强抑制性冲洗液体系在铀矿钻探中的建立及运用

曾 令

(核工业二九〇研究所 广东 韶关 512000)

近年，铀矿已成为核电的重要能源矿产，目前发现的180多种铀矿物，其中有二十多种能够用来工业开采。在中国，铀矿主要有四种类型，其中砂岩型铀矿在资源储量占比达40%以上，据相关专家预测，未来占比可达70%以上。我国已探明的砂岩型铀矿主要分布在内蒙古、新疆等地区，随着“煤铀”、“油铀”兼探找矿方式应用、砂岩型铀矿成矿理论的深入研究、地浸采铀工艺进步，为我国探寻了更多的优质铀矿产[1]。

在铀矿钻探施工中，经常出现钻孔缩径、卡钻、钻头泥包等故障，不仅给生产进度带来严重制约，而且造成了较大的安全隐患，减缓了整个铀矿勘察工作进度[2]。本文以某地砂岩型铀矿为例，对钻孔缩径产生的原因分析，建立铀矿钻探强抑制性冲洗液体系，对复合硅酸盐抑制剂进行方案优选，并对其复合配方优化，形成复合硅酸盐抑制剂技术，并将该技术进行试验应用，验证应用效果。

1 砂岩型铀矿钻孔缩径分析

1.1 工程地质概况

某地砂岩型铀矿钻探区地势平坦，地层自上向下如表1所示。

表1 钻探区地层状况表

1.2 钻孔缩径情况统计

钻孔钻进孔径168mm，设计钻进深度420m。钻孔中部分钻孔出现不同程度的缩径现象，钻孔缩径统计见表2。结果表明，钻孔缩径多出现在砂岩、泥岩、砂砾岩等互层段。

表2 钻孔缩径统计表

1.3 钻孔缩径原因分析

对出现钻孔缩径的矿井选取5个岩心样品取样分析，其矿物成分含量分析结果见表3。表明取样岩心样品的主要成分是黏土矿物及石英。随着深度增加，以蒙脱石为主的黏土矿物含量增加明显，U4样品含石英68.8%，钻孔存在砂岩和泥岩互层情况。将岩心样品浸泡在蒸馏水中进行水化膨胀观察，浸泡1h后样品坍塌，4h后样品溃散。

表3 岩心取样及矿物成分含量分析表

钻孔缩径原因：(1)砂岩和泥岩互层处的孔隙和泥岩中裂缝，易使冲洗液中所含有的水分子、水合离子进入泥岩地层[3]；(2)泥岩中黏土矿物吸收冲洗液中水分子、水合离子，出现水化膨胀，最终导致钻孔缩径等故障发生[4]。因此，使用普通水基冲洗液进行钻探，容易出现钻孔缩径、卡钻，严重的甚至出现孔眼闭合问题，在冲洗液选择上需加强研究。

2 强抑制性冲洗液体系的建立

为了解决铀矿钻探中钻孔缩径等问题，需使用强抑制性冲洗液，且需对强抑制性冲洗液的密度调整恰当，使强抑制性冲洗液的流变性适应钻孔需要，使钻孔的速度以及均匀性能够得到有效控制[5]，从而使物理冲刷作用得到缓解，强抑制性冲洗液的综合能力得到提升。通过泥块浸泡、水化线性膨胀等测试进行强抑制性冲洗液的筛选及抑制性能评价。

2.1 泥块浸泡测试及结果分析

用纳基膨润土制作泥块样品，并将其分别放入纯水、0.2mol/L浓度的五种不同抑制剂溶液中浸泡2h后，进行观察。观察结果如表4所示。

表4 泥块浸泡测试结果

对泥块浸泡测试出现的结果分析：在浓度0.2mol/L氯化钾抑制剂中，泥块的离子浓度小于无机盐溶液的离子浓度，在浓差效应作用下，发生离子交换，使钾离子进入泥块层间，对泥块内部水化膨胀进行抑制，但泥块表面的水化使泥块内部的粘结能力降低，内部的聚集结构受到破坏。与硅酸钾抑制剂相比，硅酸钠抑制剂中泥块水化膨胀程度略大，原因是钠离子的交换性小于钾离子，泥块发生水化膨胀后，水分子在进入泥块内部时受到一定的阻力[6]。浸泡在甲基硅酸钾抑制剂中的泥块没有明显坍塌，而且表面水化膨胀较小，主要原因是甲基硅酸阴离子被泥块表面吸附后，在泥块表面形成膜，使泥块的表面能减小，使泥块的结构牢固，水分子无法进入[7]。

2.2 水化线性膨胀测试及结果分析

水化线性膨胀测试，通过对冲洗液与钻孔之间的接触情况模拟，测量样品和冲洗液接触时，出现水化膨胀的岩样高度[8]。

分别在纯水、0.1mol/L浓度和0.2mol/L浓度的六种冲洗液中进行水化线性膨胀测试。与纯水相比较，六种冲洗液均能对样品的水化膨胀起到有效的抑制。在三种浓度0.1mol/L冲洗液中，硅酸钾冲洗液水化线性膨胀率最早达到平衡，抑制水化膨胀效果最佳。在三种浓度0.2mol/L冲洗液中，甲基硅酸钾冲洗液的水化线性膨胀率最早达到平衡，而且其水化线性膨胀率最小，抑制水化膨胀效果最佳。

