云南羅平復(fù)雜地層煤礦勘查泥漿體系的研究與應(yīng)用

徐 錚，陳禮儀，章 述，王新華，管強(qiáng)盛，鄒 杰

(1．成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059;2．四川省煤田地質(zhì)局137地質(zhì)隊(duì)，四川達(dá)州635006)

1 概述

云南省曲靖市羅平縣紅丫口煤礦礦區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西南部的滇東臺(tái)褶帶，曲靖臺(tái)褶束，富源凹褶。區(qū)域上位于富源－彌勒大斷裂東側(cè)，因受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加作用，形成了多種型式的構(gòu)造形變，留下了性質(zhì)不同、規(guī)模不等、方向不一的構(gòu)造形跡。本區(qū)域斷裂異常發(fā)育，北東向斷裂明顯，南北向構(gòu)造穿插，并對(duì)沉積特征、巖漿活動(dòng)起了一定的控制作用。礦區(qū)表層緩坡及溝谷地段多被墾植為農(nóng)田、旱地，陡坡段多為灌木林覆蓋，地形地貌屬中等復(fù)雜的第四系(Q4)地層，下部地層為全隱蔽地層，根據(jù)已有的鉆探巖心資料得出勘查區(qū)地層由老至新依次為:二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)、宣威組(P2x)，三疊系下統(tǒng)卡以頭組(T1k)、飛仙關(guān)組(T1f)、永寧鎮(zhèn)組(T1y)，中統(tǒng)個(gè)舊組(T2g)及第四系(Q4)。巖性可分為灰?guī)r、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥頁(yè)巖和粘土幾大類。本區(qū)含煤地層為二疊系上統(tǒng)宣威組(P2x)，總厚度約180 m，煤線幾十條。在鉆進(jìn)過(guò)程中主要遇到的復(fù)雜地層為三疊系下統(tǒng)卡以頭組(T1k)砂巖的較大傾角破碎段、斷層泥和煤系地層。

2 鉆遇復(fù)雜地層特點(diǎn)

2．1 三疊系下統(tǒng)卡以頭組(T1k)地層

三疊系下統(tǒng)卡以頭組(T1k)地層厚約120 m。上部為綠灰色中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖;下部為灰綠色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖;底部夾細(xì)砂巖透鏡體，黃鐵礦晶粒，含瓣鰓類動(dòng)物化石。巖性以薄～中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖為主，夾煤層和砂巖透鏡體，軟質(zhì)巖，可塑性強(qiáng)，巖石致密，除地表淺部風(fēng)化裂隙發(fā)育外，隨深度增加風(fēng)化裂隙減少，地層隔水性強(qiáng)。但由于本區(qū)的斷層多，構(gòu)造地質(zhì)作用復(fù)雜，巖層受多次地應(yīng)力的擠壓變形，使得巖層傾角較大而且微裂隙發(fā)育，在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆機(jī)的震動(dòng)、鉆具的擾動(dòng)和水滲透進(jìn)入微裂隙破壞膠結(jié)讓巖石結(jié)構(gòu)性減弱，容易造成機(jī)械破碎，造成堵心、掉塊、卡鉆的現(xiàn)象。

2．2 斷層帶地層

該區(qū)受多期構(gòu)造地質(zhì)作用，鉆遇多條斷層，斷層形成的斷層泥給鉆進(jìn)造成了多種問(wèn)題。斷層泥的形成與斷裂帶有緊密關(guān)系，有關(guān)學(xué)者研究表明，它是由斷層運(yùn)動(dòng)時(shí)斷層附近的巖石在摩擦滑動(dòng)引起的高溫下蝕變而形成的。也就是說(shuō)，斷層泥的形成過(guò)程是斷層巖石角礫化碎屑物由粗變細(xì)的過(guò)程［1］。假設(shè)環(huán)境條件不變，碎屑物的粒度將隨著斷層的滑移逐漸變小，一般不會(huì)隨著斷層位移的增大而一直變小，當(dāng)小到一定的粒度時(shí)就趨于均勻不變。斷層泥主要為層狀硅酸鹽礦物(如高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙脫石等)，由于這種巖石的礦物成分決定了在鉆探過(guò)程中容易在圍巖高應(yīng)力作用下壓縮鉆孔縮徑、遇水后容易水化膨脹縮徑、巖層本身含泥巖層造漿增粘、包鉆等問(wèn)題。

