無(wú)固相沖洗液在深溪錳礦施工中的應(yīng)用

王 聰，孫孝剛

(貴州省地礦局102地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義563003)

0 引言

在鉆探施工中，沖洗液起著冷卻鉆頭、潤(rùn)滑鉆具、攜帶巖屑(巖粉)、保持孔壁穩(wěn)定等作用，其性能的變化，將直接影響到機(jī)械鉆速、鉆進(jìn)效率和成孔的質(zhì)量。2008年前，我隊(duì)在鉆遇極不穩(wěn)定地層(泥巖、頁(yè)巖、破碎垮塌段、煤層等)和較深的鉆孔時(shí)，由于受鉆探設(shè)備和工藝的限制，往往會(huì)選擇使用密度大、粘度較高的粘土粉濃泥漿施鉆。近年來(lái)，我隊(duì)先后購(gòu)置了幾臺(tái)YDX－1800(SCD1800X)型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，結(jié)合該鉆機(jī)具有“大行程、鉆速快”的特點(diǎn)，采用了金剛石繩索取心鉆探工藝。在深溪錳礦勘探施工中，正確使用合理配方的無(wú)固相沖洗液鉆進(jìn)，取得了良好的鉆探施工效果。

1 工程概述

深溪錳礦普(詳)查區(qū)位于貴州省遵義市南東方向，大婁山脈的南西端，面積13.81 km2。普查工作于2011年8月啟動(dòng)，現(xiàn)已轉(zhuǎn)入詳查，設(shè)計(jì)鉆探工作總量為36472 m/35孔(普、詳查)，全為直孔，截止2013年11月24日，完成鉆探總工作量19322.08 m/17孔，其中:普查完成鉆探工作量16896.54 m/14孔，詳查完成鉆探工作量2426.54 m/3孔。

2 地層情況

2．1 地層巖性

深溪錳礦勘查區(qū)地層由老到新依次如下。

(1)二疊系中統(tǒng)(P2)

茅口組(P2m):頂部為深灰、灰色、灰黑色薄～中厚層狀含炭、硅質(zhì)灰?guī)r，局部含錳質(zhì)，間夾薄層硅質(zhì)巖少量，微細(xì)平行層理明顯，燧石條帶分布于層間。下部為灰、淺灰色厚層至塊狀生物灰?guī)r，偶夾白云質(zhì)灰?guī)r，含少量燧石結(jié)核。

(2)二疊系上統(tǒng)(P3)

龍?zhí)督M(P3l):上部主要為深灰、灰色泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r夾砂巖;中部為深灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主間夾砂巖及灰?guī)r，產(chǎn)C3復(fù)煤層，多為0.10～0.48 m不等的薄煤層與深灰色粘土巖或炭質(zhì)泥巖交互組成;下部灰、深灰色中厚層狀灰?guī)r夾黑色硅質(zhì)巖，間夾泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖和菱鐵質(zhì)灰?guī)r。產(chǎn)C2煤層，厚一般0.5 m左右。底部為含錳巖系，由灰、深灰色含錳粘土巖及碳酸鹽錳礦層組成。

長(zhǎng)興組(P3c):主要巖性為深灰色中～厚層狀含燧石團(tuán)塊、燧石條帶灰?guī)r，層間常夾有機(jī)質(zhì)條帶及泥巖薄層，底部為泥質(zhì)灰?guī)r。

(3)三疊系下統(tǒng)(T1)

夜郎組(T1y):按其巖性可分為3段，從老到新為:

沙堡灣段(T1y1):灰色、淺灰色、灰綠色、黃色鈣質(zhì)泥巖夾薄層泥灰?guī)r，底部為灰綠色粘土巖;

玉龍山段(T1y2):主要為淺灰～灰色薄～厚層狀灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r，局部夾鈣質(zhì)泥巖;

九級(jí)灘段(T1y3):主要為紫紅色夾少量灰綠色、灰黃色泥巖，夾灰色薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r及灰?guī)r，含鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。

茅草鋪組(T1m):主要由中厚層灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等組成。

(4)三疊系中統(tǒng)(T2)

