植物膠沖洗液在東烏旗阿吉勒鉛鋅礦鉆探施工中的應(yīng)用

趙 浩，何 濤，李 強(qiáng)，尹 飛

(1．武警黃金第四支隊，遼寧遼陽111000;2．中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉工程技術(shù)學(xué)院，北京100083)

1 概述

阿吉勒礦區(qū)是武警黃金指揮部2008年發(fā)現(xiàn)的鉛鋅礦區(qū)，自項目開展以來，歷經(jīng)7年的勘探施工，儲量已經(jīng)達(dá)到13.5萬t。但是，由于礦區(qū)地層復(fù)雜，鉆探施工難度大，尤其是遇到水敏性地層護(hù)壁難的問題一直影響著施工進(jìn)度，成為找礦工作的“瓶頸”。針對鉆孔護(hù)壁難的問題，先后采用PHP、PAB、PAA型等多種沖洗液護(hù)壁，雖然在個別鉆孔取得成功，有一定效果，但處理孔內(nèi)事故耗時長，不能從根本上解決礦區(qū)鉆進(jìn)施工中坍塌、縮徑問題。2014年開始，改用植物膠低固相沖洗液護(hù)壁，效果顯著，解決了該礦區(qū)水敏性地層坍塌和縮徑的問題，大大降低孔內(nèi)事故率和輔助時間，提高了施工效率，并大幅降低了鉆探施工成本。

2 施工條件

2．1 地層概況

礦區(qū)位于內(nèi)蒙古東烏旗境內(nèi)，大地構(gòu)造位置處于華北板塊與西伯利亞板塊之間的結(jié)合部位［1－2］。礦區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，出露的主要地層如下［3－4］。

(1)第三系寶格達(dá)烏拉組(N2b)灰白—姜黃—紫紅色泥巖、細(xì)砂巖和含礫粗砂巖，分布于礦區(qū)南西和北東部地勢低洼地區(qū)，巖石破碎，裂隙發(fā)育，裂隙間距一般＜0.20 m，含有軟弱夾層，可鉆性1～4級。

(2)侏羅系滿克頭鄂博組(J3mk)凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r夾流紋巖、角礫熔巖，分布于礦區(qū)中部，在區(qū)內(nèi)面積最大。巖層一般有3～5層厚度＞10 m的破碎地段，最厚可達(dá)30多米。裂隙間距一般＜0.20 m，含有軟弱夾層，可鉆性8～10級，局部可達(dá)11級。

(3)石炭系—二疊系寶力高廟組二段((C2－P1)bl2)安山質(zhì)巖屑晶屑凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖粉砂巖、板巖、安山玢巖，分布于礦區(qū)南東和北東部，在鉆孔ZK4803—ZK9603之間，鉆孔巖心比較完整，以柱狀為主，有少量塊狀、碎塊狀，裂隙間距0.2～0.6 m，裂隙面稍粗糙，可鉆性8～10級。

各鉆孔均有2～5層破碎帶，厚度在幾米至幾十米不等，夾雜軟弱互層，蝕變非常發(fā)育，主要有綠泥石化、高嶺土化、硅化、碳酸鹽化，由高嶺土、蒙脫石及硅質(zhì)顆粒膠結(jié)的地段，易發(fā)生水敏化，造成坍塌、掉塊，鉆進(jìn)困難，且?guī)r心采取率低。礦區(qū)典型破碎蝕變帶地層巖樣如圖1所示。

圖1 礦區(qū)典型破碎蝕變帶巖心

2．2 鉆進(jìn)工藝

根據(jù)阿吉勒礦區(qū)地層情況，采用小口徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)，沖洗液循環(huán)為正循環(huán)方式。小口徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)，具有提鉆次數(shù)少、輔助時間短、純鉆時間長、勞動強(qiáng)度低、綜合效率高等優(yōu)點(diǎn)，是巖心鉆探的主要施工方法［5］。采用 XY－5、XY－5A型鉆機(jī)，BW－250型泥漿泵和JSJ型絞車作為主要鉆進(jìn)機(jī)械;采用孕鑲階梯型金剛石鉆頭。一般采用三級成孔，開孔直徑為110 mm穿過第四系覆蓋層，下108 mm套管;然后采用91 mm鉆頭鉆進(jìn)至穩(wěn)定基巖，下89 mm套管;最后用76 mm鉆頭鉆進(jìn)直至終孔。鉆進(jìn)過程中鉆壓保持在50～100 kN，泵量40～60 L/min、泵壓1～4 MPa、轉(zhuǎn)速600～1000 r/min。

