劉維鵬，許青海，白寶云

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)，青海西寧 810016）

硅酸鹽聚乙稀醇沖洗液在新疆砂巖性鈾礦鉆探中的應(yīng)用

劉維鵬，許青海，白寶云

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)，青海西寧 810016）

分析并研究了硅酸鹽聚合物沖洗液體系的作用機(jī)理，配制了一套專(zhuān)門(mén)針對(duì)砂巖性鈾礦巖心鉆探中復(fù)雜地層孔段長(zhǎng)、極易引發(fā)多種孔內(nèi)事故的沖洗液體系。生產(chǎn)實(shí)踐證明，該沖洗液體系完全能夠滿足繩索取心鉆進(jìn)工藝各項(xiàng)性能要求，并在對(duì)付砂巖性復(fù)雜地層方面具有良好的效果。

砂巖性鈾礦;復(fù)雜地層;硅酸鹽聚合醇沖洗液;防坍;堵漏

0 引言

20世紀(jì)30年代初，在鉆遇極不穩(wěn)定的泥頁(yè)巖地層時(shí)就會(huì)用水溶性硅酸鹽作為沖洗液處理劑，對(duì)粘土具有顯著的抑制性。但是，由于對(duì)其流變性難以用常規(guī)降粘劑來(lái)控制，多年來(lái)一直未能推廣應(yīng)用。直到80年代后期，美國(guó)杜邦公司在Dexas油田應(yīng)用硅酸鹽聚合物泥漿成功地鉆成一批石油鉆井，較好地解決了該油田裂縫性地層泥漿漏失問(wèn)題，而且儲(chǔ)層保護(hù)效果良好。此后美孚公司、蘇格蘭BW泥漿公司等一些公司重新對(duì)硅酸鹽基沖洗液體系進(jìn)行研究和應(yīng)用，并在石油鉆井過(guò)程中解決了大段泥巖垮塌和卡鉆等鉆探問(wèn)題。我國(guó)從1998年開(kāi)始研究和應(yīng)用該沖洗液體系，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該沖洗液體系性能穩(wěn)定、成本低，解決了鉆探中存在的井壁垮塌和微裂縫漏失等問(wèn)題。

我隊(duì)在2010年承接了新疆某砂巖型鈾礦區(qū)的鉆探施工任務(wù)，根據(jù)以往的施工情況分析，該地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆遇的地層主要以泥質(zhì)膠結(jié)砂巖、松散砂巖、砂礫巖、泥巖、煤等組成。由于該區(qū)地層松散，套管無(wú)法穩(wěn)定地“坐”在巖層上，加上鉆孔裸眼孔段較長(zhǎng)，以及局部地層的破裂壓力低，因此導(dǎo)致了在鉆孔中出現(xiàn)多層負(fù)壓性孔隙漏失事故，并次生地因漏失事故而引發(fā)大坍塌事故，導(dǎo)致頻頻的卡鉆、埋鉆等事故，以至鉆孔成孔率低、報(bào)廢孔占整個(gè)礦區(qū)施工鉆孔的50%以上，從而嚴(yán)重影響了該礦區(qū)的鈾礦勘探工作。

1 礦區(qū)地質(zhì)條件及難點(diǎn)分析

1.1 地質(zhì)條件及其分析

礦區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造線近東西向，以斷裂構(gòu)造為主，褶皺不發(fā)育。勘探區(qū)位于盆地向斜構(gòu)造北翼，地層倒轉(zhuǎn)北傾，地層產(chǎn)狀一般為340°～10°∠55°～85°。斷裂構(gòu)造主要表現(xiàn)兩組斜向平移斷層，一組為北北東向，另一組為北西西向，形成時(shí)代為喜山晚期，對(duì)鈾礦體有一定破壞作用。整個(gè)礦區(qū)內(nèi)共有10個(gè)鈾礦化層，其中7個(gè)工業(yè)鈾礦層，3個(gè)可采煤層。鉆孔主要穿越第四系、第三系科爾亞群、白堊系孤?tīng)柨颂K群、侏羅系克拉蘇群、三疊系小泉溝群。礦層主要分布在侏羅系克拉蘇群鐵米爾蘇含鈾含煤組。巖層巖性主要是砂質(zhì)粘土、粘土砂質(zhì)礫巖、石子質(zhì)礫巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、煤層組成。礦層段主要分布在侏羅系克拉蘇群，巖性為灰白色及灰黑色礫巖、砂巖、泥巖與煤的不等韻律互層，灰綠與深灰色礫巖、泥巖及細(xì)砂～粉砂巖不等厚韻律互層。礦區(qū)內(nèi)地層普遍存在著孔隙滲透性漏失，地層多破碎、易坍塌。鉆探的目的層是鈾礦化層和煤層，煤層節(jié)理、微裂縫發(fā)育，膠結(jié)疏松，脆性大，容易發(fā)生破裂造成坍塌。礦層段地層水敏性強(qiáng)，毛細(xì)效應(yīng)突出，容易吸附水。地層中的粘土、泥巖等遇水后極易產(chǎn)生吸水膨脹、崩塌，常造成鉆孔坍塌、埋鉆等事故。

