劉徐三，張化民，陳禮儀，張統(tǒng)得

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610059)

0 引言

鉆井液的重要作用之一是將鉆頭在孔底產(chǎn)生的巖粉攜帶到地面，再經(jīng)過固控設(shè)備或其他固控手段進(jìn)行清除，以維持良好的鉆井液性能。長期以來由于種種原因，絕大部分地質(zhì)鉆探項(xiàng)目對巖粉的清除重視不夠，特別是當(dāng)前深孔鉆探項(xiàng)目，由于巖粉清除不及時，鉆井液性能變壞，導(dǎo)致嚴(yán)重孔內(nèi)事故，浪費(fèi)大量人力物力的現(xiàn)實(shí)，給鉆探工作者敲響了警鐘，促使人們思考金剛石鉆進(jìn)的巖粉清除問題。由于金剛石鉆進(jìn)碎巖機(jī)理的不同，所產(chǎn)生的巖粉粒度也不同，完全采用石油鉆井振動篩清除巖屑效果不佳，采用石油鉆井離心機(jī)則體積龐大，價格昂貴，難以適應(yīng)地質(zhì)鉆探現(xiàn)場要求。因此，對金剛石鉆進(jìn)巖粉粒度進(jìn)行分析研究是科學(xué)合理設(shè)計或選擇地質(zhì)鉆探固控設(shè)備的重要前提。

本文采用當(dāng)今世界較先進(jìn)的Mastersizer2000激光粒度儀，通過對汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探三號孔(WFSD－3)金剛石鉆進(jìn)的巖粉進(jìn)行粒度分析，研究其粒度分布規(guī)律，以期為我國地質(zhì)鉆探行業(yè)研究設(shè)計專用固控設(shè)備，合理配置固控系統(tǒng)，有效控制鉆井液固相含量，維持鉆井液性能提供幫助。

1 粒度分析實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品來源

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探三號孔(WFSD－3)位于四川省綿竹市九龍鎮(zhèn)貓兒坪，屬于龍門山前山斷裂安縣－灌縣斷裂帶的上盤。WFSD－3井所鉆遇地層巖性主要為：砂巖、角礫巖、砂礫巖互層、煤層、泥巖等。本文以所采取1、2和3號巖粉樣品為研究對象，取樣孔段為1140～1170 m，采用 φ150 mm孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)取心。鉆遇地層巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖。所使用鉆機(jī)為HXY－8B型。鉆壓25～30 kN，轉(zhuǎn)速135～136 r/min，泥漿泵排量165 L/min。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

Mastersizer2000激光粒度儀是通過激光器產(chǎn)生單色相干性極好的激光，經(jīng)濾波擴(kuò)束系統(tǒng)，得到一個擴(kuò)展的、照明散射顆粒理想化的光束，分散好的顆粒

式中：θ——散射角度;R——顆粒半徑;I(θ)——以θ角散射的光強(qiáng)度;n(R)——顆粒的粒徑分布函數(shù);K——K=2π/λ，λ——激光的波長;J1——第一型貝葉斯函數(shù)。

根據(jù)上式關(guān)系，通過所測得的I(θ)，可反演求得粒徑分布n(R)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

檢測金剛石鉆進(jìn)巖粉的粒度。濕法測量時，在清洗干凈的樣品槽中加入分散劑(清水)，啟動超聲波消除氣泡并充分?jǐn)U散后，打開泵的開關(guān)，使分散劑在系統(tǒng)中開始循環(huán)。然后根據(jù)系統(tǒng)提示添加樣品，加入適量巖粉樣品后，系統(tǒng)將進(jìn)行樣品精確測量、結(jié)果計算并保存計算結(jié)果。根據(jù)上述測量原理分析所得到的原始數(shù)據(jù)。分析后的有關(guān)粒度的信息可以用不同的方式來顯示。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

