河南靈寶小秦嶺金礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工中沖洗液的研制與應(yīng)用

李茂軍

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001）

河南靈寶小秦嶺金礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工中沖洗液的研制與應(yīng)用

李茂軍*

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001）

因地層形成條件的差異，在金礦區(qū)的地質(zhì)鉆探中，常常會(huì)遇到坍塌、掉塊、涌水、漏水等復(fù)雜情況。如果處理不好，常常會(huì)造成鉆孔事故，嚴(yán)重時(shí)可能報(bào)廢鉆孔。在河南省靈寶市南山礦區(qū)崟鑫金礦普查的地質(zhì)鉆探施工過程中，前期就遇到了上述情況，致使鉆孔事故頻發(fā)，根據(jù)地層特點(diǎn)，研制了2種鉆井沖洗液進(jìn)行護(hù)壁，有效地解決了施工中遇到的鉆孔坍塌、掉塊、涌、漏水的難題，順利地完成了施工任務(wù)。

金礦區(qū)；復(fù)雜地層；沖洗液；研制；應(yīng)用

1 工程概況

1.1 自然地理概況

南山礦區(qū)崟鑫金礦位于河南省靈寶市朱陽鎮(zhèn)，東起楊寨峪，西至藏珠峪，礦區(qū)面積為58.14m2，礦區(qū)距靈寶市65km，有柏油公路相通。

礦區(qū)位于小秦嶺分水嶺南側(cè)，地勢(shì)北高南低。小秦嶺最高峰老鴉岔腦，海拔2413.8m,為河南省最高峰，位于礦區(qū)西北部。礦區(qū)范圍內(nèi)最高海拔2300m，最低800m，相對(duì)高差達(dá)1500m，屬切割強(qiáng)烈的中山區(qū)。

1.2 簡(jiǎn)要地質(zhì)特征

從上至下地層的巖性依次為：變質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)千枚巖、粉砂質(zhì)板巖、石英巖（中部夾大理巖）、花崗片麻巖、黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖等。

區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂構(gòu)造較發(fā)育，尤以斷裂構(gòu)造最為發(fā)育。

1.3 含礦層

（1）含金石英脈：主要賦存在主成礦構(gòu)造派生的近南：北向壓扭性斷裂中，多在地表下100～200m范圍內(nèi)。脈石礦物主要是石英，次為長(zhǎng)石，絹云母及圍巖捕擄塊：（2）含金破碎硅鉀蝕變巖：主要賦存在地表下200m以下，致密塊狀、條帶狀、斑雜狀，主要礦物為石英、正長(zhǎng)石、方解石、綠泥石、絹云母。

1.4 水文情況

該礦區(qū)的水文情況分為2類：（1）第四系孔隙潛水：巖性為亞粘土、中粗砂、少量卵石，層厚10～50m，水位埋深約20m，單井出水量300～500t/d。（2）基巖裂隙水：賦存于基巖裂隙中，深度200～600m不等，水量變化大，流量0.1～2.6L/s。

1.5 鉆孔及鉆探工作量

2013年布設(shè)鉆孔4個(gè)，直孔，孔深分別為1575m、1515m、410m和330m，2014年度布設(shè)3個(gè)鉆孔，直孔，孔深分別為1360m、570m和370m。鉆探工作量合計(jì)6130m。

2 鉆孔質(zhì)量技術(shù)要求

鉆探工程必須按照鉆探施工通知書要求進(jìn)行施工，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行定點(diǎn)，開孔位置應(yīng)于設(shè)計(jì)位置相符，偏差不得超過5m，鉆探方位與設(shè)計(jì)方位一致。鉆孔回次記錄、巖礦芯的采取與順序擺放工作，鉆進(jìn)過程中要詳細(xì)做好臺(tái)賬記錄，回次循環(huán)時(shí)間，巖芯采取長(zhǎng)度，巖芯采取率不低于80%，礦芯采取率不低于85%。巖芯取出后，要規(guī)范進(jìn)行編號(hào)、放置，并標(biāo)記巖芯段號(hào)、深度，并按順序排放，必須確定鉆孔截穿礦脈礦體底板，終孔前必須經(jīng)地質(zhì)人員確認(rèn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求方可終孔。

