吳景華，謝俊革

（長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春130021）

0 引言

目前，隨著資源勘探深度的增加和危機(jī)礦山深部找礦的工作量加大，經(jīng)常遇到復(fù)雜地層。復(fù)雜地層存在4大難題：護(hù)壁、堵漏、取心、涌水。鉆進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)，如措施不當(dāng)，往往會(huì)造成孔內(nèi)事故多，鉆進(jìn)效率低，鉆孔質(zhì)量差，鉆進(jìn)成本高。所以需要研制出性能更優(yōu)良的沖洗液，并解決：（1）孔壁失穩(wěn)，護(hù)壁困難；（2）回轉(zhuǎn)阻力大，動(dòng)力和材料消耗大，孔內(nèi)事故多；（3）鉆進(jìn)效率低，成本高；（4）隨著孔深增加，溫度升高等問(wèn)題。因此必須研制具有良好的護(hù)壁堵漏性能、能防止鉆具結(jié)垢、具有良好的攜帶巖粉、清洗孔底和冷卻鉆頭以及膠凝時(shí)間可控且抗一定溫度的沖洗液。

1 深部找礦對(duì)可控護(hù)壁沖洗液的要求

1.1 深部地層特點(diǎn)

深部地層多為復(fù)雜地層，復(fù)雜地層的護(hù)壁堵漏是長(zhǎng)期以來(lái)巖心鉆探中存在的困難問(wèn)題。復(fù)雜地層，也有的稱(chēng)它為難鉆地層，廣義的是從鉆進(jìn)、護(hù)孔、取心、孔斜等角度來(lái)說(shuō)的。若單從鉆孔沖洗和護(hù)孔角度來(lái)考慮，復(fù)雜地層則是指鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生不同程度的鉆孔坍塌、掉塊、漏失、涌水或井噴、膨脹縮徑等復(fù)雜情況的地層。鉆進(jìn)復(fù)雜地層時(shí)，如措施不當(dāng)，往往會(huì)造成孔內(nèi)事故多，鉆進(jìn)效率低，鉆孔質(zhì)量差，鉆進(jìn)成本高。甚至達(dá)到不能繼續(xù)鉆進(jìn)和造成鉆孔報(bào)廢的嚴(yán)重后果。因此，必須認(rèn)真研究與分析產(chǎn)生復(fù)雜情況的原因和復(fù)雜地層的特點(diǎn)，采取必要的測(cè)試手段，具體確定復(fù)雜地層的部位、復(fù)雜程度等地質(zhì)要求以便順利地完成深部找礦鉆探任務(wù)。

1.2 深部找礦鉆探工藝特點(diǎn)

（1）鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。深孔鉆探，由于鉆遇的地層種類(lèi)較多，地層相對(duì)復(fù)雜，因此，一般采取多級(jí)孔徑設(shè)計(jì)，開(kāi)孔及上部孔徑加大。鉆孔直徑的增大會(huì)造成地層側(cè)壓力的增加，對(duì)于松散破碎且傾角陡斜的地層，孔壁的穩(wěn)定性變差，不穩(wěn)定的巖石就會(huì)向孔內(nèi)滑落和坍塌，造成孔內(nèi)坍塌掉塊事故。

（2）深部找礦鉆探技術(shù)最主要的特點(diǎn)是孔壁間隙小，應(yīng)采用較低黏度和切力的沖洗液。

（3）深孔鉆探，高轉(zhuǎn)速，需要沖洗液有潤(rùn)滑性，同時(shí)還要求沖洗液中固相含量少，以防鉆桿內(nèi)壁結(jié)皮。

（4）護(hù)壁堵漏難。進(jìn)行深部找礦鉆探，區(qū)內(nèi)大多裂隙發(fā)育，地層破碎，幾乎所有的鉆孔都要穿過(guò)斷層和破碎帶。硬、脆、碎、酥、漏是多數(shù)礦區(qū)地層的特點(diǎn)。多數(shù)鉆孔是漏失、坍塌、掉塊并存，多層位坍塌、掉塊，給護(hù)壁帶來(lái)困難，大量漏失又使沖洗液護(hù)壁難度加大，尤其是深孔、斜孔，施工周期長(zhǎng)，地層被鉆穿后裸露時(shí)間長(zhǎng)，易造成孔壁失穩(wěn)，護(hù)壁堵漏就更加困難。

（5）鉆探效率低。

（6）防斜治斜難。

（7）操作難度大。

1.3 深部找礦對(duì)沖洗液的要求

對(duì)于復(fù)雜地層中所用沖洗液，常用低固相不分散泥漿，但因?yàn)槟酀{護(hù)壁存在缺陷，常導(dǎo)致孔內(nèi)事故，現(xiàn)以無(wú)固相沖洗液為主，復(fù)雜地層對(duì)無(wú)固相沖洗液的要求從性能上考慮要求其黏度低、低切力、浸泡巖樣不散等，這樣它的護(hù)壁防塌效果就好，如果沖洗液在一定時(shí)間里會(huì)絮凝，還可堵漏一些細(xì)小裂隙。