2．3 煤系地層

礦區(qū)煤系地層在沉積成煤的過(guò)程中，由于多重構(gòu)造地質(zhì)作用，使得煤系地層巖層多為粉煤層，塊狀煤較少，結(jié)構(gòu)松散、破碎、具有極強(qiáng)的水敏性，遇水易膨脹。局部地段由于巖層傾角較大，單層煤層厚度比較大，在鉆進(jìn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)鉆遇厚粉煤層(幾米到幾十米不等)。在ZK5－3號(hào)孔就出現(xiàn)了鉆遇厚達(dá)6.56、16.66、7.2、17.18、60.29 m 的多條單層粉煤。出現(xiàn)了進(jìn)入煤系就垮塌，取巖心困難、反復(fù)掃孔不到底，時(shí)有越掃孔越淺至報(bào)廢孔等現(xiàn)象。給正常鉆進(jìn)造成了很大的困難。

3 礦區(qū)復(fù)雜地層對(duì)泥漿性能的要求

3．1 適當(dāng)?shù)拿芏龋?］

當(dāng)?shù)貙釉诒汇@開(kāi)之前，孔壁在受原有地應(yīng)力(如上覆巖層的壓力、水平方向圍巖的壓力和巖層之間的空隙壓力和水壓力)作用處于相對(duì)平衡穩(wěn)定的狀態(tài)?？籽郾汇@開(kāi)以后地應(yīng)力被釋放，孔內(nèi)泥漿作用于孔壁的壓力取代了所鉆巖層原先對(duì)孔壁巖石的支撐，破壞了地層和原有的應(yīng)力平衡，引起孔壁周圍應(yīng)力的重新分布［6］。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，宜采用適量增大膨潤(rùn)土的加量或者加入加重劑來(lái)提高密度，從而使鉆井液在孔內(nèi)的液柱壓力與地層壓力達(dá)到相對(duì)平衡穩(wěn)定，防止圍巖壓力作用擠垮孔壁、造成掉塊、卡鉆等事故的發(fā)生。

3．2 較低的失水量［5］

鉆遇第四系地層、泥頁(yè)巖地層或者松散、較破碎地層時(shí)，如果泥漿濾液滲入地層就會(huì)破壞原有巖層顆粒之間的膠結(jié)狀態(tài)，加上長(zhǎng)時(shí)間浸泡使巖石水化膨脹和分散，機(jī)械強(qiáng)度降低，造成垮塌、水化膨脹縮徑。因此，可以加入具有抑制泥頁(yè)巖效果的聚合物如磺化瀝青和KHm類物質(zhì)，磺化瀝青中由于含有磺酸基團(tuán)，水化作用很強(qiáng)，當(dāng)吸附在泥頁(yè)巖晶層斷面上時(shí)，可阻止泥頁(yè)巖的水化分散［5］。同時(shí)，KHm中的K+可以通過(guò)鑲嵌或晶格固定使蒙脫石水化能力減弱，有利于減弱泥頁(yè)巖的水化滲透，從而起到抑制和降失水的效果［7］。

3．3 很好的護(hù)壁防塌性能以及攜沙、沉沙效果

泥漿中加入適量的磺化瀝青、KHm和高聚物(水解聚丙烯酰胺、水解聚丙烯腈—銨鹽)。磺化瀝青能在孔壁形成一層憎水膜，阻止泥頁(yè)巖水化分散，穩(wěn)定井壁;KHm中的K+能進(jìn)行離子交換和晶格固定，交換后的K+嵌入六方晶格，封閉了水溶液破壞泥頁(yè)巖顆粒之間的結(jié)合力的通道［8］。由于含有一定數(shù)量的吸附基團(tuán)(－CONH2)，與粘粒表面上的氧化氫鍵吸附，增強(qiáng)粘粒表面的靜電斥力，從而提高粘粒的聚結(jié)穩(wěn)定性。同時(shí)高聚物還通過(guò)－CONH2和－COONa的氧與粘粒斷鍵邊緣上的Al3+或－OH吸附，使高分子鏈包圍粘粒產(chǎn)生護(hù)膠作用。另一方面能使分子鏈比較伸展并吸附多個(gè)粘粒形成結(jié)構(gòu)網(wǎng)。起到很好的護(hù)壁作用［9］。泥漿中加入適量造漿的膨潤(rùn)土和一系列的化學(xué)處理劑后，使得泥漿具有適宜的表觀粘度、塑性粘度和動(dòng)切力，能穩(wěn)定孔壁的同時(shí)還能較好地將攜帶的巖屑排除和沉淀。

