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+PHPSM-1石棉纤维低固相或无固相泥浆：（基浆）+SM-1石棉纤维+CMC+PHPSM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石石棉纤维维泥浆SM-1石棉纤纤维泥浆浆具有良良好的提提粘，降降失水、、防塌和和带砂性性能，同同时还具具有堵漏漏作用。。SM-1石棉纤纤维是一一种含有有少量硅硅质的泥泥浆处理理剂，当当其与水水混合后后，即形形成一种种典型的的恢交结结构较快快的弱凝凝胶。由由纤维形形成的凝凝胶可构构成具有有强度的的网状结结构，在在钻进过过程中，，这种网网状结构构就象整整个薄而而光滑的的圆筒支支撑在孔孔壁上，，起到了了很好的的护壁作作用。SM-l石棉纤纤维形成成的网状状结构具具有良好好的触变变性，从从而决定定了它具具有很好好的悬浮浮和携带带岩粉能能力。另外，SM-1石棉纤纤维还具具有堵漏漏作用。。它可以以在裂隙隙表面交交织成网网状架桥桥，具有有微膨胀胀性的细细纤维依依其特有有的润滑滑性随意意流进裂裂隙，紧紧紧地支支撑在裂裂隙通道道里，堵堵塞裂隙隙通道，，起到堵堵漏作用用。四、泥浆浆作用机机理3、SM植物胶胶泥浆（1）降降失水及及防塌作作用SM植物物胶是一一种高分分子多糖糖聚合物物，分子子量为几几万至上上百万，，多为支支链状结结构。在在水溶解解后，呈呈现较舒舒展的无无规则线线团状分分子构象象。其分分子链上上的极性性基团具具有较强强的吸附附作用。。吸附粘粘塑性胶胶体颗粒粒或细粉粉砂颗粒粒，在岩岩心表面面或孔壁壁上覆盖盖一层较较薄的密密实的网网状吸附附膜。这这层膜具具有隔水水效果，，它能阻阻止泥浆浆中的自自由水分分子继续续向岩心心内部或或孔壁深深处渗透透，避免免粘土水水化或砂砂液化，，起到降降失水和和保护岩岩心作用用。随着着SM植植物胶加加量增大大，泥浆浆粘度越越高，吸吸附膜越越薄，隔隔水效果果越好。。同时，SM植物物胶分子子链间的的桥联作作用使分分子链间间有了一一定的引引力，即即内聚力力。这种种内聚力力使分子子之间下下易分开开，表现现出粘弹弹性，隔隔水性和和很高的的表面强强力，使使得吸附附在岩石石上的分分子链间间紧紧地地连接，，起到一一种机械械加固作作用，即即防塌作作用。四、泥浆浆作用机机理（2）SM植物物胶还具具有粘弹弹性减振振效应SM植物物胶中的的高分子子链具有有锯齿状状结构且且有内旋旋转性，，在一般般情况下下呈卷曲曲的无规规则线团团状。在在外力作作用下，，分子链链被拉长长，变为为不稳定定的伸展展状态，，外力除除去后，，通过链链段的运运动又恢恢复到原原来的卷卷曲状，，表现出出弹性。。在钻进进中，转转动的钻钻杆对SM植物物胶施加加了外力力，使分分子链产产生形变变，当钻钻杆偏离离孔心时时，由于于运动是是在极短短时间内内发生的的，因此此，分子子没有足足够的时时间进行行大范围围调整，，就产生生了局部部变形，，即分子子间距离离改变，，分子链链接长。。这种改改变需要要相当高高的能量量，当这这些能量量被储存存以后，，可以阻阻止钻杆杆的径向向摆动。。当钻杆杆回到孔孔心后，，分子除除去外力力，能量量释放，，恢复原原状，表表现出减减振效果果。因此此，在钻钻进过程程中，粘粘弹性聚聚合物浆浆液的粘粘度越大大，钻杆杆转速越越快，振振动越小小。