复合硅酸盐成膜冲洗液在砂岩型铀矿钻探中的应用

2021-11-27晋少东李颖王琳郭明义

铀矿地质 2021年6期

晋少东，李颖，王琳，郭明义

（1.核工业二四三大队，内蒙古赤峰 024006；2.吉林大学建设工程学院，吉林长春 130026）

近年来，地质资料和铀成矿环境调研表明，松辽盆地具有较大的成（铀）矿潜力和找矿空间［1-2］。核工业二四三大队在该区域实施铀矿地质勘查钻探作业，具体工作区位于松辽盆地南部通辽市保康地区，勘探钻进施工中频繁遇到钻孔缩径，冲洗液增粘，钻头泥包等问题，极大地影响了施工安全和生产进度，造成该地区铀矿勘查进展缓慢［3］。针对保康地区钻井过程中存在的技术难点，本文系统表征了该地区易缩径失稳地层的地质特征，优选了甲基硅酸钾-硅酸钾复合硅酸盐抑制剂，通过对原有冲洗液配方优化，最终形成保康地区强抑制冲洗液技术。该技术应用于工作区块两个试验钻孔，均穿过了缩径地层，合计钻探工作量1 502 m，取得了良好的应用效果。

1 保康区块地质特征

保康区块内盖层厚度较大，由下至上分别为姚家组、嫩江组、四方台组、泰康组及第四系（表1）。基底主要为C-P 的变质岩、海西期花岗岩（γ4）和侏罗系的火山碎屑岩。其中泰康组、四方台组和嫩江组均以泥岩建造为主，姚家组是一套在干旱-半干旱条件下形成的以红色为主，局部为灰色的内陆碎屑岩沉积建造，由架玛吐凸起向两侧逐渐加深，其中姚家组砂体较为发育。工作区地层主要岩性为第四系松散砂岩、灰白色粗砂岩、粉砂岩、浅灰绿色或浅红色泥岩、泥质细砂岩、深灰色泥页岩、浅灰色细砂岩、灰色砂砾岩、灰、砖红、褐黄色中砂岩、细砂岩。钻进过程中频繁出现钻孔缩径地层，初步判断主要为泰康组的泥岩层，埋深一般为80～200 m，厚度一般为55～110 m。岩性主要为灰色绿色泥岩，夹薄层灰色砂岩，泥岩以块状构造为主；遇水后岩层体积膨胀，造成钻孔缩径卡钻，同时，泥岩岩屑水化以胶体或悬浮状态分散在水中造成冲洗液严重增粘，出现钻头泥包，无法保证安全施工。

表1 松辽盆地保康区块地层结构表Table 1 The stratigraphic structure of the Baokang area

1.1 矿物组成

选取施工中缩径明显的钻孔ZKBK21-7 为例，对出现缩径的井段岩心间隔取样，选取5 个岩心样品U01-U05（表2），进行全岩矿物和黏土矿物组分分析（表3，表4）。

表2 ZKBK21-7 岩心取样信息Table 2 Depth of the samples in well ZKBK21-7

表3 ZKBK21-7 岩心样品全岩矿物成分分析结果Table 3 The mineral composition of rock samples from well ZKBK21-7

由表3、表4 可知，取样岩心主要为长段泥岩地层，岩心样品主要成分为蒙脱石、石英及少量斜长石。随着井深增加，岩层中黏土矿物含量增加，由52 %提高至65 %左右，其中蒙脱石为主要黏土矿物，石英含量约占30%～40 %，U04 岩心样品中石英含量高达68.7 %，为砂岩段，该钻孔存在砂泥岩互层现象，且蒙脱石含量高。

1.2 复杂地层微观结构

岩心样品的微观形貌、孔隙结构、颗粒团聚状态影响其水化和分散特性。进一步利用扫描电子显微镜对岩心样品的微观结构进行表征（图1）。由图1a，1b，1d 可见，样品颗粒表面为不规则薄片状黏土矿物，结构松散，可观察到微米级孔洞，根据表3 和表4可知其主要为蒙脱石黏土矿物；而U04 岩心样品颗粒表面比较平整，只有少量片状黏土矿物，与物相分析结果一致，主要为砂岩，石英含量高。

图1 ZKBK21-7 孔岩心样品扫描电镜图Fig.1 SEM images of rock samples from well ZKBK21-7

表4 ZKBK21-7 岩心间隔取样全岩黏土矿物成分分析结果Table 4 The clay composition of the rock samples from well ZKBK21-7

