高模數(shù)水玻璃鉀基抑制沖洗液在蠕變坍塌地層中的應(yīng)用

張 波，鄭秀華，汪傳武

(1．西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西西安710100;2．中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京100083)

0 引言

鉆探中常用水玻璃與水泥等配制成混合漿液進行鉆孔堵漏，利用水玻璃與水泥反應(yīng)的速凝作用，固結(jié)破碎段;或利用水玻璃膠液能滲入縫隙和孔隙中，以惰性材料為橋接，固化的硅凝膠與惰性材料的混合物堵塞毛細孔通道，從而達到堵塞漏失通道的目的。在斷層帶施工時，斷層帶的斷層泥使得鉆孔孔壁常發(fā)生縮徑、坍塌，斷層角礫的掉塊引發(fā)卡鉆造成鉆孔事故的情況時有發(fā)生，此類地層難點在于成孔困難、巖心采取率低。在含斷層泥的蠕變坍塌地層中，將高粘度、高密度的水玻璃和其他處理劑配合使用配制成為鉆井液進入鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，利用高模數(shù)水玻璃的高密度、高粘度的特性達到平衡孔內(nèi)壓力和保護孔壁，同時加入鉀鹽，利用鉀鹽對泥巖地層的抑制作用達到防止泥巖過度水化的目的，實現(xiàn)正常鉆進。

1 工程概況

施工工區(qū)位于青海省都蘭縣諾木洪南八寶灘以南、馬爾爭以北一帶，行政區(qū)劃屬青海省海西蒙古族藏族自治州都蘭縣諾木洪鎮(zhèn)管轄，地處昆侖山系之布爾漢布達山南坡，工區(qū)平均海拔4700 m左右，工區(qū)水系比較發(fā)育，用水方便。礦區(qū)的地質(zhì)工作始于20世紀50年代，先后有不同單位進行過不同比例尺的各種礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域性地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作和綜合研究工作，這些工作基本建立了本礦區(qū)地層、構(gòu)造系統(tǒng)。我院從2010～2013年均有隊伍在此從事鉆探施工，由于地處高海拔地區(qū)，并且地質(zhì)要求全孔平均巖心采取率≮70%;礦化帶重要標志層以及礦層與頂板交界處以上和礦層與底板交界處以下各5 m范圍內(nèi)的巖層平均巖心采取率≮80%;鉆孔不同深度的各測點實測頂角與開孔頂角之差要求＜2°/100 m。以往使用普通單管鉆進難以達到取心率、鉆孔彎曲度要求，并且事故率較高。因此，為保證巖心采取率、控制鉆孔彎曲度以及降低工人的勞動強度等，采用繩索取心鉆進工藝。

2 施工區(qū)構(gòu)造及地層

2．1 施工區(qū)大地構(gòu)造

本區(qū)地處昆中斷裂與昆南斷裂之間。褶皺構(gòu)造不發(fā)育，主要為斷裂構(gòu)造，以北西向和近南北向為主。斷裂規(guī)模大，地表形成規(guī)模不等的破碎帶。北西向斷裂是區(qū)內(nèi)主干構(gòu)造，控制著區(qū)內(nèi)地層、巖漿巖及礦產(chǎn)的空間分布。帶內(nèi)構(gòu)造巖以壓性特征為主，且有蝕變及后期巖脈侵入現(xiàn)象。南北向斷裂也是區(qū)內(nèi)主要斷裂之一，斷裂切割三疊紀地層與北西向斷層斷裂，性質(zhì)為逆斷裂，地表見有幾米至十幾米寬的破碎帶，并發(fā)育有糜棱巖、斷層角礫巖和黑色斷層泥，總體傾向東傾，傾角70°。

2．2 地層和巖性

地層分區(qū)屬秦祁昆地層區(qū)東昆侖—中秦嶺地層分區(qū)東昆侖南坡小區(qū)和巴顏喀拉地層區(qū)瑪多—馬爾康地層分區(qū)阿尼瑪卿山小區(qū)。東昆侖南坡小區(qū)出露地層主要有元古代萬寶溝群，奧陶—志留系納赤臺群，石炭系哈拉郭勒組、浩特洛洼組，三疊系洪水川組、鬧倉堅溝組、八寶山組，侏羅—白堊系羊曲組，古近系雅西錯組。各地層及巖性如下:

(1)第四系堆積物主要有湖積、沖—洪積和冰磧等，巖性為沖洪積砂土、砂礫石、碎石及風(fēng)塵砂，可鉆性1～4級;

(2)古—新近系雅西措組，巖性主要為砂巖與灰?guī)r互層、局部夾泥巖及少量復(fù)成分礫巖，可鉆性6～7級;

(3)侏羅—白堊系羊曲組，巖性為黑云母長石砂巖、巖屑長石砂巖，可鉆性6～7級;

(4)三疊系地層，巖性主要為長石砂巖、石英砂巖、板巖及少量灰?guī)r，偶見凝灰質(zhì)砂巖、流紋巖、安山巖夾頁巖、玄武巖、細礫巖、千枚巖等，可鉆性6～8級。

3 鉆探施工難點

第四系堆積物松散、漏水、坍塌，成孔比較困難;下部巖石軟硬不均，并且地層傾角較大，鉆孔易發(fā)生偏斜;斷裂帶層段的斷層泥、斷層角粒結(jié)構(gòu)，鉆進緩慢，易產(chǎn)生縮徑、掉塊、坍塌，而且失水量較大。

其中ZKA01孔在施工中多次發(fā)生掉塊卡鉆、縮徑卡鉆，造成鉆具提拉不動，回轉(zhuǎn)時將柴油機憋熄火，而且在孔深只有125 m時，由于斷層泥縮徑造成環(huán)狀間隙減小，泥漿泵泵壓高達5 MPa，為泥漿泵提供動力的柴油機經(jīng)常被憋滅，致使無法正常鉆進。

4 鉆進工藝及技術(shù)參數(shù)

針對以上困難情況，我們及時調(diào)整鉆進工藝參數(shù)，加大了鉆頭、擴孔器外徑，用水玻璃、鉀鹽、生物聚合物等配制抑制性沖洗液。

4．1 鉆進設(shè)備選型

該礦區(qū)設(shè)計鉆孔孔深多為500 m以淺直孔，因此，選用了如下設(shè)備:XY－4型鉆機，BW250型泥漿泵，4105型柴油動力機，AJ13．5型鉆塔。

4．2 金剛石鉆頭與擴孔器

在該礦區(qū)斷裂帶鉆進中，由于地層破碎、坍塌、斷層泥縮徑，造成孔壁不穩(wěn)定，鉆桿外壁與孔壁間的環(huán)狀間隙小、流速大、泵壓損耗大、液流不暢、泵壓偏高或憋泵，使鉆進無法正常進行。為此我們定做了加大外徑的鉆頭和擴孔器，鉆頭外徑由原來的75 mm增加到76 mm，擴孔器外徑由原來的75.5 mm增加到77 mm;增大了環(huán)狀間隙;金剛石鉆頭使用的是北京探礦工程研究所制作的高胎體金剛石鉆頭，極大地延長了鉆頭使用壽命，單只鉆頭最大壽命達到了120 m。

鉆頭、擴孔器在使用過程中注意排隊使用，以免出現(xiàn)重復(fù)擴孔的發(fā)生。

4．3 鉆進方法

不同地層采用的鉆探工藝如下。

4．4 鉆進參數(shù)

4．4．1 鉆壓

破碎地層中鉆進鉆壓不宜選用過大，孔深大于100 m后即使用減壓鉆進，以避免孔斜超標。在該孔中一般鉆壓選定為8～10 kN。

4．4．2 轉(zhuǎn)速

該孔孔內(nèi)破碎，使用高轉(zhuǎn)速易發(fā)生孔內(nèi)事故，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)整，把轉(zhuǎn)速控制在180～250 r/min，鉆進較平穩(wěn)，未發(fā)生鉆頭劇烈震動。

4．4．3 泵量

由于該孔情況比較復(fù)雜、孔壁不穩(wěn)定，流速過低，巖粉顆粒在超徑處懸浮沉積，停泵后易出現(xiàn)夾埋事故，泵量過大又會沖散巖心影響采取率，因此既要考慮泵量對孔壁的沖刷和對鉆頭胎體沖蝕的影響，又要保證巖粉排出，泵量調(diào)整為80 L/min。

