泥浆试验与应用研究报告

1、卡瓦一带铁矿区地质钻探泥浆试验与应用研究甘肃省地质矿产勘查开发局第四地质矿产勘查院二0一五年九月卡瓦一带铁矿区地质钻探泥浆试验与应用研究院 长: 尚晓龙总工程师: 丁书宏项目负责: 王 伟技术负责: 李建兵报告审核: 周青荔报告编写: 李建兵 李兴兵甘肃省地质矿产勘查开发局第四地质矿产勘查院二0一五年七月关于卡瓦一带铁矿区地质钻探泥浆试验与应用研究的审查意见目 录一、项目情况概述1二、泥浆实验室配置情况2三、卡瓦铁矿区地理、自然、地层条件5（一） 矿区地理交通条件5（二） 矿区自然经济状况6（三） 矿区地理、地层情况7（四） 矿区主要地层化学组份及性状分析12四、泥浆的室内研究试验14（一）

2、泥浆的选择依据及设计理念14（二） 泥浆室内试验16（三） 岩样浸泡试验20五、卡瓦铁矿钻进泥浆应用分析与使用管理28（一） 泥浆的选择28（二） 泥浆使用维护管理原则29六、研究试验项目成果总结31一、项目情况概述甘肃省肃南裕固族自治县卡瓦一带铁矿（以下简称卡瓦一带铁矿）2012年被列为甘肃省地勘基金项目，也是全局重点找矿靶区。在2012年度设计钻探工作量9100米，投入了14台套钻机，完成钻孔22个，完成钻探工作量6579米，占设计工作量的72.4%。报废工作量1500余米。2014年在卡瓦一带铁矿古浪峡设计钻探工作量10000米，在塔里干沟设计钻探工作量8000米。四勘院钻探公司承担了该

3、矿区的岩心钻探任务。通过几年地质找矿，地质找矿有明显突破，成果显著，而作为重要找矿手段的钻孔施工出现事故多，进度缓慢等情况，影响了项目的整体进度。根据历年钻探施工情况分析，矿区地层复杂，钻井生产事故多、效率低，设备运输、搬迁难度大，海拔高，气候条件差是造成矿区钻探施工效率低下的重要原因。2014年度，院为保证年度钻探工程顺利完成，采取了增开钻机台数、优化矿区道路、改善职工生活、生产条件等措施，同时安排院钻探公司从技术角度入手，研究、改进钻进技术、工艺，做好矿区钻探生产的技术保障工作。从钻探工艺、技术角度及卡瓦铁矿区2012年、2013年钻井生产实际情况分析，泥浆工艺不过关是造成矿区钻探效率低下

4、的主要因素。钻探生产孔内事故多，钻孔报废率高，造成钻探进尺缓慢，效率低下。研究配置适合矿区钻探生产的泥浆，是提高矿区钻探效率的主要技术攻关方向。2014年4月，院决定由钻探公司牵头，成立“卡瓦铁矿区钻井泥浆研究试验小组”，着力解决卡瓦矿区钻探泥浆技术问题。研究小组项目负责人为钻探公司经理李永华，技术负责人为钻探公司总工程师王伟，小组成员李建兵、范红兵、李兴兵。研究、试验经费来源：院划拨10万元，主要用于人员补贴及野外试验差旅费；局申请新技术项目配套资金10万元，主要用于购买泥浆试验仪器及泥浆材料。项目总计经费20万元。2014年5月，研究小组在野外对卡瓦铁矿区主要地层的岩石进行取样，在实验室配

5、置多种泥浆进行浸泡试验。2014年6月-11月，研究小组选择矿区WZK0008、WZK1607、WZK2211三个钻孔，对于室内研究的泥浆配方进行了实践检验。现就卡瓦铁矿区钻井泥浆研究工作的基本情况及研究成果向院、局进行书面汇报。二、泥浆实验室配置情况 由于卡瓦一带的地质构造特点，钻孔施工必须在泥浆的应用方面要有足够的准备，所以我院专门针对其地层特点，利用实验室来配制出适合该地区钻孔施工的泥浆配方，进而达到预期的目的。 为了配合钻机在该地区顺利施工，我院根据上级部门的批示，组织相关人员对原泥浆实验室进行了恢复重建，在各级领导的大力支持和帮助下，实验室的恢复重建得以顺利完成，从而为野外生产施工的

6、泥浆方面提供了技术支持。在充分了解了市场后，购进一批现在市场比较应用广泛的泥浆材料及其有机处理剂，泥浆实验室按照项目现场工作情况，并结合地质工作的特点。其实验器材及各种实验室附件的配备如下表（见表一）。表一、实验室设备材料清单序号名称规格单位数量备注1中央实验台3.6*1.5*0.8台1不锈钢台面2机台配套箱WTG144-20套4泥浆仪器3电子天平0.01台14万用电炉2000W台15游标卡尺150个16烧杯100ml个57150ml个58250ml个59500ml个510玻璃量杯（京玻）250ml个411500ml个4121000ml个413塑料量杯500ml个5141000ml个515不锈

