泥漿試驗與應(yīng)用研究報告匯總

1、卡瓦一帶鐵礦區(qū)地質(zhì)鉆探泥漿試驗與應(yīng)用研究甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院二0一五年九月卡瓦一帶鐵礦區(qū)地質(zhì)鉆探泥漿試驗與應(yīng)用研究院 長: 尚曉龍總工程師: 丁書宏項目負責: 王 偉技術(shù)負責: 李建兵報告審核: 周青荔報告編寫: 李建兵 李興兵甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院二0一五年七月關(guān)于卡瓦一帶鐵礦區(qū)地質(zhì)鉆探泥漿試驗與應(yīng)用研究的審查意見目 錄一、項目情況概述1二、泥漿實驗室配置情況2三、卡瓦鐵礦區(qū)地理、自然、地層條件5（一） 礦區(qū)地理交通條件5（二） 礦區(qū)自然經(jīng)濟狀況6（三） 礦區(qū)地理、地層情況7（四） 礦區(qū)主要地層化學(xué)組份及性狀分析12四、泥漿的室內(nèi)研究試驗14（一）

2、泥漿的選擇依據(jù)及設(shè)計理念14（二） 泥漿室內(nèi)試驗16（三） 巖樣浸泡試驗20五、卡瓦鐵礦鉆進泥漿應(yīng)用分析與使用管理28（一） 泥漿的選擇28（二） 泥漿使用維護管理原則29六、研究試驗項目成果總結(jié)31一、項目情況概述甘肅省肅南裕固族自治縣卡瓦一帶鐵礦（以下簡稱卡瓦一帶鐵礦）2012年被列為甘肅省地勘基金項目，也是全局重點找礦靶區(qū)。在2012年度設(shè)計鉆探工作量9100米，投入了14臺套鉆機，完成鉆孔22個，完成鉆探工作量6579米，占設(shè)計工作量的72.4%。報廢工作量1500余米。2014年在卡瓦一帶鐵礦古浪峽設(shè)計鉆探工作量10000米，在塔里干溝設(shè)計鉆探工作量8000米。四勘院鉆探公司承擔了該

3、礦區(qū)的巖心鉆探任務(wù)。通過幾年地質(zhì)找礦，地質(zhì)找礦有明顯突破，成果顯著，而作為重要找礦手段的鉆孔施工出現(xiàn)事故多，進度緩慢等情況，影響了項目的整體進度。根據(jù)歷年鉆探施工情況分析，礦區(qū)地層復(fù)雜，鉆井生產(chǎn)事故多、效率低，設(shè)備運輸、搬遷難度大，海拔高，氣候條件差是造成礦區(qū)鉆探施工效率低下的重要原因。2014年度，院為保證年度鉆探工程順利完成，采取了增開鉆機臺數(shù)、優(yōu)化礦區(qū)道路、改善職工生活、生產(chǎn)條件等措施，同時安排院鉆探公司從技術(shù)角度入手，研究、改進鉆進技術(shù)、工藝，做好礦區(qū)鉆探生產(chǎn)的技術(shù)保障工作。從鉆探工藝、技術(shù)角度及卡瓦鐵礦區(qū)2012年、2013年鉆井生產(chǎn)實際情況分析，泥漿工藝不過關(guān)是造成礦區(qū)鉆探效率低下

4、的主要因素。鉆探生產(chǎn)孔內(nèi)事故多，鉆孔報廢率高，造成鉆探進尺緩慢，效率低下。研究配置適合礦區(qū)鉆探生產(chǎn)的泥漿，是提高礦區(qū)鉆探效率的主要技術(shù)攻關(guān)方向。2014年4月，院決定由鉆探公司牽頭，成立“卡瓦鐵礦區(qū)鉆井泥漿研究試驗小組”，著力解決卡瓦礦區(qū)鉆探泥漿技術(shù)問題。研究小組項目負責人為鉆探公司經(jīng)理李永華，技術(shù)負責人為鉆探公司總工程師王偉，小組成員李建兵、范紅兵、李興兵。研究、試驗經(jīng)費來源：院劃撥10萬元，主要用于人員補貼及野外試驗差旅費；局申請新技術(shù)項目配套資金10萬元，主要用于購買泥漿試驗儀器及泥漿材料。項目總計經(jīng)費20萬元。2014年5月，研究小組在野外對卡瓦鐵礦區(qū)主要地層的巖石進行取樣，在實驗室配

5、置多種泥漿進行浸泡試驗。2014年6月-11月，研究小組選擇礦區(qū)WZK0008、WZK1607、WZK2211三個鉆孔，對于室內(nèi)研究的泥漿配方進行了實踐檢驗?，F(xiàn)就卡瓦鐵礦區(qū)鉆井泥漿研究工作的基本情況及研究成果向院、局進行書面匯報。二、泥漿實驗室配置情況 由于卡瓦一帶的地質(zhì)構(gòu)造特點，鉆孔施工必須在泥漿的應(yīng)用方面要有足夠的準備，所以我院專門針對其地層特點，利用實驗室來配制出適合該地區(qū)鉆孔施工的泥漿配方，進而達到預(yù)期的目的。 為了配合鉆機在該地區(qū)順利施工，我院根據(jù)上級部門的批示，組織相關(guān)人員對原泥漿實驗室進行了恢復(fù)重建，在各級領(lǐng)導(dǎo)的大力支持和幫助下，實驗室的恢復(fù)重建得以順利完成，從而為野外生產(chǎn)施工的

6、泥漿方面提供了技術(shù)支持。在充分了解了市場后，購進一批現(xiàn)在市場比較應(yīng)用廣泛的泥漿材料及其有機處理劑，泥漿實驗室按照項目現(xiàn)場工作情況，并結(jié)合地質(zhì)工作的特點。其實驗器材及各種實驗室附件的配備如下表（見表一）。表一、實驗室設(shè)備材料清單序號名稱規(guī)格單位數(shù)量備注1中央實驗臺3.6*1.5*0.8臺1不銹鋼臺面2機臺配套箱WTG144-20套4泥漿儀器3電子天平0.01臺14萬用電爐2000W臺15游標卡尺150個16燒杯100ml個57150ml個58250ml個59500ml個510玻璃量杯（京玻）250ml個411500ml個4121000ml個413塑料量杯500ml個5141000ml個515不銹