对于于松散破破碎岩心心来说，，减少钻钻具振动动，即意意味着减减少钻具具对岩心心的机械械破坏，，不仅起起到保护护岩心的的作用作作用，而而且有利利于提高高采心率率和取心心质量，，同时也也提高了了钻头寿寿命，减减轻了钻钻杆与孔孔壁的摩摩擦。四、泥浆浆作用机机理1、严格格按要求求配制泥泥浆，配配好的泥泥浆应避避免水及及废物的的污染。。2、现配配现用的的泥浆，，必须充充分搅拌拌，只有有当处理理剂充分分分散均均匀井搅搅开后方方能使用用。3、坚持持每大班班测一次次泥浆性性能，并并根据岩岩层变化化及时调调整配方方，特别别是进入入矿层后后，必须须严格控控制泥浆浆的各项项指标。。4、循环环系统长长度不应应短于15m，，并应挖挖容量较较大的沉沉淀池，，以利于于浆液净净化。五、泥浆浆使用注注意事项项ZK16—4孔孔在0—90米段段，岩石为为破碎、、蚀变的的泥岩、、砂岩，，胶结性性较差，，孔壁极极易垮塌塌，岩屑屑中含砂砂量高，，钻具经经常下不不到底，，水泵机机械磨损损严重，，故障频频繁，使用SM-1石石棉纤维维低固相相泥浆，配合跟跟管钻具具钻进，，顺利通通过该孔孔段，泥泥浆带砂砂、除砂砂效果很很好，保保证了孔孔底干静静，水泵泵事故明明显减少少。90米以以后孔段段，属于断断裂破碎碎带，即即矿层孔孔段。换换泥浆，，采用SM植物胶胶无固相相泥浆钻钻进，极其有有效地抑抑制了孔孔壁坍塌塌掉块现现象。95米处处，主矿矿层出现现，岩石石很破碎碎，松散散、无胶胶结力。。SM植植物胶泥泥浆起到到很好的的护心作作用，观观察每次次回次取取上的矿矿心，SM植物物胶都紧紧紧地裹裹在矿心心周围，，保持香香肠状或或园柱状状，其采采取率每每回次基基本保持持在100％。同时，，SM植植物胶泥泥浆的润润滑性能能相当好好，不仅仅可以开开高转速速，而且且水泵再再末出现现故障，，节省了了大量的的辅钻时时间，提提高了钻钻进效率率。使用用SM植植物胶泥泥浆的后后，最高高时效达达3米／／小时，，由于SM植物物胶无固固相泥浆浆性能优优越倍受受工人们们的青睐睐。六、泥浆浆使用实实例据以往施施工的资资料表明明，该矿矿区钻孔孔漏失的的特点主主要表现现为长孔孔段，多多层位裂裂隙性漏漏失。漏漏失量的的大小程程度不一一，既有有小裂隙隙渗漏，，也有溶溶洞型特特大漏失失，其中中以渗漏漏和中漏漏最为突突出。因此，在在选择堵堵漏措施施及堵漏漏材料时时，应从从“高效、、低耗””原则出发发，选用用堵漏材材料成本本低、方方法简单单，堵漏漏周期短短、见效效快的堵堵漏工艺艺，尽量量避免因因堵漏次次数多、、堵漏周周期长等等造成的的延误工工期、增增加钻探探成本等等多方面面的不利利局面。。七、堵漏漏工艺1、堵漏漏方案确确定(1)一一般性漏漏失(包包括小漏漏、中漏漏)采用DTR高失失水堵漏漏剂(下下称DTR堵剂剂)随钻钻或停钻钻堵漏。。(2)严严重漏失失采用DTR堵漏漏剂，冻冻胶泥浆浆和水泥泥浆液堵堵漏。特特大漏失失以水泥泥浆液堵堵漏为主主，必要要时，采采用套管管隔离漏漏失层。。除DTR堵漏工工艺外，，冻胶泥泥浆和水水泥堵漏漏属常规规方法，，因此本本工艺只只阐述DTR堵堵漏工艺艺。七、堵漏漏工艺2、DTR堵漏漏浆液（1）DTR堵堵漏浆液液的性能能根据钻孔孔漏失性性质及漏漏失速度度大小，，确定两两个堵漏漏浆液配配方。配方1：：直接在在清水中加DTR堵漏剂剂，掺加加量为10~15％，，用于大漏漏地层。。配方2：：在泥浆中加入DTR堵漏漏剂，各各材料用用量为：：DTR堵堵漏剂10％+水1000ml+粘粘土2~4％+Na2CO35％用于小漏漏，中漏漏地层。。