7、钢药匙套216塑料药匙套217万能烧杯架个518玻璃棒30根519广口瓶2500ml个1020广谱试纸0-14包5021洗量筒刷子250ml个522500ml个5231000ml个524药品方盘个4不锈钢25刻度吸管10ml支20玻璃26洗耳球个527刻度试管10ml个20玻璃2820ml个20玻璃29定性滤纸中速11盒230筛子100目个331180目个332试管架24支个133扣取纸张1034透明胶带宽卷135乳胶手套防酸防碱双2036线手套双2037工作服175件438180件239毛巾条2040肥皂块1041洗衣粉大袋包142拖把、扫把、垃圾斗套243水桶80L个4塑料钢4418L个6

8、塑料钢45水盆个6塑料46大铁勺个247三乙醇胺AR500克瓶2调制剂4812烷基苯磺酸钠AR00克瓶1调制剂49水玻璃25公斤/桶桶1调制剂50聚丙烯酰胺25kg/袋袋20泥浆材料51纤维素25kg/袋袋40泥浆材料52降失水剂20kg/袋袋25泥浆材料53低粘增效粉25kg/袋袋40泥浆材料54改性沥青防塌剂25kg/袋袋20泥浆材料55广谱护壁剂25kg/袋袋40泥浆材料56片碱25kg/袋袋1泥浆材料57办公桌张1富康牌58办公椅把1富康牌59文件柜组2铁皮泥浆实验室的恢复重建工作结束后，我们积极组织相关人员针对卡瓦矿区的地层，经过多次实验室试验和现场试验，总结出适合该矿区的泥浆配方，

9、解决了施工中的难题，为顺利完成当年的生产任务起到了关键的作用。下图为实验室的部分影像资料（见图1）。 图1 泥浆实验操作三、卡瓦铁矿区地理、自然、地层条件（一） 矿区地理交通条件普查区位置位于甘肃省肃南裕固族自治县北西方向，直距约90km的洪水坝河上游，行政区划属甘肃省肃南裕固族自治县管辖。工作区范围地理坐标为：东经98°230098°3230，北纬39°041539°0600，面积37.48km2。矿区南约4km处有祁镜公路分别与肃南县、肃南县祁青乡相通，由酒泉市向西沿公路至祁丰区文殊镇，再由文殊镇经简易公路至冰沟口后沿沿山公路至镜铁山工矿区，经祁青乡

10、，可达勘查区。通往矿区各个矿段的便道通过2012年2014年的修筑和维修，基本可以通往区内的主要钻孔位置，为后期的工作提供了便利。矿区交通位置如图（见图2）。（二） 矿区自然经济状况工作区属高寒半干旱气候，年平均气温0.6,年降水量约234mm350mm，降雨主要集中在7月8月；降雪主要集中在3月4月,9月中旬至翌年5月底为冰冻期，冬春季长而寒冷，夏秋季短而凉爽。工作区属高山区，山脉延展方向为NWSE向，海拔在3900m4600m之间，相对高差最大700m。矿带大面积分布于山脊南坡，西段分布于山脊北坡。区内沟谷发育，谷内有季节性流水，为生产、生活用水提供了便利。矿区地处裕固族、藏族游牧区，自然

11、条件较差，经济落后。周围有少量季节性游牧民以牧业为生，人员分布零散。工业以个体采矿业为主，近几年由于矿业管理力度加大，一些个体采矿者由于无证照经营，已被取缔。工作区生产、生活用水可就地解决，但矿区燃料及其它生活和生产物资缺乏，需由酒泉市、肃南县供应。矿区无电力供应，离矿区50km外的祁青乡有动力用电，矿床开发时可从祁青乡引进。图3 矿区地形、地貌图（三） 矿区地理、地层情况工作区处于柴达木祁连板块北祁连早古生代褶皱带、走廊南山地体与托莱南山地体的结合部位。地层属华北地层大区、秦祁昆地层区、祁连-北祁连地层分区、北祁连地层小区。矿区内圈定铁矿体64条，大部分赋存于长城系桦树沟组粉砂质板岩内，矿体

12、顶底板均为粉砂质板岩，顶板以灰绿色、紫红色板岩为特征，底板以浅灰色黄铁矿化板岩为特征，底板近矿围岩有一层黑灰岩，为特殊层位。矿体大部分呈层状、条带状分布。矿区铁矿体成矿作用主要经历了同生沉积作用，后又经历了成岩作用、变质作用和成矿后生作用。矿区岩石地表风化较深，整体发育板状、千枚状构造、劈理构造，硬度不大，在外力作用下易于破碎；加之岩层节理发育，较易剥落。地表岩石力学强度低。矿床地层岩性较简单，地质构造发育，岩石整体强度高，稳定性较好。因局部风化带、蚀变带、软弱夹层或构造断裂的存在，岩石整体性和稳定性明显降低，易发生矿山工程地质问题。因此，初步确定矿床工程地质条件为中等。工作区地层破碎，断裂发

13、育，造成钻探施工不顺利，对项目勘查工作有一定的影响。岩层基本序如下图。图4 岩层基本层序 矿区西南、北东方向大面积出露，主要岩性为浅灰白色白云岩，偶见有紫红色砂质板岩夹层。地层整体展布方向为北西向，局部产状杂乱，与下伏地层为推覆断层接触，偶见断层接触面产状陡直，判断为推覆后经过二次运动产生的陡倾正断层。局部接触关系为角度不整合。五个山组推覆于桦树沟之上，使桦树沟组呈构造窗出现。 图5 青白口地层呈推覆体形式于桦树沟地层之上矿区内变质程度不高，发育的变质作用主要有区域变质作用、动力变质作用以及自变质作用。板岩、变砂岩、安山岩等均有粒度很小的新生矿物（绿泥石、绢云母、绿帘石等）生成，但矿物的重结晶

