又開始增大，也就是說沖洗液中抑制劑濃度過高，反而無法起到對泥巖很好的抑制效果，抑制性能開始減弱。因此，除去上述防滲漏材料配比后，在沖洗劑配方中加入0.4 %濃度的抑制劑，完成沖洗液配置[2]。所以通過上述配比分析，最終沖洗液組分配比為：5 %膨潤土，2 %碳酸鈉，0.05 %高粘聚陰離子纖維素，0.4 %低粘納羧甲基纖維素，0.4 %正電膠抑制劑等主要成分，該配方對破碎松散泥巖的抑制效果較好，可以顯著緩解泥巖鉆孔的水化膨脹。為分析優(yōu)化配比后的鉆探?jīng)_洗液效果，現(xiàn)進行膨脹量測試以及浸泡試驗測試，對沖洗液在五龍溝礦區(qū)泥巖中的實際應(yīng)用效果進行測試評價。

圖2 添加抑制劑后泥巖巖芯膨脹變化曲線Fig.2 Expansion Curve of Mudstone Core After the Addition of Inhibitors

3 沖洗液效果測試

完成上述沖洗液成分配置后，進行效果浸泡測試試驗，將五龍溝礦區(qū)鉆探泥巖巖芯磨粉處理后，重新壓制成25 mm直徑、30 mm高度的橢圓形試樣，分別置入清水中以及沖洗液中進行浸泡，對比分析在浸泡24 h后兩者的形態(tài)變化。經(jīng)過對比測試發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過浸泡測試后，位于清水中的橢圓試樣已完全松散坍塌，在浸泡容器中呈無規(guī)則散落分布，而沖洗液中的橢圓試樣則主體沒有發(fā)生坍塌，僅部分發(fā)生溶解[3]。

同時，為進一步分析實際五龍溝礦區(qū)內(nèi)泥巖巖芯在沖洗液中的膨脹程度，對所取巖芯進行膨脹量變化分析，所取橢圓形巖芯直徑25 mm，高度12.6 mm，分別浸入清水中以及沖洗液中對比分析膨脹量，測試結(jié)果見表3。試驗僅記錄前3 h膨脹數(shù)據(jù)變化，可以看出清水中泥巖巖芯膨脹速率很快，而沖洗液中膨脹率緩慢，通過后續(xù)測試發(fā)現(xiàn)，五龍溝礦區(qū)泥巖膨脹率在清水中可達20 %以上，而在沖洗液中僅為3 %左右，可以看出該沖洗液對泥巖有著顯著的抑制效果。

表3 五龍溝泥巖試樣膨脹量對比測試Tab.3 Comparison Test on Expansion of Wulonggou Mudstone Samples

因此，通過上述浸泡試驗測試以及膨脹率測試可以看出沖洗液配置結(jié)果基本可以滿足五龍溝礦區(qū)特殊地質(zhì)構(gòu)造需要，通過優(yōu)化沖洗液成分配比，可以很好的對五龍溝鉆探泥巖的破碎松散結(jié)構(gòu)起到保護作用，同時沖洗液配方中成分較少，制成工藝簡便，材料成本也很低，適用性較強，可以滿足多種地層地質(zhì)鉆探需要。

4 結(jié) 語

(1)通過分析五龍溝礦區(qū)泥巖地質(zhì)構(gòu)造，同時基于礦區(qū)鉆探作業(yè)中易發(fā)生的鉆孔坍塌、縮孔現(xiàn)象，影響取芯率的問題，可以判斷出主要原因是因為區(qū)域內(nèi)泥巖粘土含量高成分高達38 %～57 %，造成鉆孔吸水膨脹、微裂隙發(fā)育，因此設(shè)計沖洗液的要求就是起到封堵作用，對粘土水化膨脹現(xiàn)象進行抑制。

(2)通過對沖洗液進行膨脹測試以及浸泡試驗對比，發(fā)現(xiàn)最終沖洗液組分配比為：5 %膨潤土，2 %碳酸鈉，0.05 %高粘聚陰離子纖維素，0.4 %低粘納羧甲基纖維素，0.4 %正電膠抑制劑等主要成分，該配方對破碎松散泥巖的抑制效果較好，可以顯著緩解泥巖鉆孔的水化膨脹，同時制成工藝簡單成本較低，有很好的適用性。