終孔孔徑不小于?75mm。

3 施工概況

3.1 施工機(jī)械設(shè)備的選擇

根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)及甲方要求，2013年我方進(jìn)場(chǎng)3臺(tái)鉆機(jī)，分別為HXY-6B型2臺(tái)、XY-42型1臺(tái)，泥漿泵分別為BW250型2臺(tái)和BW150型1臺(tái)，鉆塔分別為23.5m四角塔2套和18.5m管子塔1臺(tái)，?73mm繩索取芯鉆具配備?76mm繩索取芯金剛石鉆頭。

2014年我方使用2臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行施工，型號(hào)分別為HXY-6B、XY-42，泥漿泵分別為BW250型和BW150型，鉆塔分別為23.5m四角塔和18.5m管子塔。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

上部10～50m第四系地層用中130mm合金鉆頭施工，至完整基巖后，下入?127mm和?108mm雙層套管，?76mm繩索取芯鉆具施工至終孔。

3.3 施工概況

在2013年的前期鉆探工程施工中，由于3條主礦體部位多為破碎帶，地下水活動(dòng)明顯，因此鉆孔屢次發(fā)生漏水、涌水現(xiàn)象，坍塌、掉塊現(xiàn)象極為嚴(yán)重，致使鉆孔事故頻發(fā)。特別是含綠泥石和絹云母的礦段，遇水膨脹較為嚴(yán)重，如果預(yù)防措施不及時(shí)，處理不當(dāng)，極易造成塌孔事故。2013年施工時(shí)，就曾經(jīng)因?yàn)樵摽锥伟l(fā)生塌孔而出現(xiàn)移動(dòng)孔位重新開孔的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了施工效率和鉆孔質(zhì)量。

針對(duì)出現(xiàn)的問題，我們組織探礦技術(shù)人員和有經(jīng)驗(yàn)的老工人，成立了復(fù)雜巖層綜合治理專題小組，通過對(duì)礦區(qū)復(fù)雜地層的分析研究，決定主要從鉆井沖洗液方面下手，配制出一種適合本礦區(qū)地層的沖洗液，再?gòu)你@進(jìn)技術(shù)參數(shù)上加以改進(jìn)，制定出一整套的綜合治理措施，指導(dǎo)該礦區(qū)的施工。通過試驗(yàn)并不斷進(jìn)行改進(jìn)，終于取得了成功，在2013年后期及2014年的施工中，雖然也遇到了坍塌、掉塊、漏水等現(xiàn)象，但沒有出現(xiàn)較為嚴(yán)重的鉆孔事故，更沒有報(bào)廢進(jìn)尺，圓滿地完成了施工任務(wù)。

4 鉆孔沖洗液的配制

4.1 配制沖洗液的指導(dǎo)思想

根據(jù)2013年前期施工中出現(xiàn)的問題，發(fā)現(xiàn)鉆孔坍塌、掉塊嚴(yán)重是造成鉆孔事故的主要原因，同時(shí)涌水、漏水現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，因此決定配制一種沖洗液，使其具有防坍、低比重、攜粉能力強(qiáng)、沉砂性能好，且凝結(jié)時(shí)間和粘度可調(diào)，可以隨鉆堵輕微漏失。為了防止繩索取芯內(nèi)管結(jié)垢，要求該種沖洗液的固相含量要小，甚至無固相含量。

對(duì)于特別嚴(yán)重的坍塌、掉塊和涌水、漏失現(xiàn)象，輔以其他的技術(shù)方法，如：灌注水泥漿、煉膠泥漿，甚至擴(kuò)孔后下套管封隔等。

