凍土層用沖洗液體系在玉樹多彩鄉(xiāng)查涌礦區(qū)鉆探施應(yīng)用

魯生彪，嚴(yán)志財(cái)，胡國軍，董升普，紀(jì)衛(wèi)軍

（1.青海齊鑫地質(zhì)礦產(chǎn)勘查股份有限公司，青海 810003；2.北京探礦工程研究所，北京 100083）

查涌工區(qū)位于青海省南部玉樹藏族自治州治多縣，行政區(qū)劃隸屬于青海省治多縣多彩鄉(xiāng)管轄，距西寧市約1065km，距尕龍格瑪西礦區(qū)約15km，治多縣至多彩鄉(xiāng)有三級公路相通（19km），多彩鄉(xiāng)至工作區(qū)南有簡易公路相連，交通尚屬便利。

工區(qū)地勢西南高、北東低，海拔一般為4500～5200m，高差一般500m左右，接近現(xiàn)代雪線，屬侵蝕高山亞區(qū)，因此工區(qū)凍土層發(fā)育豐富。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，主要為查涌、日啊日曲等，屬長江水系。年最高氣溫24℃，最低氣溫－30℃，年均氣溫0℃以下，晝夜溫差大，冰凍期長；全年除六至八月份外，基本都為冰凍期。

工區(qū)人口稀少，世居民族為藏族，常年以放牧為生，隨草逐流的游牧生活，無農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工礦企業(yè)，社會經(jīng)濟(jì)比較落后，生產(chǎn)和生活物資大多由西寧運(yùn)抵。野外生產(chǎn)生活用電須自備燃油發(fā)電機(jī)，通訊需配備無線電臺或衛(wèi)星電話。

1 地質(zhì)概況

工作區(qū)位于通天河印支期銅、鉛、鋅成礦亞帶。區(qū)內(nèi)出露地層主要為三疊世巴塘群碎屑巖段，第三紀(jì)曲果組；巖性以石英砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖、灰?guī)r為主；工作區(qū)內(nèi)巖漿巖多為燕山期石英閃長巖，與其北部巴塘群碎屑巖段呈斷層接觸關(guān)系。此外，輝長巖脈廣泛出露；區(qū)內(nèi)以北西向斷裂構(gòu)造為主，其次級的近東西向的構(gòu)造與成礦關(guān)系密切。

2 鉆探施工中存在的施工難題

工區(qū)平均海拔在4500m以上，由于受強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用，斷裂和節(jié)理裂隙十分發(fā)育，巖層破碎嚴(yán)重，地表裸露部分多為強(qiáng)風(fēng)化層，呈沙粒及碎石狀。地層軟硬不均，巖層變化極快，多數(shù)鉆孔存在凍土層。施工極為困難，主要遇到的問題如下：

（1）巖層破碎嚴(yán)重，斷裂和節(jié)理裂隙十分發(fā)育，容易發(fā)生掉塊、坍塌、漏失等情況，地層破碎情況見圖1。

圖1 地表裸露的地層情況及取出的破碎地層巖心

（2）多數(shù)鉆孔存在凍土層，且室外平均氣溫較低，沖洗液特別容易凍結(jié)，之前采用普通沖洗液體系施工凍土層時，經(jīng)常發(fā)生凍卡現(xiàn)象；凍土層地層軟硬不均，變層極快，并且其受溫度影響較大，當(dāng)沖洗液溫度較高時，沖洗液與凍土層之間的熱交換相對較快，凍土層中的冰層容易融化，導(dǎo)致取心率較低，同時上覆巖層失去支撐后容易發(fā)生掉塊、坍塌等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

以上問題要求鉆探過程中使用的沖洗液首先能夠耐低溫，即在較低的溫度下依然能夠保持良好的流變性能；其次需要具備很好的防塌性能，能夠滿足破碎地層防塌護(hù)壁的需要。

3 凍土層沖洗液體系的組成及性能

3.1 體系材料組成及主要作用

針對以上問題項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一種冰點(diǎn)為－19℃的抗低溫沖洗液體系，該體系能夠在低溫環(huán)境下保持良好的流變性能，同時具有很強(qiáng)的防塌護(hù)壁性能，其材料組成及主要作用如下：

（1）復(fù)合鹽水：由無機(jī)鹽和有機(jī)鹽組成，其作用：①降低沖洗液冰點(diǎn)；②提高沖洗液密度，能夠?qū)妆谄鸬街巫饔茫_(dá)到維護(hù)孔壁穩(wěn)定的效果；③提高沖洗液體系的抑制性，抑制泥頁巖、風(fēng)化層、泥質(zhì)膠結(jié)物等水敏性較強(qiáng)的巖層的水化分散。

（2）鈉膨潤土：造漿材料，具有造漿和膠結(jié)孔壁的作用。

（3）包被劑（BBJ）：提高體系抑制性，具有包被和適度絮凝作用。

（4）增黏劑（GTQ）：抗鹽效果好，具有提高黏切、降低失水的作用。

（5）降失水劑（CMS）：淀粉類降失水劑，具有降低失水的作用。

（6）防塌減阻劑（GFT）：乳液狀瀝青防塌材料，抗鹽效果好，降低失水，能夠通過封堵和粘接起到防塌護(hù)壁的作用。

（7）極壓潤滑劑（GLUB）：提高體系潤滑性能，對沖洗液其他性能無影響。

3.2 體系配方

20%復(fù)合鹽水＋3.5%鈉膨潤土＋0.2%BBJ＋0.6%GTQ＋0.7%CMS＋1.5%GFT＋1.5%GLUB

3.3 體系性能

體系性能見表1。

表1 優(yōu)化配方常規(guī)性能

4 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2014年5月18日開始，先后在查涌工區(qū)的四個鉆孔zk1－2、zk4－1、zk10－1、zk8－1進(jìn)行凍土層沖洗液體系現(xiàn)場試驗(yàn)，具體情況如下：