概率累積曲線圖是最常用的一種圖解法。它表示大于(或小于)任一選定粒級的顆粒在樣品中的含量。概率累積曲線不僅可以反映出巖粉的粒度組成，還可以反映出主要粒度組成的粒度范圍、特定粒徑區(qū)間的含量、各個粒度組分的分選程度等信息;而粒度頻率分布曲線可以較為直觀地反映出巖粉各個粒級的含量、眾數(shù)粒徑及其粗細(xì)沉積顆粒的相對關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的1、2和3號巖粉樣品的粒徑概率累積曲線和頻率曲線如圖1、圖2所示。在樣品窗內(nèi)被激光光束照射產(chǎn)生衍射，并形成一定的空間光強(qiáng)分布，設(shè)在探測區(qū)的非均勻交叉排列扇形主檢測器，附加大面積輔助檢測器和大角度向前、背向檢測器，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑺腿胗嬎銠C(jī)，按事先編制的程序根據(jù)衍射理論進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，把衍射譜的空間分布反演為顆粒大小的分布。

Mastersizer2000激光粒度儀的測量原理是基于顆粒在激光束的照射下，其散射光的角度與顆粒的直徑成反比關(guān)系，而散射光強(qiáng)隨角度的增加呈對數(shù)規(guī)律衰減。散射光強(qiáng)度I(θ)與顆粒直徑有以下關(guān)系：

2 結(jié)果分析

粒度參數(shù)是以一定的數(shù)值定量地表示巖粉的粒度特征。常用的粒度參數(shù)包括：平均粒度、中值粒徑、偏態(tài)和峰度等。

圖1 粒徑概率累積曲線

圖2 粒徑分布頻率曲線

平均粒度代表了巖粉粒度分布的集中趨勢，即巖粉的粒度一般是趨向于圍繞著這個平均的數(shù)值分布的。

平均粒度(MZ)：

式中：φ16、φ50、φ84——分別代表概率累積曲線上百分含量為16%、50%、84%三處的粒徑。

根據(jù)圖1粒度曲線，由公式(2)可得汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探三號孔(WFSD－3)金剛石鉆進(jìn)巖粉的1號樣品平均粒度MZ為38.0 μm，2號樣品MZ為 20.8 μm，3 號樣品MZ為17.4 μm。

中值粒徑(Md)表示一個巖粉樣品中粒度分布的趨勢，取自于粒度累積百分比曲線上50%處對應(yīng)的粒徑。用Md表示，由圖1可知汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探三號孔(WFSD－3)金剛石鉆進(jìn)巖粉1號樣品的中值粒徑Md為20 μm，2號樣品Md為10 μm，3號樣品Md為10 μm。

偏態(tài)Ski是用來表示頻率曲線對稱性的參數(shù)，實(shí)質(zhì)上反映粒度分布的不對稱程度。其表達(dá)式為：

式中：φ5、φ16、φ50、φ84、φ95——分別代表概率累積曲線上百分含量為5%、16%、50%、84%、95%五處的粒徑。

頻率曲線按其對稱形態(tài)特征可分為3類：正態(tài)、正偏態(tài)和負(fù)偏態(tài)。若峰兩側(cè)粗細(xì)粒徑的百分含量相互對應(yīng)地減少，形成以峰為對稱軸的對稱曲線，說明巖粉的分選型較好，即Ski=0，則為正態(tài);若曲線形態(tài)不對稱，峰偏向粗粒度一側(cè)，細(xì)粒度一側(cè)有一低的尾部，說明巖粉以粗組分為主，即Ski＞0，是為正偏態(tài);若曲線形態(tài)不對稱，峰偏向細(xì)粒度一側(cè)，粗粒度一側(cè)有一低的尾部，說明沉積物以細(xì)組分為主，即Ski＜0，為負(fù)偏態(tài)。因此根據(jù)圖2粒度曲線，由公式(3)可得1號樣品頻率曲線的Ski為0.754，2號樣品頻率曲線的Ski為0.751，3號樣品頻率曲線的Ski為0.721，Ski均大于 0，都是正偏態(tài)。

峰度(Kg)是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的參數(shù)。峰度值一般是用頻率曲線尾部展開度與中部展開度之比來表示的，其公式為：

