炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液體系研究與應(yīng)用

張 強(qiáng)，紀(jì)衛(wèi)軍，彭雪華，付 帆，楊巍青，陳 映

（1.武警黃金第三總隊(duì)，四川成都610036；2.北京探礦工程研究所，北京100083；3.武警黃金第十二支隊(duì)，四川成都610036）

炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液體系研究與應(yīng)用

張 強(qiáng)*1，紀(jì)衛(wèi)軍2，彭雪華3，付 帆2，楊巍青3，陳 映3

（1.武警黃金第三總隊(duì)，四川成都610036；2.北京探礦工程研究所，北京100083；3.武警黃金第十二支隊(duì)，四川成都610036）

通過對(duì)炭泥質(zhì)千枚巖進(jìn)行成分分析確定伊利石含量較高是其遇水易分散的主要原因。為避免在該種地層鉆探中遇到卡鉆、埋鉆等事故，結(jié)合繩索取芯鉆探工藝，研究了一種針對(duì)該種地層的沖洗液體系，并進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明該沖洗液體系具有很好的流變性能、抑制性能及隔水性能。在甘肅文縣陽山金礦對(duì)該體系進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得比較理想的效果。

炭泥質(zhì)千枚巖；水敏性；抑制性能；隔水性能

1 概述

在甘肅文縣陽山金礦礦區(qū)鉆探施工中，經(jīng)常鉆遇炭泥質(zhì)千枚巖地層。尤其在張家山、觀音壩等地，該地層埋深較淺，下完表層套管后即可見該地層與花崗巖形成的軟硬互層。在某些炭泥質(zhì)千枚巖包裹著破碎花崗巖顆粒的層位，常發(fā)生掉塊、坍塌現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)復(fù)雜情況。針對(duì)這一特殊地層，研制了炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液體系，并且對(duì)其進(jìn)行了室內(nèi)性能評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

2 巖芯成分及水敏性研究

2.1 巖芯成分分析

為了研究巖芯遇水分散的原因，對(duì)在不同孔段采集到的3種炭泥質(zhì)千枚巖樣品進(jìn)行了巖芯成分分析，結(jié)果見表1。

表1 巖芯成分分析結(jié)果

由分析結(jié)果可以看出，巖樣中伊利石、高嶺石和石英總含量在75%以上。1#和3#樣品的伊利石含量大于50%，高嶺石含量為20%，2種礦物的總含量大于70%，說明伊利石和高嶺石這2種粘土礦物是炭質(zhì)千枚巖的主體礦物。2#樣品的石英含量較高，同時(shí)夾雜著30%的伊利石和高嶺石，表明該巖樣是炭質(zhì)千枚巖與石英花崗石形成的軟硬互層地層樣品。

2.2 巖芯水敏性分析

對(duì)3種巖芯樣品進(jìn)行了巖芯水敏性分析。取大小基本相同的完整巖芯放入清水中，記錄巖芯在水中全部分散的時(shí)間，結(jié)果見表2，巖芯分散情況見圖1。

表2 巖芯分散時(shí)間

依據(jù)上述水敏性結(jié)果可知，含伊利石和高嶺石含量較高的1#和3#樣品分散時(shí)間基本相同，而含石英含量較高的2#樣品分散則更為迅速，不到半分種時(shí)間就已經(jīng)完全坍塌。

結(jié)合巖芯成分分析結(jié)果，炭泥質(zhì)千枚巖的主要含有伊利石和高嶺石。由于伊利石遇水后極易分散，高嶺石遇水后極易造漿，因此炭泥質(zhì)千枚巖水敏性強(qiáng)。當(dāng)炭質(zhì)千枚巖與石英花崗石形成軟硬互層時(shí)，在水中分散速度更為迅速。這是因?yàn)樘磕噘|(zhì)千枚巖遇水后變軟，分散進(jìn)入泥漿，隨后破碎的石英花崗巖因失去支撐而坍塌，這一現(xiàn)象會(huì)持續(xù)交替發(fā)生，直至全部坍塌。

