鉀基加重泥漿在新疆博樂四臺礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工中的應(yīng)用

黃德強，張　波，王　俊，張德明

（西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西西安710100）

鉀基加重泥漿在新疆博樂四臺礦區(qū)復(fù)雜地層鉆探施工中的應(yīng)用

黃德強*，張波，王俊，張德明

（西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，陜西西安710100）

介紹了新疆博樂四臺某礦區(qū)的鉆探施工情況，針對鉆探施工過程中遇到的覆蓋層難以成孔，炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)灰?guī)r松散碎脆不易取芯，以及泥巖縮徑、鉆遇小溶洞等情況，從鉆探工藝和泥漿方面探討解決方案，為后續(xù)鉆孔施工提供了一些可借鑒的經(jīng)驗。

鉆探；復(fù)雜地層；鉀基泥漿；加重泥漿

繩索取芯工藝因其高效、能有效減輕工人的勞動強度，以及應(yīng)對復(fù)雜地層、避免孔壁坍塌、鉆孔彎曲等方面的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于金屬礦產(chǎn)鉆探施工中，但是由于其鉆具間隙小、鉆速高等各方面的因素使得對鉆孔沖洗液的粘度、含砂量、失水量和井身結(jié)構(gòu)等均具有較高要求，一般只能使用低固相或無固相沖洗液。新疆博樂四臺某礦區(qū)是我院的自有礦權(quán)，自2012年起便在此做了大量的地質(zhì)工作，為了進(jìn)一步查明該礦區(qū)的資源分布情況，2012年曾在此布置鉆孔，但由于地層復(fù)雜，沒有鉆進(jìn)成功；2013年為維護(hù)礦權(quán)需要和查明此礦區(qū)的地層、含礦情況在此布置了2個鉆孔，設(shè)計孔深分別為380m、400m，由我院隊伍承擔(dān)鉆探施工，為保證巖芯采取率，本礦區(qū)施工采用繩索取芯工藝，經(jīng)過努力，圓滿完成了鉆探施工任務(wù)。

1　礦區(qū)地質(zhì)及鉆探施工概況

1.1工區(qū)概況

普查區(qū)處于西天山東段的博羅科努山北坡，區(qū)內(nèi)海拔最高2621m，河谷最低點1450m，屬中低山區(qū)。大地構(gòu)造位置屬天山興蒙造山系，伊塞克—伊犁陸塊內(nèi)賽里木地塊，地層分區(qū)屬準(zhǔn)噶爾—興安大區(qū)，伊寧—中天山地層區(qū)，科古琴山地層小區(qū)；區(qū)域地層出露不全，地層展布受構(gòu)造控制明顯。

1.2工區(qū)地層

新疆博樂—精河縣納瓦布拉克地區(qū)出露地層主要見有：薊縣系庫松木切克群、青白口系開爾塔斯群、震旦系凱拉克提群、上泥盆統(tǒng)托斯庫爾他烏組、下石炭統(tǒng)阿克薩克組、上石炭統(tǒng)東圖津河組、下二疊統(tǒng)烏郎組、上二疊統(tǒng)曉山薩依組；山前、山間谷地及沿較大的河流分布有不同成因類型的第三系、第四系等。地層巖性由老到新如下：

（1）薊縣系庫松木切克群：主要巖性為結(jié)晶灰?guī)r、大理巖、硅質(zhì)巖夾含礫灰?guī)r、黑色含炭質(zhì)硅質(zhì)巖、黑色含炭質(zhì)白云巖?？摄@性分級：Ⅴ-Ⅶ級。

（2）青白口系開爾塔斯群：巖性主要為深灰色薄層灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖、黑色含炭質(zhì)粉晶灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r夾白云巖?？摄@性分級：Ⅴ-Ⅷ級。

（3）震旦系凱拉克提群：巖性為灰紫色中厚層狀砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、含鐵硅質(zhì)泥巖，細(xì)粒長石巖屑砂巖、含粉砂細(xì)粒長石砂巖，下部厚層狀泥質(zhì)粉砂巖，底部見底礫巖?？摄@性分級：Ⅴ-Ⅶ級。

（4）上泥盆統(tǒng)托斯庫爾他烏組：主要巖性為雜色礫巖、砂巖、粉砂巖夾鈉長斑巖、凝灰?guī)r和硅質(zhì)巖?？摄@性分級：Ⅶ-Ⅸ級。

（5）下石炭統(tǒng)阿克薩克組：主要巖性為粗—中粒雜砂巖、長巖巖屑砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、沉凝灰?guī)r、含礫凝灰砂巖、層間礫巖；下部巖性為褐灰色、礫巖、雜砂巖、凝灰質(zhì)粗砂巖、中酸性沉凝灰?guī)r、鈣質(zhì)長石巖屑砂巖、細(xì)砂巖?？摄@性分級：Ⅴ-Ⅶ級。

（6）上石炭統(tǒng)東圖津河組：巖性主要為生物碎屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、砂巖和礫巖?？摄@性分級：Ⅴ-Ⅶ級。