14、作用并不明显，没有特征变质矿物出现，故属绢云母绿泥石带，为区域造山变质作用的低绿片岩相。动力变质作用主要体现在地表及钻孔中出现的各类碎裂岩，脆性变形明显。自变质作用主要发生在超基性岩中，致使其转变为蛇纹岩。区域造山变质作用主要发生在加里东期，动力变质作用一部分发生在加里东期，一部分则发生在加里东期期后，但是具体时期未知，自变质作用时期未知。矿体围岩主要为浅变质的碎屑岩为主，夹少量的碳酸盐岩，其次为火山岩（安山岩及玄武岩），蚀变主要见有绿泥石化、绢云母化、碳酸盐化、绿帘石化、及局部的粘土化。绿泥石化：发育于板岩及火山岩中。绿泥石呈细小纤维状集合体定向-弱定向分布，在板岩中构成板理，在火山岩中致使

15、岩石具片理化。绢云母化：发育于板岩及火山岩中。绢云母呈丝绢光泽细小鳞片状分布，在板岩中构成板理，在火山岩中致使岩石具片理化。碳酸盐化：主要发育于矿区东部的安山岩中，碳酸盐成分主要为方解石，岩石蚀变强烈，局部可见大量的碳酸盐细脉。绿帘石化：主要发育于安山岩中，在板岩中也偶有发育。绿帘石呈细小纤维状集合体弱定向分布，致使岩石具弱片理化。矿区矿体倾角一般在65°-83°之间，设计钻孔的倾角在74°-83°之间，多数在80°。从2012年、2013年钻探施工情况看，矿区地层断裂、褶皱较多，板岩、千枚岩、安山岩等水敏性强的岩类受地质构造作用影响，局部蚀变

16、破碎严重，给钻探生产造成一定困难。矿区探槽揭露的复杂地层情况如下图。图6 探槽揭露的水敏性强的破碎层图7 节理发育的易漏失层图8 复杂地层的岩心图图9 复杂地层的岩心图（四） 矿区主要地层化学组份及性状分析矿区矿体围岩主要是板岩类，其次是千枚岩、安山岩。研究小组对主要地层的化学组份及物理特性进行了取样分析。表二 板岩岩样全分析结果表分析项目单位紫红色粉砂质板岩灰黑色炭质板岩深灰色黄铁矿化粉砂质板岩褐黄色黄铁矿化粉砂质板岩Al2O310-211.06 11.70 4.06 6.85 CaO10-20.89 0.36 11.70 2.95 Fe2O3 10-214.07 7.30 11.46 28

17、.78 FeO10-22.10 4.00 8.15 1.20 K2O10-23.40 3.33 0.51 2.34 MgO10-21.97 2.70 7.88 3.08 Na2O10-22.24 0.33 0.07 0.11 SiO210-256.15 56.79 28.70 35.60 C10-20.970 3.120 1.720 1.34 S 10-20.05 3.73 5.61 21.80 TiO210-20.82 0.67 0.29 0.45 CO210-21.19 0.68 18.44 4.57 H2O-10-20.53 0.29 0.66 0.57 H2O+10-22.57 3.6

18、7 3.63 2.49 P2O5 10-20.19 0.17 0.39 0.07 As10-2<0.01<0.010.02 0.04 MnO10-21.48 0.04 0.42 0.04 由表中可以看出，矿体顶板围岩主要化学成分为SiO2、Al2O3及铁矿物，底板围岩主要化学成分为SiO2、Al2O3、S及铁矿物，其中灰黑色炭质板岩内C及CaO含量较高，Al2O3含量较顶板低。与矿体直接接触的围岩内铁含量高，顶板紫红色粉砂质板岩内Fe2O3+ FeO总含量达16.17%，底板褐黄色黄铁矿化粉砂质板岩内Fe2O3+ FeO总含量达到29.98%，主要由黄铁矿引起。表三 千枚岩物理性质

19、表岩石类型容重（kN/m3）抗压强度（Mpa）岩体等级矿层顶板黑灰色千枚岩29.245.5-146.9矿层底板灰绿色千枚岩28.472.6-152.7矿体39.072.7-243.4千枚岩类岩石可分为两类：第一类为力学强度中等高的灰绿色石英绢云母千枚岩、黑灰色千枚岩（相当于卡瓦矿区顶板灰绿色板岩、杂色板岩），抗压强度一般大于50Mpa，第二类为力学强度低中等的碳质千枚岩（相当于卡瓦矿区底板灰黑色板岩、碳质板岩）。铁矿石结构致密、完整，力学强度较高，抗压强度在100Mpa左右玄武岩、安山岩中分别采取了岩石全分析样品各一件，分析结果见表。表四 熬油沟组岩石全分析结果表分析项目单位玄武岩安山岩Al2