7、鋼藥匙套216塑料藥匙套217萬能燒杯架個518玻璃棒30根519廣口瓶2500ml個1020廣譜試紙0-14包5021洗量筒刷子250ml個522500ml個5231000ml個524藥品方盤個4不銹鋼25刻度吸管10ml支20玻璃26洗耳球個527刻度試管10ml個20玻璃2820ml個20玻璃29定性濾紙中速11盒230篩子100目個331180目個332試管架24支個133扣取紙張1034透明膠帶寬卷135乳膠手套防酸防堿雙2036線手套雙2037工作服175件438180件239毛巾條2040肥皂塊1041洗衣粉大袋包142拖把、掃把、垃圾斗套243水桶80L個4塑料鋼4418L個6

8、塑料鋼45水盆個6塑料46大鐵勺個247三乙醇胺AR500克瓶2調(diào)制劑4812烷基苯磺酸鈉AR00克瓶1調(diào)制劑49水玻璃25公斤/桶桶1調(diào)制劑50聚丙烯酰胺25kg/袋袋20泥漿材料51纖維素25kg/袋袋40泥漿材料52降失水劑20kg/袋袋25泥漿材料53低粘增效粉25kg/袋袋40泥漿材料54改性瀝青防塌劑25kg/袋袋20泥漿材料55廣譜護壁劑25kg/袋袋40泥漿材料56片堿25kg/袋袋1泥漿材料57辦公桌張1富康牌58辦公椅把1富康牌59文件柜組2鐵皮泥漿實驗室的恢復(fù)重建工作結(jié)束后，我們積極組織相關(guān)人員針對卡瓦礦區(qū)的地層，經(jīng)過多次實驗室試驗和現(xiàn)場試驗，總結(jié)出適合該礦區(qū)的泥漿配方，

9、解決了施工中的難題，為順利完成當年的生產(chǎn)任務(wù)起到了關(guān)鍵的作用。下圖為實驗室的部分影像資料（見圖1）。 圖1 泥漿實驗操作三、卡瓦鐵礦區(qū)地理、自然、地層條件（一） 礦區(qū)地理交通條件普查區(qū)位置位于甘肅省肅南裕固族自治縣北西方向，直距約90km的洪水壩河上游，行政區(qū)劃屬甘肅省肅南裕固族自治縣管轄。工作區(qū)范圍地理坐標為：東經(jīng)98°230098°3230，北緯39°041539°0600，面積37.48km2。礦區(qū)南約4km處有祁鏡公路分別與肅南縣、肅南縣祁青鄉(xiāng)相通，由酒泉市向西沿公路至祁豐區(qū)文殊鎮(zhèn)，再由文殊鎮(zhèn)經(jīng)簡易公路至冰溝口后沿沿山公路至鏡鐵山工礦區(qū)，經(jīng)祁青鄉(xiāng)

10、，可達勘查區(qū)。通往礦區(qū)各個礦段的便道通過2012年2014年的修筑和維修，基本可以通往區(qū)內(nèi)的主要鉆孔位置，為后期的工作提供了便利。礦區(qū)交通位置如圖（見圖2）。（二） 礦區(qū)自然經(jīng)濟狀況工作區(qū)屬高寒半干旱氣候，年平均氣溫0.6,年降水量約234mm350mm，降雨主要集中在7月8月；降雪主要集中在3月4月,9月中旬至翌年5月底為冰凍期，冬春季長而寒冷，夏秋季短而涼爽。工作區(qū)屬高山區(qū)，山脈延展方向為NWSE向，海拔在3900m4600m之間，相對高差最大700m。礦帶大面積分布于山脊南坡，西段分布于山脊北坡。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，谷內(nèi)有季節(jié)性流水，為生產(chǎn)、生活用水提供了便利。礦區(qū)地處裕固族、藏族游牧區(qū)，自然

11、條件較差，經(jīng)濟落后。周圍有少量季節(jié)性游牧民以牧業(yè)為生，人員分布零散。工業(yè)以個體采礦業(yè)為主，近幾年由于礦業(yè)管理力度加大，一些個體采礦者由于無證照經(jīng)營，已被取締。工作區(qū)生產(chǎn)、生活用水可就地解決，但礦區(qū)燃料及其它生活和生產(chǎn)物資缺乏，需由酒泉市、肅南縣供應(yīng)。礦區(qū)無電力供應(yīng)，離礦區(qū)50km外的祁青鄉(xiāng)有動力用電，礦床開發(fā)時可從祁青鄉(xiāng)引進。圖3 礦區(qū)地形、地貌圖（三） 礦區(qū)地理、地層情況工作區(qū)處于柴達木祁連板塊北祁連早古生代褶皺帶、走廊南山地體與托萊南山地體的結(jié)合部位。地層屬華北地層大區(qū)、秦祁昆地層區(qū)、祁連-北祁連地層分區(qū)、北祁連地層小區(qū)。礦區(qū)內(nèi)圈定鐵礦體64條，大部分賦存于長城系樺樹溝組粉砂質(zhì)板巖內(nèi)，礦體

12、頂?shù)装寰鶠榉凵百|(zhì)板巖，頂板以灰綠色、紫紅色板巖為特征，底板以淺灰色黃鐵礦化板巖為特征，底板近礦圍巖有一層黑灰?guī)r，為特殊層位。礦體大部分呈層狀、條帶狀分布。礦區(qū)鐵礦體成礦作用主要經(jīng)歷了同生沉積作用，后又經(jīng)歷了成巖作用、變質(zhì)作用和成礦后生作用。礦區(qū)巖石地表風化較深，整體發(fā)育板狀、千枚狀構(gòu)造、劈理構(gòu)造，硬度不大，在外力作用下易于破碎；加之巖層節(jié)理發(fā)育，較易剝落。地表巖石力學(xué)強度低。礦床地層巖性較簡單，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，巖石整體強度高，穩(wěn)定性較好。因局部風化帶、蝕變帶、軟弱夾層或構(gòu)造斷裂的存在，巖石整體性和穩(wěn)定性明顯降低，易發(fā)生礦山工程地質(zhì)問題。因此，初步確定礦床工程地質(zhì)條件為中等。工作區(qū)地層破碎，斷裂發(fā)

