強(qiáng)抑制性沖洗液體系在鈾礦鉆探中的建立及運(yùn)用

曾 令

(核工業(yè)二九〇研究所 廣東 韶關(guān) 512000)

近年，鈾礦已成為核電的重要能源礦產(chǎn)，目前發(fā)現(xiàn)的180多種鈾礦物，其中有二十多種能夠用來(lái)工業(yè)開(kāi)采。在中國(guó)，鈾礦主要有四種類(lèi)型，其中砂巖型鈾礦在資源儲(chǔ)量占比達(dá)40%以上，據(jù)相關(guān)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，未來(lái)占比可達(dá)70%以上。我國(guó)已探明的砂巖型鈾礦主要分布在內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)，隨著“煤鈾”、“油鈾”兼探找礦方式應(yīng)用、砂巖型鈾礦成礦理論的深入研究、地浸采鈾工藝進(jìn)步，為我國(guó)探尋了更多的優(yōu)質(zhì)鈾礦產(chǎn)[1]。

在鈾礦鉆探施工中，經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔縮徑、卡鉆、鉆頭泥包等故障，不僅給生產(chǎn)進(jìn)度帶來(lái)嚴(yán)重制約，而且造成了較大的安全隱患，減緩了整個(gè)鈾礦勘察工作進(jìn)度[2]。本文以某地砂巖型鈾礦為例，對(duì)鉆孔縮徑產(chǎn)生的原因分析，建立鈾礦鉆探強(qiáng)抑制性沖洗液體系，對(duì)復(fù)合硅酸鹽抑制劑進(jìn)行方案優(yōu)選，并對(duì)其復(fù)合配方優(yōu)化，形成復(fù)合硅酸鹽抑制劑技術(shù)，并將該技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，驗(yàn)證應(yīng)用效果。

1 砂巖型鈾礦鉆孔縮徑分析

1.1 工程地質(zhì)概況

某地砂巖型鈾礦鉆探區(qū)地勢(shì)平坦，地層自上向下如表1所示。

表1 鉆探區(qū)地層狀況表

1.2 鉆孔縮徑情況統(tǒng)計(jì)

鉆孔鉆進(jìn)孔徑168mm，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度420m。鉆孔中部分鉆孔出現(xiàn)不同程度的縮徑現(xiàn)象，鉆孔縮徑統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。結(jié)果表明，鉆孔縮徑多出現(xiàn)在砂巖、泥巖、砂礫巖等互層段。

表2 鉆孔縮徑統(tǒng)計(jì)表

1.3 鉆孔縮徑原因分析

對(duì)出現(xiàn)鉆孔縮徑的礦井選取5個(gè)巖心樣品取樣分析，其礦物成分含量分析結(jié)果見(jiàn)表3。表明取樣巖心樣品的主要成分是黏土礦物及石英。隨著深度增加，以蒙脫石為主的黏土礦物含量增加明顯，U4樣品含石英68.8%，鉆孔存在砂巖和泥巖互層情況。將巖心樣品浸泡在蒸餾水中進(jìn)行水化膨脹觀察，浸泡1h后樣品坍塌，4h后樣品潰散。

表3 巖心取樣及礦物成分含量分析表

鉆孔縮徑原因：(1)砂巖和泥巖互層處的孔隙和泥巖中裂縫，易使沖洗液中所含有的水分子、水合離子進(jìn)入泥巖地層[3]；(2)泥巖中黏土礦物吸收沖洗液中水分子、水合離子，出現(xiàn)水化膨脹，最終導(dǎo)致鉆孔縮徑等故障發(fā)生[4]。因此，使用普通水基沖洗液進(jìn)行鉆探，容易出現(xiàn)鉆孔縮徑、卡鉆，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)孔眼閉合問(wèn)題，在沖洗液選擇上需加強(qiáng)研究。

2 強(qiáng)抑制性沖洗液體系的建立

為了解決鈾礦鉆探中鉆孔縮徑等問(wèn)題，需使用強(qiáng)抑制性沖洗液，且需對(duì)強(qiáng)抑制性沖洗液的密度調(diào)整恰當(dāng)，使強(qiáng)抑制性沖洗液的流變性適應(yīng)鉆孔需要，使鉆孔的速度以及均勻性能夠得到有效控制[5]，從而使物理沖刷作用得到緩解，強(qiáng)抑制性沖洗液的綜合能力得到提升。通過(guò)泥塊浸泡、水化線性膨脹等測(cè)試進(jìn)行強(qiáng)抑制性沖洗液的篩選及抑制性能評(píng)價(jià)。