1.2 施工難點(diǎn)及沖洗液要求分析

1.2.1 施工難點(diǎn)

（1）整個(gè)地層巖性松軟，套管無(wú)法“坐實(shí)”在巖層上，以及裸孔段較長(zhǎng);

（2）鉆孔鉆遇的地層以砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖和礫巖為主，在沖洗液的沖刷和浸泡作用下，地層中泥質(zhì)部分的水化膨脹造成地層破裂壓力下降，從而引發(fā)漏失和孔壁坍塌等現(xiàn)象;

（3）由于裸眼孔段的增長(zhǎng)，致使其被浸泡時(shí)間增長(zhǎng)，起下鉆次數(shù)增多，對(duì)孔壁碰撞、抽吸的機(jī)率增多，造成井壁垮塌的因素增多;

（4）由于地質(zhì)構(gòu)造破壞影響，導(dǎo)致孔斜度的控制難度大，孔內(nèi)極易形成“大肚子”和局部巖屑堆集（巖屑床），容易引發(fā)卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故;

（5）裸眼孔段的增長(zhǎng)，致使地層滲透性漏失量加大，沖洗液消耗量劇增，導(dǎo)致沖洗液成本與鉆井綜合效益最大化之間存在矛盾。

1.2.2 對(duì)沖洗液的要求

基于上述客觀因素，要想快速安全地鉆進(jìn)，這給沖洗液技術(shù)提出了更高的要求。要求沖洗液具有良好地排粉、低濾失量，更主要的是具有對(duì)孔壁的固結(jié)性能，拓寬鉆孔孔壁的承壓能力。因此沖洗液需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮:

（1）沖洗液具有很強(qiáng)的抑制、防塌能力，保證長(zhǎng)裸孔段多套巖性地層的孔壁穩(wěn)定;

（2）要求沖洗液具有良好的流變性能，具有很強(qiáng)的攜砂、懸浮能力，保證孔內(nèi)干凈以及避免“巖屑床”的形成，避免卡鉆、埋鉆事故的發(fā)生;

（3）沖洗液具有良好的造壁性能、潤(rùn)滑性，提高地層的破裂壓力，減少非正常漏失和坍塌;

（4）沖洗液具有盡可能低的粘度和切力，以利于繩索取心鉆具提高機(jī)械轉(zhuǎn)速，縮短單個(gè)鉆孔施工周期。

2 沖洗液技術(shù)解決方案及其分析

通過(guò)以上難點(diǎn)分析，為滿足鉆孔施工的要求，沖洗液設(shè)計(jì)時(shí)，要從體系優(yōu)選到處理劑復(fù)配、參數(shù)優(yōu)化、成本控制等諸方面考慮，進(jìn)行科學(xué)分析，做到“速度-安全-效益”一體化。

為了穩(wěn)定松散弱膠結(jié)地層，通常的處理方法是要求沖洗液液柱壓力過(guò)平衡以提供有效徑向應(yīng)力支撐。但是，沖洗液液柱的過(guò)平衡會(huì)導(dǎo)致沖洗液濾液的侵入，侵入地層的濾液引起膠結(jié)物（泥質(zhì)）水化，產(chǎn)生水化膨脹作用，引起巖石強(qiáng)度的降低;另一方面，濾液侵入使接近孔壁內(nèi)孔隙壓力的提高，從而消除泥漿柱的有效應(yīng)力支撐，只要原地應(yīng)力超過(guò)巖石強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致巖層的塑性變形和孔壁失衡。根據(jù)以上分析可知，增加濾液粘度、降低巖層的滲透率，用有效滲透壓力產(chǎn)生的反向流動(dòng)抵消壓差產(chǎn)生的濾液侵入等途徑均可以減少濾液侵入，從而達(dá)到孔壁穩(wěn)定。通過(guò)分析研究，硅酸鹽聚合物沖洗液體系能較好地滿足長(zhǎng)裸孔段、不同巖性對(duì)泥漿性能的要求，同時(shí)能夠增加孔壁承載壓力，拓寬整體鉆孔穩(wěn)定性。

