攀西釩鈦磁鐵礦勘探硬脆碎地層泥漿技術(shù)的研究與應(yīng)用

張 楊，陳禮儀，李德新，張統(tǒng)得

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059；2.四川省煤田地質(zhì)局一三七隊(duì)，四川達(dá)州635006；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734）

攀西釩鈦磁鐵礦勘探硬脆碎地層泥漿技術(shù)的研究與應(yīng)用

張 楊*1，陳禮儀1，李德新2，張統(tǒng)得3

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059；2.四川省煤田地質(zhì)局一三七隊(duì)，四川達(dá)州635006；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都611734）

對(duì)攀西火山巖釩鈦磁鐵礦成因進(jìn)行了分析，找出了火山巖破碎地層的特點(diǎn)，并制定了相應(yīng)的對(duì)策，優(yōu)選出實(shí)驗(yàn)方案，最后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，在應(yīng)用中加以改善，達(dá)到了預(yù)期效果。

硬脆碎地層；泥漿技術(shù)；研究；應(yīng)用改進(jìn)

1 概述

四川攀西地區(qū)處在康滇地軸和攀西裂谷重要成礦帶上，是我國(guó)重要的黑色、有色金屬基地和資源戰(zhàn)略基地。其中釩鈦磁鐵礦產(chǎn)極為豐富，近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)釩鈦磁鐵礦的需求越來越大，對(duì)釩鈦磁鐵礦進(jìn)行勘查也顯得越來越迫切。因此，近年來在攀西地區(qū)的勘探工作量急劇增大，特別是深部礦產(chǎn)勘探的需求日益增多。但由于攀西地區(qū)的特殊地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)特征，地層條件極為復(fù)雜，為了滿足深孔鉆探施工的安全順利進(jìn)行，保證其孔壁穩(wěn)定顯得尤為重要。

2 地層特點(diǎn)

攀西地區(qū)層狀基性、超基性、中酸性和堿性侵入巖分布較廣，其中基性、超基性體成帶分布，與釩鈦磁鐵礦形成有直接關(guān)系。在鉆探施工中主要鉆遇基性和超基性巖類，基性巖類主要為各種輝長(zhǎng)巖，次為斜長(zhǎng)巖；超基性巖類以斜長(zhǎng)橄欖巖為主，次為斜長(zhǎng)橄輝巖、橄輝巖、純橄巖等。其它還有石英角閃正長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)偉晶巖等。總的來講，該礦區(qū)主要地層巖石巖性致密、孔隙度小、硬度較高、不易水化分散，屬于典型的硬脆地層，巖石可鉆性綜合取值為8～10級(jí)。由于攀西地區(qū)受歷史地質(zhì)構(gòu)造影響使得巖芯破碎，極其容易發(fā)生掉塊卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。

3 硬脆碎地層孔壁穩(wěn)定性分析

維護(hù)孔壁穩(wěn)定是鉆井泥漿中一個(gè)非常重要的作用，根據(jù)目前孔壁的失穩(wěn)機(jī)理分析，孔壁失穩(wěn)實(shí)質(zhì)是力學(xué)的不穩(wěn)定，當(dāng)孔壁巖石所受應(yīng)力超過本身強(qiáng)度時(shí)將會(huì)發(fā)生孔壁不穩(wěn)定，究其失穩(wěn)因素極其復(fù)雜，但終可歸于力學(xué)因素、物理化學(xué)因素和工程技術(shù)措施等3個(gè)方面。