20、O310-214.04 14.60 CaO10-24.60 7.60 Fe2O310-22.75 4.73 K2O10-22.64 0.89 MgO10-28.11 6.51 Na2O10-22.91 3.37 SiO210-246.21 48.90 P2O510-20.33 0.15 TiO210-21.86 1.52 MnO10-20.20 0.17 SO3 10-20.71 0.26 CO210-21.94 1.14 固定碳10-2/FeO10-28.46 7.12 烧失量10-28.20 3.81 H2O+10-24.72 3.32 H2O-10-20.93 0.60 TFe10-2/

21、由表中数据可以看出，二者主要化学成分含量相似。 根据卡瓦铁矿区地层产状和主要岩石物理、化学岩样全分析结果，可以得出以下结论：1、矿区地层结构单一，整体构造相对稳定。岩石物理硬度较低。2、矿区覆盖层较厚，受充足的地表水侵蚀，水化破碎严重。3、矿区小构造断裂、褶皱带较多，主要岩体板岩、千枚岩、安山岩受构造作用，局部形成强的构造破碎带。4、通过对矿区三种主要岩石岩样进行化学分析，岩石成分可溶盐钙、镁、钾的碳酸盐、硫酸盐、含量较高，岩石中的可溶盐遇自由水后就会溶解；钙、硫、镁等对泥浆有害的组份含量较高。5、从岩石的物理性状分析，岩石抗压强度低，胶结性能差。6、钻孔设计倾角大，孔壁破碎岩石受重力作用易掉

22、块。综上所述，我们初步分析认为，卡瓦铁矿钻探泥浆应该具备以下性能：1、具有较低的失水量，控制岩层进一步水化；2、较强的化学稳定性，防止地层有害盐类的侵蚀；3、适当的比重，平衡地层压力。四、泥浆的室内研究试验（一） 泥浆的选择依据及设计理念1、 试验泥浆种类的选择依据 根据卡瓦铁矿区地层漏失量相对较大的情况，我们选择成本相对较低的水基泥浆作为钻孔冲洗液。水基泥浆主要分为细分散泥浆、粗分散泥浆、不分散泥浆和泡沫泥浆四大类。我们主要选择细分散泥浆、粗分散泥浆、不分散泥浆作为研究对象。（1）细分散泥浆主要有粘土、水和化学处理剂配置而成，其含盐量小于1，钙离子浓度小于120毫克/升。细分散泥浆习惯又称为

23、粘土泥浆，通过增加泥浆粘土含量或加入一些不含钙的处理剂，就可以改变比重、浓度、失水量等基本性能。选择粘土泥浆作为卡瓦铁矿区钻探泥浆研究对象也是基于此考虑。（2）粗分散泥浆是某些矿化度较高、粘土颗粒较粗的泥浆的总称。这类泥浆抵抗粘土、钙、盐的侵污能力强。其常用的类型是钙处理泥浆。钙处理泥浆属于粗分散抑制性泥浆，是在细分散泥浆的基础上，加入无机聚结剂，使粘土颗粒适度变粗，同时加入有机护胶处理剂而形成。它对井壁岩石的分散有抑制作用，自身抗侵能力强且性能稳定、流动性好，泥浆含钙量较高（含钙量大于120mg/L）。选择钙处理泥浆作为矿区泥浆研究对象，主要是考虑其强的防侵污能力。（3） 不分散泥浆是优质粘

24、土、水和高分子聚合物组成的混合物，泥浆中除了优质粘土分散为1-30微米的细粒外，其余混入泥浆中的有害颗粒则不能继续分散变细，经过泥浆选择性絮凝作用将其沉淀分离。泥浆通过添加一些惰性材料来改变性能，满足地层要求。目前常用的是聚丙烯酰胺泥浆，我们选择它作为研究对象，主要考虑其强的稳定性及低的失水量。2、 试验泥浆的设计理念（1）按平衡地层压力的要求计算泥浆的重度Vk，其考察的依据是井深h处的地层侧压力和地层空隙流体压力，基于卡瓦矿区钻孔设计倾角大的情况，我们主要以地层侧压力来考虑Vk取值。初步确定泥浆Vk取值范围为1.021.40之间。（2）考虑悬排钻渣、护壁堵漏的要求确定泥浆的流变性。流变性的主

25、要指标是粘度和切力，考虑卡瓦矿区地层特性、钻孔设计条件，粘度、切力选择偏上参数。（3）泥浆的其他设计指标的参考范围为：失水量一般应不大于16ml/30min,含砂量不大于8，胶体率不小于90，PH值视不同泥浆在611之间变化。矿区板岩、千枚岩、安山岩属于水敏性强的岩层，所以，泥浆设计的重点放在降失水护壁上。泥浆失水主要分孔底失水、动失水和静失水三类，泥浆失水量的增大降低主要受地层条件、造浆粘土分散度、化学成分、液柱压力、流速、虑液粒度、渗透时间等因素影响。 我们初步研究的主要方向是卡瓦矿区三类主要岩石板岩、千枚岩、安山岩在几类泥浆中的水化性能，找出水化最低的一种泥浆作为矿区使用的泥浆。泥浆的失