七、堵漏漏工艺3、堵漏漏浆液的的灌注量量DTR浆浆液的灌灌注量由由漏失程程度的大大小决定定，计算算公式为为：V=K··πD2/4·H式中：V——DTR浆浆液量，，m3K—漏失失系数，，一般情情况下，，K=1.5~4，，小漏K=1.5~2，中漏漏K=2~3，，大漏K>4D—钻孔孔直径，，m；H—钻孔孔深度，，m。七、堵漏漏工艺4、灌注注工艺当钻孔漏漏失量不不大，属属渗漏、、中漏时时，一般般采用随随钻循环环堵漏方方法；当当漏失严严重，属属大量漏漏失时，，应配制制DTR堵漏浆浆液专门门注浆堵堵漏。注浆堵漏漏的步骤骤为：先先钻穿漏漏失层然然后下钻钻至孔底底，边搅搅拌堵剂剂边从钻钻杆内泵泵入堵漏漏浆液，，同时缓缓缓提钻钻至孔口口。继续续泵入堵堵漏浆液液，直至至其被面面稳定于于孔口为为止，再再将主动动钻杆与与套管连连接，开开泵蹩压压15分分钟，蹩蹩压时应应严格控控制压力力，以免免压裂地地层。一一般情况况下，孔孔深350米以以上钻孔孔的蹩压压值为1.5~2.0MPa，连续续蹩压三三次，每每次间隔隔10分分钟，再再静置1小时左左右，然然后用稠稠泥浆顶顶上堵漏漏浆液即即可恢复复钻进。。当漏失很很严重，，一次堵堵漏不成成功时，，可连续续再堵，，并同时时加桥塞塞物，可可增强堵堵漏效果果七、堵漏漏工艺5、堵漏漏工艺试试验技术术效果堵漏工艺艺在6个个钻孔中中进行了了研究试试验和推推广试验验，对矿矿区钻孔孔小漏、、中漏和和部分严严重漏失失，使用用DTR堵漏剂剂随钻或或停钻堵堵漏，取取得了满满意的技技术经济济效果。。（1）随随钻循环环堵漏治治理小漏漏，中漏漏效果显显著ZK16—4孔孔在0~70米米孔段微微裂隙发发育，泥泥浆渗漏漏严重，，漏失量量达2.0~2.5m3／h，在在SM-l石棉棉纤维泥泥浆中加加入2％％的DTR堵漏漏剂，并并增加石石棉纤维维含量至至2％，，随钻循循环，消消除了渗渗漏现象象，孔深深161米处出出现一次次全孔不不返水漏漏失，漏漏失量达达8m3／h，直直接在SM植物物胶泥浆浆中加入入5％的的DTR堵漏剂剂及1％％的石棉棉纤维随随钻循环环，10分钟后后，泥浆浆上返恢恢复正常常循环。。ZK10-1孔在孔孔深约50米处处亦有类类似上述述情况，，用DTR堵剂剂随钻堵堵漏也取取得成功功。七、堵漏漏工艺5、堵漏漏工艺试试验技术术效果（2）停停钻堵漏漏工艺简简便，安安全可靠靠，成功功率高当随钻循循环堵漏漏无效时时，应采采用停钻钻堵漏方方法。先先配制DTR堵堵漏浆液液，然后后将其泵泵入孔内内加压即即可整个个堵漏工工艺非常常简便，，无需附附加任何何设备。。ZK16—4孔孔在孔深深71米米和96米处，，分别出出现全孔孔不返水水，漏失失量达9~10m3／h，使使用DTR堵漏漏浆液一一次堵漏漏成功，，ZK10-6孔是一一个重复复施工的的偏斜孔孔，在孔孔深265米处处，有漏漏失层，，全孔不不返水，，漏失量量达20m3／h。因因钻孔漏漏失严重重，孔内内有垮塌塌观象。。试验前前，曾采采用普通通水泥、、地勘水水泥、冻冻胶泥浆浆等方法法堵漏4次无效效，耗时时10余余天。用用DTR堵漏浆浆液，堵堵漏3小小时，即即恢复泥泥浆正常常循环。。ZK10-1孔孔，在孔孔深150米处处泥浆不不上返，，采用DTR堵堵漏剂停停钻堵漏漏一次成成功。（3）堵堵漏周期期很短，，成本低低。每次堵漏漏只消耗耗时间1：30~2：：30。。消耗堵堵漏剂100-200公斤，，成本为为90——180元。七、堵漏漏工艺四川省都都汶高速速公路勘勘察钻探探项目泥浆工艺艺技术一、概况况