铁矿区地质钻探泥浆试验与应用研究报告.docx

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铁矿区地质钻探泥浆试验与应用研究报告

一、项目情况概述1

二、泥浆实验室配置情况2

三、xx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）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、xx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1

二、泥浆实验室配置情况2

三、xx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）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、xx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xx一带铁矿（以下简称xx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xx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xx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“xx铁矿区钻井泥浆研究试验小组”，着力解决xx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xx铁矿区主要地层的岩石进行取样，在实验室配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xx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。

一、项目情况概述

甘肃省肃南裕固族自治县xx一带铁矿（以下简称xx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xx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xx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“xx铁矿区钻井泥浆研究试验小组”，着力解决xx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xx铁矿区主要地层的岩石进行取样，在实验室配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xx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xx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

1

4

万用电炉

2000W

台

1

5

游标卡尺

150

个

1

6

烧杯

100ml

个

5

7

150ml

个

5

8

250ml

个

5

9

500ml

个

5

10

玻璃量杯（京玻）

250ml

个

4

11

500ml

个

4

12

1000ml

个

4

13

塑料量杯

500ml

个

5

14

1000ml

个

5

15

不锈钢药匙

套

2

16

塑料药匙

套

2

17

万能烧杯架

个

5

18

玻璃棒

30㎝

根

5

19

广口瓶

2500ml

个

10

20

广谱试纸

0-14

包

50

21

洗量筒刷子

250ml

个

5

22

500ml

个

5

23

1000ml

个

5

24

药品方盘

个

4

不锈钢

25

刻度吸管

10ml

支

20

玻璃

26

洗耳球

个

5

27

刻度试管

10ml

个

20

玻璃

28

20ml

个

20

玻璃

29

定性滤纸

中速11㎝

盒

2

30

筛子

100目

个

3

31

180目

个

3

32

试管架

24支

个

1

33

扣取纸

张

10

34

透明胶带

宽

卷

1

35

乳胶手套

防酸防碱

双

20

36

线手套

双

20

37

工作服

175

件

4

38

180

件

2

39

毛巾

条

20

40

肥皂

块

10

41

洗衣粉

大袋

包

1

42

拖把、扫把、垃圾斗

套

2

43

水桶

80L

个

4

塑料钢

44

18L

个

6

塑料钢

45

水盆

个

6

塑料

46

大铁勺

个

2

47

三乙醇胺

AR500克

瓶

2

调制剂

48

12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xx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，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、xx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°23′00″—98°32′30″，北纬39°04′15″—39°06′00″，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，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234mm－350mm，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NW—SE向，海拔在3900m～4600m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

Al2O3

10-2

11.06

11.70

4.06

6.85

CaO

10-2

0.89

0.36

11.70

2.95

Fe2O3

10-2

14.07

7.30

11.46

28.78

FeO

10-2

2.10

4.00

8.15

1.20

K2O

10-2

3.40

3.33

0.51

2.34

MgO

10-2

1.97

2.70

7.88

3.08

Na2O

10-2

2.24

0.33

0.07

0.11

SiO2

10-2

56.15

56.79

28.70

35.60

C

10-2

0.970

3.120

1.720

1.34

S

10-2

0.05

3.73

5.61

21.80

TiO2

10-2

0.82

0.67

0.29

0.45

CO2

10-2

1.19

0.68

18.44

4.57

H2O-

10-2

0.53

0.29

0.66

0.57

H2O+

10-2

2.57

3.67

3.63

2.49

P2O5

10-2

0.19

0.17

0.39

0.07

As

10-2

<0.01

<0.01

0.02

0.04

MnO

10-2

1.48

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

29.2

45.5-146.9

Ⅲ~Ⅳ

矿层底板灰绿色千枚岩

28.4

72.6-152.7

Ⅱ~Ⅲ

矿体

39.0

72.7-243.4

Ⅰ~Ⅳ

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xx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xx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

Al2O3

10-2

14.04

14.60

CaO

10-2

4.60

7.60

Fe2O3

10-2

2.75

4.73

K2O

10-2

2.64

0.89

MgO

10-2

8.11

6.51

Na2O

10-2

2.91

3.37

SiO2

10-2

46.21

48.90

P2O5

10-2

0.33

0.15

TiO2

10-2

1.86

1.52

MnO

10-2

0.20

0.17

SO3

10-2

0.71

0.26

CO2

10-2

1.94

1.14

固定碳

10-2

/

/

FeO

10-2

8.46

7.12

烧失量

10-2

8.20

3.81

H2O+

10-2

4.72

3.32

H2O-

10-2

0.93

0.60

TFe

10-2

/

/

由表中数据可以看出，二者主要化学成分含量相似。

根据xx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块。

综上所述，我们初步分析认为，xx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xx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xx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xx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1.02—1.40之间。

（2）考虑悬排钻渣、护壁堵漏的要求确定泥浆的流变性。

流变性的主要指标是粘度和切力，考虑xx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6—11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xx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xx矿区三类岩石:

板岩、千枚岩、安山岩的