松子坎組(T2s):主要為灰、灰黃色中厚層狀泥質(zhì)白云灰?guī)r，白云巖、泥灰?guī)r夾生物碎屑灰?guī)r及白云質(zhì)泥巖;

獅子山組(T2sh):主要為淺～深灰色薄～中厚層微晶灰?guī)r，泥質(zhì)灰?guī)r及夾生物碎屑灰?guī)r、白云巖。

2．2 地層構(gòu)造

勘查區(qū)位于銅鑼井背斜南東翼，蝦子復(fù)向斜北西翼。礦區(qū)西段地層較陡，大部分已倒轉(zhuǎn)，傾向?yàn)?20°～135°，倒轉(zhuǎn)地層傾向?yàn)?285°～ 320°，傾角為50°～86°，由地表到深部，地層傾角由陡變緩，最終按20°～30°穩(wěn)定;礦區(qū)東段為一向斜產(chǎn)出，向斜走向近于東西向，向斜軸部地層為三疊系中統(tǒng)獅子山組，北翼地層傾向?yàn)?155°～200°，傾角為 5°～40°;南翼地層傾向?yàn)?85°～358°，傾角為 5°～35°，地層較為穩(wěn)定。

3 設(shè)備性能及工藝特點(diǎn)

3．1 設(shè)備選型及性能特點(diǎn)

該礦區(qū)根據(jù)其地質(zhì)要求，其設(shè)計(jì)孔深均在700～1700 m之間，平均深度＞1200 m，終孔口徑≮75 mm，故鉆探設(shè)備主要選擇了 YDX－1800(SCD1800X)型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)和XY－6型立軸式巖心鉆機(jī)2種機(jī)型。

YDX－1800(SCD1800X)型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)較立軸式鉆機(jī)，具有以下優(yōu)勢(shì):(1)轉(zhuǎn)速在0～1200 r/min之間可無(wú)級(jí)調(diào)速，扭矩大，有利于以金剛石鉆進(jìn)為主體的多種鉆探工藝對(duì)轉(zhuǎn)速的選擇;(2)鉆機(jī)給進(jìn)行程可達(dá)3.5 m，減少了輔助時(shí)間和孔內(nèi)事故的發(fā)生;(3)設(shè)備配備液壓夾持器、液壓驅(qū)動(dòng)泥漿泵和泥漿攪拌器，鉆進(jìn)過(guò)程中不需要任何其他輔助動(dòng)力。

3．2 鉆探工藝

4 選用鉆井液類(lèi)型

在該礦區(qū)內(nèi)根據(jù)各個(gè)鉆孔(機(jī)臺(tái))所選擇的鉆探設(shè)備不同，以及鉆孔所遇地層不同而選擇不同鉆進(jìn)工藝的特點(diǎn)，分別使用了不同的沖洗液。

一開(kāi):一般選用清水頂漏鉆進(jìn)。充分利用上覆地層中含有一定的粘土，使其自然造漿，護(hù)壁排粉(屑)，待進(jìn)入基巖后下入井口管固定孔壁。

二、三開(kāi):水+PHP+處理劑。

四開(kāi):(1)設(shè)備選用YDX－1800(SCD1800X)型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，根據(jù)不同孔段巖層(完整性、破碎程度、水敏性等)情況，使用不同的處理劑，配制無(wú)固相沖洗液;(2)設(shè)備選用XY－6型立軸式巖心鉆機(jī)，采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)時(shí)，根據(jù)不同孔段巖層(完整性、破碎程度、水敏性等)情況，選用不同性能參數(shù)的低固相泥漿;(3)設(shè)備選用XY－6型立軸式巖心鉆機(jī)，采用硬質(zhì)合金(或金剛石)單管鉆進(jìn)時(shí)，選用中(高)密度泥漿。

5 無(wú)固相沖洗液的選配及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)