3 礦區(qū)鉆進(jìn)護(hù)壁存在的主要問題分析

從2009年開始在阿吉勒礦區(qū)進(jìn)行巖心鉆探施工，截止2014年底，共計施工鉆孔26個，因礦區(qū)地層復(fù)雜，護(hù)壁困難，均采用三級成孔套管護(hù)壁。以往在鉆遇復(fù)雜地層時，單純靠無固相高分子化合物沖洗液無法正常鉆進(jìn)，雖然沖洗液在孔內(nèi)循環(huán)時會形成一層膠聯(lián)的保護(hù)膜，但在鉆進(jìn)過程中，孔內(nèi)巖屑、巖粉增多，孔內(nèi)高分子聚合物保護(hù)膜和孔內(nèi)的巖屑、巖粉及孔壁上水敏性強(qiáng)的硅質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)物及碳質(zhì)板巖等絮凝、聚沉后，會很快破壞孔壁上的保護(hù)層，因此往往只能暫時保護(hù)孔壁，難以達(dá)到理想效果。與此同時，在遇到水敏性易坍塌地層時，也會采用高標(biāo)號水泥進(jìn)行護(hù)壁，但灌注水泥耗費(fèi)時間較長，且成功率低，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度。此外，還嘗試使用PHP、PAB、PAA等，雖然在個別鉆孔完成較好，但護(hù)壁時間較長，效果也不太理想，未能從根本上提高鉆進(jìn)效率，無形中還增加了生產(chǎn)成本。

通過對礦區(qū)地層的綜合研究表明，礦區(qū)護(hù)壁困難的主要原因?yàn)?礦區(qū)地層的泥質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)物以及碳質(zhì)板巖中含有大量的蒙脫石、伊利石等粘土礦物，尤其是在破碎帶中，蒙脫石、伊利石含量更高，這些地層遇到?jīng)_洗液后遇水膨脹，遇到比較厚的破碎帶時會出現(xiàn)大面積的剝離、崩塌，從而使得孔內(nèi)出現(xiàn)縮徑、坍塌，會出現(xiàn)憋泵夾鉆，提鉆、下鉆過程受阻，多次上下鉆會沖刷形成漩誧，造成更大的坍塌，從而無法正常鉆進(jìn)，耽誤工期，甚至出現(xiàn)報廢孔。以往主要采用PHP、PAB、PAA等無固相沖洗液進(jìn)行護(hù)壁，雖然這些高分子聚合物能夠形成致密、堅韌、柔性好的網(wǎng)，在孔壁表面或隨沖洗液深入孔壁形成比較堅韌的吸附薄膜，但在鉆進(jìn)過程中，這些高分子聚合物在孔壁形成薄膜的同時，對孔內(nèi)的巖粉、巖屑尤其是在破碎帶中的蒙脫石、伊利石等粘土礦物進(jìn)行絮凝和吸附［6］，會改變沖洗液性能，導(dǎo)致粘度下降，從而排粉能力下降，在孔壁也無法形成保護(hù)膜，不能形成較好的泥皮來護(hù)壁，需要頻繁更換沖洗液，勞動強(qiáng)度大，經(jīng)濟(jì)上和施工效率上無法滿足需求。此外，這類沖洗液往往失水量比較大，反而會導(dǎo)致地層的重復(fù)失穩(wěn)，不利于系統(tǒng)化維護(hù)。