1.3 岩心缩径机理分析

为明确钻进该地层时缩径原因，对岩心水化膨胀以及水化后晶体结构的变化进行分析。取ZKBK21-7 号钻孔U02、U03 号样品，将岩心样品浸泡在蒸馏水中，对浸泡不同时间的样品状态进行观察（图2，图3）。由图2，图3 可知，ZKBK21-7号钻孔岩心样品在水中水化膨胀分散程度严重，1 h 内立方体状样品已完全坍塌，5 h 后完全溃散。

图2 岩心浸泡1 h 后状态Fig.2 Images of samples immersed in water for 1 h

图3 岩心浸泡5 h 后状态Fig.3 Images of samples immersed in water for 5 h

利用X 射线衍射（X-ray diffraction，XRD）对岩心样品水化前后黏土矿物的层间距变化进行测试。选取U02、U03 岩心样品，分别对干燥的岩心样品、蒸馏水中浸泡后的湿样进行XRD 表征（图4）。

由图4 可见，干燥的岩心样品中蒙脱石001晶面间距为15 Å，样品水化后晶层间距增大至21 Å 左右。蒙脱石晶层间两面都是氧层，层间联结是较弱的分子间力，水分子易沿着硅氧层面进入晶层间，使层间距离增大，引起黏土的体积膨胀，水化分散。

图4 岩心样品X 射线衍射谱图Fig.4 XRD spectra of samples before and after immersion in water

综上分析，砂岩型铀矿地层缩径可能的原因如下［4］：

1）存在水侵入地层通道

砂泥岩互层的砂层孔隙以及泥岩中可能的裂隙通道为冲洗液中水进入黏土矿物含量高的泥岩地层提供了条件。

2）存在易水化膨胀黏土矿物

冲洗液中自由水进入泥岩后，泥岩中的水敏性黏土矿物发生水化膨胀而引起缩径。

通过分析保康区块缩径地层组构特征，可知该区块地层存在岩石黏土矿物含量高，且存在砂泥岩互层的特点。黏土矿物以蒙脱石为主，微米级孔隙、微裂缝较为发育，且水化膨胀情况严重。由于水分子与水合离子极易进入蒙脱石层间，当泥岩与冲洗液滤液接触时，通过表面水化和渗透水化作用，进入层间的水分子和水合离子引起晶层间距增大，导致黏土矿物颗粒体积膨胀，造成钻孔缩径；水化颗粒进入冲洗液则会引起粘度增大，性能不易控制等问题。因此使用普通水基冲洗液钻进该类地层时极易出现缩径、提下钻困难、泥包钻头，严重时发生卡钻，甚至孔眼闭合的情况。

2 强抑制性冲洗液体系

为解决保康区块孔壁缩径失稳问题，采用强抑制性冲洗液，同时适当调整冲洗液密度，保证冲洗液合理流变性，控制钻进速度、缓慢均匀提下钻等以降低物理冲刷作用，提高冲洗液的综合能力。

2.1 抑制性处理剂优选

通过泥球浸泡实验、线性膨胀测试对冲洗液抑制剂进行筛选，并进行了抑制性能评价［5-10］。

2.1.1泥球浸泡测试

以黏土样品在溶液中的水化状态为依据，将钠基膨润土制作的泥块分别浸泡在纯水、同浓度的不同抑制剂溶液中（图5）。由图5 可见，纯水中的泥块表面显著水化膨胀，氯化钾溶液中的泥块溃散严重，硅酸钠、硅酸钾以及甲基硅酸钠溶液中的泥球溃散程度稍弱但发生水化膨胀，而甲基硅酸钾中的泥块没有明显的水化膨胀和坍塌现象。泥块溃散是由于在高浓度的无机盐溶液中，周围环境离子浓度大于泥块内离子浓度，由于浓差效应和离子交换作用，K+离子进入黏土矿物层间，抑制颗粒水化膨胀，但表面水化导致颗粒间粘结作用减弱，球形聚集结构被破坏。硅酸钾溶液中的泥球相较于硅酸钠溶液，水化膨胀程度较弱，由于Na+离子交换性相对K+离子低，黏土颗粒发生一定的水化膨胀，水分子进入球体内部颗粒表面受到一定阻力。甲基硅酸钾溶液中黏土球表面水化极弱，且结构保持完整，无坍塌溃散现象。可能的原因是解离后的甲基硅酸阴离子在粘土表面吸附成膜，降低表面能，阻止水分子的进入，使泥块结构胶结牢固不易分散［6，11］。