2.1 泥塊浸泡測(cè)試及結(jié)果分析

用納基膨潤(rùn)土制作泥塊樣品，并將其分別放入純水、0.2mol/L濃度的五種不同抑制劑溶液中浸泡2h后，進(jìn)行觀察。觀察結(jié)果如表4所示。

表4 泥塊浸泡測(cè)試結(jié)果

對(duì)泥塊浸泡測(cè)試出現(xiàn)的結(jié)果分析：在濃度0.2mol/L氯化鉀抑制劑中，泥塊的離子濃度小于無(wú)機(jī)鹽溶液的離子濃度，在濃差效應(yīng)作用下，發(fā)生離子交換，使鉀離子進(jìn)入泥塊層間，對(duì)泥塊內(nèi)部水化膨脹進(jìn)行抑制，但泥塊表面的水化使泥塊內(nèi)部的粘結(jié)能力降低，內(nèi)部的聚集結(jié)構(gòu)受到破壞。與硅酸鉀抑制劑相比，硅酸鈉抑制劑中泥塊水化膨脹程度略大，原因是鈉離子的交換性小于鉀離子，泥塊發(fā)生水化膨脹后，水分子在進(jìn)入泥塊內(nèi)部時(shí)受到一定的阻力[6]。浸泡在甲基硅酸鉀抑制劑中的泥塊沒(méi)有明顯坍塌，而且表面水化膨脹較小，主要原因是甲基硅酸陰離子被泥塊表面吸附后，在泥塊表面形成膜，使泥塊的表面能減小，使泥塊的結(jié)構(gòu)牢固，水分子無(wú)法進(jìn)入[7]。

2.2 水化線性膨脹測(cè)試及結(jié)果分析

水化線性膨脹測(cè)試，通過(guò)對(duì)沖洗液與鉆孔之間的接觸情況模擬，測(cè)量樣品和沖洗液接觸時(shí)，出現(xiàn)水化膨脹的巖樣高度[8]。

分別在純水、0.1mol/L濃度和0.2mol/L濃度的六種沖洗液中進(jìn)行水化線性膨脹測(cè)試。與純水相比較，六種沖洗液均能對(duì)樣品的水化膨脹起到有效的抑制。在三種濃度0.1mol/L沖洗液中，硅酸鉀沖洗液水化線性膨脹率最早達(dá)到平衡，抑制水化膨脹效果最佳。在三種濃度0.2mol/L沖洗液中，甲基硅酸鉀沖洗液的水化線性膨脹率最早達(dá)到平衡，而且其水化線性膨脹率最小，抑制水化膨脹效果最佳。

3 復(fù)合硅酸鹽抑制劑優(yōu)選

通過(guò)對(duì)各抑制劑測(cè)試及分析，最終選擇將硅酸鉀和甲基硅酸鉀沖洗液進(jìn)行復(fù)合，進(jìn)行泥塊浸泡、巖屑熱滾回收等測(cè)試，并進(jìn)行硅酸鉀和甲基硅酸鉀兩者配比研究。

3.1 泥塊浸泡測(cè)試及分析

將泥塊樣品分別在6種不同抑制劑溶液中浸泡12h后，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。對(duì)1-3項(xiàng)對(duì)比，表明甲基硅酸鉀抑制劑濃度小于0.2mol/L時(shí)，其抑制能力隨著濃度的增加而增加，兩者為正比關(guān)系；對(duì)4-6項(xiàng)對(duì)比，復(fù)合硅酸鹽抑制劑中硅酸鉀占比0.5%中的泥塊，其水化膨脹比較輕微，而隨著硅酸鉀含量增加至1%、2%，復(fù)合硅酸鹽抑制劑的抑制能力成正比提高；對(duì)3項(xiàng)和6項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比，含有1%、2%硅酸鉀的復(fù)合硅酸鹽抑制劑能有效提升甲基硅酸鉀抑制能力。隨著鉀離子濃度增加，泥塊的水化應(yīng)力降低，再加上泥塊表面成膜的作用，能夠使泥塊水化膨脹得到明顯抑制。

表5 泥塊浸泡12小時(shí)測(cè)試結(jié)果

3.2 巖屑熱滾回收測(cè)試

分別將50g的10目巖屑放入裝有純水、0.2mol/L濃度甲基硅酸鉀抑制劑、0.2mol/L濃度硅酸鉀抑制劑和0.2mol/L濃度甲基硅酸鉀+0.5%硅酸鉀抑制劑的老化罐中進(jìn)行120℃高溫?zé)釢L，16h后進(jìn)行冷卻，并將巖屑放入40目篩，用水沖洗1分鐘后將巖屑收集，再進(jìn)行105℃烘干5h后自然冷卻至室溫，對(duì)巖屑進(jìn)行稱(chēng)重計(jì)算熱滾回收率[9]。通過(guò)計(jì)算，巖屑在純水中熱滾回收率為19%，而在0.2mol/L濃度硅酸鉀抑制劑中熱滾回收率為93.2%，在0.2mol/L濃度甲基硅酸鉀抑制劑中熱滾回收率為94.6%，均高于90%，抑制性能較好，在0.2mol/L濃度甲基硅酸鉀+0.5%硅酸鉀抑制劑中熱滾回收率高達(dá)98.1%，協(xié)同抑制性能最佳。

