攀西钒钛磁铁矿勘探硬脆碎地层泥浆技术的研究与应用

张 杨，陈礼仪，李德新，张统得

（1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059；2.四川省煤田地质局一三七队，四川达州635006；3.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都611734）

攀西钒钛磁铁矿勘探硬脆碎地层泥浆技术的研究与应用

张 杨*1，陈礼仪1，李德新2，张统得3

（1.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059；2.四川省煤田地质局一三七队，四川达州635006；3.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都611734）

对攀西火山岩钒钛磁铁矿成因进行了分析，找出了火山岩破碎地层的特点，并制定了相应的对策，优选出实验方案，最后进行现场应用，在应用中加以改善，达到了预期效果。

硬脆碎地层；泥浆技术；研究；应用改进

1 概述

四川攀西地区处在康滇地轴和攀西裂谷重要成矿带上，是我国重要的黑色、有色金属基地和资源战略基地。其中钒钛磁铁矿产极为丰富，近年来，随着国民经济发展对钒钛磁铁矿的需求越来越大，对钒钛磁铁矿进行勘查也显得越来越迫切。因此，近年来在攀西地区的勘探工作量急剧增大，特别是深部矿产勘探的需求日益增多。但由于攀西地区的特殊地质构造与地质特征，地层条件极为复杂，为了满足深孔钻探施工的安全顺利进行，保证其孔壁稳定显得尤为重要。

2 地层特点

攀西地区层状基性、超基性、中酸性和碱性侵入岩分布较广，其中基性、超基性体成带分布，与钒钛磁铁矿形成有直接关系。在钻探施工中主要钻遇基性和超基性岩类，基性岩类主要为各种辉长岩，次为斜长岩；超基性岩类以斜长橄榄岩为主，次为斜长橄辉岩、橄辉岩、纯橄岩等。其它还有石英角闪正长岩、辉长伟晶岩等。总的来讲，该矿区主要地层岩石岩性致密、孔隙度小、硬度较高、不易水化分散，属于典型的硬脆地层，岩石可钻性综合取值为8～10级。由于攀西地区受历史地质构造影响使得岩芯破碎，极其容易发生掉块卡钻、埋钻等孔内事故。

3 硬脆碎地层孔壁稳定性分析

维护孔壁稳定是钻井泥浆中一个非常重要的作用，根据目前孔壁的失稳机理分析，孔壁失稳实质是力学的不稳定，当孔壁岩石所受应力超过本身强度时将会发生孔壁不稳定，究其失稳因素极其复杂，但终可归于力学因素、物理化学因素和工程技术措施等3个方面。

由于地层岩石主要为非水敏性岩石，不易水化分散膨胀，胶结性差。因此，在维护好此类地层特点的孔壁稳定主要归结于孔壁稳定的物理防塌。而该地区历史上曾多次受地震断裂影响，地层裂隙极其发育，在泥浆技术防塌上必须延缓或阻止泥浆滤液进入裂隙。一旦泥浆滤液进入裂隙，必将导致孔壁周围地层的孔隙压力增大，泥浆液柱压力对井壁的有效支撑力减小，孔壁岩石承受过大的拉伸应力，致使裂隙越来越大，泥浆滤液也就更容易进入，形成恶性循环，最终使得孔壁发生坍塌、掉块，甚至发生埋钻等事故，而在一些局部高应力地区，在防止滤液进入裂隙的同时还应该适当提高泥浆液柱压力，以平衡地层压力。

4 泥浆技术对策

根据上述孔壁稳定性分析可知，在应对钒钛磁铁矿区硬脆地层施工时的泥浆技术路线主要是：（1）提高泥浆对孔壁裂隙的封堵性能；（2）合理地降低钻井液的压差；（3）增加孔壁岩体之间的胶结力，减小孔隙压力，通过泥浆液柱压力平衡地层压力，通过泥浆中添加处理剂增加粘聚力。因此，在硬脆地层的防塌泥浆体系上必须要有良好的封堵性能，渗透性能较低，较好的粘聚力，同时为了配合金刚石绳索取芯钻探施工工艺的高转速，环状间隙小，以及在磁铁矿区钻进产生的岩粉比重较大，排粉困难特点，使得泥浆体系同时还必须具有良好的流变性及润滑性。

