聚合物泥漿在復(fù)雜地層鉆探施工中的應(yīng)用

唐軍勇

[摘要]廣西某礦區(qū)巖心鉆探施工。構(gòu)造地層鉆進(jìn)施工的泥漿選配，解決了相當(dāng)一部分鉆孔不穩(wěn)定層段鉆進(jìn)施工的孔壁穩(wěn)定與漏漿問題，為"攻深找盲"鉆探施工提供護(hù)壁、堵漏經(jīng)驗。

[關(guān)鍵詞]聚合物 泥漿 護(hù)壁 復(fù)雜地層治理

[中圖分類號] F407.1 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-8-446-1

1工程概況

本施工區(qū)在地質(zhì)條件方面有兩個明顯的特點：一是巖石強度變化大，正常巖石在不同地段、不同鉆孔甚至同一鉆孔不同部位其強度都有較大的差別，給鉆頭選型及施工帶來一定的困難；二是構(gòu)造帶內(nèi)巖石十分破碎、松散，上下盤次級帶密集發(fā)育、破碎帶范圍大，可達(dá)數(shù)十米，鉆進(jìn)過程中易造成坍孔及沖洗液漏失。前期的鉆探施工中，由于使用的泥漿不適應(yīng)Φ60mm金剛石鉆具和地層情況，造成內(nèi)管投不到位、內(nèi)管打撈不上；孔內(nèi)掉塊、卡鉆、埋鉆的孔內(nèi)事故。

2地層情況

區(qū)內(nèi)出露的巖石較為單一，主要為燕山早期第二階段的豆乍山花崗巖體（r52-2），巖性為中細(xì)粒小斑狀黑云母花崗巖和細(xì)粒小斑狀二云母花崗巖。巖石主要礦物成分為長石、石英及云母等，結(jié)構(gòu)致密；正常巖石屬硬質(zhì)巖石，可鉆性為8—10級、中等研磨性，構(gòu)造破碎帶內(nèi)的強硅化花崗巖為堅硬類巖石，可鉆性可達(dá)10—12級、中等研磨性，距地表淺部巖石稍有風(fēng)化，屬軟—中硬類巖石，可鉆性為1—6級、弱研磨性，風(fēng)化厚度一般為10m-15m。

礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造帶較發(fā)育，構(gòu)造帶內(nèi)巖石破碎且多有硅化現(xiàn)象，在帶內(nèi)及其上、下盤附近裂隙發(fā)育，構(gòu)造帶走向為北北東向至近南北向，傾向南東至東，局部傾向東，傾角較陡達(dá)70°-85°。地下水以裂隙充水為主，主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以上，地形條件有利于自然排水。地質(zhì)構(gòu)造簡單，礦體有良好的隔水層，并已初步查清礦區(qū)充水的主要因素，對鉆探施工不會產(chǎn)生不利的影響。礦床井田涌水量預(yù)測，1280中段開采水量為116.65噸/時。故礦床充水因素簡單，強度不大，水文地質(zhì)條件屬于簡單的礦床類型。

3鉆進(jìn)工藝

金剛石繩索取心鉆探是當(dāng)代地質(zhì)鉆探比較先進(jìn)的方法，在我國地質(zhì)行業(yè)發(fā)展比較迅速，以金剛石繩索取心為主體的金剛石鉆探工藝方法，已成為地質(zhì)鉆探三大技術(shù)之一。

金剛石繩索取心鉆進(jìn)相對于其它地質(zhì)鉆探方法來說，具有？三高、兩低、一優(yōu)”的特點，即鉆速及鉆頭壽命高、純鉆進(jìn)時間利用率高、巖礦心采取率高，人員勞動強度低、鉆探成本低、巖礦心品質(zhì)優(yōu)良、結(jié)構(gòu)清晰、完整度好、純潔性高。基于金剛石繩索取心鉆進(jìn)的這些優(yōu)點，所以在本項目中我們采取金剛石繩索取心鉆進(jìn)方法進(jìn)行施工。

3.1孔身結(jié)構(gòu)

因施工地區(qū)除構(gòu)造帶外地層大多較完整、鉆孔均為一般勘探孔且采用金剛石鉆進(jìn)，所以多采用三級孔身結(jié)構(gòu)：Φ91mm—Φ75mm—Φ60mm。