图5 泥块在清水和0.2 mol/L 浓度的不同抑制剂溶液中浸泡2 h 后照片Fig.5 Photos of mud pellets immersed in water and different inhibitor solutions for 2 h

2.1.2线性膨胀测试［6-7］

水化线性膨胀测试可以模拟孔内冲洗液与岩层接触，通过测量含膨润土人工压制样品与溶液接触时发生水化膨胀的高度，计算线性膨胀率，见公式（1）。

式中：η—线性膨胀率，%；h1—膨胀前岩样高度，mm；h2—膨胀后岩样高度，mm。

含膨润土人工样品在蒸馏水、甲基硅酸钾以及其他抑制剂溶液中的线性膨胀曲线，相比蒸馏水，含抑制剂溶液均能有效抑制黏土水化膨胀（图6）。0.1 mol/L 溶液浓度下，硅酸钾线性膨胀率相对氯化钾和甲基硅酸钾最先达到平衡，具有更好的抑制水化效果。在等离子浓度（0.2 mol/L）条件下，样品在甲基硅酸钾溶液中水化膨胀最快达到平衡，且线性膨胀率最低，甲基硅酸钾具有相对良好的抑制效果。

图6 膨润土在蒸馏水和不同抑制剂溶液中的线性膨胀曲线Fig.6 Linear swelling curves of bentonite in water and inhibitor solutions

2.2 复合硅酸盐抑制剂优选

通过对抑制剂单剂性能进行评价，选定甲基硅酸钾和硅酸钾溶液进行复配性能评价［12-13］。

2.2.1泥球浸泡测试

泥球置于不同抑制剂溶液12 h 后，0.2 mol/L甲基硅酸钾溶液中泥球（c 泥球）形态未发生明显变化，而a、b 泥球发生明显水化膨胀，表明甲基硅酸钾在浓度低于0.2 mol/L 时，抑制能力与浓度成正比（图7）。含有0.5%硅酸钾的复合硅酸盐溶液中的泥球发生轻微水化膨胀，随硅酸钾含量增加，抑制效果成正比提高；有机-无机复合硅酸盐溶液中（图7d、7e、7f）泥球结构完整未发生明显变化。对比图7c、7f，0.2 mol/L 甲基硅酸钾与1.0～2.0%硅酸钾复配明显提高了甲基硅酸钾的抑制能力，由于K+浓度提高，进入黏土晶层间降低黏土水化应力，同时表面成膜协同作用有效地抑制了泥球的水化膨胀。

图7 泥球浸泡12 h 后水化分散照片Fig.7 Photos of mud pellets immersed in different concentration of silicate solutions

2.2.2页岩热滚回收测试

称取6～10目的50 g岩屑分别加入装有蒸馏水、不同配比复合硅酸盐溶液的老化罐中，将老化罐置于滚子加热炉中，在120 ℃高温下热滚16 h。冷却后将岩屑取出过40目筛，流动清水冲洗1 min；将收集的岩屑放置烘箱中，在105 ℃下干燥5 h 后放置室温称量质量，计算岩屑热滚回收率。

岩屑在清水中的回收率为18%，在甲基硅酸钾和硅酸钾中回收率大于90%，具有良好的抑制性；在两者复合溶液中回收率为98%，具有较好的协同抑制效果（表5）。

表5 不同抑制剂溶液中的岩屑回收率Table 5 Shale cuttings recovery rate in different inhibitor solutions

2.2.3岩心矿物晶面间距测试

为明确复合硅酸盐抑制剂对岩心抑制作用，对岩心样品在复合硅酸盐溶液中处理后进行了X-射线衍射测试。对比岩心样品中蒙脱石黏土矿物的层间距变化，明确甲基硅酸钾/硅酸钾抑制剂对工作区岩心水化膨胀的抑制效果。

随着水分子进入黏土矿物晶层间，蒙脱石（001）晶面间距会增加（图8）。由图8 可见，对ZKBK21-7 的U02，U03 岩心样品进行了测试，因岩心样品为钻取后直接保存，岩心中黏土矿物有一定水化膨胀发生，蒙脱石（001）晶面间距为15 Å 左右。在复合抑制剂中浸泡的样品中蒙脱石（001）晶面间距与原始岩样晶面间距相比无明显变化，在蒸馏水中处理的样品晶面间距增加，说明复合抑制剂作用显著，可以有效地抑制黏土矿物的水化膨胀。

图8 工作区岩心样品在不同抑制剂处理前后XRD 谱图Fig.8 XRD spectra of core samples before and after treatment with different inhibitor solutions