4.2 沖洗液在試驗(yàn)室中的配制

（1）沖洗液添加劑的選擇：根據(jù)已經(jīng)確定的指導(dǎo)思想，我們配制了2種沖洗液，其配方中的添加劑如表1所示。

表l沖洗液添加劑加量

水解聚丙稀酰胺(PHP)：其分子量大，分子鏈很長(zhǎng)，水溶液的粘度較大，剪切稀釋作用好。PHP通過多點(diǎn)吸咐，吸咐在井壁上起保護(hù)作用。在實(shí)際應(yīng)用中，加入適量的交聯(lián)劑(FeCl3)等，可提高粘度、切力和攜砂能力，有較好的護(hù)壁效應(yīng)。PHP還有一定的潤(rùn)滑作用。

聚乙烯醇(PVA)：PVA也屬于高分子化合物，溶于水后可增加粘度，它同樣具有剪切稀釋的特性。PVA成膜性很強(qiáng)。其水溶液中加入少量硼砂，用人工激烈攪動(dòng)，靜置2min后膠化的PVA成凍膠狀，對(duì)護(hù)壁堵漏十分有效。

FeCl3：提供Fe3+，可與PHP交聯(lián)成不溶性凝膠物，以利于護(hù)壁堵漏。

KCl：能提供K+。礦區(qū)復(fù)雜地層中已發(fā)現(xiàn)有溶脹、溶坍的地段，特別是斷裂破碎帶水敏性較嚴(yán)重，K+進(jìn)入粘土晶格后可以防止水分子進(jìn)入，從而防止了地層遇水溶脹現(xiàn)象的發(fā)生，根據(jù)地層不同，可以調(diào)整KCl的用量。

硼砂：可與PVA交聯(lián)成凍膠，構(gòu)成雙二醇型的鍵。

（2）配制試驗(yàn)：選擇好添加劑后，用正交試驗(yàn)法進(jìn)行沖洗液配制的試驗(yàn)，選用Lg（34)正交表，見表2。

表2中，PHP：水解度20%～40%，分子量300～500萬，將干粉配成1%濃度的水溶液待用；PVA：聚合度1750，醇解度88%，配成1%濃度待用；FeCl3：配成19%濃度水溶液；KCl：配成1%濃度水溶液(最好用KHM)；硼砂：配成1%濃度水溶液。

數(shù)據(jù)處理：按有關(guān)公式計(jì)算表2中的表觀粘度T1表、塑性粘度T1塑、動(dòng)切力Td和動(dòng)塑比Td/T1塑列入表3中。

對(duì)各因素表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力和動(dòng)塑比的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，結(jié)果見表4。

由表2分析可以得到：PHP對(duì)泥漿性能影響最大，其次是PHP與FeCl3交聯(lián)，最佳配方應(yīng)為PHP(K3)、 PVA(K3)、KCl(K3)。但考慮到復(fù)雜地層的護(hù)壁堵漏效果，應(yīng)加大PVA的加量，最后確定的配方即為I號(hào)配方。沖洗液配方的性能為：

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表4 數(shù)據(jù)回處理結(jié)果

（3）巖樣浸泡試驗(yàn)：將所取到的3個(gè)孔6個(gè)孔段的5種典型巖樣：變質(zhì)砂巖、千枚巖、片麻巖、含礦破碎帶和普通構(gòu)造破碎帶，砸碎后不加任何介質(zhì)做成直徑為25m的小圓球，放在陰涼干燥處陰干后待用。

把5種巖性的樣球分別放置在盛放Ⅰ號(hào)沖洗液的燒杯中，每個(gè)燒杯放2～3個(gè)，浸泡24h后，含礦破碎帶和普通構(gòu)造破碎帶的樣球有裂紋、分瓣現(xiàn)象，其它3個(gè)樣球無變化。

將發(fā)生變化的2個(gè)樣品拿出，其它幾個(gè)樣品繼續(xù)浸泡，數(shù)日不坍，此沖洗液可作為常規(guī)沖洗液。

對(duì)于破碎帶應(yīng)重新設(shè)計(jì)配方，在其它藥品加量不變的基礎(chǔ)上，把KCl加量調(diào)到2‰～3‰，再浸泡破碎帶巖樣，數(shù)日不坍，此配方可作為破碎帶層沖洗液。