4 泥漿方案

經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)研究，結(jié)合羅平礦區(qū)的復(fù)雜地層情況，選出了適合該區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工泥漿方案。

4．1 方案一:聚丙烯酰胺無(wú)固相泥漿

聚丙烯酰胺無(wú)固相泥漿是目前繩索取心鉆進(jìn)中常用的沖洗液類型之一，這類泥漿具有較好的絮凝作用，并有一定的護(hù)壁作用，能較好地控制泥漿密度和固相含量，加入一定的潤(rùn)滑劑能滿足繩索取心鉆進(jìn)開(kāi)高轉(zhuǎn)速的要求。適宜在較完整、完整砂巖地層使用。

泥漿配方:0.2%聚丙烯酰胺(PHP)。

泥漿性能:維持漏斗粘度在22～25 s之間。

4．2 方案二:磺化泥漿

在淺孔段，鉆遇較為復(fù)雜地層時(shí)，為了解決好復(fù)雜地層鉆進(jìn)護(hù)壁防塌問(wèn)題，減少孔內(nèi)事故，提出了一種簡(jiǎn)單的防塌泥漿體系，即依靠磺化瀝青的防塌性來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定孔壁的目的。

(1)基漿:4% ～6%鈣基膨潤(rùn)土+純堿(粘土質(zhì)量的5%);

(2)泥漿配置方案:基漿+0.3%CMC+50～100 ppm PHP+1% ～2%防塌瀝青+0.5% ～1%KHm+1%～1.5%水解聚丙烯腈—銨鹽。該泥漿體系的室內(nèi)試驗(yàn)性能指標(biāo)為:漏斗粘度30 s，密度1.04 g/cm3，表觀粘度23 mPa·s，塑性粘度16 mPa·s，動(dòng)切力 6.8 Pa，動(dòng)塑比 0.42，失水量 8 mL/30 min，泥餅厚0.5 mm，pH 值9。

4．3 方案三:聚磺泥漿

(1)基漿:4% ～8%鈣基膨潤(rùn)土+純堿(粘土質(zhì)量的5%);

(2)泥漿配置方案:基漿+0.3% ～0.5%CMC+50～100 ppm PHP+1% ～2%防塌瀝青+0.5% ～1%KHm+1%～1.5%水解聚丙烯腈—銨鹽+1%～3%SMP－2+0.5% ～1%SMC，該泥漿體系的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 泥漿室內(nèi)、現(xiàn)場(chǎng)性能指標(biāo)

上述配置方案在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，根據(jù)鉆遇的實(shí)際地層情況，在保證順利鉆進(jìn)的前提下，適當(dāng)增減處理劑的用量;并根據(jù)需要適當(dāng)加入重晶石來(lái)提高泥漿密度，平衡地層壓力。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

5．1 方案一

聚丙烯酰胺無(wú)固相泥漿在礦區(qū)ZK4－2孔的296.85～336.43 m孔段以及該礦區(qū)其他鉆孔孔深在0～650 m段完整、較完整泥巖、砂巖地層鉆進(jìn)中使用，都能達(dá)到高效率鉆進(jìn)，收到了一定的效果。相比之前的高粘土加CMC的泥漿體系，鉆進(jìn)效率有很大提高。