3.3 復(fù)合硅酸鹽抑制劑優(yōu)化分析

使用正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液中各成分占比進(jìn)行確定，選取兩組配方進(jìn)行試驗(yàn)，復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液各成分占比及兩組試驗(yàn)配方占比見(jiàn)表6。

表6 復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液配方占比

(1)流變性能測(cè)試分析

對(duì)兩種配方的復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液進(jìn)行流變性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7。通過(guò)表7可知，復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液的粘度降低，其動(dòng)切力能夠便于鉆具鉆進(jìn)[10]，尤其是試驗(yàn)2配方，其降失水效果明顯，而且具有穩(wěn)定的動(dòng)塑比，攜帶巖石的能力更強(qiáng)；沖洗液密度增加，能夠?qū)⒌讓铀蛎浶纬傻膲毫腿渥冃纬傻膽?yīng)力進(jìn)行平衡。對(duì)兩種配方的復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液加入重晶石粉，使其密度增大至1.3g/cm3，進(jìn)行流變性能測(cè)試，見(jiàn)表8。由表8可知，復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液在密度加重至1.3g/cm3以后，粘度和動(dòng)切力等參數(shù)穩(wěn)定，失水量進(jìn)一步減小，能夠使地層水化程度降低，可根據(jù)施工需要進(jìn)行不同密度復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液配置[11]，從而滿(mǎn)足各種鉆孔工況需要。

表7 復(fù)合硅酸鹽抑制劑流變性能參數(shù)

表8 密度加重后復(fù)合硅酸鹽抑制劑流變性能參數(shù)

(2)抑制性能測(cè)試分析

通過(guò)巖屑熱滾回收試驗(yàn)，對(duì)兩種不同配方的復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液進(jìn)行抑制性能測(cè)試。分別將50g的10目巖屑放入裝有兩種不同配方的老化罐中進(jìn)行120℃高溫?zé)釢L，16h后進(jìn)行冷卻，并將巖屑放入40目篩，用水沖洗1分鐘后將巖屑收集，再進(jìn)行105℃烘干5h后自然冷卻至室溫，對(duì)巖屑稱(chēng)重計(jì)算熱滾回收率，見(jiàn)表9。表明在配方1、2復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液中，巖屑熱滾回收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于90%，而且能夠使形貌得到完整保持，證明復(fù)合硅酸鹽抑制劑抑制性能較佳。

表9 巖屑熱滾回收率

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用氯化鉀沖洗液和復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，首先使用氯化鉀沖洗液，在鉆孔至89.6m時(shí)出現(xiàn)縮徑，無(wú)法繼續(xù)鉆進(jìn)，改用復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液后，順利的鉆過(guò)厚度約20m的縮徑嚴(yán)重孔段，鉆穿該孔段后，鉆孔縮徑、卡鉆情況減弱，能夠最終鉆至終孔位置?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得兩種沖洗液的上返性能參數(shù)見(jiàn)表10。由表10可知，復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液的粘度、失水量和動(dòng)切力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氯化鉀沖洗液，流變性能和降失水效果得到有效改善，鉆探速度得到有效提升。通過(guò)對(duì)巖心進(jìn)行觀察，鉆探時(shí)使用氯化鉀沖洗液，巖心外觀不完整，并且有膨脹和剝離等情況發(fā)生；而使用復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液，巖心外觀完整，沒(méi)有明顯的膨脹、卡鉆等情況出現(xiàn)。復(fù)合硅酸鹽抑制劑沖洗液具有較強(qiáng)抑制性，而且是使縮孔次數(shù)降低，處理故障時(shí)間和成本得到大幅降低，能夠解決黏土礦物含量高的泥巖在鉆探時(shí)的鉆孔縮徑問(wèn)題[12]。

表10 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沖洗液上返性能參數(shù)表

5 結(jié) 語(yǔ)

本文首先對(duì)鈾礦鉆探中出現(xiàn)鉆孔縮徑的原因進(jìn)行分析，并提出了強(qiáng)抑制性沖洗液對(duì)降低鉆孔縮徑的作用，對(duì)不同強(qiáng)抑制性沖洗液的性能進(jìn)行研究，從中對(duì)其成分進(jìn)行優(yōu)化，形成復(fù)合硅酸鹽抑制劑配方，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在縮徑最嚴(yán)重孔段未出現(xiàn)縮徑及卡鉆情況，證明研究的復(fù)合硅酸鹽抑制劑不僅可以使鉆孔質(zhì)量得到保證，而且使工作效率得到明顯提升。