13、育，造成鉆探施工不順利，對項目勘查工作有一定的影響。巖層基本序如下圖。圖4 巖層基本層序 礦區(qū)西南、北東方向大面積出露，主要巖性為淺灰白色白云巖，偶見有紫紅色砂質(zhì)板巖夾層。地層整體展布方向為北西向，局部產(chǎn)狀雜亂，與下伏地層為推覆斷層接觸，偶見斷層接觸面產(chǎn)狀陡直，判斷為推覆后經(jīng)過二次運動產(chǎn)生的陡傾正斷層。局部接觸關(guān)系為角度不整合。五個山組推覆于樺樹溝之上，使樺樹溝組呈構(gòu)造窗出現(xiàn)。 圖5 青白口地層呈推覆體形式于樺樹溝地層之上礦區(qū)內(nèi)變質(zhì)程度不高，發(fā)育的變質(zhì)作用主要有區(qū)域變質(zhì)作用、動力變質(zhì)作用以及自變質(zhì)作用。板巖、變砂巖、安山巖等均有粒度很小的新生礦物（綠泥石、絹云母、綠簾石等）生成，但礦物的重結(jié)晶

14、作用并不明顯，沒有特征變質(zhì)礦物出現(xiàn)，故屬絹云母綠泥石帶，為區(qū)域造山變質(zhì)作用的低綠片巖相。動力變質(zhì)作用主要體現(xiàn)在地表及鉆孔中出現(xiàn)的各類碎裂巖，脆性變形明顯。自變質(zhì)作用主要發(fā)生在超基性巖中，致使其轉(zhuǎn)變?yōu)樯呒y巖。區(qū)域造山變質(zhì)作用主要發(fā)生在加里東期，動力變質(zhì)作用一部分發(fā)生在加里東期，一部分則發(fā)生在加里東期期后，但是具體時期未知，自變質(zhì)作用時期未知。礦體圍巖主要為淺變質(zhì)的碎屑巖為主，夾少量的碳酸鹽巖，其次為火山巖（安山巖及玄武巖），蝕變主要見有綠泥石化、絹云母化、碳酸鹽化、綠簾石化、及局部的粘土化。綠泥石化：發(fā)育于板巖及火山巖中。綠泥石呈細小纖維狀集合體定向-弱定向分布，在板巖中構(gòu)成板理，在火山巖中致使

15、巖石具片理化。絹云母化：發(fā)育于板巖及火山巖中。絹云母呈絲絹光澤細小鱗片狀分布，在板巖中構(gòu)成板理，在火山巖中致使巖石具片理化。碳酸鹽化：主要發(fā)育于礦區(qū)東部的安山巖中，碳酸鹽成分主要為方解石，巖石蝕變強烈，局部可見大量的碳酸鹽細脈。綠簾石化：主要發(fā)育于安山巖中，在板巖中也偶有發(fā)育。綠簾石呈細小纖維狀集合體弱定向分布，致使巖石具弱片理化。礦區(qū)礦體傾角一般在65°-83°之間，設(shè)計鉆孔的傾角在74°-83°之間，多數(shù)在80°。從2012年、2013年鉆探施工情況看，礦區(qū)地層斷裂、褶皺較多，板巖、千枚巖、安山巖等水敏性強的巖類受地質(zhì)構(gòu)造作用影響，局部蝕變

16、破碎嚴重，給鉆探生產(chǎn)造成一定困難。礦區(qū)探槽揭露的復(fù)雜地層情況如下圖。圖6 探槽揭露的水敏性強的破碎層圖7 節(jié)理發(fā)育的易漏失層圖8 復(fù)雜地層的巖心圖圖9 復(fù)雜地層的巖心圖（四） 礦區(qū)主要地層化學(xué)組份及性狀分析礦區(qū)礦體圍巖主要是板巖類，其次是千枚巖、安山巖。研究小組對主要地層的化學(xué)組份及物理特性進行了取樣分析。表二 板巖巖樣全分析結(jié)果表分析項目單位紫紅色粉砂質(zhì)板巖灰黑色炭質(zhì)板巖深灰色黃鐵礦化粉砂質(zhì)板巖褐黃色黃鐵礦化粉砂質(zhì)板巖Al2O310-211.06 11.70 4.06 6.85 CaO10-20.89 0.36 11.70 2.95 Fe2O3 10-214.07 7.30 11.46 28

17、.78 FeO10-22.10 4.00 8.15 1.20 K2O10-23.40 3.33 0.51 2.34 MgO10-21.97 2.70 7.88 3.08 Na2O10-22.24 0.33 0.07 0.11 SiO210-256.15 56.79 28.70 35.60 C10-20.970 3.120 1.720 1.34 S 10-20.05 3.73 5.61 21.80 TiO210-20.82 0.67 0.29 0.45 CO210-21.19 0.68 18.44 4.57 H2O-10-20.53 0.29 0.66 0.57 H2O+10-22.57 3.6

18、7 3.63 2.49 P2O5 10-20.19 0.17 0.39 0.07 As10-2<0.01<0.010.02 0.04 MnO10-21.48 0.04 0.42 0.04 由表中可以看出，礦體頂板圍巖主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3及鐵礦物，底板圍巖主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、S及鐵礦物，其中灰黑色炭質(zhì)板巖內(nèi)C及CaO含量較高，Al2O3含量較頂板低。與礦體直接接觸的圍巖內(nèi)鐵含量高，頂板紫紅色粉砂質(zhì)板巖內(nèi)Fe2O3+ FeO總含量達16.17%，底板褐黃色黃鐵礦化粉砂質(zhì)板巖內(nèi)Fe2O3+ FeO總含量達到29.98%，主要由黃鐵礦引起。表三 千枚巖物理性質(zhì)