由于地層巖石主要為非水敏性巖石，不易水化分散膨脹，膠結(jié)性差。因此，在維護(hù)好此類地層特點(diǎn)的孔壁穩(wěn)定主要?dú)w結(jié)于孔壁穩(wěn)定的物理防塌。而該地區(qū)歷史上曾多次受地震斷裂影響，地層裂隙極其發(fā)育，在泥漿技術(shù)防塌上必須延緩或阻止泥漿濾液進(jìn)入裂隙。一旦泥漿濾液進(jìn)入裂隙，必將導(dǎo)致孔壁周圍地層的孔隙壓力增大，泥漿液柱壓力對(duì)井壁的有效支撐力減小，孔壁巖石承受過大的拉伸應(yīng)力，致使裂隙越來越大，泥漿濾液也就更容易進(jìn)入，形成惡性循環(huán)，最終使得孔壁發(fā)生坍塌、掉塊，甚至發(fā)生埋鉆等事故，而在一些局部高應(yīng)力地區(qū)，在防止濾液進(jìn)入裂隙的同時(shí)還應(yīng)該適當(dāng)提高泥漿液柱壓力，以平衡地層壓力。

4 泥漿技術(shù)對(duì)策

根據(jù)上述孔壁穩(wěn)定性分析可知，在應(yīng)對(duì)釩鈦磁鐵礦區(qū)硬脆地層施工時(shí)的泥漿技術(shù)路線主要是：（1）提高泥漿對(duì)孔壁裂隙的封堵性能；（2）合理地降低鉆井液的壓差；（3）增加孔壁巖體之間的膠結(jié)力，減小孔隙壓力，通過泥漿液柱壓力平衡地層壓力，通過泥漿中添加處理劑增加粘聚力。因此，在硬脆地層的防塌泥漿體系上必須要有良好的封堵性能，滲透性能較低，較好的粘聚力，同時(shí)為了配合金剛石繩索取芯鉆探施工工藝的高轉(zhuǎn)速，環(huán)狀間隙小，以及在磁鐵礦區(qū)鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖粉比重較大，排粉困難特點(diǎn)，使得泥漿體系同時(shí)還必須具有良好的流變性及潤(rùn)滑性。

針對(duì)上述特點(diǎn)，在泥漿配方上盡量選用磺化瀝青、SMP-1和WST-100等具有強(qiáng)封堵性能和降失水的泥漿材料，使體系具有較低的滲透量，選用高效潤(rùn)滑劑來減小鉆具磨損和卡鉆事故的發(fā)生。SAS的水溶性成分是帶負(fù)離子基的大分子，能夠吸附到帶正電的粘土邊緣上可阻止粘土礦物的分散，吸附在井壁微縫上能阻止水滲入，同時(shí)增強(qiáng)孔壁破碎巖體之間的膠結(jié)力可減少剝蝕掉塊，其水不溶物能提供適當(dāng)大小的顆粒幫助造壁改善泥餅質(zhì)量，泥餅變薄可壓縮性增大故失水下降，同時(shí)增加泥餅潤(rùn)滑性，降摩阻扭矩防卡；SMP-1通過很好的吸附于粘土表面提高其電位和增大水化膜厚度來保證或提高泥漿中膠體粒子比率和提高微粒的堵孔能力，提高泥餅質(zhì)量降低其滲透率，達(dá)到降低失水目的；WST-100是一種非滲透處理劑，具有顯著的降濾失能力，抗鹽、抗膏侵能力較強(qiáng)，能夠填充裂隙阻止液體進(jìn)入破碎地層，有效防止孔隙壓力的上升引起的有效應(yīng)力下降，從而達(dá)到穩(wěn)定孔壁的目的。最后，由于該體系具有較好的抗鹽能力，因此可在該體系上加入適量的石灰，增加體系中的Ca2+，而Ca2+可與地層中極少的粘土礦物結(jié)合生成不能膨脹的硅鋁酸鈣使井壁硬化。

5 泥漿方案及室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)上述對(duì)策得到攀西釩鈦磁鐵礦區(qū)硬脆地層泥漿方案：膨潤(rùn)土+純堿+磺化瀝青+CMC+封堵劑+降失水劑。

對(duì)于上述配方需要確定處理劑加量，故在此采用控制變量，分別對(duì)3組試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比其試驗(yàn)所得參數(shù)來得到最優(yōu)方案。