4 植物膠低固相沖洗液的配制、護(hù)壁機(jī)理及現(xiàn)場管理

針對礦區(qū)鉆進(jìn)護(hù)壁存在的問題及原因，結(jié)合幾年來鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)針對綠泥石化、高嶺土化強(qiáng)烈，泥質(zhì)含量高、水敏性強(qiáng)的地層進(jìn)行了大量研究和實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出植物膠低固相沖洗液。該沖洗液具有低固相、低粘度、低失水的特點(diǎn)，是小口徑金剛石巖心鉆進(jìn)中較為常用的沖洗液體系，它既可以獲得無固相沖洗液體系的高轉(zhuǎn)速，又可較好地提高攜帶懸浮巖屑能力和防止孔壁坍塌的性能［7］。處理劑主要采用羧甲基纖維素鈉(CMC)作為降失水劑，并加入皂化油作為鉆具潤滑劑。配方為:優(yōu)質(zhì)膨潤土+純堿+植物膠+CMC+皂化油。沖洗液性能:密度1.02～1.03 g/cm3，漏斗粘度 22～23 s，失水量＜12 mL/30 min，泥餅厚度＜1 mm，pH 值 8～9，膠體率＞98%。使用中應(yīng)注意避免沖洗液固相污染、自然增稠及堵水、憋泵情況，要適時加入潤滑劑，以降低回轉(zhuǎn)阻力。

4．1 沖洗液的配制

具體配比:5%優(yōu)質(zhì)膨潤土+0.15%純堿+1%～2%植物膠+0.2%～0.3%CMC+0.2%皂化油。即基漿采用優(yōu)質(zhì)膨潤土(50 kg)加水、加堿(1.5 kg)充分?jǐn)嚢?，水?4 h以上。分別取水化好的2%Na－CMC溶液、10%植物膠溶液各100 L及2 L皂化油充分?jǐn)嚢?，靜置0.5 h以上，沖洗液不分層即可使用。

4．2 沖洗液的護(hù)壁機(jī)理

孔壁失穩(wěn)過程首先是一個泥質(zhì)巖層和粘土礦物水化膨脹的過程。地層中的泥質(zhì)成分及其粘土礦物在地層壓力、水平地應(yīng)力等作用下，處于相對平衡狀態(tài)。而一旦被鉆開，沖洗液與地層開始接觸，粘土礦物表面遇水，產(chǎn)生水化膨脹。對于一些泥質(zhì)、硅質(zhì)硬顆粒膠結(jié)而成的半固結(jié)和弱固結(jié)地層，固結(jié)程度低，會在重力作用下產(chǎn)生自然剝離掉落，使得地層極不穩(wěn)定。其失穩(wěn)的主要形式為剝落、掉塊、坍塌、縮徑、超徑等［5］。因此，可以通過對沖洗液添加一些造漿材料、化學(xué)處理劑等對其性能進(jìn)行改良，抑制其水敏性及水化作用，防止坍塌、掉塊、孔壁失穩(wěn)的目的。

植物膠低固相沖洗液在循環(huán)過程中會形成一層粘彈性薄膜，能夠減少沖洗液中的水分浸入到孔壁地層中，同時又能夠在孔壁上形成一層薄而堅韌的泥皮，降低失水量，起到護(hù)壁堵漏的作用，還能夠潤滑鉆具，從而減輕對孔壁的沖刷破壞作用。

植物膠是一種純天然高分子聚合物，主要依靠分子間的聯(lián)接提高其粘度，分子鏈的線性結(jié)構(gòu)使其具有很好的流動性和剪切稀釋特性。能夠形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較高的粘度和粘彈性［8］。不僅可以較好地膠結(jié)地層，還能對水敏性地層起到抑制作用。加入纖維素可以有效地提高沖洗液粘度，增強(qiáng)泥皮韌性，并大大降低失水量，能夠有效地抑制礦區(qū)泥質(zhì)、硅質(zhì)膠結(jié)物及碳質(zhì)板巖等水敏地層的水化膨脹，從而有效地預(yù)防孔壁坍塌、縮徑等失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。

4．3 沖洗液的現(xiàn)場管理

配置好的沖洗液在使用一段時間后，其性能會發(fā)生變化，因此在現(xiàn)場配備了簡易沖洗液測試儀器，主要有失水量測試儀、漏斗粘度計、密度計、pH試紙、秒表等。要求每班對沖洗液進(jìn)行簡易測試，以便及時進(jìn)行維護(hù)和性能調(diào)整。在使用中不能隨意加入清水稀釋沖洗液，當(dāng)粘度和失水量不能達(dá)到要求時，要及時調(diào)整或者立即更換，確保沖洗液保持良好的性能。