19、表巖石類型容重（kN/m3）抗壓強度（Mpa）巖體等級礦層頂板黑灰色千枚巖29.245.5-146.9礦層底板灰綠色千枚巖28.472.6-152.7礦體39.072.7-243.4千枚巖類巖石可分為兩類：第一類為力學(xué)強度中等高的灰綠色石英絹云母千枚巖、黑灰色千枚巖（相當于卡瓦礦區(qū)頂板灰綠色板巖、雜色板巖），抗壓強度一般大于50Mpa，第二類為力學(xué)強度低中等的碳質(zhì)千枚巖（相當于卡瓦礦區(qū)底板灰黑色板巖、碳質(zhì)板巖）。鐵礦石結(jié)構(gòu)致密、完整，力學(xué)強度較高，抗壓強度在100Mpa左右玄武巖、安山巖中分別采取了巖石全分析樣品各一件，分析結(jié)果見表。表四 熬油溝組巖石全分析結(jié)果表分析項目單位玄武巖安山巖Al2

20、O310-214.04 14.60 CaO10-24.60 7.60 Fe2O310-22.75 4.73 K2O10-22.64 0.89 MgO10-28.11 6.51 Na2O10-22.91 3.37 SiO210-246.21 48.90 P2O510-20.33 0.15 TiO210-21.86 1.52 MnO10-20.20 0.17 SO3 10-20.71 0.26 CO210-21.94 1.14 固定碳10-2/FeO10-28.46 7.12 燒失量10-28.20 3.81 H2O+10-24.72 3.32 H2O-10-20.93 0.60 TFe10-2/

21、由表中數(shù)據(jù)可以看出，二者主要化學(xué)成分含量相似。 根據(jù)卡瓦鐵礦區(qū)地層產(chǎn)狀和主要巖石物理、化學(xué)巖樣全分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：1、礦區(qū)地層結(jié)構(gòu)單一，整體構(gòu)造相對穩(wěn)定。巖石物理硬度較低。2、礦區(qū)覆蓋層較厚，受充足的地表水侵蝕，水化破碎嚴重。3、礦區(qū)小構(gòu)造斷裂、褶皺帶較多，主要巖體板巖、千枚巖、安山巖受構(gòu)造作用，局部形成強的構(gòu)造破碎帶。4、通過對礦區(qū)三種主要巖石巖樣進行化學(xué)分析，巖石成分可溶鹽鈣、鎂、鉀的碳酸鹽、硫酸鹽、含量較高，巖石中的可溶鹽遇自由水后就會溶解；鈣、硫、鎂等對泥漿有害的組份含量較高。5、從巖石的物理性狀分析，巖石抗壓強度低，膠結(jié)性能差。6、鉆孔設(shè)計傾角大，孔壁破碎巖石受重力作用易掉

22、塊。綜上所述，我們初步分析認為，卡瓦鐵礦鉆探泥漿應(yīng)該具備以下性能：1、具有較低的失水量，控制巖層進一步水化；2、較強的化學(xué)穩(wěn)定性，防止地層有害鹽類的侵蝕；3、適當?shù)谋戎兀胶獾貙訅毫?。四、泥漿的室內(nèi)研究試驗（一） 泥漿的選擇依據(jù)及設(shè)計理念1、 試驗?zāi)酀{種類的選擇依據(jù) 根據(jù)卡瓦鐵礦區(qū)地層漏失量相對較大的情況，我們選擇成本相對較低的水基泥漿作為鉆孔沖洗液。水基泥漿主要分為細分散泥漿、粗分散泥漿、不分散泥漿和泡沫泥漿四大類。我們主要選擇細分散泥漿、粗分散泥漿、不分散泥漿作為研究對象。（1）細分散泥漿主要有粘土、水和化學(xué)處理劑配置而成，其含鹽量小于1，鈣離子濃度小于120毫克/升。細分散泥漿習(xí)慣又稱為

23、粘土泥漿，通過增加泥漿粘土含量或加入一些不含鈣的處理劑，就可以改變比重、濃度、失水量等基本性能。選擇粘土泥漿作為卡瓦鐵礦區(qū)鉆探泥漿研究對象也是基于此考慮。（2）粗分散泥漿是某些礦化度較高、粘土顆粒較粗的泥漿的總稱。這類泥漿抵抗粘土、鈣、鹽的侵污能力強。其常用的類型是鈣處理泥漿。鈣處理泥漿屬于粗分散抑制性泥漿，是在細分散泥漿的基礎(chǔ)上，加入無機聚結(jié)劑，使粘土顆粒適度變粗，同時加入有機護膠處理劑而形成。它對井壁巖石的分散有抑制作用，自身抗侵能力強且性能穩(wěn)定、流動性好，泥漿含鈣量較高（含鈣量大于120mg/L）。選擇鈣處理泥漿作為礦區(qū)泥漿研究對象，主要是考慮其強的防侵污能力。（3） 不分散泥漿是優(yōu)質(zhì)粘

24、土、水和高分子聚合物組成的混合物，泥漿中除了優(yōu)質(zhì)粘土分散為1-30微米的細粒外，其余混入泥漿中的有害顆粒則不能繼續(xù)分散變細，經(jīng)過泥漿選擇性絮凝作用將其沉淀分離。泥漿通過添加一些惰性材料來改變性能，滿足地層要求。目前常用的是聚丙烯酰胺泥漿，我們選擇它作為研究對象，主要考慮其強的穩(wěn)定性及低的失水量。2、 試驗?zāi)酀{的設(shè)計理念（1）按平衡地層壓力的要求計算泥漿的重度Vk，其考察的依據(jù)是井深h處的地層側(cè)壓力和地層空隙流體壓力，基于卡瓦礦區(qū)鉆孔設(shè)計傾角大的情況，我們主要以地層側(cè)壓力來考慮Vk取值。初步確定泥漿Vk取值范圍為1.021.40之間。（2）考慮懸排鉆渣、護壁堵漏的要求確定泥漿的流變性。流變性的主

25、要指標是粘度和切力，考慮卡瓦礦區(qū)地層特性、鉆孔設(shè)計條件，粘度、切力選擇偏上參數(shù)。（3）泥漿的其他設(shè)計指標的參考范圍為：失水量一般應(yīng)不大于16ml/30min,含砂量不大于8，膠體率不小于90，PH值視不同泥漿在611之間變化。礦區(qū)板巖、千枚巖、安山巖屬于水敏性強的巖層，所以，泥漿設(shè)計的重點放在降失水護壁上。泥漿失水主要分孔底失水、動失水和靜失水三類，泥漿失水量的增大降低主要受地層條件、造漿粘土分散度、化學(xué)成分、液柱壓力、流速、慮液粒度、滲透時間等因素影響。 我們初步研究的主要方向是卡瓦礦區(qū)三類主要巖石板巖、千枚巖、安山巖在幾類泥漿中的水化性能，找出水化最低的一種泥漿作為礦區(qū)使用的泥漿。泥漿的失