在以往的鉆探施工經(jīng)驗(yàn)中，三開(kāi)結(jié)束下入套管后，由于龍?zhí)督M地層中含有泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、厚薄不等的煤層、粘土或炭質(zhì)泥巖交互組成的水敏性巖層，多數(shù)茅口組灰?guī)r不漏即涌，所以，往往都選擇用中(高)密度的沖洗液鉆進(jìn)。根據(jù)全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)的性能，采用金剛石繩索取心鉆進(jìn)工藝的特點(diǎn)，在該礦區(qū)的龍?zhí)督M和茅口組地層中，我們大膽選用了PHP－GSP和GPLS植物膠無(wú)固相沖洗液體系進(jìn)行施鉆。

5．1 沖洗液配比及性能

5．1．1 配方

1號(hào)配方(PHP－GSP體系):1 m3水 +0.5～0.7 kg水解聚丙烯酰胺(PHP)+5～10 kg廣譜護(hù)壁劑(GSP)+3～5 kg潤(rùn)滑劑(GLUB)。

2號(hào)配方(GPLS植物膠體系):1 m3水+0.5～0.7 kg植物膠(GPLS)+3～5 kg潤(rùn)滑劑(GLUB)。

5．1．2 沖洗液性能(見(jiàn)表1)

表1 沖洗液性能參數(shù)

5．2 PHP－GSP無(wú)固相泥漿

PHP－GSP無(wú)固相泥漿主要由水解聚丙烯酰胺(PHP)和廣譜護(hù)壁劑(GSP)配制而成，與PHP泥漿相比其抑制膨脹與分散性能、護(hù)壁性能及潤(rùn)滑性能得到顯著改善，應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

5．2．1 作用機(jī)理

水解聚丙烯酰胺(PHP)是聚丙烯酸鈉和聚丙烯酰胺的共聚物，其具有吸附基(酰胺基)能和粘土顆粒相吸附，又具有電離水化基(羧納基)能使高分子物水化。由于PHP分子鏈很長(zhǎng)，呈曲卷狀，可將細(xì)小的固相顆粒吸附在它的鏈節(jié)上，絮凝成團(tuán)，從而達(dá)到聚沉沖洗液中巖粉的目的。同時(shí)其分子又能吸附在水敏性巖石孔壁的表面，能防止巖石水化膨脹，即具有防塌和穩(wěn)定孔壁的作用。

廣譜護(hù)壁劑(GSP)由瀝青、油腳與多種有機(jī)親水物質(zhì)進(jìn)行交聯(lián)接枝反應(yīng)，再與聚合淀粉在特殊工藝下物理復(fù)合制取，含有羥甲基、羧甲基、酰胺基等，是一種既溶于水又溶于油的黑色物質(zhì)，能夠分散在泥漿中。其中:(1)交聯(lián)瀝青分子具有良好的吸附填充作用，降失水和造壁性好;(2)淀粉分子的環(huán)式結(jié)構(gòu)和聚合分子的K鏈結(jié)構(gòu)，具有K鏈狀伸展自如、橋接能力強(qiáng)和具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，從而增強(qiáng)包被能力，改善泥餅質(zhì)量，提高降失水和抗污能力;(3)聚合淀粉迅速吸水膨脹形成海綿狀顆粒，使泥漿中的自由水消失，從而實(shí)現(xiàn)降失水防塌;(4)油腳能與鉆桿壁產(chǎn)生吸附作用，形成一層油膜，減小鉆桿對(duì)孔壁的摩擦力。

潤(rùn)滑劑(GLUB)采用天然植物油為原料，不產(chǎn)生環(huán)境污染，加入沖洗液后，能均勻地分散于鉆井液中，鉆進(jìn)時(shí)，在孔壁或鉆桿周?chē)纬梢粚颖《旅艿挠湍?，油膜具有很高的極壓強(qiáng)度，極大地降低鉆桿與孔壁間的摩擦系數(shù)，從而降低鉆桿的扭矩，減少動(dòng)力消耗，同時(shí)可有效地防止鉆桿粘附在孔壁上造成粘附卡鉆，能顯著地改善鉆井液的潤(rùn)滑性能。

5．2．2 特點(diǎn)

(1)該體系中選用分子量超過(guò)1000萬(wàn)的水解聚丙烯酰胺，其絮凝、包被作用明顯增強(qiáng)，適合于鉆進(jìn)造漿地層，能有效防止巖屑的進(jìn)一步分散，也有利于巖屑沉降。