针对上述特点，在泥浆配方上尽量选用磺化沥青、SMP-1和WST-100等具有强封堵性能和降失水的泥浆材料，使体系具有较低的渗透量，选用高效润滑剂来减小钻具磨损和卡钻事故的发生。SAS的水溶性成分是带负离子基的大分子，能够吸附到带正电的粘土边缘上可阻止粘土矿物的分散，吸附在井壁微缝上能阻止水渗入，同时增强孔壁破碎岩体之间的胶结力可减少剥蚀掉块，其水不溶物能提供适当大小的颗粒帮助造壁改善泥饼质量，泥饼变薄可压缩性增大故失水下降，同时增加泥饼润滑性，降摩阻扭矩防卡；SMP-1通过很好的吸附于粘土表面提高其电位和增大水化膜厚度来保证或提高泥浆中胶体粒子比率和提高微粒的堵孔能力，提高泥饼质量降低其渗透率，达到降低失水目的；WST-100是一种非渗透处理剂，具有显著的降滤失能力，抗盐、抗膏侵能力较强，能够填充裂隙阻止液体进入破碎地层，有效防止孔隙压力的上升引起的有效应力下降，从而达到稳定孔壁的目的。最后，由于该体系具有较好的抗盐能力，因此可在该体系上加入适量的石灰，增加体系中的Ca2+，而Ca2+可与地层中极少的粘土矿物结合生成不能膨胀的硅铝酸钙使井壁硬化。

5 泥浆方案及室内试验

根据上述对策得到攀西钒钛磁铁矿区硬脆地层泥浆方案：膨润土+纯碱+磺化沥青+CMC+封堵剂+降失水剂。

对于上述配方需要确定处理剂加量，故在此采用控制变量，分别对3组试验对象进行试验，对比其试验所得参数来得到最优方案。

方案一：8%膨润土+0.25%纯碱+5‰CMC—LV；

方案二：5%膨润土+0.25%纯碱+2%SMP-1+1% SAS+5‰CMC—LV；

方案三：5%膨润土+0.25%纯碱+2%SMP-1+2% SAS+2%WST-100+5‰CMC—LV。

配置上述方案钻井液并进行实验，在进行砂床实验时采用20～40目的石英砂床对其进行渗透性实验，测得各性能参数如表1所示。

表1 各方案泥浆试验性能参数表

通过表1各实验数据可见：方案一和方案二的API滤失量较大，FA砂床侵入深度较大、全漏失，方案三具有较低的API滤失，FA砂床无渗透，FA砂床滤失量较小，说明方案三的封堵能力较好，能够有效的屏蔽硬脆碎地层的裂隙，从而达到稳定孔壁的目的。从而得到本实验最优方案为方案三。

6 现场应用

白马钒钛磁铁矿区田家村—青杠坪段ZK22-4孔设计为直孔，终孔顶角0°，先遇第四系残坡积浮土层，后进入辉长岩、含橄辉长岩、橄辉岩（这三种岩石均为含铁矿岩石），最后进入辉长伟晶岩终孔。岩石可钻性：主要以8～9级为主，少量为10～11级。

孔深596.48～615.16m垮塌孔段，垮塌、掉块严重，反复长孔段扫孔。分析原因：（1）现场使用的粘土为质量较差的钙土，分散、造浆性能极差，粘土是泥浆体系最基本的因素，粘土的质量直接决定泥浆体系的最终效果。（2）在垮塌孔段，起初采用低固相泥浆配方为：水+4%～6%粘土+0.36%纯碱+0.1%～0.3%SH植物胶+1%腐植酸钾+0.2%～0.4%防塌剂+0.2%～0.4%磺化沥青+0.4%～0.5%高粘CMC+100ppmPHP+0.3%～0.5%高效润滑剂，该泥浆体系所加的材料太多太复杂，针对性不强，并且材料过多，部分材料可能冲突，发生化学反应甚至会使泥浆起到反效果。

在多次钻进无果的情况下，后采用方案三进行现场钻进。在施工过程中发现孔壁坍塌得到了很大的改善，卡钻和憋泵现象基本消失，但泥浆粘度有所下降，沉砂池岩屑较少，且泥浆比重增加不大，钻探进尺较慢，钻头磨损较快，以此证明孔内岩屑并没有及时返出，仍然留在孔内。故对泥浆采取及时调整，向泥浆中加入2%CMC—HL，泥浆粘度由28s提高到35s，增大了泥浆的动塑比，改尖峰层流为平板型层流，岩屑上返问题得到了解决。此后，派专人对泥浆进行维护，定期进行泥浆性能检测，观察泥浆泵运行情况，观察岩屑返出情况，最后较快地穿过了此段硬脆破碎坍塌地层。

7 结语

P634.6

A

1004-5716(2015)02-0079-03

2014-11-24

张杨（1988-），男（汉族），四川广安人，成都理工大学环境与土木工程学院在读硕士研究生，研究方向：钻掘工程理论与方法。