26、水分為靜失水量和動失水量。（二） 泥漿室內(nèi)試驗我們將選擇的細分散粘土泥漿、粗分散鈣處理泥漿、不分散低固相聚丙烯酰胺泥漿在室內(nèi)進行配比試驗，對比三類泥漿對卡瓦礦區(qū)三類巖石:板巖、千枚巖、安山巖的侵蝕作用。圖10 泥漿室內(nèi)失水量試驗1、 細分散粘土泥漿（1）粘土粉用量計算 q = 1(2-3)1-3 式中：1粘土的比重，2.62.8 2泥漿的比重 3水的比重（2）配漿用水量計算 配置1m³體積的泥漿水量Vw為：Vw = 1000-q1 （3）泥漿處理劑的用量計算處理劑在泥漿中的加量較少，體積一般只占泥漿總體積的0.11。具體數(shù)據(jù)有不同的泥漿配方?jīng)Q定，值得注意的是要澄清處理劑的加量單位，粉

27、劑一般是以單位體積泥漿中加入的重量來計，而液劑則是以單位體積泥漿中加入的體積量來計。在一些特殊情況下，還有以單位粘土粉重量中加入多少處理劑來計算。（4）泥漿配置試驗?zāi)酀{配置步驟1）基漿配置將粘土與水按設(shè)計比例混合攪拌，放置24小時以上，使粘土水化；2）優(yōu)化粘土、去除鈣質(zhì)簡單加入適量純堿或燒堿，使粘土改型及分散，即可滿足要求。粘土改型化學(xué)變化是：Ca粘土 + Na2CO3 Na粘土+CaCO3本次試驗所用粘土是山東濰坊產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)粘土，其加堿有粘土改型、泥漿PH值調(diào)節(jié)兩種作用，加量一般為2%-6%。3）通過調(diào)節(jié)及處理劑加量調(diào)節(jié)泥漿性能將基漿稀釋到1.05左右比重，調(diào)整5腐殖酸鉀溶液加量，使泥漿參數(shù)接

28、近下表（見表五）。表五 細分散粘土泥漿設(shè)計性能參數(shù)表粘度（秒）比重含砂量（）失水量（ml/30min）泥皮厚(mm)膠體率（）PH值備注221.053222.0979加純堿0.252、粗分散鈣處理泥漿鈣處理泥漿是一種比較典型的粗分散泥漿體系，其原理是預(yù)先在泥漿中加入一些含鈣的無機絮凝劑或食鹽，借以增大泥漿本身的礦化度，使粘土顆粒絮凝為適當?shù)拇笮。ê喎Q適度絮凝），從而提高泥漿地層水化，抵抗可溶鹽類及粘土侵污的能力。粗分散泥漿仍屬分散體系，它不同于細分散泥漿的是顆粒較粗，礦化度較高。鈣處理泥漿的配置方法是：在淡水泥漿中加入含鈣的無機絮凝劑（石灰、石膏、氯化鈣等），使分散很細的粘土顆粒適度絮凝變粗，

29、并用稀釋劑、降失水劑等保持泥漿性能穩(wěn)定，阻止泥漿顆粒繼續(xù)聚結(jié)，從而使泥漿具有較小的粘度、切力和適當?shù)氖俊ｂ}處理泥漿的配置步驟及設(shè)計性能參數(shù)如下。配置方法：分散適度絮凝降失水、稀釋處理配置具體步驟：（1）首先配好基漿，一般純堿加量為泥漿體積的0.3-0.5。（2）將石灰調(diào)成石灰乳加入，再繼續(xù)攪拌。石灰的加量應(yīng)根據(jù)粘土含量、加堿量確定，一般為泥漿體積的0.1-0.5，常用量為0.3。加量過少，鈣、鈉離子交換不完全，達不到粗分散的目的；加量過多，則不易控制其絮凝程度。要注意的是：必須待基漿攪拌好后，方可加入石灰乳，否則，粘土不能很好分散，易結(jié)成小團粒而懸浮于泥漿內(nèi)。（3）加入栲膠堿液或單寧堿液。

30、一般栲膠堿液的配比為：栲膠火堿=21，濃度為1/5，加量為泥漿體積的0.5-1。如以鐵鉻鹽作稀釋劑，應(yīng)事先用熱水溶化。鈣處理泥漿-石灰泥漿配方表及設(shè)計性能參數(shù)表表六 鈣處理泥漿配方表粘土處理劑加量（處理劑重量/泥漿體積）粘土()純堿()火堿()石灰()栲膠堿粉()鐵鉻鹽()Na-CMC()10-300.3-1.5PH值=9-100.1-0.50.3-0.50-0.750.1-1表七 鈣處理泥漿設(shè)計性能參數(shù)表泥漿性能粘度（秒）比重失水量（ml/30min）泥皮厚(毫米)膠體率（）PH值靜切力（mg/cm²）初切終切18-351.05-1.184-130.85-1.51008.5-111

31、0-2010-153、不分散低固相泥漿-聚丙烯酰胺泥漿 不分散低固相泥漿與細分散、粗分散泥漿有著本質(zhì)的區(qū)別。在不分散低固相泥漿中，除了“必須固相”蒙脫石礦物允許存在外，其它劣質(zhì)土、巖削等“無用固相”均被化學(xué)處理劑所絮凝，并通過這種選擇性絮凝，使泥漿始終保持低固相、低比重、低粘度等特點。不分散低固相泥漿即聚丙烯酰胺泥漿，其作用機理主要是選擇性絮凝與級電性吸附，又因為聚丙烯酰胺是一種惰性材料，其對于泥漿的作用機理主要是物理性反應(yīng)，所以配置的泥漿性能相對穩(wěn)定，這是其得到廣泛應(yīng)用的重要因素。（1）聚丙烯酰胺泥漿的性能指標：1）保持固相的體積百分含量不大于4，巖粉與膨潤土含量的比值為21左右。2）盡可能