4.1 設(shè)備概況及孔身結(jié)構(gòu)

鉆機(jī)主要使用XY—44鉆機(jī)，泥漿泵為BW—250型，現(xiàn)場配有1m3攪拌機(jī)。鉆孔設(shè)計(jì)孔深分別為500m、300m、300m、580m，均以φ127口徑開孔，φ75口徑終孔。

4.2 沖洗液配制及維護(hù)

開孔一般采用細(xì)分散膨潤土體系，下完表層套管后更換為凍土層用沖洗液體系，具體配方如下：

20%復(fù)合鹽水＋3%～4%鈉膨潤土＋0.5%～0.7%增黏劑＋0.6%～0.8%降失水劑＋1%～2%高效防塌劑＋0.1%～0.3%包被劑＋1.5%極壓潤滑劑。

配制方法：在泥漿攪拌機(jī)中放入清水，然后加入復(fù)合鹽攪拌2～5min，待其充分溶解后加入膨潤土攪拌5～10min，然后按照配方順序依次加入抗鹽共聚物、降失水劑、高效防塌劑攪拌5～10min，然后再加入包被劑、潤滑劑攪拌10～20min后即可使用。

沖洗液性能：漏斗黏度19～30s；比重1.18～1.25g／cm3；API濾失量5～10mL；泥皮≤0.5mm，有韌性；pH值8。

沖洗液維護(hù)方法：

（1）前期換漿時嚴(yán)格按配方配制沖洗液，在沖洗液循環(huán)使用中，需經(jīng)常測試沖洗液性能。補(bǔ)漿時可根據(jù)性能，參考配方，結(jié)合各處理劑作用調(diào)整沖洗液性能。

（2）由于現(xiàn)場機(jī)臺沒有配固控設(shè)備，所以需要人工及時清理沉淀坑中的巖粉，如果清理不及時，巖粉混入沖洗液中容易造成沖洗液黏度上升、固相含量升高、鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢等問題，這時就需采用排出部分舊漿、補(bǔ)充新漿的辦法來調(diào)整沖洗液性能。

4.3 沖洗液應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

沖洗液應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 沖洗液應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)表

4.4 應(yīng)用效果

截止目前，查涌工區(qū)采用凍土層用沖洗液體系共完成鉆探工作量1695.99m，取得了很好的效果，具體表現(xiàn)如下：

（1）該體系冰點(diǎn)較低（－19℃），能夠在很低的溫度下保持很好的流動性能。工區(qū)整體氣候環(huán)境惡劣，經(jīng)常下雨下雪，夜間溫度較低，約－10～20℃，以往在此施工鉆遇凍土層時，取心時必須非常小心，需要把鉆具提離凍層后再下打撈器打撈巖心，取完芯后再下鉆掃冰，即使這樣也發(fā)生多次凍卡事故。本次試驗(yàn)的四個鉆孔皆鉆遇凍土層，其中ZK1－2位于孔深161.00～188.50m之間，ZK4－1位于孔深178.80～239.50m 之間，zk10－2位于孔深126～148m之間，zk10－2位于孔深136～158m之間，但是沖洗液依舊可以保持很好的流動性，取心時可以把鉆具直接放在井底，取完心后無需掃孔即可進(jìn)尺生產(chǎn)，不僅節(jié)省了掃孔的時間，同時也降低了凍卡的風(fēng)險。

（2）具有很好的護(hù)壁性能。該體系失水量較低，在孔壁上能夠形成薄韌的泥皮，防塌性能優(yōu)越，所以護(hù)壁效果好。查涌工區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，破碎地層較多。以往在此施工時使用的水＋鈉土＋植物膠＋羧甲基纖維素＋腐植酸鉀＋聚丙烯酰胺＋NaCl體系，沖洗液靜止時經(jīng)常發(fā)生水土分離現(xiàn)象，膠體穩(wěn)定率較低，所以護(hù)壁效果較差，施工中經(jīng)常發(fā)生掉塊現(xiàn)象，并有四次引起了卡鉆事故，2014年使用凍土層用沖洗液體系后，很少有掉塊現(xiàn)象發(fā)生，起下鉆非常暢通。

（3）護(hù)心效果好，提高了取心率和取心效果。以往在此施工，平均取心率80%，凍層取心率只有40%，并且取上來的巖心有明顯的融化痕跡，直徑比正常巖心小一圈，本年度使用凍土層用沖洗液體系后，平均取心率達(dá)92%，凍層取心率88%，取上來的巖心非常完整，無融化痕跡。

（4）降低了事故率，提高了鉆探經(jīng)濟(jì)效益。由于使用了低溫沖洗液體系，孔壁穩(wěn)定性較好，事故率較以往大幅下降。

（5）潤滑效果好，鉆具磨損小。在孔深200m后，加入了油基潤滑劑GLUB，鉆機(jī)扭矩明顯下降，配電箱電流從50A下降到43A，效果非常顯著。

5 結(jié)論

（1）查涌礦區(qū)海拔較高，氣候條件惡劣，地層破碎且多數(shù)鉆孔存在凍土層，要求沖洗液具有較低的冰點(diǎn)和良好的護(hù)壁性能。

（2）設(shè)計(jì)的凍土層用沖洗液體系綜合性能優(yōu)越，在查涌礦區(qū)現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用，能夠滿足凍土層鉆探施工的護(hù)壁及取心要求，取得了很好的效果。

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