(2)具有良好的造壁性能。加入廣譜護(hù)壁劑(GSP)后，體系濾失量明顯降低，并形成薄薄一層由瀝青構(gòu)成的泥皮，該泥皮粘附性強(qiáng)、韌性好，有利于孔壁的穩(wěn)定。

(3)具有較強(qiáng)的抑制能力。由于K+及瀝青的協(xié)同作用，與PHP泥漿相比，體系的抑制能力顯著提高。

(4)具有良好的潤(rùn)滑性能。

5．2．3 泥漿的配制

依次將PHP、GSP慢慢加入水中，充分浸泡、攪拌，即可使用。日常維護(hù)時(shí)，最好先將PHP及GSP分別配成水溶液再加入，并視情況確定加量。

5．2．4 適用范圍

該體系適用于比較復(fù)雜的遇水膨脹、分散造漿地層及松散破碎地層。

5．3 GPLS植物膠體系

GPLS 植物膠體系由優(yōu)質(zhì)植物膠(GPLS)和潤(rùn)滑劑配制而成，與一般無(wú)固相泥漿相比，具有良好的巖屑攜帶能力，同時(shí)也是一種環(huán)保泥漿。

5．3．1 作用機(jī)理

植物膠是一種天然高分子聚合物，在固態(tài)時(shí)分子鏈呈支鏈狀結(jié)構(gòu)，遇水后，呈現(xiàn)較舒展無(wú)規(guī)則線團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，其分子鏈上的極性基團(tuán)具有較強(qiáng)的吸附作用，吸附塑性膠體顆?；蚣?xì)粉砂粒，能在孔壁上形成網(wǎng)狀膜，具有隔水效果，故能降低泥漿的濾失量;同時(shí)，其分子鏈間的橋聯(lián)作用使分子鏈間有一定的引力，分子之間不易分開(kāi)，表現(xiàn)出粘彈性、隔水性表面力強(qiáng)，使得吸附在孔壁上的分子鏈緊緊相連，具有防塌作用。在外力作用下，分子變?yōu)椴环€(wěn)定的伸展?fàn)顟B(tài)，外力出去時(shí)，分子又恢復(fù)原狀，從而減輕鉆具與孔壁間的摩擦力，有利于井壁穩(wěn)定。

5．3．2 特點(diǎn)

(1)泥漿的切力較高，懸浮攜砂能力強(qiáng)。

(2)泥漿容易形成層流狀態(tài)，可降低對(duì)孔壁的沖刷，有利于松散地層的穩(wěn)定。

(3)加入GLA后的泥漿其抑制性能明顯提高。

(4)與一般無(wú)固相泥漿相比，其濾失量明顯降低。

(5)無(wú)毒、可生物降解，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

5．3．3 泥漿配制

將GPLS慢慢加入水中，充分浸泡、攪拌，再加入潤(rùn)滑劑攪勻即可使用。日常維護(hù)時(shí)，最好先將GPLS配成水溶液再加入，并視情況確定加量。

5．3．4 適用范圍

該體系適用于鉆進(jìn)砂巖等巖屑攜帶比較困難、膠結(jié)性較差的地層，或環(huán)保要求比較嚴(yán)格的地區(qū)。

5．4 應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

在遇上述地層中的煤(粉)層、滲透性強(qiáng)或巖層破碎時(shí)，在1號(hào)和2號(hào)配方的基礎(chǔ)上，加入10～20kg改性瀝青(GLA)或10～30 kg防塌型隨鉆堵漏劑(GPC)，若仍有掉塊、坍塌現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上加入15～25 kg(CMC－HV)，提高沖洗液粘度，可達(dá)到防掉、防塌的效果。

5．5 沖洗液現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)

(1)勤觀察、勤測(cè)量，及時(shí)掌握沖洗液的性能變化。

(2)沖洗液性能維護(hù)，必須堅(jiān)持“細(xì)水長(zhǎng)流”的方式。添加劑必須少量、緩慢的加入，不得猛加處理劑造成新添劑(料)與孔內(nèi)發(fā)生不良反映，避免沖洗液性能波動(dòng)過(guò)大而造成井內(nèi)復(fù)雜情況。