32、實現(xiàn)低比重，一般要求在1.06以下。3）要求動切力為1229mg/cm²，塑性粘度與動切力的比值接近于1，以提高泥漿的剪切稀釋作用和排粉能力。4) 失水量以保持孔壁穩(wěn)定、孔內(nèi)正常為宜，一般約10毫升/30分鐘。5) 為充分發(fā)揮PHP的選擇性絮凝作用，一般要求PH值控制在78.5之間。聚丙烯酰胺泥漿的配置步驟是：先配好基漿，再用火堿調(diào)節(jié)PH值，然后按配比分別加入PHP、降失水劑等。（2）聚丙烯酰胺泥漿的具體配置方法如下：1）聚丙烯酰胺的水解聚丙烯酰胺的水解是將分子鏈上的一部分吸附基團（酰胺基）轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水基團（羧鈉基），從而提高其水化能力，使其具備選擇性絮凝的功能。因此，聚丙烯酰胺的水解

33、不是一般的水溶解。水解聚丙烯酰胺的方法有高溫水解和常溫水解。高溫水解PAM的方法是：先將PAM、水、火堿按一定比例在水解設(shè)備中混溶，然后邊加溫邊攪，待溫度升高至90100，再保溫攪拌34小時即可。常溫水解PAM的方法是：將PAM、水、火堿按一定比例在容器中混溶，然后放置23天即成。常溫水解PAM水解反應(yīng)緩慢，因此需加大用堿量，并延長水解時間。2）配置聚丙烯酰胺泥漿a）以每1m³加入3040公斤的例濰坊鈉膨潤土、0.91.2公斤純堿的比例，提前一天攪拌好基漿。b）加入HPAN充分攪拌半小時，加量為泥漿體積的0.30.6。c）加入水解度30、濃度1的PHP100150ppm,攪拌半小時。

34、（3）試驗聚丙烯酰胺泥漿設(shè)計性能參數(shù)表八 聚丙烯酰胺泥漿性能參數(shù)泥漿性能粘度（秒）比重失水量（毫升30分鐘）泥皮厚（毫米）PH值20221.0161.0210120.61.08 9（三） 巖樣浸泡試驗將卡瓦礦區(qū)水敏性強的三類巖石板巖、千枚巖、安山巖巖樣，分別在配好的三種泥漿：細分散粘土泥漿、粗分散鈣處理泥漿、不分散低固相聚丙烯酰胺泥漿中進行24小時、48小時、72小時浸泡試驗。圖11 浸泡后的巖樣圖片試驗中又對泥漿性能進行了小的調(diào)整，取得試驗巖樣最低水化程度的泥漿漿配方。三類泥漿最低水化性能的配方及參數(shù)表。1、細分散粘土泥漿配方及性能表九 最優(yōu)泥漿配方表粘土（kg）淡水（kg）純堿（kg）KH

35、m（kg）護壁劑（kg）15010006.54,25.4表十 泥漿性能參數(shù)表比重粘度（s）失水量(ml/30min)泥皮厚（mm）含砂量()膠體率()PH值沉降穩(wěn)定性1.0921201.5410080.0152、粗分散鈣處理泥漿配方及性能表十一 最優(yōu)泥漿配方表粘土（kg）淡水（kg）純堿（kg）石灰（kg）NaK（kg）鐵鉻鹽（kg）Na-CMC（kg）6510002,61,21.01.12.1表十二 泥漿性能參數(shù)表比重粘度（s）失水量(ml/30min)泥皮厚（mm）含砂量()膠體率()PH值靜切力（kg/cm²）1.0520200.75210090.0153、不分散聚丙烯酰胺泥漿

36、配方及性能表十三 最優(yōu)泥漿配方表粘土（kg）淡水（kg）純堿（kg）HPAN（kg）水解度30PHP（kg）防塌劑（kg）3510001.25,25.43.5表十四 泥漿性能參數(shù)表比重粘度（s）失水量(ml/30min)泥皮厚（mm）含砂量()膠體率()PH值1.01620190.621009在最低失水量情況下，三種試驗?zāi)酀{主要性能參數(shù)對比如下表表十五 三種試驗?zāi)酀{主要性能參數(shù)對比表泥漿種類比重粘度（s）失水量（ml/30min）含砂量()泥皮厚(mm)膠體率()細分散粘土泥漿1.09212041.5100粗分散鈣處理泥漿1.05202020.75100不分散PAM泥漿1.016201920.

37、6100依據(jù)上表可以得出以下結(jié)論：在相對失水量較低時，細分散粘土泥漿比重最大；在相對失水量較低時，細分散粘土泥漿泥皮最厚；三種泥漿都有高的膠體率；72小時穩(wěn)定性能較好。通過室內(nèi)試驗，我們獲得了理論上需要的三種泥漿，即低的失水量，高的膠體率，比較穩(wěn)定的泥漿性能。經(jīng)過對卡瓦三大類巖石的浸泡試驗，最長72小時后，三種泥漿對于卡瓦礦區(qū)主要三類水敏性強巖石都具有很好的抑制水化作用。4、泥漿野外試驗情況分析為研究泥漿的實際使用效果，我們在卡瓦鐵礦區(qū)分別選擇三個深度、孔斜、地層條件基本相近的鉆孔，對三種泥漿的護壁效果進行試驗。試驗鉆孔基本情況及泥漿分類如下表。表十六 泥漿試驗鉆孔表試驗孔號設(shè)計孔深設(shè)計傾角預(yù)

38、見地層終孔深度試驗?zāi)酀{試驗時間WZK000845080°白云巖、泥質(zhì)板巖、安山巖486.10PAM泥漿2014-6-162014-7-29WZK160745080°板巖、千枚巖、凝灰質(zhì)砂巖、泥灰?guī)r418.70鈣處理泥漿2014-6-2720147-26WZK221145080°板巖、安山巖、千枚巖405.40粘土泥漿2014-9-262014-10-24（1）細分散粘土泥漿我們選擇礦區(qū)WZK0008孔進行不分散低固相聚丙烯酰胺泥漿作為沖洗液進行試驗。該孔設(shè)計深度450米，設(shè)計傾角80°。開孔為厚度7米左右第四系覆蓋層，主要成分是風化蝕變的飄石、卵粒石、砂