（1）沖洗液的流變性要求

沖洗液應(yīng)有很低的黏度和切力，以減少?zèng)_洗液在孔壁間隙內(nèi)上返的流動(dòng)阻力，并有利于細(xì)小巖粉的沉降和清除。本次課題研制的無(wú)固相沖洗液的漏斗黏度要求在20～30s之間。

（2）沖洗液的失水量要求

沖洗液的失水性對(duì)鉆井的有利影響是：初失水可以濕潤(rùn)巖土，使其強(qiáng)度降低，有利于鉆頭對(duì)其破碎，提高鉆進(jìn)速度?？變?nèi)沖洗液濾失過(guò)程控制不當(dāng)，必然要產(chǎn)生失水量過(guò)大的問(wèn)題。沖洗液循環(huán)時(shí)，失水量過(guò)大對(duì)于一些遇水易膨脹的地層容易形成鉆孔擴(kuò)大或縮小，會(huì)造成卡鉆、鉆桿折斷等孔內(nèi)事故。對(duì)于砂礫層、巖石破碎層等地層，濾液滲入鉆孔周?chē)貙樱瑫?huì)破壞地層的原始平衡，加劇了孔壁的不穩(wěn)定性，因此沖洗液的失水量是越小越好。

（3）沖洗液在高溫下時(shí)間可控的要求

按照深部找礦鉆孔深度估算，沖洗液應(yīng)能抗80～90℃的溫度而性能不變，沖洗液的漏斗黏度在20～30s之間，浸泡巖樣不散，沖洗液膠凝時(shí)間可控，溫度越高，沖洗液的膠凝時(shí)間越短。

2 深部找礦可控護(hù)壁沖洗液的研制

2.1 可控護(hù)壁沖洗液配方初選

根據(jù)沖洗液研制程序與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合深部找礦地層和工藝特點(diǎn)，以及對(duì)沖洗液性能要求，擬選如下產(chǎn)品作為初選配方產(chǎn)品。

（1）羧甲基纖維素鈉

羧甲基纖維素鈉作為沖洗液的主要成分之一，主要起防坍塌的作用，附帶增黏的作用，具有黏合、增稠、增強(qiáng)、乳化、保水、懸浮等作用。

（2）80A51

產(chǎn)品具有有效地調(diào)節(jié)流型，良好的抗污染性和抗溫性，可以顯著地改善沖洗液的觸變性和攜屑能力。

（3）氯化鐵

氯化鐵主要是交聯(lián)作用，交聯(lián)沖洗液中的80A51。

（4）水玻璃

水玻璃在沖洗液中起護(hù)壁防坍及膠凝的作用。水玻璃溶液加入酸和銨鹽等，會(huì)引起片狀二氧化硅微粒鏈接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成不流動(dòng)的凍膠體，可用于堵漏。

（5）硫酸銨

硫酸銨可作為絮凝劑，起絮凝作用，主要與沖洗液中的水玻璃發(fā)生反應(yīng)，使沖洗液膠凝。

初選配方組成是：羧甲基纖維素鈉，80A51，氯化鐵，水玻璃，硫酸銨。

2.2 可控護(hù)壁沖洗液正交試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.2.1 可控護(hù)壁沖洗液的正交試驗(yàn)

初選配方采用“五因素、四水平”的L16（45）正交試驗(yàn)方法（見(jiàn)表1），試驗(yàn)溫度在80℃條件下進(jìn)行。

表1 初選配方材料及加量

初選配方正交試驗(yàn)表見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)表

2.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

沖洗液性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要從巖樣浸泡、失水量、漏斗黏度綜合考慮，考慮具體原則有以下2點(diǎn)：（1）沖洗液巖樣浸泡未散的情況下，主要看沖洗液的漏斗黏度和失水量這2個(gè)指標(biāo)；（2）漏斗黏度在20～30s之間，主要以失水量為沖洗液性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，理論上沖洗液的失水量越小沖洗液越好。正交試驗(yàn)結(jié)果及性能指標(biāo)分析見(jiàn)表3。

表3 沖洗液的正交試驗(yàn)及其試驗(yàn)結(jié)果

綜合考慮在黏度合適情況下，失水量?jī)?yōu)先，最終確定優(yōu)選配方為配方，見(jiàn)表4。

表4 優(yōu)選配方

2.3 各組分的加量對(duì)沖洗液性能指標(biāo)的影響

在5種組分中，調(diào)整一種組分的加量，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，以分析該組分對(duì)沖洗液主要性能的影響，以便對(duì)沖洗液性能進(jìn)行調(diào)整。具體如圖1～5。