3 复合硅酸盐抑制剂优选

通过对各抑制剂测试及分析，最终选择将硅酸钾和甲基硅酸钾冲洗液进行复合，进行泥块浸泡、岩屑热滚回收等测试，并进行硅酸钾和甲基硅酸钾两者配比研究。

3.1 泥块浸泡测试及分析

将泥块样品分别在6种不同抑制剂溶液中浸泡12h后，测试结果见表5。对1-3项对比，表明甲基硅酸钾抑制剂浓度小于0.2mol/L时，其抑制能力随着浓度的增加而增加，两者为正比关系；对4-6项对比，复合硅酸盐抑制剂中硅酸钾占比0.5%中的泥块，其水化膨胀比较轻微，而随着硅酸钾含量增加至1%、2%，复合硅酸盐抑制剂的抑制能力成正比提高；对3项和6项进行对比，含有1%、2%硅酸钾的复合硅酸盐抑制剂能有效提升甲基硅酸钾抑制能力。随着钾离子浓度增加，泥块的水化应力降低，再加上泥块表面成膜的作用，能够使泥块水化膨胀得到明显抑制。

表5 泥块浸泡12小时测试结果

3.2 岩屑热滚回收测试

分别将50g的10目岩屑放入装有纯水、0.2mol/L浓度甲基硅酸钾抑制剂、0.2mol/L浓度硅酸钾抑制剂和0.2mol/L浓度甲基硅酸钾+0.5%硅酸钾抑制剂的老化罐中进行120℃高温热滚，16h后进行冷却，并将岩屑放入40目筛，用水冲洗1分钟后将岩屑收集，再进行105℃烘干5h后自然冷却至室温，对岩屑进行称重计算热滚回收率[9]。通过计算，岩屑在纯水中热滚回收率为19%，而在0.2mol/L浓度硅酸钾抑制剂中热滚回收率为93.2%，在0.2mol/L浓度甲基硅酸钾抑制剂中热滚回收率为94.6%，均高于90%，抑制性能较好，在0.2mol/L浓度甲基硅酸钾+0.5%硅酸钾抑制剂中热滚回收率高达98.1%，协同抑制性能最佳。

3.3 复合硅酸盐抑制剂优化分析

使用正交实验，对复合硅酸盐抑制剂冲洗液中各成分占比进行确定，选取两组配方进行试验，复合硅酸盐抑制剂冲洗液各成分占比及两组试验配方占比见表6。

表6 复合硅酸盐抑制剂冲洗液配方占比

(1)流变性能测试分析

对两种配方的复合硅酸盐抑制剂冲洗液进行流变性能测试，测试结果见表7。通过表7可知，复合硅酸盐抑制剂冲洗液的粘度降低，其动切力能够便于钻具钻进[10]，尤其是试验2配方，其降失水效果明显，而且具有稳定的动塑比，携带岩石的能力更强；冲洗液密度增加，能够将底层水化膨胀形成的压力和蠕变形成的应力进行平衡。对两种配方的复合硅酸盐抑制剂冲洗液加入重晶石粉，使其密度增大至1.3g/cm3，进行流变性能测试，见表8。由表8可知，复合硅酸盐抑制剂冲洗液在密度加重至1.3g/cm3以后，粘度和动切力等参数稳定，失水量进一步减小，能够使地层水化程度降低，可根据施工需要进行不同密度复合硅酸盐抑制剂冲洗液配置[11]，从而满足各种钻孔工况需要。

表7 复合硅酸盐抑制剂流变性能参数

表8 密度加重后复合硅酸盐抑制剂流变性能参数

(2)抑制性能测试分析

通过岩屑热滚回收试验，对两种不同配方的复合硅酸盐抑制剂冲洗液进行抑制性能测试。分别将50g的10目岩屑放入装有两种不同配方的老化罐中进行120℃高温热滚，16h后进行冷却，并将岩屑放入40目筛，用水冲洗1分钟后将岩屑收集，再进行105℃烘干5h后自然冷却至室温，对岩屑称重计算热滚回收率，见表9。表明在配方1、2复合硅酸盐抑制剂冲洗液中，岩屑热滚回收率远远高于90%，而且能够使形貌得到完整保持，证明复合硅酸盐抑制剂抑制性能较佳。

表9 岩屑热滚回收率

4 试验验证

使用氯化钾冲洗液和复合硅酸盐抑制剂冲洗液进行钻孔试验，首先使用氯化钾冲洗液，在钻孔至89.6m时出现缩径，无法继续钻进，改用复合硅酸盐抑制剂冲洗液后，顺利的钻过厚度约20m的缩径严重孔段，钻穿该孔段后，钻孔缩径、卡钻情况减弱，能够最终钻至终孔位置。现场测得两种冲洗液的上返性能参数见表10。由表10可知，复合硅酸盐抑制剂冲洗液的粘度、失水量和动切力远远小于氯化钾冲洗液，流变性能和降失水效果得到有效改善，钻探速度得到有效提升。通过对岩心进行观察，钻探时使用氯化钾冲洗液，岩心外观不完整，并且有膨胀和剥离等情况发生；而使用复合硅酸盐抑制剂冲洗液，岩心外观完整，没有明显的膨胀、卡钻等情况出现。复合硅酸盐抑制剂冲洗液具有较强抑制性，而且是使缩孔次数降低，处理故障时间和成本得到大幅降低，能够解决黏土矿物含量高的泥岩在钻探时的钻孔缩径问题[12]。

表10 现场实测冲洗液上返性能参数表

5 结 语

本文首先对铀矿钻探中出现钻孔缩径的原因进行分析，并提出了强抑制性冲洗液对降低钻孔缩径的作用，对不同强抑制性冲洗液的性能进行研究，从中对其成分进行优化，形成复合硅酸盐抑制剂配方，经试验验证，在缩径最严重孔段未出现缩径及卡钻情况，证明研究的复合硅酸盐抑制剂不仅可以使钻孔质量得到保证，而且使工作效率得到明显提升。