2.1 硅酸鹽聚乙稀醇沖洗液作用機(jī)理研究

2.1.1 硅酸鹽基沖洗液作用機(jī)理

當(dāng)硅酸鹽鉆井液滲入泥頁(yè)巖地層時(shí)，就會(huì)和泥巖、砂巖孔隙流體迅速作用，發(fā)生聚合和沉淀反應(yīng)。硅酸鹽沖洗液體系中帶負(fù)電的硅酸鹽聚集體很小，足以因擴(kuò)散和水力流動(dòng)而進(jìn)入巖層孔隙中，當(dāng)這些聚集體進(jìn)入孔隙水pH值接近中性的巖層后，會(huì)克服凝聚而形成三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)，同時(shí)地層水中的多價(jià)金屬離子（Ca2+、Mg2+）會(huì)快速與這些聚集體反應(yīng)生成不溶沉淀物:（1）它們可提供進(jìn)一步阻止濾液侵入和壓力傳遞的物理屏障，膠凝（沉淀）過(guò)程發(fā)生非常迅速并在顯著的濾失和壓力侵入發(fā)生前就可完成;（2）它們可提高泥頁(yè)巖膜的效能，便可以通過(guò)控制鉆孔內(nèi)液柱壓力和沖洗液的活度來(lái)控制地層的水向鉆孔內(nèi)流動(dòng)，防止泥巖水化、膨脹和分散，有利于孔壁穩(wěn)定。同時(shí)據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，高嶺石與5%的硅酸鈉在80℃下反應(yīng)50天，高嶺土大部分消失，有沸石等新礦生成。將高嶺石浸泡于模數(shù)為2.83、濃度為3%和5%的硅酸鉀溶液中一周時(shí)間，維持溫度為150℃，X-射線衍射分析結(jié)果表明，高嶺石和石英含量減少了一半左右，生成了一種非晶質(zhì)的連接非常致密的新礦物，這種新礦物的剪切強(qiáng)度達(dá)6 MPa。這就類(lèi)似于水泥漿體凝固過(guò)程中其礦物成分先溶解、析出膠體沉淀、再慢慢結(jié)合成大塊水泥石的作用。

2.1.2 防塌和封堵作用機(jī)理

硅酸鹽能夠與粘土表面以及巖層孔隙中流體的鈣鎂離子發(fā)生膠凝反應(yīng)，在一定沖洗液壓差作用下，形成沉淀并牢固地覆蓋在井壁上，從而堵塞地層孔隙，阻止沖洗液濾液進(jìn)入地層，起到防塌作用。同時(shí)，這種作用還解決了由地層微裂縫或高滲透造成的沖洗液漏失問(wèn)題。有的文獻(xiàn)還認(rèn)為，硅酸鹽膠體沉淀還對(duì)地層起到半透膜的作用，可以降低孔壁周?chē)貙铀幕钚院涂紫秹毫?，從而有效地解決泥頁(yè)巖垮塌問(wèn)題。

2.1.3 無(wú)機(jī)鹽的協(xié)同穩(wěn)定井壁作用

在硅酸鹽沖洗液體系配合加入高濃度氯化鈉或氯化鉀，這些無(wú)機(jī)鹽本身具有抑制泥巖或泥質(zhì)中粘土礦物滲透水化的作用。沖洗液中加入的NaCl、KCl是形成硅酸鹽沉淀的催化劑，因?yàn)镹aCl、KCl中的Na+、K+離子可以置換頁(yè)巖表面上的Ca2+、Mg2+離子，促進(jìn)硅酸鹽沉淀的生成，從而協(xié)同硅酸鹽穩(wěn)定孔壁。