26、水分为静失水量和动失水量。（二） 泥浆室内试验我们将选择的细分散粘土泥浆、粗分散钙处理泥浆、不分散低固相聚丙烯酰胺泥浆在室内进行配比试验，对比三类泥浆对卡瓦矿区三类岩石:板岩、千枚岩、安山岩的侵蚀作用。图10 泥浆室内失水量试验1、 细分散粘土泥浆（1）粘土粉用量计算 q = 1(2-3)1-3 式中：1粘土的比重，2.62.8 2泥浆的比重 3水的比重（2）配浆用水量计算 配置1m³体积的泥浆水量Vw为：Vw = 1000-q1 （3）泥浆处理剂的用量计算处理剂在泥浆中的加量较少，体积一般只占泥浆总体积的0.11。具体数据有不同的泥浆配方决定，值得注意的是要澄清处理剂的加量单位，粉

27、剂一般是以单位体积泥浆中加入的重量来计，而液剂则是以单位体积泥浆中加入的体积量来计。在一些特殊情况下，还有以单位粘土粉重量中加入多少处理剂来计算。（4）泥浆配置试验泥浆配置步骤1）基浆配置将粘土与水按设计比例混合搅拌，放置24小时以上，使粘土水化；2）优化粘土、去除钙质简单加入适量纯碱或烧碱，使粘土改型及分散，即可满足要求。粘土改型化学变化是：Ca粘土 + Na2CO3 Na粘土+CaCO3本次试验所用粘土是山东潍坊产的优质粘土，其加碱有粘土改型、泥浆PH值调节两种作用，加量一般为2%-6%。3）通过调节及处理剂加量调节泥浆性能将基浆稀释到1.05左右比重，调整5腐殖酸钾溶液加量，使泥浆参数接

28、近下表（见表五）。表五 细分散粘土泥浆设计性能参数表粘度（秒）比重含砂量（）失水量（ml/30min）泥皮厚(mm)胶体率（）PH值备注221.053222.0979加纯碱0.252、粗分散钙处理泥浆钙处理泥浆是一种比较典型的粗分散泥浆体系，其原理是预先在泥浆中加入一些含钙的无机絮凝剂或食盐，借以增大泥浆本身的矿化度，使粘土颗粒絮凝为适当的大小（简称适度絮凝），从而提高泥浆地层水化，抵抗可溶盐类及粘土侵污的能力。粗分散泥浆仍属分散体系，它不同于细分散泥浆的是颗粒较粗，矿化度较高。钙处理泥浆的配置方法是：在淡水泥浆中加入含钙的无机絮凝剂（石灰、石膏、氯化钙等），使分散很细的粘土颗粒适度絮凝变粗，

29、并用稀释剂、降失水剂等保持泥浆性能稳定，阻止泥浆颗粒继续聚结，从而使泥浆具有较小的粘度、切力和适当的失水量。钙处理泥浆的配置步骤及设计性能参数如下。配置方法：分散适度絮凝降失水、稀释处理配置具体步骤：（1）首先配好基浆，一般纯碱加量为泥浆体积的0.3-0.5。（2）将石灰调成石灰乳加入，再继续搅拌。石灰的加量应根据粘土含量、加碱量确定，一般为泥浆体积的0.1-0.5，常用量为0.3。加量过少，钙、钠离子交换不完全，达不到粗分散的目的；加量过多，则不易控制其絮凝程度。要注意的是：必须待基浆搅拌好后，方可加入石灰乳，否则，粘土不能很好分散，易结成小团粒而悬浮于泥浆内。（3）加入栲胶碱液或单宁碱液。

30、一般栲胶碱液的配比为：栲胶火碱=21，浓度为1/5，加量为泥浆体积的0.5-1。如以铁铬盐作稀释剂，应事先用热水溶化。钙处理泥浆-石灰泥浆配方表及设计性能参数表表六 钙处理泥浆配方表粘土处理剂加量（处理剂重量/泥浆体积）粘土()纯碱()火碱()石灰()栲胶碱粉()铁铬盐()Na-CMC()10-300.3-1.5PH值=9-100.1-0.50.3-0.50-0.750.1-1表七 钙处理泥浆设计性能参数表泥浆性能粘度（秒）比重失水量（ml/30min）泥皮厚(毫米)胶体率（）PH值静切力（mg/cm²）初切终切18-351.05-1.184-130.85-1.51008.5-111

31、0-2010-153、不分散低固相泥浆-聚丙烯酰胺泥浆 不分散低固相泥浆与细分散、粗分散泥浆有着本质的区别。在不分散低固相泥浆中，除了“必须固相”蒙脱石矿物允许存在外，其它劣质土、岩削等“无用固相”均被化学处理剂所絮凝，并通过这种选择性絮凝，使泥浆始终保持低固相、低比重、低粘度等特点。不分散低固相泥浆即聚丙烯酰胺泥浆，其作用机理主要是选择性絮凝与级电性吸附，又因为聚丙烯酰胺是一种惰性材料，其对于泥浆的作用机理主要是物理性反应，所以配置的泥浆性能相对稳定，这是其得到广泛应用的重要因素。（1）聚丙烯酰胺泥浆的性能指标：1）保持固相的体积百分含量不大于4，岩粉与膨润土含量的比值为21左右。2）尽可能