ZK5－3號(hào)孔是羅平礦區(qū)最復(fù)雜、工作難度最大的鉆孔，該孔由于地處陡坡上，表層土很少，開(kāi)孔0～237.21 m孔深為飛仙關(guān)組地層，237.21～473.90 m為卡以頭組地層，473.90～923.86 m為煤系地層。飛仙關(guān)組地層傾角較大，一般為50°～70°，但是巖層本身較完整，裂隙較少，鉆進(jìn)很順利，效率也比較高，日進(jìn)尺在18～25 m。當(dāng)鉆遇卡以頭組地層，傾角逐漸變大，一般都在65°以上，局部達(dá)到了85°，造成堵心、掉塊等現(xiàn)象，給鉆探帶來(lái)很大的麻煩。后來(lái)采用泥漿方案一，這種現(xiàn)象基本上沒(méi)有發(fā)生，而且還大大提高了鉆進(jìn)效率，每天進(jìn)尺從18～25 m提高到20～30 m，最高日進(jìn)尺達(dá)到了64 m。

5．2 方案二

磺化泥漿在礦區(qū)較復(fù)雜孔段以及斷層帶地層的使用中起到了較好的作用。復(fù)雜孔段的ZK3－1、ZK1－2、ZK7－1、ZK5－3號(hào)孔473.90～576.80 m，ZK6－2孔580～620 m，ZK4－2號(hào)孔450～900 m段井深;斷層帶的ZK6－3號(hào)孔847～850 m段的斷層泥地層巖心(如圖1所示)。該段在鉆進(jìn)過(guò)程中容易水化膨脹、巖心縮徑、泥漿泵憋泵、卡鉆等，特別是在一個(gè)回次進(jìn)尺完成后打撈巖心管時(shí)，鉆具提升過(guò)程中由于斷層泥吸水膨脹，粘結(jié)在鉆桿外壁，形成很大的摩擦力，很多次提升由于摩擦力過(guò)大都將鉆機(jī)柴油機(jī)憋熄火，給現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)帶來(lái)很大的風(fēng)險(xiǎn)。后來(lái)采用上述泥漿方案二后，初次下鉆到847 m時(shí)還是不能順利通過(guò)，稍微掃孔通過(guò)后到達(dá)鉆孔底部，在后面的鉆進(jìn)中再?zèng)]有出現(xiàn)巖心縮徑、卡鉆憋車的現(xiàn)象。

圖1 斷層泥地層巖心

5．3 方案三

聚磺泥漿主要使用在煤系地層，特別是特厚粉煤層段。

如ZK5－3號(hào)孔，由于地層傾角較大，煤層比較厚，在鉆進(jìn)過(guò)程中有時(shí)會(huì)順層鉆遇煤層。而且該區(qū)煤層都是以粉煤為主，煤系巖心如圖2所示。進(jìn)入煤系第一次鉆遇較厚粉層煤在576.80～583.36 m，煤層厚度為6.56 m;第二層較厚粉煤層在592.24～613.90 m，煤層厚度為16.66 m;第三層較厚粉煤層在641.03～648.23 m，煤層厚度為7.2 m;第四層較厚粉煤層在727.20～744.38 m，煤層厚度為17.18 m;第五層特大厚層粉煤層在845.39～905.68 m，煤層厚度為60.29 m。從現(xiàn)場(chǎng)泥漿監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)參數(shù)(表2)來(lái)看，泥漿在特厚煤層的運(yùn)用基本上在預(yù)想指標(biāo)之內(nèi)。

圖2 煤系巖心

表2 特厚煤層泥漿監(jiān)測(cè)指標(biāo)

考慮到該孔如此厚的粉煤層，為保證生產(chǎn)和孔內(nèi)安全，在上述泥漿方案的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高了泥漿密度以平衡地層壓力，達(dá)到平衡鉆進(jìn)的目的，在使用上述泥漿方案后，順利鉆進(jìn)到終孔。這個(gè)孔創(chuàng)造了四川省煤田地質(zhì)局137地質(zhì)隊(duì)單孔打煤?jiǎn)螌幼詈裼涗洝?/p>

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，羅平礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探采用的泥漿方案是合理的、適用的，對(duì)類似地層鉆探有一定的參考作用。不足之處是使用的處理劑種類較多，操作較復(fù)雜。有待繼續(xù)研究探索。

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