强抑制性冲洗液体系在铀矿钻探中的建立及运用.pdf

收稿日期:作者简介:曾令()男 湖南衡阳市人 钻探工程师 从事地质钻探等工作强抑制性冲洗液体系在铀矿钻探中的建立及运用曾 令(核工业二九研究所 广东 韶关)摘 要: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 不仅使生产进度减慢 而且带来极大的安全隐患 本文首先建立了铀矿钻探强抑制性冲洗液体系 优选复合硅酸盐抑制剂 并对配方进行优化 形成复合硅酸盐抑制剂技术 最后通过实验 验证了复合硅酸盐抑制剂的良好应用效果关键词:强抑制性 冲洗液 铀矿钻探 复合硅酸盐中图分类号:文献标识码:文章编号:()近年 铀矿已成为核电的重要能源矿产 目前发现的 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 以上 据相关专家预测 未来占比可达 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 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 砂岩型铀矿钻孔缩径分析 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 所示表 钻探区地层状况表.地层深度/岩性第四系以亚沙土、松散砂砾为主新近系以砂砾岩、砂质泥岩为主侏罗系中统以中细砂岩和泥岩为主侏罗系下统以细砂岩、中粗砂岩和泥岩为主 钻孔缩径情况统计钻孔钻进孔径 设计钻进深度 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 结果表明 钻孔缩径多出现在砂岩、泥岩、砂砾岩等互层段 钻孔缩径原因分析对出现钻孔缩径的矿井选取 个岩心样品取样分析 其矿物成分含量分析结果见表 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 样品含石英 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 后样品坍塌 后样品溃散 年第 卷 第 期 页 云 南 地 质/表 钻孔缩径统计表.钻孔编号钻孔深度/岩性中细砂岩、泥岩等中细砂岩、泥岩等砂砾岩、砂质泥岩等砂砾岩、砂质泥岩等中粗砂砾岩、泥岩等粉砂岩、泥岩等表 岩心取样及矿物成分含量分析表.岩心样品编号取样深度/矿物成分含量/石英黏土矿物钾长石斜长石 钻孔缩径原因:()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()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 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 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 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 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、/浓度的五种不同抑制剂溶液中浸泡 后 进行观察 观察结果如表 所示表 泥块浸泡测试结果.序号浸泡介质观察结果纯水泥块表面水化膨胀明显浓度 /氯化钾抑制剂泥块出现严重溃散浓度 /硅酸钠抑制剂泥块出现轻微溃散及水化膨胀浓度 /硅酸钾抑制剂泥块出现轻微溃散及水化膨胀浓度 /甲基硅酸纳抑制剂泥块出现轻微溃散及水化膨胀浓度 /甲基硅酸钾抑制剂泥块无明显坍塌及水化膨胀对泥块浸泡测试出现的结果分析:在浓度 /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 浸泡在甲基硅酸钾抑制剂中的泥块没有明显坍塌云 南 地 质 卷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 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用公式计算水化线性膨胀率 式中:水化线性膨胀率 单位 水化膨胀前的岩样高度 单位 水化膨胀后的岩样高度 单位 分别在纯水、/浓度和 /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 /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 /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 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 泥块浸泡测试及分析将泥块样品分别在 种不同抑制剂溶液中浸泡 后 测试结果见表 对 项对比 表明甲基硅酸钾抑制剂浓度小于 /时 其抑制能力随着浓度的增加而增加 两者为正比关系 对 项对比 复合硅酸盐抑制剂中硅酸钾占比 中的泥块 其水化膨胀比较轻微 而随着硅酸钾含量增加至、复合硅酸盐抑制剂的抑制能力成正比提高 对 项和 项进行对比 含有、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 泥块浸泡 小时测试结果.