方案一：8%膨潤(rùn)土+0.25%純堿+5‰CMC—LV；

方案二：5%膨潤(rùn)土+0.25%純堿+2%SMP-1+1% SAS+5‰CMC—LV；

方案三：5%膨潤(rùn)土+0.25%純堿+2%SMP-1+2% SAS+2%WST-100+5‰CMC—LV。

配置上述方案鉆井液并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行砂床實(shí)驗(yàn)時(shí)采用20～40目的石英砂床對(duì)其進(jìn)行滲透性實(shí)驗(yàn)，測(cè)得各性能參數(shù)如表1所示。

表1 各方案泥漿試驗(yàn)性能參數(shù)表

通過表1各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見：方案一和方案二的API濾失量較大，F(xiàn)A砂床侵入深度較大、全漏失，方案三具有較低的API濾失，F(xiàn)A砂床無滲透，F(xiàn)A砂床濾失量較小，說明方案三的封堵能力較好，能夠有效的屏蔽硬脆碎地層的裂隙，從而達(dá)到穩(wěn)定孔壁的目的。從而得到本實(shí)驗(yàn)最優(yōu)方案為方案三。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

白馬釩鈦磁鐵礦區(qū)田家村—青杠坪段ZK22-4孔設(shè)計(jì)為直孔，終孔頂角0°，先遇第四系殘坡積浮土層，后進(jìn)入輝長(zhǎng)巖、含橄輝長(zhǎng)巖、橄輝巖（這三種巖石均為含鐵礦巖石），最后進(jìn)入輝長(zhǎng)偉晶巖終孔。巖石可鉆性：主要以8～9級(jí)為主，少量為10～11級(jí)。

孔深596.48～615.16m垮塌孔段，垮塌、掉塊嚴(yán)重，反復(fù)長(zhǎng)孔段掃孔。分析原因：（1）現(xiàn)場(chǎng)使用的粘土為質(zhì)量較差的鈣土，分散、造漿性能極差，粘土是泥漿體系最基本的因素，粘土的質(zhì)量直接決定泥漿體系的最終效果。（2）在垮塌孔段，起初采用低固相泥漿配方為：水+4%～6%粘土+0.36%純堿+0.1%～0.3%SH植物膠+1%腐植酸鉀+0.2%～0.4%防塌劑+0.2%～0.4%磺化瀝青+0.4%～0.5%高粘CMC+100ppmPHP+0.3%～0.5%高效潤(rùn)滑劑，該泥漿體系所加的材料太多太復(fù)雜，針對(duì)性不強(qiáng)，并且材料過多，部分材料可能沖突，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)甚至?xí)鼓酀{起到反效果。

在多次鉆進(jìn)無果的情況下，后采用方案三進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)。在施工過程中發(fā)現(xiàn)孔壁坍塌得到了很大的改善，卡鉆和憋泵現(xiàn)象基本消失，但泥漿粘度有所下降，沉砂池巖屑較少，且泥漿比重增加不大，鉆探進(jìn)尺較慢，鉆頭磨損較快，以此證明孔內(nèi)巖屑并沒有及時(shí)返出，仍然留在孔內(nèi)。故對(duì)泥漿采取及時(shí)調(diào)整，向泥漿中加入2%CMC—HL，泥漿粘度由28s提高到35s，增大了泥漿的動(dòng)塑比，改尖峰層流為平板型層流，巖屑上返問題得到了解決。此后，派專人對(duì)泥漿進(jìn)行維護(hù)，定期進(jìn)行泥漿性能檢測(cè)，觀察泥漿泵運(yùn)行情況，觀察巖屑返出情況，最后較快地穿過了此段硬脆破碎坍塌地層。

7 結(jié)語(yǔ)

P634.6

A

1004-5716(2015)02-0079-03

2014-11-24

張楊（1988-），男（漢族），四川廣安人，成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：鉆掘工程理論與方法。