2.1.4 聚乙稀醇作用機(jī)理理論研究

聚乙烯醇（PVA）是一種低聚合度的聚合物，其側(cè)鏈上含有大量的羥基，容易與水分子形成氫鍵，并且沒(méi)有明顯的選擇性。PVA聚合度較低，分子量在2.5～3.5萬(wàn)之間，分子鏈較短，向界面上的吸附點(diǎn)多，表現(xiàn)為鏈的吸附，吸附牢固，吸附形態(tài)是平躺式的。這種形態(tài)的吸附成膜速度快，能形成強(qiáng)韌耐撕裂的透明塑料膜，表面活性大，分散能力強(qiáng)。同時(shí)當(dāng)PVA與無(wú)機(jī)鹽交聯(lián)后所形成的交聯(lián)物可以進(jìn)入巖石的孔隙后進(jìn)行滲析膠結(jié)，從而堵塞滲漏通道。

硅酸鹽聚乙稀醇沖洗液液中的兩種主要處理劑（硅酸鹽和聚乙稀醇）能夠分別進(jìn)行作用，二者相互作用的不利影響小，硅酸鉀聚乙稀醇形成的泥皮結(jié)構(gòu)較硅酸鉀鉆井液和聚乙稀醇鉆井液相比均有差異，是硅酸鉀鉆井液和聚合物沖洗液泥皮結(jié)構(gòu)的復(fù)合，主要表現(xiàn)在硅酸鉀聚乙稀醇沖洗液泥餅表面片狀膜結(jié)構(gòu)伸展性好且連接性緊密，斷面較緊湊且均勻。

2.2 硅酸鹽聚合物沖洗液室內(nèi)試驗(yàn)

依據(jù)沖洗液技術(shù)解決方案設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，針對(duì)礦區(qū)的地層特點(diǎn)，結(jié)合施工的實(shí)際情況，在室內(nèi)優(yōu)選與硅酸鹽配伍的處理劑，優(yōu)化處理劑加量，調(diào)整沖洗液的性能參數(shù)。經(jīng)過(guò)室內(nèi)反復(fù)實(shí)驗(yàn)論證，最終確定適合該礦區(qū)的最優(yōu)化沖洗液配方及性能參數(shù)。最優(yōu)配方為（質(zhì)量比）:1%NaOH，3%SM-2型植物膠，10%硅酸鈉，7%KCl，3%聚乙烯醇，1%K-PAM。性能參數(shù)為:密度1.02 g/cm3，表觀粘度30 mPa·s，動(dòng)切力6 Pa，API漏失量6 mL/30 min，pH 值 11，泥餅厚度0.5 mm，膠體率100%。

2.3 沖洗液配制及維護(hù)

在使用硅酸鹽聚合物沖洗液體系時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注以下幾個(gè)方面。

（1）沖洗液配制按配方嚴(yán)格進(jìn)行，并按照各沖洗液添加劑的性能按順序進(jìn)行添加，并且進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

（2）實(shí)際應(yīng)用中，新配制的沖洗液具有相對(duì)較高的濾失量，但隨著部分鉆屑的進(jìn)入，鉆進(jìn)一段進(jìn)尺后其濾失量會(huì)降下來(lái)。

（3）由于硅酸基沖洗液的抑制性很強(qiáng)，鉆屑對(duì)流變性的影響似乎不大。鉆井液的粘度幾乎完全由所使用聚合物的濃度來(lái)獲得。

（4）硅酸鹽基沖洗液具有很強(qiáng)的抑制性使返出的鉆屑可保持其完整性。這將導(dǎo)致產(chǎn)生較大的鉆屑，因而需要比通常情況下更高的動(dòng)切力和低剪速率粘度值，以確?？變?nèi)鉆屑的及時(shí)排除。

（5）在鉆進(jìn)過(guò)程中，對(duì)沖洗液性能及時(shí)觀察，及時(shí)調(diào)整沖洗液性能或補(bǔ)充新的沖洗液，以保證孔內(nèi)沖洗液的性能穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果對(duì)比

2010年度，我隊(duì)在該礦區(qū)施工鉆孔30個(gè)，完成工作量10201.16 m，其中包含1個(gè)水文孔和1個(gè)物探參數(shù)孔，報(bào)廢1個(gè)鉆孔工作量為226.65 m（因沖洗液原因造成孔內(nèi)巖粉堆集，發(fā)生埋鉆事故）?，F(xiàn)場(chǎng)施工采用不同沖洗液體系，效果分析見(jiàn)表1。