32、实现低比重，一般要求在1.06以下。3）要求动切力为1229mg/cm²，塑性粘度与动切力的比值接近于1，以提高泥浆的剪切稀释作用和排粉能力。4) 失水量以保持孔壁稳定、孔内正常为宜，一般约10毫升/30分钟。5) 为充分发挥PHP的选择性絮凝作用，一般要求PH值控制在78.5之间。聚丙烯酰胺泥浆的配置步骤是：先配好基浆，再用火碱调节PH值，然后按配比分别加入PHP、降失水剂等。（2）聚丙烯酰胺泥浆的具体配置方法如下：1）聚丙烯酰胺的水解聚丙烯酰胺的水解是将分子链上的一部分吸附基团（酰胺基）转变为亲水基团（羧钠基），从而提高其水化能力，使其具备选择性絮凝的功能。因此，聚丙烯酰胺的水解

33、不是一般的水溶解。水解聚丙烯酰胺的方法有高温水解和常温水解。高温水解PAM的方法是：先将PAM、水、火碱按一定比例在水解设备中混溶，然后边加温边搅，待温度升高至90100，再保温搅拌34小时即可。常温水解PAM的方法是：将PAM、水、火碱按一定比例在容器中混溶，然后放置23天即成。常温水解PAM水解反应缓慢，因此需加大用碱量，并延长水解时间。2）配置聚丙烯酰胺泥浆a）以每1m³加入3040公斤的例潍坊钠膨润土、0.91.2公斤纯碱的比例，提前一天搅拌好基浆。b）加入HPAN充分搅拌半小时，加量为泥浆体积的0.30.6。c）加入水解度30、浓度1的PHP100150ppm,搅拌半小时。

34、（3）试验聚丙烯酰胺泥浆设计性能参数表八 聚丙烯酰胺泥浆性能参数泥浆性能粘度（秒）比重失水量（毫升30分钟）泥皮厚（毫米）PH值20221.0161.0210120.61.08 9（三） 岩样浸泡试验将卡瓦矿区水敏性强的三类岩石板岩、千枚岩、安山岩岩样，分别在配好的三种泥浆：细分散粘土泥浆、粗分散钙处理泥浆、不分散低固相聚丙烯酰胺泥浆中进行24小时、48小时、72小时浸泡试验。图11 浸泡后的岩样图片试验中又对泥浆性能进行了小的调整，取得试验岩样最低水化程度的泥浆浆配方。三类泥浆最低水化性能的配方及参数表。1、细分散粘土泥浆配方及性能表九 最优泥浆配方表粘土（kg）淡水（kg）纯碱（kg）KH

35、m（kg）护壁剂（kg）15010006.54,25.4表十 泥浆性能参数表比重粘度（s）失水量(ml/30min)泥皮厚（mm）含砂量()胶体率()PH值沉降稳定性1.0921201.5410080.0152、粗分散钙处理泥浆配方及性能表十一 最优泥浆配方表粘土（kg）淡水（kg）纯碱（kg）石灰（kg）NaK（kg）铁铬盐（kg）Na-CMC（kg）6510002,61,21.01.12.1表十二 泥浆性能参数表比重粘度（s）失水量(ml/30min)泥皮厚（mm）含砂量()胶体率()PH值静切力（kg/cm²）1.0520200.75210090.0153、不分散聚丙烯酰胺泥浆

36、配方及性能表十三 最优泥浆配方表粘土（kg）淡水（kg）纯碱（kg）HPAN（kg）水解度30PHP（kg）防塌剂（kg）3510001.25,25.43.5表十四 泥浆性能参数表比重粘度（s）失水量(ml/30min)泥皮厚（mm）含砂量()胶体率()PH值1.01620190.621009在最低失水量情况下，三种试验泥浆主要性能参数对比如下表表十五 三种试验泥浆主要性能参数对比表泥浆种类比重粘度（s）失水量（ml/30min）含砂量()泥皮厚(mm)胶体率()细分散粘土泥浆1.09212041.5100粗分散钙处理泥浆1.05202020.75100不分散PAM泥浆1.016201920.

37、6100依据上表可以得出以下结论：在相对失水量较低时，细分散粘土泥浆比重最大；在相对失水量较低时，细分散粘土泥浆泥皮最厚；三种泥浆都有高的胶体率；72小时稳定性能较好。通过室内试验，我们获得了理论上需要的三种泥浆，即低的失水量，高的胶体率，比较稳定的泥浆性能。经过对卡瓦三大类岩石的浸泡试验，最长72小时后，三种泥浆对于卡瓦矿区主要三类水敏性强岩石都具有很好的抑制水化作用。4、泥浆野外试验情况分析为研究泥浆的实际使用效果，我们在卡瓦铁矿区分别选择三个深度、孔斜、地层条件基本相近的钻孔，对三种泥浆的护壁效果进行试验。试验钻孔基本情况及泥浆分类如下表。表十六 泥浆试验钻孔表试验孔号设计孔深设计倾角预

38、见地层终孔深度试验泥浆试验时间WZK000845080°白云岩、泥质板岩、安山岩486.10PAM泥浆2014-6-162014-7-29WZK160745080°板岩、千枚岩、凝灰质砂岩、泥灰岩418.70钙处理泥浆2014-6-2720147-26WZK221145080°板岩、安山岩、千枚岩405.40粘土泥浆2014-9-262014-10-24（1）细分散粘土泥浆我们选择矿区WZK0008孔进行不分散低固相聚丙烯酰胺泥浆作为冲洗液进行试验。该孔设计深度450米，设计倾角80°。开孔为厚度7米左右第四系覆盖层，主要成分是风化蚀变的飘石、卵粒石、砂