39、粒石與砂土的混合物，松散、膠結(jié)差，采用大比重普通黃土泥漿作為沖洗液，110mm合金鉆進進入完整巖層7米后，下入108mm開孔護壁套管。將泥漿循環(huán)系統(tǒng)徹底清理，按試驗室配方配置不分散低固相聚丙烯酰胺泥漿，測試泥漿各類參數(shù)與試驗室所得基本相同，更換為S75金剛石鉆具進入正常鉆進。S75鉆進，上部遇到基巖為比較膠結(jié)硬、結(jié)構(gòu)完整的白云巖，低固相泥漿使得金剛石鉆進實現(xiàn)最佳高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速開到1000轉(zhuǎn)/分鐘，鉆機工作聲音、鉆頭碎巖聲音正常，鉆速也達到6米/小時。泥漿顏色為青白色，井口可以清楚看到一層分選很好的“細砂”，證明聚丙烯酰胺泥漿達到較好的選擇性絮凝效果。圖12 泥漿性能野外測試孔深在60.5米后，巖

40、層變?yōu)槟屹|(zhì)板巖，巖層石英含量較高，膠結(jié)致密，鉆速下降，泥漿顏色變黑，證明板巖泥質(zhì)成分混合入沖洗液內(nèi)，測試泥漿比重略有上升，其它性能參數(shù)基本未變。鉆進除鉆速略有下降外，其它一切正常?？咨钤?21.67米后，從提取的巖心看，地層開始變得破碎，巖心為塊狀或?qū)悠瑺睢ｃ@機工作有間歇的咔咔聲，鉆具轉(zhuǎn)動跳動現(xiàn)象，工作不平穩(wěn)。泥漿顏色變?yōu)樯詈谏酀{消耗量達到15升/小時以上。測量泥漿性能如下:粘度：18秒； 比重：1.03； PH值：8井口沉降顆粒變粗，有直徑最大5毫米的碎塊狀巖屑。分析原因如下：1）地層破碎，沖洗液護壁泥皮增多，大量的聚丙烯酰胺泥漿膠體組分被消耗，造成泥漿消耗量大，粘度、比重降低，即直觀

41、為泥漿“變清”2）板巖含泥質(zhì)增加，聚丙烯酰胺選擇性的絮凝作用，使其有機成分更多參與對非蒙脫石礦物的選擇性絮凝作用，泥漿造漿官能團減少，切力降低，極大降低了泥漿的粘度及排粉能力。3）泥漿比重低，與孔壁不能保持有效壓力平衡，斜孔鉆進，鉆具回轉(zhuǎn)的漩渦效應(yīng)破壞了泥皮對孔壁的保護，孔內(nèi)出現(xiàn)掉塊?，F(xiàn)場及時配置足量泥漿，并對其性能進行適當調(diào)整，新配泥漿與試驗?zāi)酀{性能對比如下表：表十七 新配泥漿與試驗?zāi)酀{性能對比表聚丙烯酰胺泥漿主要性能對比名稱比重粘度（米）失水量（毫升/30分鐘）PH值試驗?zāi)酀{1.01620109新配泥漿1.0522129采用逐步加量的泥漿加量方式 ，在正常鉆進中，將全孔泥漿逐步轉(zhuǎn)換為新配大

42、比重、高粘度聚丙烯酰胺泥漿。由于粘土加量大，泥漿沉淀坑內(nèi)已出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象。正常鉆進一段時間后，孔內(nèi)泥漿全部被新泥漿替換。鉆進狀況正常。在鉆進過程中，為保持泥漿粘度，隨鉆直接加入水解度30的PHP參與泥漿循環(huán)。孔深增加至280米后，地層更加破碎，蝕變嚴重。泵壓達到40Mpa,鉆機回轉(zhuǎn)阻力增大，有時鉆具不掃孔很難下到位?？紤]孔深原因及效率問題，決定鉆孔改用粘土泥漿。（2）粗分散鈣處理泥漿我們選擇礦區(qū)WZK1607孔進行粗分散鈣處理泥漿作為沖洗液進行試驗。該孔設(shè)計深度同樣為450米，設(shè)計傾角80°。開孔為厚度27米左右第四系覆蓋層，主要成分是風化蝕變的飄石、卵粒石、砂粒石與砂土的混合物，松散

43、、膠結(jié)差，采用大比重普通黃土泥漿作為沖洗液，110mm合金鉆進進入完整巖層28米后，下入108mm開孔護壁套管。將泥漿循環(huán)系統(tǒng)徹底清理，按試驗室配方配置粗分散鈣處理泥漿，測試泥漿各類參數(shù)與試驗室所得基本相同，更換為S75金剛石鉆具進入正常鉆進。S75鉆進穿過75米層厚硅質(zhì)板巖，孔深達到102.76米時，地層變?yōu)榍稁r。巖石絹云母、片云母含量較高，泥漿循環(huán)表面出現(xiàn)閃光現(xiàn)象。局部孔段取出的巖心在巖心箱內(nèi)風化成片狀或粉狀。鉆進時孔底巖粉沉降多，鉆進回轉(zhuǎn)很吃力。表十八 現(xiàn)場測量泥漿各種性能參數(shù)現(xiàn)場鈣處理泥漿性能測試參數(shù)比重粘度含砂量失水量靜切力1.1019101710受巖層含云母、鈣質(zhì)、砂質(zhì)粗粒成分較