4．5 沖洗液選擇及現(xiàn)場管理

4．5．1 沖洗液選擇

覆蓋層沖洗液配方:1 m3水+3% ～5%膨潤土+0.2%燒堿+0.2%～0.5%中粘CMC+1%潤滑劑。性能參數(shù):密度1.03～1.05 g/cm3，粘度30～34 s。

巖礦層沖洗液配方:1 m3水+300 ppm水解聚丙烯酰胺+1%～3%潤滑劑。遇到孔內(nèi)漏失或破碎地層時添加2.5% ～4%土，0.2% ～0.3%CMC，性能參數(shù):密度1.02 ～1.04 g/cm3，粘度28 ～30s。

4．5．2 技術(shù)分析與調(diào)整

通過分析，采用加大沖洗液密度平衡地層壓力，同時要解決減小失水量和孔壁坍塌、掉塊的問題，采用常規(guī)的加重泥漿會使沖洗液失水量加大，嚴重的情況下可能將漏失通道壓大造成沖洗液惡性漏失，因此最終將方案定為采用高模數(shù)水玻璃配制沖洗液，利用高模數(shù)水玻璃高密度、高粘度以及可發(fā)生膠凝、同時又能以膠液形式進入循環(huán)系統(tǒng)的特性來解決平衡壓力與堵漏這一矛盾。

選購模數(shù)為3的鈉水玻璃膠液，現(xiàn)場使用水玻璃的各項技術(shù)參數(shù)為:模數(shù)3，濃度為50°Bé，氧化鈉含量8.2%，密度為1.36 g/cm3。配方:水+2%膨潤土+8%硅酸鈉+3%KCl+0.01%燒堿。先按此配方配制的沖洗液進行沖孔，反復(fù)循環(huán)12 h，然后下鉆進行鉆進，正常鉆進40 m后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)管提拉困難，并且發(fā)生吸鉆強力提拔出內(nèi)管后觀察發(fā)現(xiàn)水玻璃發(fā)生重度凝膠。此凝膠應(yīng)為水玻璃中的硅酸鈉在水的作用下發(fā)生水解反應(yīng)而產(chǎn)生的H2SiO3，其水解過程可以用下列的方程式表示:

Na2SiO3+2H2O=2NaOH+H2SiO3

從反應(yīng)式中可見，生成了H2SiO3，H2SiO3是一種不溶于水的膠體，要解決凝膠對提拉內(nèi)管阻礙的問題，須抑制水玻璃的水解反應(yīng)。我們從2個方面入手:一是減少水玻璃的用量，將其用量調(diào)整為每立方米加量為5%;二是抑制其水玻璃的水化反應(yīng)，適當調(diào)低其模數(shù)，方法是向其中加入NaOH。通過計算得出每立方米沖洗液中需加入調(diào)處理水玻璃的燒堿量為1.056 kg;同時為了處理加入膨潤土的有害離子，按每立方米加入膨潤土量的5%加燒堿進行處理。則每立方米沖洗液中加入的燒堿總量為2.056 kg。

最終泥漿配方調(diào)整為:水+2%膨潤土+5%硅酸鈉+3%KCl+0.21%燒堿+0.4%XC+3%乳化石蠟。其性能是:表觀粘度16.0 mPa·s，失水量14 mL/30 min，密度1.09 g/cm3，pH 值 12 ～13，漏斗粘度31 s。

按照調(diào)整后的泥漿配方，經(jīng)過現(xiàn)場試驗，解決水玻璃漿液的過度膠凝問題，又保證了沖洗液能正常循環(huán)。

4．5．3 沖洗液現(xiàn)場配制

現(xiàn)場用1 m3攪拌罐提前將膨潤土攪拌，使其充分水化，加入1 kg燒堿，攪拌均勻后倒入泥漿坑中，然后將50 kg水玻璃膠液加1.056 kg燒堿攪拌均勻后倒入泥漿坑中與膨潤土漿液混合，最后加入30 kg KCl，在池中充分攪拌。