從圖1可得出結(jié)論，隨著羧甲基纖維素鈉的加量增加，沖洗液的失水量先下降后上升然后再下降，說(shuō)明羧甲基纖維素鈉的加量對(duì)沖洗液失水量的影響較大，因羧甲基纖維素鈉有增黏的作用，所以羧甲基纖維素鈉的用量不宜過(guò)大，需要根據(jù)實(shí)際需要添加羧甲基纖維素鈉的用量。

圖1 80℃時(shí)羧甲基纖維素鈉的加量對(duì)沖洗液失水量的影響

圖2 80℃時(shí)80A51的加量對(duì)沖洗液失水量的影響

從圖2可得出結(jié)論，隨著80A51加量的增加，沖洗液的失水量逐漸變小。

圖3 80℃時(shí)氯化鐵的加量對(duì)沖洗液失水量的影響

從圖3可得出結(jié)論，氯化鐵的加量逐漸增大時(shí)，沖洗液的失水量逐漸變大，當(dāng)沖洗液的加量達(dá)到0.2%時(shí)，沖洗液的失水量較大，氯化鐵加量繼續(xù)增大時(shí)，沖洗液的失水量逐漸變小，但氯化鐵的加量不能超過(guò)0.5%，超過(guò)0.5%的加量后會(huì)過(guò)度交聯(lián)。

圖4 80℃時(shí)水玻璃的加量對(duì)沖洗液失水量的影響

從圖4可以看出，隨著水玻璃加量的增加，沖洗液的失水量逐漸變小，但失水量變小的范圍不大，說(shuō)明水玻璃的加量對(duì)沖洗液失水量的影響較小。

圖5 80℃時(shí)硫酸銨加量對(duì)沖洗液膠凝時(shí)間的影響

從圖5中可得出，當(dāng)硫酸銨的加量逐漸增大時(shí)，沖洗液的膠凝時(shí)間縮短。沖洗液的膠凝時(shí)間不僅與硫酸銨的加量有很大關(guān)系，且與溫度也有關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，沖洗液的膠凝時(shí)間會(huì)繼續(xù)縮短，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際需要添加硫酸銨的加量。

2.4 可控護(hù)壁沖洗液優(yōu)選配方性能的測(cè)定

在優(yōu)選配方和80℃溫度下，研制的深部找礦復(fù)雜地層鉆探?jīng)_洗液主要性能參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 優(yōu)選配方80℃高溫條件下的性能指標(biāo)

3 結(jié)語(yǔ)

隨著深部找礦工作量的加大，孔越來(lái)越深，溫度升高，地層越來(lái)越復(fù)雜，針對(duì)這些特點(diǎn)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，最終確定了沖洗液的最終配方：0.2%羧甲基纖維素鈉＋0.2%80A51＋0.01%氯化鐵＋12%水玻璃＋0.8%硫酸銨。

此沖洗液在80℃高溫條件下有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）沖洗液具有低黏度，低切力，泵壓阻力小，有利于保護(hù)孔壁的優(yōu)點(diǎn)；（2）長(zhǎng)期浸泡巖樣不散，具有較好的護(hù)壁防塌性；（3）此沖洗液膠凝時(shí)間可控，能堵漏地層中細(xì)小裂隙；（4）沖洗液具有較好的流變性，紊流減阻；（5）沖洗液的材料易采購(gòu)，配制簡(jiǎn)單，環(huán)保，成本較低；（6）此沖洗液能滿(mǎn)足3 000m深孔鉆進(jìn)，具有良好的發(fā)展前景。

[1]王文臣.鉆孔沖洗與注漿[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[2]靖向黨.鉆孔工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999.

[3]阮文軍，王文臣，胡安兵.新型水泥復(fù)合漿液的研制及其應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23（2）：212－216.

[4]孫丙倫，陳師遜，陶士先.復(fù)雜地層深孔鉆探泥漿護(hù)壁技術(shù)探討與實(shí)踐[J].探礦工程，2008（5）：13－15.

[5]劉盤(pán)閣，袁金鳳，洪奕，等.不飽和聚酯蒙脫土納米復(fù)合材料固化行為的研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33（1）：98－101.

[6]鄢捷年.沖洗液工藝學(xué)[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2001.

[7]王世光，曹日照，修憲民，等.鉆探工程[M].北京：地質(zhì)出版社，1987.

[8]巫相輝，董光明.鉆井液配制技術(shù)及其應(yīng)用[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2009，36（5）：22－24.

[9]王京慶.鉆探工程孔內(nèi)事故的危害及預(yù)防[J].勞動(dòng)保護(hù)，2006（1）：52－53.

[10]舒智.復(fù)雜地層深孔鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的探討與實(shí)踐[J].探礦工程，2009，36（S1）：161－166.