(3)沖洗液從孔內(nèi)流出后必須經(jīng)過(guò)沉淀池、循環(huán)槽流向泥漿池，循環(huán)槽應(yīng)符合坡比(0.5%)，槽內(nèi)增設(shè)緩流板，對(duì)沉淀巖粉及時(shí)清理。

(4)溝槽及池應(yīng)嚴(yán)禁地表各種水源的流入，泥漿池搭棚，循環(huán)溝在遇大到暴雨時(shí)，應(yīng)加蓋蓋板，防止雨水的污染。

(5)現(xiàn)場(chǎng)配備野外沖洗液測(cè)試箱，每班檢測(cè)沖洗液含砂量、失水量、粘度、密度和pH值等。

6 無(wú)固相沖洗液應(yīng)用效果

6．1 孔壁穩(wěn)定

在該礦區(qū)的施工中，使用無(wú)粘土相沖洗液，從開(kāi)孔下定向管到三開(kāi)鉆完長(zhǎng)興組下套管，在施工工序完成之前，孔壁均能穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的垮塌、掉塊現(xiàn)象，沖洗液能將孔內(nèi)巖粉(屑)較好的帶出孔外，確?？變?nèi)清潔。在較為復(fù)雜的地段——龍?zhí)督M，只要針對(duì)孔內(nèi)地層不同層段的巖性，選擇不同的添加劑，按合理的配比進(jìn)行添加調(diào)制，隨時(shí)維護(hù)好沖洗液的性能，就能確?？妆诜€(wěn)定，直至鉆孔施工結(jié)束。

6．2 機(jī)械鉆速提高

在該礦區(qū)使用無(wú)固相沖洗液鉆進(jìn)，較之使用固相泥漿鉆進(jìn)，其機(jī)械鉆速有較大的提高，尤其和以往在龍?zhí)督M一貫使用濃泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)相比較，其單孔施工周期明顯縮短(見(jiàn)表2)。

表2 深溪錳礦普(詳)查工程完工鉆孔統(tǒng)計(jì)(部分)

從表2可以看出，在相同的礦區(qū)中施工同類(lèi)型的鉆孔，都選用繩索取心鉆進(jìn)工藝，使用不同類(lèi)型的沖洗液，所施工的鉆孔周期各異。使用無(wú)固相沖洗液施鉆具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其平均機(jī)械鉆速大大提高。

6．3 降低成本，提高效益

在該礦區(qū)使用無(wú)固相沖洗液，不僅縮短了單孔的鉆探施工周期，而且，針對(duì)孔深在1000～1600 m的鉆孔，能節(jié)約鉆進(jìn)沖洗液材料及運(yùn)輸成本25%～35%，從而提高了鉆探經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語(yǔ)

(1)無(wú)固相沖洗液在現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用，不僅具有維護(hù)方便，配制簡(jiǎn)單快捷，性能穩(wěn)定易調(diào)整，同時(shí)GPLS植物膠體系還具有環(huán)保性。

(2)針對(duì)不同巖性的地層，合理選擇添加劑，及時(shí)調(diào)整沖洗液的性能，能確保鉆進(jìn)過(guò)程中孔壁的穩(wěn)定，順利完成鉆探施工任務(wù)。

(3)使用無(wú)固相沖洗液能減少(鉆具)事故的發(fā)生。可降低內(nèi)管軸承的磨損和外管內(nèi)壁結(jié)垢，從而可以減少內(nèi)管被卡的事故發(fā)生。

(4)使用無(wú)固相沖洗液，能提高機(jī)械鉆速，降低鉆探成本，從而提高鉆探經(jīng)濟(jì)效益。

(5)選擇使用無(wú)固相沖洗液時(shí)，在通過(guò)地層復(fù)雜(水敏、破碎嚴(yán)重等)孔段，不僅要要求及時(shí)調(diào)整好沖洗液的性能與之相適應(yīng)，而且要提前做好其他(檢查鉆探設(shè)備是否完好、所需材料是否充分等)工作，從而達(dá)到快速通過(guò)的目的，使孔壁在穩(wěn)定周期內(nèi)能夠完鉆。

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