4．5．4 沖洗液的現(xiàn)場管理

配制好的沖洗液在使用一段時間后，其性能會發(fā)生變化，在現(xiàn)場每班要測定沖洗液性能，根據(jù)沖洗液消耗量確定補充水玻璃溶液的量，一般是每鉆進10 m需補充水玻璃溶液80 L，補充30 kg KCl，具體方法是將80 L水玻璃與1 m3水攪拌均勻倒入泥漿坑中，然后分2～3次將KCl溶于200 L水中加入泥漿坑，與坑內(nèi)沖洗液攪拌均勻。由于調(diào)整后的沖洗液屬于強堿性，因此在配制和施工過程中一定要佩戴防護眼罩和橡膠手套，避免沖洗液濺入眼中和沾到皮膚。

5 孔內(nèi)事故處理

在ZKA01孔的施工中出現(xiàn)的事故主要是孔壁坍塌和掉塊卡鉆。造成卡鉆的原因是沖洗液護壁效果不好，鉆進中不能有效地平衡孔內(nèi)壓力。在本孔遇到卡鉆事故時，首先要保證沖洗液能夠循環(huán)，在泥漿泵能力允許下使用大泵量，先清潔鉆孔，然后再低擋回轉(zhuǎn)鉆具，上下竄動，操作時要根據(jù)鉆機的拉力、回轉(zhuǎn)參數(shù)以及鉆機動力負荷判斷回轉(zhuǎn)和提拉的力度，阻力變小時再緩慢提升。在復(fù)雜地層施工過程中，操作要細心謹慎，合理控制提下鉆速度，注意孔內(nèi)沖洗液循環(huán)情況，泵壓、鉆壓、稱重等顯示及柴油機異常響動，防止燒鉆、斷鉆;如果需要停機或出現(xiàn)設(shè)備故障時，應(yīng)將孔內(nèi)鉆具提出并回灌沖洗液;遇到卡鉆的情況不能野蠻施工，禁止強拉硬頂以防將鉆具卡死，從鉆具、沖洗液等方面進行分析，找到原因，有針對性地制定解決方案。

6 調(diào)整后的方案實施效果

以往在?？幽系V區(qū)施工過程中，使用低固相或無固相沖洗液經(jīng)常會發(fā)生孔內(nèi)事故，尤其在鉆遇斷層帶時，縮徑、掉塊卡鉆、斷鉆、塌孔等事故時有發(fā)生，而且鉆進效率低下，斷層帶的巖心采取率也得不到保障。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)整后的高粘水玻璃鉀基抑制沖洗液能夠正常循環(huán)，提管取心過程中在鉆桿內(nèi)壁及內(nèi)管外壁沒有出現(xiàn)凝膠，內(nèi)管提拉順利;并且沒有發(fā)生鉆孔坍塌、掉塊卡鉆等事故。順利鉆至終孔，巖心采取率達到了80%以上(見表1)，符合地質(zhì)要求。使用此沖洗液方案時，由于不及時補充水玻璃或泥漿攪拌不均勻也可能會發(fā)生鉆孔漏失，ZKA11孔即是此種原因，因此在現(xiàn)場一定要重視泥漿的日常維護，做到勤觀察、勤測量、勤補充，才能使此方案發(fā)揮到最佳效果。

ZKA01孔試驗方案成功后，?？幽系V區(qū)后續(xù)鉆探施工中，使用高粘水玻璃鉀基抑制沖洗液，有效地解決了蠕變破碎地層縮徑和坍塌、掉塊問題，保護了孔壁，平衡了地層壓力。

7 結(jié)語

埃坑南礦區(qū)鉆遇蠕變坍塌地層，施工過程中伴隨著孔壁縮徑、坍塌以及斷層角礫的掉落造成卡鉆等事故，使用高粘水玻璃配制鉀基抑制沖洗液，有效地緩解了斷層泥的縮徑、坍塌、掉塊;同時采用合理的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量也是在此類地層中施工成功的重要因素。ZKA01孔的成功施工為本礦區(qū)后續(xù)鉆探施工積累了經(jīng)驗、提供了參考方法。另外，在使用高粘水玻璃配制成沖洗液的過程中要不定期監(jiān)測沖洗液的各項參數(shù)，及時補充各種材料，保證沖洗液性能最佳。

表1 ?？幽瞎^(qū)鉆探施工成果

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