39、粒石与砂土的混合物，松散、胶结差，采用大比重普通黄土泥浆作为冲洗液，110mm合金钻进进入完整岩层7米后，下入108mm开孔护壁套管。将泥浆循环系统彻底清理，按试验室配方配置不分散低固相聚丙烯酰胺泥浆，测试泥浆各类参数与试验室所得基本相同，更换为S75金刚石钻具进入正常钻进。S75钻进，上部遇到基岩为比较胶结硬、结构完整的白云岩，低固相泥浆使得金刚石钻进实现最佳高转速，转速开到1000转/分钟，钻机工作声音、钻头碎岩声音正常，钻速也达到6米/小时。泥浆颜色为青白色，井口可以清楚看到一层分选很好的“细砂”，证明聚丙烯酰胺泥浆达到较好的选择性絮凝效果。图12 泥浆性能野外测试孔深在60.5米后，岩

40、层变为凝灰质板岩，岩层石英含量较高，胶结致密，钻速下降，泥浆颜色变黑，证明板岩泥质成分混合入冲洗液内，测试泥浆比重略有上升，其它性能参数基本未变。钻进除钻速略有下降外，其它一切正常。孔深在121.67米后，从提取的岩心看，地层开始变得破碎，岩心为块状或层片状。钻机工作有间歇的咔咔声，钻具转动跳动现象，工作不平稳。泥浆颜色变为深黑色，泥浆消耗量达到15升/小时以上。测量泥浆性能如下:粘度：18秒； 比重：1.03； PH值：8井口沉降颗粒变粗，有直径最大5毫米的碎块状岩屑。分析原因如下：1）地层破碎，冲洗液护壁泥皮增多，大量的聚丙烯酰胺泥浆胶体组分被消耗，造成泥浆消耗量大，粘度、比重降低，即直观

41、为泥浆“变清”2）板岩含泥质增加，聚丙烯酰胺选择性的絮凝作用，使其有机成分更多参与对非蒙脱石矿物的选择性絮凝作用，泥浆造浆官能团减少，切力降低，极大降低了泥浆的粘度及排粉能力。3）泥浆比重低，与孔壁不能保持有效压力平衡，斜孔钻进，钻具回转的漩涡效应破坏了泥皮对孔壁的保护，孔内出现掉块。现场及时配置足量泥浆，并对其性能进行适当调整，新配泥浆与试验泥浆性能对比如下表：表十七 新配泥浆与试验泥浆性能对比表聚丙烯酰胺泥浆主要性能对比名称比重粘度（米）失水量（毫升/30分钟）PH值试验泥浆1.01620109新配泥浆1.0522129采用逐步加量的泥浆加量方式 ，在正常钻进中，将全孔泥浆逐步转换为新配大

42、比重、高粘度聚丙烯酰胺泥浆。由于粘土加量大，泥浆沉淀坑内已出现絮凝现象。正常钻进一段时间后，孔内泥浆全部被新泥浆替换。钻进状况正常。在钻进过程中，为保持泥浆粘度，随钻直接加入水解度30的PHP参与泥浆循环。孔深增加至280米后，地层更加破碎，蚀变严重。泵压达到40Mpa,钻机回转阻力增大，有时钻具不扫孔很难下到位。考虑孔深原因及效率问题，决定钻孔改用粘土泥浆。（2）粗分散钙处理泥浆我们选择矿区WZK1607孔进行粗分散钙处理泥浆作为冲洗液进行试验。该孔设计深度同样为450米，设计倾角80°。开孔为厚度27米左右第四系覆盖层，主要成分是风化蚀变的飘石、卵粒石、砂粒石与砂土的混合物，松散

43、、胶结差，采用大比重普通黄土泥浆作为冲洗液，110mm合金钻进进入完整岩层28米后，下入108mm开孔护壁套管。将泥浆循环系统彻底清理，按试验室配方配置粗分散钙处理泥浆，测试泥浆各类参数与试验室所得基本相同，更换为S75金刚石钻具进入正常钻进。S75钻进穿过75米层厚硅质板岩，孔深达到102.76米时，地层变为千枚岩。岩石绢云母、片云母含量较高，泥浆循环表面出现闪光现象。局部孔段取出的岩心在岩心箱内风化成片状或粉状。钻进时孔底岩粉沉降多，钻进回转很吃力。表十八 现场测量泥浆各种性能参数现场钙处理泥浆性能测试参数比重粘度含砂量失水量静切力1.1019101710受岩层含云母、钙质、砂质粗粒成分较