式中：φ5、φ25、φ75、φ95——分別代表概率累積曲線上百分含量為5%、25%、75%、95%四處的粒徑。

峰度值越大峰越尖，說明巖粉粒度分布較集中;越小越平，則說明巖粉粒度分布區(qū)間較大。根據(jù)圖2粒度曲線，由公式(4)可得1號樣品峰度Kg為2.227，2號樣品峰度Kg為1.932，3號樣品峰度Kg為1.560，峰度值均很大，說明曲線峰很尖銳，巖粉粒度分布特別集中。

綜上所述，汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探三號孔(WFSD－3)采用φ150 mm孕鑲金剛石鉆頭在泥質(zhì)粉砂巖中進(jìn)行取心鉆進(jìn)所產(chǎn)生的巖粉粒徑主要分布于2～100 μm范圍之間，巖粉較細(xì)，為典型的非均勻顆粒。其中，小于100 μm顆粒占巖粉顆?？偭拷?0%，巖粉的平均粒度MZ位于17～40 μm之間;中值粒徑Md位于10～20 μm之間，均為正偏態(tài)，且峰度值較大，說明該組巖粉樣品粒徑較小，分布集中。這主要是由于金剛石鉆進(jìn)的碎巖機(jī)理所決定的，取樣孔段采用孕鑲金剛石鉆進(jìn)方法，鉆壓較低，轉(zhuǎn)速相對較高。隨著胎體的磨損，金剛石出刃不斷出露。鉆頭對巖石產(chǎn)生的破碎，主要靠金剛石的微量出刃對巖石進(jìn)行磨削，當(dāng)舊出刃失去工作能力或脫掉時，新出刃就相繼出露參加工作。因此，由于孕鑲金剛石的特殊碎巖機(jī)理，使得在磨削狀態(tài)下產(chǎn)生的巖粉顆粒非常細(xì)小，主要在2～100 μm粒徑范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

(1)在金剛石鉆進(jìn)過程中，隨著轉(zhuǎn)速、鉆壓、排量等鉆進(jìn)參數(shù)、泥漿性能和地層的不同，必然對所產(chǎn)生巖粉的粒徑分布規(guī)律存在一定的影響。筆者根據(jù)現(xiàn)有條件，僅對汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探三號孔(WFSD－3)所取14個樣品中的3個樣品利用Mastersizer2000激光粒度儀進(jìn)行了巖粉采樣粒度分析，得到該孔段巖粉概率累積曲線和頻率曲線。根據(jù)巖粉粒度概率累積曲線和頻率曲線，分析得出該孔段巖粉粒度分布規(guī)律，可為地質(zhì)鉆探金剛石鉆進(jìn)巖粉粒度分析方法提供借鑒。而在不同轉(zhuǎn)速、鉆壓、排量等鉆進(jìn)參數(shù)、泥漿性能和地層條件下，所產(chǎn)生巖粉的粒度分布規(guī)律的研究，將是下一步研究工作的重點(diǎn)。

(2)通過上述測試分析可見，盡管地質(zhì)巖心鉆探金剛石鉆進(jìn)鉆遇地層不同，鉆進(jìn)參數(shù)各異，所產(chǎn)生的巖粉粒度也有差異，但這種鉆進(jìn)方法所產(chǎn)生的巖粉粒度總體是偏細(xì)偏小的。這種現(xiàn)象充分表明，采用石油鉆井傳統(tǒng)固控設(shè)備是很難滿足地質(zhì)鉆探輕便、快速、有效的設(shè)備配置要求的。因此，如何科學(xué)設(shè)計和合理配置地質(zhì)巖心鉆探固控系統(tǒng)是當(dāng)前深孔巖心鉆探工程技術(shù)人員必須面對的重要課題。

［1］ 李之軍，陳禮儀，賈軍，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號孔(WFSD－1)斷層泥孔段泥漿體系的研究與應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(12).

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［4］ 張偉，賈軍，胡時友，等.汶川地震科學(xué)鉆探項(xiàng)目的概況和鉆探技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(S1).

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［7］ 楊道媛，馬成良，孫宏魏，等.馬爾文激光粒度分析儀粒度檢測方法及其優(yōu)化研究［J］.中國粉體技術(shù)，2001，8(5).

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