泥浆工艺技术

东风顶金矿区复杂地层钻探综合治理项目泥浆及堵漏工艺技术中国地质科学院探矿工艺研究所1、概况东风顶矿区的岩层主要是破碎、蚀变的变质砂岩、泥岩，在钻进过程中，孔壁垮塌、掉块现象十分突出；同时，岩石胶结性差，有的甚至无胶结性，岩石经水浸后很易散落，给取心工作带来极大困难；另外，岩屑中含砂量高，水泵磨损严重，故障频繁，增加了辅助时间，不利于提高钻探效率。2、泥浆方案选择原则首先必须保证泥浆具有护壁防塌能力。在此前提下，兼顾其他性能，如护心、带砂除砂等。一、泥浆方案选择原则根据矿区地层条件，制定泥浆方案如下：（1）尽量减少泥浆中的固相含量或不含固相，选择优质搬土配制基浆，提高泥浆的造浆率。（2）控制泥浆失水量在小于15mm范围内，泥浆具有良好的造壁性，泥皮薄且致密，以提高防塌护壁能力。（3）泥浆具有良好的触变性，带砂、除砂性能好。（4）使用键力较好的长链型高分子聚合物配浆，以保护矿心，提高采取率。一、泥浆方案选择原则1、开孔泥浆使用一般黄土稠泥浆钻进，适当加一些氯化钙，抑制覆盖层土质水化膨胀。2、岩层泥浆使用具有防塌等综合性能的优质泥浆钻进。设计的泥浆有三种类型：KHm-PHP低固相泥浆：基浆+KHm+CMC+PHPSM-1石棉纤维低固相或无固相泥浆：（基浆）+SM-1石棉纤维+CMC+PHPSM植物胶无固相泥浆：SM植物胶+CMC+PHP3、矿层泥浆使用具有防塌等综合性能和保护矿心能力的泥浆钻进，即SM植物胶无固相泥浆。二、泥浆设计方案1、配方配方1：KHm-PHP低固相泥浆水1000ml+粘土3%+Na2CO35%+KHm1.5~2%+CMC1‰+PHP200ppm配方2：SM-1石棉纤维泥浆低固相泥浆：水1000ml+粘土2%+Na2CO35%+SM-10.5~1%+Al2（SO4）31%+NaOH0.5%+CMC1‰+PHP50~100ppm无固相泥浆：SM-10.8~1%+Al2（SO4）30.8%+NaOH0.5%+CMC1.5‰+PHP50~100ppm配方3：SM植物胶无固相泥浆SM1.5~2%+CMC1‰+PHP100ppm三、泥浆性能试验2、泥浆性能试验三、泥浆性能试验3、防塌能力试验取矿区地层最为破碎，胶结能力极差的岩样做成Φ2×2的样品，烘干后，分别放入上述三种配方泥浆中，静置并观察其坍塌时间，其结果如表所示。三、泥浆性能试验三种泥浆防塌效果都很好，尤其是SM植物胶泥浆效果更为显著，同时也说明它能起到很好的护心作用。1、KHm-PHP低固相泥浆KHm-PHP低固相泥浆具有良好的防塌、降失水和稀释作用，具体的作用机理：（1）提供K+的防塌作用KHm-PHP中含部分游离K+，而羧甲基（-cook）和酚甲基（-ok）在水中电离后电可以提供部分K+，据双电层理论，当K+浓度大时，进入粘土颗粒表面的吸附机会增加，电动电位降低，双电层压缩，孔壁上整个粘土颗粒周围的水化膜变薄，降低了水化膨胀，起到了抑制坍塌的作用。（2）降失水作用由于KHm是高分子化合物，分子具有大表面和官能团，它的吸附力强，能吸附在粘土颗粒表面，形成吸附水化层，从而提高粘土颗粒的电动电位，增大其机械阻力和静电斥力，提高其聚结稳定性，使粘土颗粒保持细分散状态，形成薄而致密的泥皮，结果泥浆失水量大大降低。四、泥浆作用机理（3）稀释作用腐植酸的分子具有较低的分子量和较小的液相增粘效果，其结构中还含有一定数量的邻位双酚羟基，能在粘土颗粒边处进行整合吸附，增强粘土颗粒边角水化膜厚度，从而阻止粘土颗粒边角处的联接和网状结构的形成。另外，该浆中PHP分子链上有很多吸附基，它们与孔壁表面形成多点吸附，在孔壁上形成有长链分子结合的吸附壁，增强了孔壁岩层的塑性强度，防止泥浆继续渗入；同时，在含有PHP的泥浆向孔壁渗入时，大量的吸附基也随着进入孔壁岩层中，在孔内液柱压力下，使PHP线性结构分子沿缝及泥砂粒之间渗入，在松散颗粒之间形成屏蔽网；加之PHP的亲水基能拉住一些水分子，形成一层保护膜，防止岩石颗粒裸露和水继续向孔壁渗透，从而起到保护孔壁作用，此外，它还具有提粘、减阻和润滑作用。