3.2鉆具選型

F800帶F700帶均采用繩索取芯金剛石鉆進(jìn)。鉆桿外徑為Φ55.5mm，擴(kuò)孔器為Φ60.5mm，金剛石鉆頭直徑為Φ60mm。

3.3金剛石鉆頭的選型

鉆進(jìn)巖層為花崗巖，為硬、中研磨性局部破碎地層，采用人造金剛石鋸齒和交叉鉆頭，金剛石濃度為100%，粒度70目，胎體硬度為HRC25—30，實際施工根據(jù)巖性進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3.4鉆進(jìn)參數(shù)選擇

（1）鉆壓：P=10Fp=10*3.14/（62-42） *5.5=863.5≈864Kg；

（2）轉(zhuǎn)速：n=60*v/L=60*2.5/（3.14*0.06）=796r/min；

（3）泵量：Q=6VF=6*0.4*〔3.14/4*（6.52-5.52）〕=35.5L/min。

根據(jù)以上計算結(jié)果實際施工時鉆進(jìn)參數(shù)選擇鉆壓以600～900kg；轉(zhuǎn)速500～1100轉(zhuǎn)/分；沖洗液量30～45升/分。

4鉆孔的護(hù)壁與堵漏

4.1施工中的問題

2007年施工鉆孔22個，施工采用的沖洗液多為：清水+PHP+乳化油+Na-CMC的無固相泥漿。構(gòu)造帶鉆進(jìn)護(hù)壁效果差，因而有時采用水泥分段進(jìn)行固結(jié)。然而由于地下水的作用，孔內(nèi)水泥凝固結(jié)石率差，導(dǎo)致鉆具掃孔到底后又重復(fù)出現(xiàn)垮、掉現(xiàn)象。反復(fù)注漿、透孔，時間、人工、材料浪費很大。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是：第一，所使用的“清水+乳化油+PHP +Na-CMC+Na2O·nSiO2 ”泥漿，對于輕微破碎和漏失的地層有一定的抑制作用，由于這種泥漿的成膜性能不高，膠結(jié)性能不穩(wěn)定，很難護(hù)住孔壁，因此孔內(nèi)常出現(xiàn)掉塊、垮孔。第二，水泥灌漿固結(jié)護(hù)壁，雖然有一些效果，但由于孔內(nèi)垮孔段巖層系含水層，水泥漿非高壓灌注，水泥漿擴(kuò)散滲透距離短、巖縫中有殘留泥漿，所以形成的穩(wěn)定孔壁薄且水泥膠結(jié)強度不高，這就造成了鉆具施工的振動，能輕易地對所形成的穩(wěn)定孔壁產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致孔內(nèi)掉塊、垮孔。水泥凝結(jié)強度好的地段，則由于鉆進(jìn)介質(zhì)的軟硬不勻，極易造成偏孔。

采用低固相泥漿（粘土+Na-CO3+ Na-CMC+PHP）施工，由于鉆具的高速旋轉(zhuǎn)，鉆桿內(nèi)易形成一層泥皮，阻礙內(nèi)管的自由上下運動，造成內(nèi)管投送不到位、打撈內(nèi)管取芯困難。所以增加了起下鉆次數(shù)，加大了工人的勞動強度，消耗了寶貴的正常生產(chǎn)時間，影響了施工工期。

4.2解決問題措施

為了針對性解決護(hù)壁、堵漏問題，我們反復(fù)查閱相關(guān)資料，在室內(nèi)、生產(chǎn)中進(jìn)行了試驗，對泥漿材料、性能、護(hù)壁機理進(jìn)行分析對比，最后選擇了相應(yīng)的造漿材料，按“植物膠 + PHP + Na-CMC + 80堵漏劑 + 磺化瀝青護(hù)壁劑”配制的復(fù)合無固相泥漿進(jìn)行施工，情況有了很大的改善，施工效率較已往有了明顯的提高。