44、多，风化、破碎层段泥质成分对泥浆侵扰严重，泥浆性能不能保持相对稳定，泥浆的漏失量也较大。现场使用中多次进行泥浆调配补给。钻进过程中，钻效变低，泥浆排粉能力较差，孔外岩粉不能有效分选沉降。原因分析如下：1）粗分散钙处理泥浆是一种低粘度、低切力的泥浆，其排粉能力主要靠泥浆流动及低的粘结力来实现。在正常情况下，其排粉能力完全可以满足钻进要求，当地层破碎严重且含砂含泥较高时，其排粉能力就受到限制；2）粗分散钙处理泥浆对于性能参数要求十分严格，当泥浆的碱环境、钙环境有较大波动时，泥浆失水量、粘度等主要参数就会出现大的变化，泥浆在孔内循环时，会破坏孔壁泥皮，出现孔壁剥落甚至掉块、坍塌情况，钻进时表现为憋泵

45、、憋钻现象；3）粗分散钙处理泥浆使用维护要求条件比较高，现场受气候、工期环境所限，不可能实现理想试验水平。泥浆性能的不稳定，加重了孔内地层的水化剥落，使试验不能正常进行；4）千枚岩、板岩皆为水敏性严重的地层，钙处理泥浆还不能及时解决严重破碎、蚀变地层的护壁问题；5）由于孔底岩粉多，憋钻、憋泵严重，钻进效率低，钻孔施工至260米深度时，决定更换粘土泥浆钻进。（3）细分散粘土泥浆钻进选择WZK2211孔进行细分散粘土泥浆试验。该孔设计深度450米，设计倾角80°。开孔采用常规大比重黄土泥浆，钻穿7.5米第四系覆盖层，入岩1,5m,下入108mm套管护壁。将循环系统清理，按试验配方，配置细

46、分散粘土泥浆，采用91mm合金导向钻头磨孔，换S75金刚石进入正常钻进。S75钻进至89米，地层由凝灰质板岩变为千枚岩。上部凝灰质板岩相对比较完整，钻进过程中，泥浆颜色逐渐变黑，测试泥浆比重、粘度没有大的变化。钻进至288米，地层变为炭质板岩。89米至288米，千枚岩层厚199米，地层水敏性强，钻进时，泥浆比重上升，粘度下降，下钻时有下不到的情况发生；钻进时泵压达到4。分析原因如下：1）千枚岩水化剥落，岩石内泥质成分参入了泥浆内，参与造浆，使得泥浆比重增加；小颗粒钙质、硅质成分混入泥浆一起循环，使得泥浆比重大、含砂量大，粘度降低；2）千枚岩水化、剥落，大颗粒无法随泥浆及时排出孔外，在孔底沉积，

47、造成钻具不能下到位；3）由于泥浆失水量增加，千敏岩含泥质高的层段水化膨胀，使孔径缩小；破碎含泥质低的层段水化剥落，甚至垮塌，使泥浆固相含量增加，比重增大，泵压升高。为保持钻孔孔内正常，必须对泥浆配方、使用方法进行调整，试验小组采取了一下措施：1）增大泥浆比重，进一步平衡孔壁侧压；2）增加护壁剂加量，提高泥皮质量；3）增加降失水剂加量，进一步降低泥浆失水量，减少孔内地层水化；4）加长循环槽长度及增加沉淀池体积，净化泥浆有害固相；5）降低钻压、转速、泵量，调整钻进参数。表十九 调整泥浆参数表严重坍塌、缩径地层泥浆性能参数比重粘度（s）失水量(ml/30min)含砂量()PH值1.212113148

48、当泥浆固相含量过高时，可以适当加入腐殖酸钾等稀释剂，加量不宜过大。钻穿复杂层，钻速、泵压、泥浆比重比较平稳时，可逐步降低泥浆比重、粘度、切力，增大钻进规程，实现理想钻速。应注意的是：始终要保持泥浆较低的失水量。WZK2211孔使用粗分散粘土泥浆，根据地层情况，对泥浆性能及时进行调整，顺利钻进至405.40米终孔。图13 WZK2211孔粗分散粘土泥浆直观效果图五、卡瓦铁矿钻进泥浆应用分析与使用管理（一） 泥浆的选择岩心钻探泥浆目前使用最广泛的是聚丙烯酰胺低固相、无固相泥浆，因其配置、管理、使用方法比较简单方便，所以深受钻机施工队伍的亲睐。对于一般地层，聚丙烯酰胺泥浆加入护壁剂、润滑剂、802等

49、，都可以起到相应效果，实现正常钻进。但对于水敏性极强的地层，其使用效果就比较有限。对于极度破碎地层，要求泥浆有一定的比重以保持孔内地压平衡。聚丙烯酰胺泥浆只有通过加入配重剂（如重晶石粉）来实现。配重剂对于泥浆体系而言是一种有害固相，其参与形成的泥皮结构松散，强度较低，不能对孔壁形成最佳的保护作用。对于极度破碎地层，要求泥浆有适度失水，促使带电的粘土颗粒能紧紧附着在孔壁上形成坚韧的泥皮，对孔壁起到有效的保护作用。聚丙烯酰胺泥浆“渗透能力强”，钻进进入破碎层后，泥浆沿着岩石裂隙渗入破碎岩层，在岩石块表面形成一层“保护膜”，当钻具提离破碎层后，带保护膜的岩层碎块从孔壁脱落，成自由体下沉孔底，造成钻孔垮塌。这即是钻机提钻后钻具下不到位的主要原因。聚丙烯酰胺泥浆，通过添加剂、处理剂调节，完全可以达到低失水量，对于含泥质高的水敏性地层，完全可以达到抑制地层水化缩径，起到