圖1 炭泥質(zhì)千枚巖用清水浸泡后分散情況

3 炭泥質(zhì)千枚巖地層孔壁失穩(wěn)原因及對(duì)策

3.1 炭泥質(zhì)千枚巖地層孔壁失穩(wěn)原因

造成炭泥質(zhì)千枚巖地層遇水發(fā)生分散剝落主要原因，一是伊利石和高嶺石水化作用引起的孔壁圍巖抗剪強(qiáng)度下降和膨脹壓力增大，導(dǎo)致孔壁穩(wěn)定性下降；二是水進(jìn)入地層層面、紋理和裂隙等良好的毛細(xì)管通道，毛細(xì)管產(chǎn)生的壓力使巖層骨架遭受破壞。水化膨脹弱的伊利石等因毛細(xì)管水侵入而崩解，造成孔壁垮塌。

3.2 炭泥質(zhì)千枚巖地層孔壁穩(wěn)定措施

針對(duì)上述炭泥質(zhì)千枚巖地層孔壁失穩(wěn)原因，確定沖洗液及工藝方面相應(yīng)措施如下：

（1）沖洗液應(yīng)具有降低水化作用影響以及強(qiáng)化孔壁的作用。阻止或減少?zèng)_洗液中的水進(jìn)入地層是降低水化作用的關(guān)鍵[1-3]，因此沖洗液應(yīng)具有低濾失量和良好隔水作用。另外，為防止由于沖洗液浸泡造成的孔壁強(qiáng)度降低，必需加入一些封堵性材料和強(qiáng)粘接性材料，堵塞孔隙或裂隙的同時(shí)強(qiáng)化顆粒與顆粒之間的膠結(jié)力，起到強(qiáng)化孔壁的作用。

（2）沖洗液維護(hù)得當(dāng)，工人操作規(guī)范。鉆探施工中，應(yīng)定期對(duì)沖洗液的基本性能進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)清砂，補(bǔ)充沖洗液材料，將沖洗液性能維持在理想范圍內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)工人應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作，避免由于人為的操作不當(dāng)而造成孔壁不穩(wěn)。

4 炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液體系研究

針對(duì)強(qiáng)水敏性地層，大多會(huì)選用油基泥漿或合成基泥漿[2-4]。但是，由于成本和技術(shù)等方面的原因，上述沖洗液并不適用于小口徑地質(zhì)巖芯鉆探，發(fā)展和完善新型抑制性強(qiáng)的水基沖洗液體系才是解決水敏性地層鉆進(jìn)孔壁穩(wěn)定的有效途徑[5-6]，因此，我們針對(duì)炭泥質(zhì)千枚巖地層，同時(shí)結(jié)合礦區(qū)鉆探施工工藝，研制了一種具強(qiáng)抑制性和低濾失量的沖洗液體系。

4.1 炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液體系的組成

考慮到該體系的防分散性、隔水性、抑制性和流變性等主要性能，最終確定了8種沖洗液材料：

（1）成膜護(hù)壁劑（GCMJ）：具有強(qiáng)成膜特性，粘接性和隔水性好，抑制作用強(qiáng)。

（2）包被劑（BBJ）：具有包被和適度絮凝作用。

（3）增粘劑（GTQ）：可提高粘切、降低濾失量，利于排砂。

（4）降濾失劑（GPNA）：具有降低濾失量的作用。

（5）防塌減阻劑（GFT）：具有粘接、封堵特性，防塌作用強(qiáng)。

（6）隨鉆堵漏劑（GPC）：用于封堵孔內(nèi)裂隙，減少?zèng)_洗液滲入地層。

（7）超細(xì)碳酸鈣：用于封堵孔內(nèi)小的縫隙，減少?zèng)_洗液滲入地層。

（8）潤(rùn)滑劑（GLUB）：提高沖洗液潤(rùn)滑性能，降低扭矩、磨阻，保護(hù)鉆具，對(duì)沖洗液其他性能無影響。

4.2 炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液配方

通過大量實(shí)驗(yàn)，確定炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液體系配方如下：

2%～5%成膜護(hù)壁劑（GCMJ）+0.2%～0.8%增粘劑（GTQ）+0.5%～1%降濾失劑（GPNA）+0.5%～2%隨鉆堵漏劑（GPC）+0.5%～1%防塌減阻劑（GFT）+0.2%～0.3%包被劑（BBJ）+1%～1.5%超細(xì)碳酸鈣+0.5%～1%潤(rùn)滑劑（GLUB）。