4 結(jié)論

（1）硅酸鹽聚合醇沖洗液是一種新型沖洗液體系，它具有強(qiáng)抑制性、性能穩(wěn)定、現(xiàn)場(chǎng)配制簡(jiǎn)便，容易維護(hù)等特點(diǎn)。

（2）該沖洗液體系可以滿足強(qiáng)水化分散泥巖以及地層中泥質(zhì)膠結(jié)鉆孔的需要，同時(shí)能夠增加鉆孔孔壁的承載能力，使孔壁穩(wěn)定性大大提高，其穩(wěn)定孔壁的能力明顯優(yōu)于其它沖洗液體系。

（3）該體系在現(xiàn)場(chǎng)的成功應(yīng)用，表明采用硅酸鹽聚合醇沖洗液體系能夠有效地解決砂巖性鈾礦區(qū)遇到的長(zhǎng)孔段松散砂巖，同時(shí)增加孔壁的地層破裂壓力，預(yù)防了人為性滲漏現(xiàn)象。

表1 不同沖洗液體系效果分析

（4）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的使用，硅酸鹽聚合醇沖洗液體系需要更進(jìn)一步對(duì)處理劑配比及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方法進(jìn)行研究，使硅酸鹽基沖洗液體系更加完善，得到推廣應(yīng)用。建議進(jìn)一步從硅酸鹽的微觀結(jié)構(gòu)入手研究其防塌機(jī)理，不同速度的剪切作用下、不同的組成成分、不同的溫度和壓力下硅酸鹽的微觀結(jié)構(gòu)、粒徑分布以及防塌效果，以便更好的應(yīng)用到構(gòu)造破碎、問(wèn)題嚴(yán)重的泥頁(yè)巖地層中。

［1］ 王榮杰.硅酸鉀聚合醇膜結(jié)構(gòu)封堵型水基鉆井液技術(shù)及作用機(jī)理研究［D］.四川成都:西南石油大學(xué)，2006.

［2］ 梁大川，蒲曉林.硅酸鹽抑制性及穩(wěn)定井壁機(jī)理探討［J］.鉆采工藝，2005，（6）.

［3］ 梁大川.硅酸鹽鉆井液穩(wěn)定井壁機(jī)理分析［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，（2）.

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［5］ 張海青.硅酸鹽鉆井液防塌性能試驗(yàn)研究［D］.吉林長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2004.

［6］ 劉選朋，鄭秀華，王志民，等.硅酸鹽防塌泥漿研究及其在碳質(zhì)泥巖鉆探中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)與勘探，2010，（5）.

［7］ 萬(wàn)緒新，蘇輝，王愛(ài)民，等.硅酸鹽聚合物泥漿在諸參1井中的應(yīng)用［J］.石油鉆探技術(shù)，1999，（6）.

［8］ 康少偉.硅酸鹽鉆井液體系研究與應(yīng)用［D］.黑龍江大慶:東北石油大學(xué)，2010.

Application of Silicate Polyvinyl Alcohol Washing Fluid in Sandstone Uranium Deposit Drilling in Xinjiang

LIU Wei-peng，XU Qing-hai，BAI Bao-yun（No.1 Geology and Mines Investigation Brigade of Qinghai Geology Survey of Nuclear Industry，Xining Qinghai 810016，China）

Analysis was made on the mechanism of silicate polymer washing fluid system，a set of washing fluids especially for long borehole section with hidden downhole accidents in core drilling of sandstone uranium deposit.The practice shows that this washing fluid system can satisfy all requirements of wire-line coring drilling technologies and has good effects in dealing with complex sandstone formations.

sandstone uranium deposit;complex formation;silicate polyvinyl alcohol washing fluid;collapsing prevention;sealing

P634.6

B

1672-7428（2012）07-0021-03

2012-04-20

劉維鵬（1973-），男（漢族），青海互助人，青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)副隊(duì)長(zhǎng)，探礦工程專(zhuān)業(yè)，從事礦產(chǎn)勘查和開(kāi)發(fā)工作，青海省西寧市生物園區(qū)經(jīng)三路38號(hào)，qh65203@163.com。