2.3 强抑制性冲洗液配方研究

现场钻进施工起初使用氯化钾冲洗液配方，长井段缩径问题突出，因此在此基础上加入复合抑制剂对配方进行优化［13-14］。优化后的冲洗液配方具有较强抑制性和良好的流变性，失水量较低，同时配方成分简单，绿色环保。

通过正交实验最终确定的冲洗液基础配方为：

2%～3%钠基膨润土＋0.5%～1.5%CMC＋0.1%～0.2%K-PAM＋0.5%KCl＋0.5%K2SiO3＋2%～3%PMS＋1%～2%CaCO3。以其中两组配方为例进行试验研究（表6）。

表6 冲洗液配方Table 6 Formula of drilling fluid

2.3.1冲洗液配方流变性能

在原有氯化钾冲洗液配方基础上加入复合硅酸盐后，冲洗液配方的粘度降低，动切力在合理范围内，有利于钻具钻进。尤其2#冲洗液配方滤失量降低了43%，具有良好的降滤失效果，且动塑比稳定，具有良好的携岩能力（表7）。

表7 冲洗液的性能参数Table 7 The parameters of drilling fluid

由于粘土层水化膨胀产生一定的膨胀压力，同时地层易产生蠕变，通过适当提高冲洗液的密度，能够平衡粘土地层的膨胀压力和蠕变应力［15］，因此对上述冲洗液添加重晶石粉提高密度，并对加重后冲洗液性能参数进行了测试（表8）。

由表8 可见，密度加重至1.3 g/cm3后，强抑制性冲洗液粘度和切力等流变参数稳定，滤失量相较氯化钾冲洗液配方进一步降低，有利于减弱地层的水化程度，保证施工安全进行，重晶石与强抑制性冲洗液的适配性好，从而可以根据施工井段配制不同密度的冲洗液满足钻孔需求。

表8 加重后冲洗液的性能参数（ρ=1.3 g/cm3）Table 8 The parameters of weighted drilling fluid（ρ=1.3 g/cm3）

2.3.2冲洗液配方抑制性能

为评价冲洗液配方的抑制性能，进行了页岩热滚回收测试。称取6～10 目的50 g 页岩岩屑，放入3 %膨润土基浆以及0#、1#、2#冲洗液中在80 ℃条件下热滚16 h，取出岩屑过40 目筛，并在清水下冲洗1 min。将收集到的岩屑在105 ℃条件下放置5 h，烘干称量质量，计算岩屑回收率（表9）。

表9 页岩热滚回收率Table 9 Shale cuttings recovery rate in different drilling fluids

由表9 可见，3 %基浆中岩屑热滚回收率为25.6 %，岩屑在1#、2#冲洗液中热滚后回收率均大于90 %，且能维持完整的原始形貌，说明复合硅酸盐-氯化钾冲洗液具有良好的抑制性。

3 现场应用

近年来在保康区块使用普通冲洗液和氯化钾冲洗液钻进施工中，多个孔出现缩径事故导致钻孔报废，而且成功终孔的钻孔台月效率均低于950 m/台月，而使用强抑制性冲洗液后台月效率提高至1 100～1 300 m/台月。

强抑制性冲洗液技术在保康区块的两个试验钻孔进行了现场试验，顺利钻穿了长段缩径地层，取得了良好的应用效果。其中一个孔钻进至87.85 m 处遇到缩径地层，无法钻进，换用复合硅酸盐冲洗液配方，顺利穿过约30 m 厚缩径最严重的孔段。钻穿119 m 后，缩径卡钻现象减弱，正常钻进至664.3 m 终孔。与孔内上返氯化钾配方冲洗液相比，现场测得的复合硅酸盐冲洗液漏斗粘度、动切力和滤失量显著减小，有效提高了钻进速度，强抑制性冲洗液配方能有效改善原配方的流变性能以及提高其降滤失效果（表10）。使用氯化钾冲洗液钻孔得到的岩心不完整，且出现膨胀、剥离，孔内出现卡钻情况。换用复合硅酸盐强抑制冲洗液后，钻探取得到的岩心完整，未发生明显水化膨胀、卡钻现象，与原氯化钾配方相比，优化后的配方具有强抑制性，并且大大减少了扫孔次数以及处理孔内事故的时间和成本（图9）。该钻孔顺利终孔说明优选了冲洗液配方，结合合适的钻进工艺可以解决蒙脱石黏土矿物含量高的泥岩缩径钻进难题，保障安全施工，提高钻进效率并能降低成本，推进该地区的铀矿勘查项目工作。