四、泥浆作用机理2、SM-1石棉纤维泥浆SM-1石棉纤维泥浆具有良好的提粘，降失水、防塌和带砂性能，同时还具有堵漏作用。SM-1石棉纤维是一种含有少量硅质的泥浆处理剂，当其与水混合后，即形成一种典型的恢交结构较快的弱凝胶。由纤维形成的凝胶可构成具有强度的网状结构，在钻进过程中，这种网状结构就象整个薄而光滑的圆筒支撑在孔壁上，起到了很好的护壁作用。SM-l石棉纤维形成的网状结构具有良好的触变性，从而决定了它具有很好的悬浮和携带岩粉能力。另外，SM-1石棉纤维还具有堵漏作用。它可以在裂隙表面交织成网状架桥，具有微膨胀性的细纤维依其特有的润滑性随意流进裂隙，紧紧地支撑在裂隙通道里，堵塞裂隙通道，起到堵漏作用。四、泥浆作用机理3、SM植物胶泥浆（1）降失水及防塌作用SM植物胶是一种高分子多糖聚合物，分子量为几万至上百万，多为支链状结构。在水溶解后，呈现较舒展的无规则线团状分子构象。其分子链上的极性基团具有较强的吸附作用。吸附粘塑性胶体颗粒或细粉砂颗粒，在岩心表面或孔壁上覆盖一层较薄的密实的网状吸附膜。这层膜具有隔水效果，它能阻止泥浆中的自由水分子继续向岩心内部或孔壁深处渗透，避免粘土水化或砂液化，起到降失水和保护岩心作用。随着SM植物胶加量增大，泥浆粘度越高，吸附膜越薄，隔水效果越好。同时，SM植物胶分子链间的桥联作用使分子链间有了一定的引力，即内聚力。这种内聚力使分子之间下易分开，表现出粘弹性，隔水性和很高的表面强力，使得吸附在岩石上的分子链间紧紧地连接，起到一种机械加固作用，即防塌作用。四、泥浆作用机理（2）SM植物胶还具有粘弹性减振效应SM植物胶中的高分子链具有锯齿状结构且有内旋转性，在一般情况下呈卷曲的无规则线团状。在外力作用下，分子链被拉长，变为不稳定的伸展状态，外力除去后，通过链段的运动又恢复到原来的卷曲状，表现出弹性。在钻进中，转动的钻杆对SM植物胶施加了外力，使分子链产生形变，当钻杆偏离孔心时，由于运动是在极短时间内发生的，因此，分子没有足够的时间进行大范围调整，就产生了局部变形，即分子间距离改变，分子链接长。这种改变需要相当高的能量，当这些能量被储存以后，可以阻止钻杆的径向摆动。当钻杆回到孔心后，分子除去外力，能量释放，恢复原状，表现出减振效果。因此，在钻进过程中，粘弹性聚合物浆液的粘度越大，钻杆转速越快，振动越小。对于松散破碎岩心来说，减少钻具振动，即意味着减少钻具对岩心的机械破坏，不仅起到保护岩心的作用作用，而且有利于提高采心率和取心质量，同时也提高了钻头寿命，减轻了钻杆与孔壁的摩擦。四、泥浆作用机理1、严格按要求配制泥浆，配好的泥浆应避免水及废物的污染。2、现配现用的泥浆，必须充分搅拌，只有当处理剂充分分散均匀井搅开后方能使用。3、坚持每大班测一次泥浆性能，并根据岩层变化及时调整配方，特别是进入矿层后，必须严格控制泥浆的各项指标。4、循环系统长度不应短于15m，并应挖容量较大的沉淀池，以利于浆液净化。五、泥浆使用注意事项ZK16—4孔在0—90米段，岩石为破碎、蚀变的泥岩、砂岩，胶结性较差，孔壁极易垮塌，岩屑中含砂量高，钻具经常下不到底，水泵机械磨损严重，故障频繁，使用SM-1石棉纤维低固相泥浆，配合跟管钻具钻进，顺利通过该孔段，泥浆带砂、除砂效果很好，保证了孔底干静，水泵事故明显减少。90米以后孔段，属于断裂破碎带，即矿层孔段。换泥浆，采用SM植物胶无固相泥浆钻进，极其有效地抑制了孔壁坍塌掉块现象。95米处，主矿层出现，岩石很破碎，松散、无胶结力。SM植物胶泥浆起到很好的护心作用，观察每次回次取上的矿心，SM植物胶都紧紧地裹在矿心周围，保持香肠状或园柱状，其采取率每回次基本保持在100％。同时，SM植物胶泥浆的润滑性能相当好，不仅可以开高转速，而且水泵再末出现故障，节省了大量的辅钻时间，提高了钻进效率。使用SM植物胶泥浆的后，最高时效达3米／小时，由于SM植物胶无固相泥浆性能优越倍受工人们的青睐。