4.3 炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液性能評(píng)價(jià)

4.3.1 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

對(duì)炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液體系常規(guī)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，同時(shí)選取了另外2種在該種地層使用過的體系與其同時(shí)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，其中2#配方為現(xiàn)場(chǎng)曾經(jīng)采用的高固相沖洗液體系，3#配方為現(xiàn)場(chǎng)曾經(jīng)采用的鉀石灰沖洗液體系，具體配方見表3，評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表3 沖洗液體系試驗(yàn)配方

表4 沖洗液體系常規(guī)性能

從表4評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液體系流動(dòng)性較好，與現(xiàn)場(chǎng)曾經(jīng)使用過的高固相沖洗液體系和鉀石灰沖洗液體系相比具有更低的濾失量，有利于防止巖芯遇水分散。

4.3.2 水化分散抑制性能評(píng)價(jià)

采用NP-01型頁巖膨脹測(cè)試儀對(duì)沖洗液的抑制性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先將鈣膨潤(rùn)土壓制成試驗(yàn)巖芯，分別用蒸餾水和不同沖洗液浸泡巖芯，測(cè)得巖芯隨時(shí)間變化的線性膨脹量，并計(jì)算相對(duì)膨脹降低率。評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

表5 沖洗液體系抑制性能

從表5中的結(jié)果可以看出，炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液體系的相對(duì)膨脹降低率達(dá)到80%以上，明顯高于其他2種體系，說明其具有更好的抑制性能。

5 炭泥質(zhì)千枚巖地層用沖洗液體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2014年6月17日開始，先后在甘肅文縣陽山金礦礦區(qū)的1201機(jī)臺(tái)（ZK10003、ZK10007）、1205機(jī)臺(tái)（ZKYS0004、ZKYS0002）、1202機(jī)臺(tái)（ZK1330）進(jìn)行了炭泥質(zhì)千枚巖地層沖洗液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。開孔一般采用細(xì)分散膨潤(rùn)土體系，鉆遇炭泥質(zhì)千枚巖后更換為所研制沖洗液：

1m3水+20～50kg成膜護(hù)壁劑+2～8kg增粘劑+ 5～10kg降濾失劑+5～10kg隨鉆堵漏劑+5～10kg防塌減阻劑+2～3kg包被劑+5～10kg超細(xì)碳酸鈣+5～10kg潤(rùn)滑劑。

沖洗液性能：漏斗粘度19～30s；比重1.04～1.15g/cm3；API濾失量5～10mL；泥皮不大于0.5mm，有韌性；pH值10～12。

現(xiàn)場(chǎng)共完成鉆探工作量2019.48m，5個(gè)孔的臺(tái)月效率均達(dá)到300m以上，其中2個(gè)孔的事故率為0。與2013年施工鉆孔平均鉆井事故率18%相比，采用該沖洗液后施工效率明顯提高。具體現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見表6。

6 結(jié)論與建議

（1）對(duì)取自陽山金礦的炭泥質(zhì)千枚巖成分及水敏性分析結(jié)果表明，該種巖芯中含有大量的伊利石和高嶺石并夾雜著石英，導(dǎo)致其遇水后極易水化分散。

（2）室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，所研制的炭泥質(zhì)千枚巖地層沖洗液具有良好的井壁水化抑制性能、護(hù)芯性能及護(hù)壁性能，能夠抑制炭泥質(zhì)千枚巖水化分散，保持井壁穩(wěn)定，提高炭泥質(zhì)千枚巖地層鉆井效率，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。

（3）建議今后在類似地層中推廣應(yīng)用，以期更好地為我國在相似地區(qū)找礦勘探服務(wù)。

表6 沖洗液現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

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P634.6

A

1004-5716(2015)11-0059-04

2014-05-19

地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目“重點(diǎn)成礦帶鉆探?jīng)_洗液關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(12120113097400)。

張強(qiáng)（1976-），男（漢族），四川三臺(tái)人，工程師，現(xiàn)從事固體礦勘探和地質(zhì)勘查工作。