5 ZK1507孔防塌及護(hù)壁效果

ZK1507孔是礦區(qū)最為典型的一個鉆孔，其設(shè)計孔深350 m，終孔深度350.52 m，設(shè)計傾角85°，設(shè)計方位角210°。開孔日期2014年7月9日，終孔日期2014年7月28日。該孔在孔深288.95～350.52 m時遇到60多米的構(gòu)造破碎帶，為3段碳質(zhì)板巖和2段晶屑巖屑凝灰?guī)r互層。其中，碳質(zhì)板巖綠泥石化強(qiáng)烈，較軟，受機(jī)械作用破碎;晶屑巖屑凝灰?guī)r主要由晶屑、巖屑和膠結(jié)物組成，固結(jié)程度不高，高嶺土化、綠泥石化強(qiáng)烈，水敏性強(qiáng)。晶屑巖屑凝灰?guī)r和碳質(zhì)板巖如圖2所示。

圖2 晶屑巖屑凝灰?guī)r和碳質(zhì)板巖

處理經(jīng)過:前期，根據(jù)預(yù)想柱狀圖已對該破碎帶范圍有一個大致推測，對此現(xiàn)場一直采用植物膠沖洗液進(jìn)行維護(hù)，并對其性能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。當(dāng)鉆進(jìn)至第173回次(孔深至290.67 m)時，由于進(jìn)尺加快，且出現(xiàn)憋泵夾鉆情況，我們及時采取取心措施，發(fā)現(xiàn)末端有一段碳質(zhì)板巖，隨后，立即停止鉆進(jìn)，檢測沖洗液主要性能指標(biāo)，測得pH值為9，粘度為24 s，失水量為14 mL/30 min，總體表現(xiàn)為失水量過大，粘度略高。對此我們根據(jù)配方配好3 m3沖洗液，并向孔內(nèi)壓入2 m3，將孔內(nèi)沖洗液排出。然后開始鉆進(jìn)，此時失水量為9.6 mL/30 min，粘度為22.5 s，憋泵夾鉆現(xiàn)象消失。當(dāng)鉆進(jìn)至294.27 m時，開始出現(xiàn)灰黑色晶屑巖屑凝灰?guī)r，在鉆進(jìn)時有憋泵夾鉆現(xiàn)象，且略有憋勁，對此我們將沖洗液的粘度加大至23.5 s，將失水量控制在9 mL/30 min以內(nèi)，同時采取“三低”(即低轉(zhuǎn)速、低泵量、低鉆壓)措施，緩慢鉆進(jìn)，并縮短回次進(jìn)尺，確保巖心采取率。經(jīng)過11個班近4天的時間終于穿過60 m厚的水敏性地層，達(dá)到了設(shè)計孔深，順利終孔。

通過對2012、2013年礦區(qū)使用無固相沖洗液和2014年使用植物膠沖洗液后的進(jìn)尺情況及平均直接成本等參數(shù)進(jìn)行對比(見表1)，可以明顯看出，植物膠沖洗液對阿吉勒礦區(qū)水敏性地層的護(hù)壁效果有極大的優(yōu)勢。

從表1可以看出，在鉆遇該水敏性地層時，使用植物膠沖洗液進(jìn)行護(hù)壁后，全年單個機(jī)臺日均進(jìn)尺分別較2012、2013年提高了67.7%、61.6%，平均巖心采取率分別提高了11.3%、11.2%，同時平均直接成本分別降低了56.9%、46.8%。而平均直接成本分別僅為2012、2013年的63.7%、68.1%。這直接表明，植物膠沖洗液在該水敏性地層中護(hù)壁效果良好，能夠系統(tǒng)地維護(hù)孔壁，大幅度提高鉆探施工效率，節(jié)約了成本。

表1 植物膠低固相沖洗液與無固相沖洗液各指標(biāo)對比

6 結(jié)語

在阿吉勒礦區(qū)巖心鉆探中，研究使用了以優(yōu)質(zhì)膨潤土為基漿，植物膠、CMC、皂化油為主要添加劑的植物膠不分散低固相沖洗液體系，成功地解決了該礦區(qū)水敏性地層鉆進(jìn)困難、取心不足的難題，大幅度提高了純鉆時間，降低了鉆孔事故率，輔助時間和停待率也都大幅度降低，各項指標(biāo)都滿足了地質(zhì)要求。但在沖洗液處理過程中，應(yīng)該注意維護(hù)沖洗液的性能，要求控制好低固相、低粘度、高礦化度和小濾失量，確保泥皮質(zhì)量薄而韌，從而達(dá)到較好的鉆進(jìn)效果和護(hù)壁作用。

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