六、泥浆使用实例据以往施工的资料表明，该矿区钻孔漏失的特点主要表现为长孔段，多层位裂隙性漏失。漏失量的大小程度不一，既有小裂隙渗漏，也有溶洞型特大漏失，其中以渗漏和中漏最为突出。因此，在选择堵漏措施及堵漏材料时，应从“高效、低耗”原则出发，选用堵漏材料成本低、方法简单，堵漏周期短、见效快的堵漏工艺，尽量避免因堵漏次数多、堵漏周期长等造成的延误工期、增加钻探成本等多方面的不利局面。七、堵漏工艺1、堵漏方案确定(1)一般性漏失(包括小漏、中漏)采用DTR高失水堵漏剂(下称DTR堵剂)随钻或停钻堵漏。(2)严重漏失采用DTR堵漏剂，冻胶泥浆和水泥浆液堵漏。特大漏失以水泥浆液堵漏为主，必要时，采用套管隔离漏失层。除DTR堵漏工艺外，冻胶泥浆和水泥堵漏属常规方法，因此本工艺只阐述DTR堵漏工艺。七、堵漏工艺2、DTR堵漏浆液（1）DTR堵漏浆液的性能根据钻孔漏失性质及漏失速度大小，确定两个堵漏浆液配方。配方1：直接在清水中加DTR堵漏剂，掺加量为10~15％，用于大漏地层。配方2：在泥浆中加入DTR堵漏剂，各材料用量为：DTR堵漏剂10％+水1000ml+粘土2~4％+Na2CO35％用于小漏，中漏地层。七、堵漏工艺3、堵漏浆液的灌注量DTR浆液的灌注量由漏失程度的大小决定，计算公式为：V=K·πD2/4·H式中：V——DTR浆液量，m3K—漏失系数，一般情况下，K=1.5~4，小漏K=1.5~2，中漏K=2~3，大漏K4D—钻孔直径，m；H—钻孔深度，m。七、堵漏工艺4、灌注工艺当钻孔漏失量不大，属渗漏、中漏时，一般采用随钻循环堵漏方法；当漏失严重，属大量漏失时，应配制DTR堵漏浆液专门注浆堵漏。注浆堵漏的步骤为：先钻穿漏失层然后下钻至孔底，边搅拌堵剂边从钻杆内泵入堵漏浆液，同时缓缓提钻至孔口。继续泵入堵漏浆液，直至其被面稳定于孔口为止，再将主动钻杆与套管连接，开泵蹩压15分钟，蹩压时应严格控制压力，以免压裂地层。一般情况下，孔深350米以上钻孔的蹩压值为1.5~2.0MPa，连续蹩压三次，每次间隔10分钟，再静置1小时左右，然后用稠泥浆顶上堵漏浆液即可恢复钻进。当漏失很严重，一次堵漏不成功时，可连续再堵，并同时加桥塞物，可增强堵漏效果七、堵漏工艺5、堵漏工艺试验技术效果堵漏工艺在6个钻孔中进行了研究试验和推广试验，对矿区钻孔小漏、中漏和部分严重漏失，使用DTR堵漏剂随钻或停钻堵漏，取得了满意的技术经济效果。（1）随钻循环堵漏治理小漏，中漏效果显著ZK16—4孔在0~70米孔段微裂隙发育，泥浆渗漏严重，漏失量达2.0~2.5m3／h，在SM-l石棉纤维泥浆中加入2％的DTR堵漏剂，并增加石棉纤维含量至2％，随钻循环，消除了渗漏现象，孔深161米处出现一次全孔不返水漏失，漏失量达8m3／h，直接在SM植物胶泥浆中加入5％的DTR堵漏剂及1％的石棉纤维随钻循环，10分钟后，泥浆上返恢复正常循环。ZK10-1孔在孔深约50米处亦有类似上述情况，用DTR堵剂随钻堵漏也取得成功。七、堵漏工艺5、堵漏工艺试验技术效果（2）停钻堵漏工艺简便，安全可靠，成功率高当随钻循环堵漏无效时，应采用停钻堵漏方法。先配制DTR堵漏浆液，然后将其泵入孔内加压即可整个堵漏工艺非常简便，无需附加任何设备。ZK16—4孔在孔深71米和96米处，分别出现全孔不返水，漏失量达9~10m3／h，使用DTR堵漏浆液一次堵漏成功，ZK10-6孔是一个重复施工的偏斜孔，在孔深265米处，有漏失层，全孔不返水，漏失量达20m3／h。因钻孔漏失严重，孔内有垮塌观象。试验前，曾采用普通水泥、地勘水泥、冻胶泥浆等方法堵漏4次无效，耗时10余天。用DTR堵漏浆液，堵漏3小时，即恢复泥浆正常循环。ZK10-1孔，在孔深150米处泥浆不上返，采用DTR堵漏剂停钻堵漏一次成功。（3）堵漏周期很短，成本低。每次堵漏只消耗时间1：30~2：30。消耗堵漏剂100-200公斤，成本为90—180元。七、堵漏工艺四川省都汶高速公路勘察钻探项目泥