序号浸泡介质观察结果浓度 /甲基硅酸钾抑制剂泥块表面水化膨胀明显浓度 /甲基硅酸钾抑制剂泥块表面水化膨胀明显浓度 /甲基硅酸钾抑制剂泥块形态未出现明显变化浓度 /甲基硅酸钾 硅酸钾抑制剂泥块轻微水化膨胀浓度 /甲基硅酸钾硅酸钾抑制剂泥块形态未出现明显变化浓度 /甲基硅酸钾硅酸钾抑制剂泥块形态未出现明显变化 岩屑热滚回收测试分别将 的 目岩屑放入装有纯水、/浓度甲基硅酸钾抑制剂、/浓度硅酸钾抑制剂和 /浓度甲基硅酸钾 硅酸钾抑制剂的老化罐中进行 高温热滚 后进行冷却 并将岩屑放入 目筛 用水冲洗 分钟后将岩屑收集 再进行 烘干 后自然冷却至室温对岩屑进行称重计算热滚回收率 通过计算 岩屑在纯水中热滚回收率为 而在 /浓度硅酸钾抑制剂中热滚回收率为 在 /浓度甲基硅酸钾抑制剂中热滚回收率为 均高于 抑制性能较好 在 /浓度甲基硅酸钾 硅酸钾抑制剂中热滚回收率高达 协同抑制性能最佳 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 第 期曾令 强抑制性冲洗液体系在铀矿钻探中的建立及运用表 复合硅酸盐抑制剂冲洗液配方占比.配方纳基膨润土/范围 试验 试验 ()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 通过表 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 尤其是试验 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/进行流变性能测试 见表 由表 可知 复合硅酸盐抑制剂冲洗液在密度加重至 /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 从而满足各种钻孔工况需要表 复合硅酸盐抑制剂流变性能参数.配方/值试验 /试验 /表 密度加重后复合硅酸盐抑制剂流变性能参数.配方/值试验 /试验 /()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 的 目岩屑放入装有两种不同配方的老化罐中进行 高温热滚 后进行冷却 并将岩屑放入 目筛 用水冲洗 分钟后将岩屑收集 再进行 烘干 后自然冷却至室温 对岩屑称重计算热滚回收率 见表 表明在配方、复合硅酸盐抑制剂冲洗液中 岩屑热滚回收率远远高于 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 岩屑热滚回收率.配方岩屑热滚回收率/试验 试验 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 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 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 由表 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云 南 地 质 卷液 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表 现场实测冲洗液上返性能参数表.冲洗液粘度/失水量/动切力/密度/值氯化钾 复合硅酸盐 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参 考 文 献 康少伟.硅酸盐钻井液体系研究与应用.东北石油大学.李晓剑 丁德馨 张勇 等.某铀矿地浸采铀钻孔施工中缩径卡钻原因分析及解决措施.铀矿冶 ():.龙安厚 孙玉学 杨新斌 等.有机硅钻井液体系及其应用.大庆石油学院学报 :.丁锐 李健鹰.稀硅酸盐钻井液防塌性能的影响因素.石油学报 ():.李浩.水基成膜钻井液体系的研究与应用.四川成都:成都理工大学.郭健康 鄢捷年.硅酸盐钻井液体系的研究与应用.石油钻采工艺 ():.梁大川.硅酸盐钻井液稳定井壁机理分析.西南石油学院学报 ():徐加放 邱正松 吕开河 于连香.硅酸盐钻井液防塌机理与应用技术.石油勘探与开发 ():.陈仲银.对聚硅酸盐体系的认识及其在姬塬油田水平井钻探中的应用.内蒙古石油化工 ():.孟丽艳 黄宁 张麒麟.硅酸盐钻井液体系的研究进展.精细石油化工进展 ():.金军斌.新型硅酸盐无渗透钻井液体系的研究与应用.中国石油大学.蓝强 邱正松 等.值对硅酸盐钻井液性能的影响.石油钻采工艺 ():.(.):.:第 期曾令 强抑制性冲洗液体系在铀矿钻探中的建立及运用