44、多，風化、破碎層段泥質(zhì)成分對泥漿侵擾嚴重，泥漿性能不能保持相對穩(wěn)定，泥漿的漏失量也較大?，F(xiàn)場使用中多次進行泥漿調(diào)配補給。鉆進過程中，鉆效變低，泥漿排粉能力較差，孔外巖粉不能有效分選沉降。原因分析如下：1）粗分散鈣處理泥漿是一種低粘度、低切力的泥漿，其排粉能力主要靠泥漿流動及低的粘結(jié)力來實現(xiàn)。在正常情況下，其排粉能力完全可以滿足鉆進要求，當?shù)貙悠扑閲乐厍液昂噍^高時，其排粉能力就受到限制；2）粗分散鈣處理泥漿對于性能參數(shù)要求十分嚴格，當泥漿的堿環(huán)境、鈣環(huán)境有較大波動時，泥漿失水量、粘度等主要參數(shù)就會出現(xiàn)大的變化，泥漿在孔內(nèi)循環(huán)時，會破壞孔壁泥皮，出現(xiàn)孔壁剝落甚至掉塊、坍塌情況，鉆進時表現(xiàn)為憋泵

45、、憋鉆現(xiàn)象；3）粗分散鈣處理泥漿使用維護要求條件比較高，現(xiàn)場受氣候、工期環(huán)境所限，不可能實現(xiàn)理想試驗水平。泥漿性能的不穩(wěn)定，加重了孔內(nèi)地層的水化剝落，使試驗不能正常進行；4）千枚巖、板巖皆為水敏性嚴重的地層，鈣處理泥漿還不能及時解決嚴重破碎、蝕變地層的護壁問題；5）由于孔底巖粉多，憋鉆、憋泵嚴重，鉆進效率低，鉆孔施工至260米深度時，決定更換粘土泥漿鉆進。（3）細分散粘土泥漿鉆進選擇WZK2211孔進行細分散粘土泥漿試驗。該孔設(shè)計深度450米，設(shè)計傾角80°。開孔采用常規(guī)大比重黃土泥漿，鉆穿7.5米第四系覆蓋層，入巖1,5m,下入108mm套管護壁。將循環(huán)系統(tǒng)清理，按試驗配方，配置細

46、分散粘土泥漿，采用91mm合金導(dǎo)向鉆頭磨孔，換S75金剛石進入正常鉆進。S75鉆進至89米，地層由凝灰質(zhì)板巖變?yōu)榍稁r。上部凝灰質(zhì)板巖相對比較完整，鉆進過程中，泥漿顏色逐漸變黑，測試泥漿比重、粘度沒有大的變化。鉆進至288米，地層變?yōu)樘抠|(zhì)板巖。89米至288米，千枚巖層厚199米，地層水敏性強，鉆進時，泥漿比重上升，粘度下降，下鉆時有下不到的情況發(fā)生；鉆進時泵壓達到4。分析原因如下：1）千枚巖水化剝落，巖石內(nèi)泥質(zhì)成分參入了泥漿內(nèi)，參與造漿，使得泥漿比重增加；小顆粒鈣質(zhì)、硅質(zhì)成分混入泥漿一起循環(huán)，使得泥漿比重大、含砂量大，粘度降低；2）千枚巖水化、剝落，大顆粒無法隨泥漿及時排出孔外，在孔底沉積，

47、造成鉆具不能下到位；3）由于泥漿失水量增加，千敏巖含泥質(zhì)高的層段水化膨脹，使孔徑縮??；破碎含泥質(zhì)低的層段水化剝落，甚至垮塌，使泥漿固相含量增加，比重增大，泵壓升高。為保持鉆孔孔內(nèi)正常，必須對泥漿配方、使用方法進行調(diào)整，試驗小組采取了一下措施：1）增大泥漿比重，進一步平衡孔壁側(cè)壓；2）增加護壁劑加量，提高泥皮質(zhì)量；3）增加降失水劑加量，進一步降低泥漿失水量，減少孔內(nèi)地層水化；4）加長循環(huán)槽長度及增加沉淀池體積，凈化泥漿有害固相；5）降低鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量，調(diào)整鉆進參數(shù)。表十九 調(diào)整泥漿參數(shù)表嚴重坍塌、縮徑地層泥漿性能參數(shù)比重粘度（s）失水量(ml/30min)含砂量()PH值1.212113148

48、當泥漿固相含量過高時，可以適當加入腐殖酸鉀等稀釋劑，加量不宜過大。鉆穿復(fù)雜層，鉆速、泵壓、泥漿比重比較平穩(wěn)時，可逐步降低泥漿比重、粘度、切力，增大鉆進規(guī)程，實現(xiàn)理想鉆速。應(yīng)注意的是：始終要保持泥漿較低的失水量。WZK2211孔使用粗分散粘土泥漿，根據(jù)地層情況，對泥漿性能及時進行調(diào)整，順利鉆進至405.40米終孔。圖13 WZK2211孔粗分散粘土泥漿直觀效果圖五、卡瓦鐵礦鉆進泥漿應(yīng)用分析與使用管理（一） 泥漿的選擇巖心鉆探泥漿目前使用最廣泛的是聚丙烯酰胺低固相、無固相泥漿，因其配置、管理、使用方法比較簡單方便，所以深受鉆機施工隊伍的親睞。對于一般地層，聚丙烯酰胺泥漿加入護壁劑、潤滑劑、802等

49、，都可以起到相應(yīng)效果，實現(xiàn)正常鉆進。但對于水敏性極強的地層，其使用效果就比較有限。對于極度破碎地層，要求泥漿有一定的比重以保持孔內(nèi)地壓平衡。聚丙烯酰胺泥漿只有通過加入配重劑（如重晶石粉）來實現(xiàn)。配重劑對于泥漿體系而言是一種有害固相，其參與形成的泥皮結(jié)構(gòu)松散，強度較低，不能對孔壁形成最佳的保護作用。對于極度破碎地層，要求泥漿有適度失水，促使帶電的粘土顆粒能緊緊附著在孔壁上形成堅韌的泥皮，對孔壁起到有效的保護作用。聚丙烯酰胺泥漿“滲透能力強”，鉆進進入破碎層后，泥漿沿著巖石裂隙滲入破碎巖層，在巖石塊表面形成一層“保護膜”，當鉆具提離破碎層后，帶保護膜的巖層碎塊從孔壁脫落，成自由體下沉孔底，造成鉆孔垮塌。這即是鉆機提鉆后鉆具下不到位的主要原因。聚丙烯酰胺泥漿，通過添加劑、處理劑調(diào)節(jié)，完全可以達到低失水量，對于含泥質(zhì)高的水敏性地層，完全可以達到抑制地層水化縮徑，起到