（4）Ⅱ號(hào)沖洗液配方的選定：微漏—中等漏失地層中，應(yīng)使用PVA加硼砂交聯(lián)配成凍膠來堵漏，經(jīng)正交試驗(yàn)，回歸處理得到的配方如表5所示。

表5 回處理得到的配方

經(jīng)試驗(yàn)，該沖洗液激烈攪拌靜置15min后即成凍膠狀，再激烈攪拌又變稀。變稀液時(shí)的漏斗粘度為27～30s。

5 沖洗液在施工中的應(yīng)用及效果

5.1 在坍塌、掉塊地層中的應(yīng)用及效果

（1）全孔使用Ⅰ號(hào)沖洗液配方，遇水敏性破碎帶將KCl加量調(diào)到2‰～3‰，提高沖洗液的結(jié)膜性及提高膜的強(qiáng)度。使用該沖洗液后，鉆孔的坍塌、掉塊、地層膨脹情況得到極大改善，雖然還有此類現(xiàn)象發(fā)生，但是未造成較嚴(yán)重的鉆孔事故；

（2）遇長(zhǎng)孔段嚴(yán)重破碎帶時(shí)，該沖洗液護(hù)孔效果較差，此時(shí)可用灌注水泥和套管護(hù)壁的方法進(jìn)行治理。

5.2 在漏失、涌水地層中的應(yīng)用及效果

（1）對(duì)于微漏至中等漏失地層，可在Ⅰ號(hào)沖洗液中加入添加劑配制成Ⅱ號(hào)沖洗液，除能夠護(hù)壁外，還可以隨鉆堵漏，效果良好，大大提高了施工效率；

（2）如果出現(xiàn)中等至嚴(yán)重漏失，則Ⅱ號(hào)沖洗液的作用有限，此時(shí)可采用粘土絮凝堵漏、化學(xué)堵漏、水泥堵漏、套管封隔等方法進(jìn)行治理；

(3)對(duì)于涌水地層可以配制大比重沖洗液，采用平衡鉆進(jìn)方法治理。

6 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的各種試驗(yàn)，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用的檢驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）在不同的地質(zhì)條件下，分別使用2種沖洗液，能夠起到護(hù)壁、堵漏、預(yù)防鉆孔事故的目的，減少了鉆孔事故，提高了施工效率，同時(shí)保證了工程質(zhì)量。

（2）Ⅰ號(hào)沖洗液（KCl加量調(diào)整至2‰～3‰）可有效保護(hù)孔壁，預(yù)防鉆孔坍塌、掉塊、巖層膨脹，為本礦區(qū)鉆探施工常用沖洗液。

（3）Ⅱ號(hào)沖洗液配合在Ⅰ號(hào)沖洗液中，可作為微漏至中等漏失地層的隨鉆堵漏劑，能夠有效提高施工效率。

（4）對(duì)于長(zhǎng)孔段嚴(yán)重破碎帶地層、嚴(yán)重漏失地層以及涌水地層，這兩種沖洗液的護(hù)壁作用有限，需要使用其它方法進(jìn)行治理。

（5）在實(shí)際施工中，一方面要嚴(yán)格按照沖洗液配方進(jìn)行配制泥漿，使其達(dá)到預(yù)定的沖洗液性能；另一方面，又要根據(jù)施工中所遇到的不同情況，在技術(shù)人員的指導(dǎo)下，隨時(shí)對(duì)沖洗液的性能加以改進(jìn)，以達(dá)到更好的護(hù)壁堵漏效果。

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P634.6

A

1004-5716(2015)10-0013-04

2015-04-13

李茂軍（1977-），男（漢族），河南潢川人，工程師，現(xiàn)從事鉆探技術(shù)及管理方面的工作。