泥漿護(hù)壁機理：植物膠、PHP、Na-CMC，三種高分子聚合物一起合成的無固相泥漿，這些高聚物的分子具有多種吸附基的水化基，分子間通過吸附基聯(lián)接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且眾多的吸附基在孔壁表面上產(chǎn)生多點網(wǎng)膜吸附，在孔避表面上形成韌性良好的吸附膜，減慢了水對巖層的滲透速度。高聚物眾多的水化基縛住了大量的自由水，降低了泥漿的失水量，從而有效地防止和減少了巖石的水化分散與膨脹，有效地防止水敏松散等不穩(wěn)定地段的井壁坍塌、掉塊，從而起到了護(hù)壁作用。由于PAM是長鏈高分子化合物，能與植物膠、Na-CMC產(chǎn)生多點吸附，相互形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，使泥漿粘度增高，流動阻力增大，更進(jìn)一步加強了與孔壁的吸附力，滲透到巖石的裂隙中，提高了吸附膜的強度，阻止了孔內(nèi)沖洗液的漏失。

泥漿配比按以下四組方案進(jìn)行實驗，見表2。

按上表配方配制四組泥漿，并對它們分別進(jìn)行了主要技術(shù)指標(biāo)測定，數(shù)據(jù)參數(shù)如下表3。

同時將四組泥漿配制于現(xiàn)場，取現(xiàn)場松散巖樣分別放入泥漿中進(jìn)行浸泡。方案一中樣品24分鐘后開始膨脹、分散、崩塊，方案二、三中巖樣分別在2小時47分鐘、6小時25分鐘后開始分化瓦解，方案四中巖樣經(jīng)24小時后只有些膨脹，但并沒有分散解體。

按第四種方案配制的泥漿，在本礦區(qū)及另一個礦區(qū)進(jìn)行實際使用，效果顯著。例如在本礦區(qū)施工的ZK6-11號鉆孔，設(shè)計深度為730m，鉆進(jìn)施工中，分別在73.60m～75.00m，127.00m～130.60m，320.5m～337.00m，510.00m～530.80m，680.20m～707.70m，均遇見到淺肉紅色碎裂花崗巖構(gòu)造帶，最厚層接近30m，破碎，松散。使用新泥漿鉆進(jìn)施工后，孔內(nèi)未發(fā)生掉塊、垮孔現(xiàn)象，順利終孔，孔深744.00米。在另一礦區(qū)，ZK37-29號鉆孔，鉆進(jìn)到693.40m，穿過構(gòu)造泥，進(jìn)入破碎砂巖后，孔內(nèi)出現(xiàn)掉塊、垮孔、縮徑情況，鉆具在孔內(nèi)蹩車，蹩泵，負(fù)荷大，施工困難。改用新泥漿進(jìn)行排碴、清孔護(hù)壁，最后得以順利施工鉆進(jìn)至726.60米終孔。

新泥漿在實際鉆進(jìn)施工中存在一些問題，在今后的生產(chǎn)中應(yīng)避免：第一，不按規(guī)章操作，漿料不按順序加放，攪拌時間太短，導(dǎo)致漿液中有小團(tuán)塊；第二，在孔內(nèi)出現(xiàn)較大漏失的情況下，個別班組直接往泥漿池中加注清水；第三，新泥漿成本略高，有的機臺、班組不情愿使用或攪拌時少放料；第四，不重視泥漿的維護(hù)，換漿。

5結(jié)語

復(fù)雜地層的鉆進(jìn)施工，除對設(shè)備、鉆進(jìn)參數(shù)、工藝方法、操作經(jīng)驗有更高的要求外，還必須要有真對性好的泥漿進(jìn)行護(hù)壁。在本礦區(qū)中使用的新配制泥漿，比以往使用的泥漿護(hù)壁效果有明顯提高：（1）孔內(nèi)事故減少，鉆桿內(nèi)不再結(jié)垢泥皮；（2）攜巖屑能力強，孔內(nèi)干凈：（3）施工中轉(zhuǎn)速、鉆速比以往有所提高；（4）起下鉆次數(shù)比以往減少1/4，相對增加了正常鉆進(jìn)時間，提高了效益，降低了員工的勞動強度。這種新配制的無固相泥漿，作為小口徑金剛石繩索取心鉆進(jìn)方法的沖洗液，能夠有效地起到護(hù)壁防塌的作用，提高鉆進(jìn)效率。施工中遇到的問題及解決方法，為以后施工類似地層提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]劉海斌，廣西沙子江礦床深部及外圍鈾礦普查鉆探施工技術(shù).探礦工程（巖土鉆掘工程）.2011.38（4）：25-27.