（7）下二疊統(tǒng)烏郎組：巖性主要為安山巖、碎屑巖、砂礫巖、巖屑砂巖夾粉砂巖、礫巖?？摄@性分級：Ⅵ-Ⅷ級。

（8）上二疊統(tǒng)曉山薩依組：巖性主要為長石巖屑砂巖、泥巖、炭質(zhì)粉砂巖、礫巖、含礫砂巖。可鉆性分級：Ⅳ-Ⅵ級。

（9）第三系上新統(tǒng)獨山子組：巖性主要為砂礫巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖、灰?guī)r及粘土巖，偶夾石膏?？摄@性分級：Ⅲ-Ⅶ級。

（10）第四系：為洪積、沖積礫、砂、泥沉積和沼澤化學(xué)泥砂和鹽堿沉積?？摄@性分級：Ⅰ-Ⅲ級。

1.3礦區(qū)構(gòu)造

區(qū)域上普查區(qū)處在伊賽克—伊犁陸塊中賽里木地塊內(nèi)，在構(gòu)造上具有較強的活動性。褶皺、斷裂均較發(fā)育，主要構(gòu)造線（褶皺、斷裂、侵入體長軸）呈北西西—南東東向。

2　地層巖性分析

從以上的地質(zhì)情況和巖性可以看出，此處的斷裂發(fā)育，第四系松散可能會造成塌孔、不易成孔的現(xiàn)象；炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)灰?guī)r等水敏性地層可造成孔壁縮徑、塌孔；再者灰?guī)r地區(qū)常會產(chǎn)生溶巖裂隙或溶洞，這些因素都會對鉆探帶來事故，影響正常施工。因此可以從套管封隔不穩(wěn)定孔段、結(jié)合鉀基加重抑制泥漿鉆進(jìn)施工。

3　設(shè)備及鉆具選擇

3.1設(shè)備選擇

根據(jù)本礦區(qū)鉆孔設(shè)計孔深和終孔口徑要求，選擇主要設(shè)備見表1。

表1　設(shè)備選型表

3.2鉆具組合

3.2.1單管取芯鉆具

?130mm口徑：主動鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+?60mm鉆桿+單管鉆具+?130mm孕鑲金剛石鉆頭；

?110mm口徑：主動鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+?60mm鉆桿+單管鉆具+?110mm孕鑲金剛石鉆頭。

3.2.2繩索取芯鉆具

S95規(guī)格鉆具組合：主動鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+?89mm繩索取芯鉆桿+?89mm繩索取芯鉆具+?95mm孕鑲金剛石鉆頭；用途：用來掏取炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)灰?guī)r段殘留巖粉。

S75規(guī)格鉆具組合：主動鉆桿+轉(zhuǎn)換接頭+?73mm繩索取芯鉆桿+?73mm繩索取芯鉆具++?75mm孕鑲金剛石鉆頭；用途：鉆進(jìn)巖礦層。

4　鉆探工藝

4.1鉆孔結(jié)構(gòu)

本礦區(qū)鉆孔一般采用二級鉆孔結(jié)構(gòu)，較復(fù)雜的鉆孔采用三級鉆孔結(jié)構(gòu)。

4.1.1二級鉆孔結(jié)構(gòu)方案

一開：使用?95mm孕鑲金剛石鉆頭，下入?89mm套管；

二開：?75mm孕鑲金剛石鉆頭鉆至終孔。

4.1.2三級鉆孔結(jié)構(gòu)方案

一開：由于上部堆積物破碎并且直徑較大，采用?130mm孕鑲金剛石鉆頭開孔，下入?127mm套管。

二開：使用?110mm孕鑲金剛石鉆頭，下入?108mm套管；預(yù)留?94mm口徑；

三開：?75mm孕鑲金剛石鉆頭鉆至終孔。

4.2鉆頭的選擇

在鉆進(jìn)過程中，胎體與金剛石均在磨損，設(shè)計的鉆頭胎體的磨損應(yīng)稍超前于金剛石，金剛石出刃才會始終保持正常的出露和更新，那么才會有較好的克取能力，鉆效高、鉆頭壽命長。根據(jù)該段地層的研磨性，選擇的胎體性能見表2。

表2　孕鑲金剛石胎體的硬度和耐磨性

4.3鉆進(jìn)參數(shù)

鉆壓的選擇：在鉆進(jìn)較軟、破碎、裂隙發(fā)育以及軟硬不均等地層時應(yīng)降低鉆壓，對完整、堅硬等地層的鉆進(jìn)應(yīng)適當(dāng)增加鉆壓。同時在鉆進(jìn)中更換新鉆頭時，還應(yīng)注意金剛石鉆頭下入孔底后有一個磨合過程，因此必須有一個低壓、低轉(zhuǎn)速的初始磨合階段。

轉(zhuǎn)速的選擇：由于本孔地層破碎，巖芯軟硬不均，因此并不能發(fā)揮出金剛石繩索取芯高轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢，我們現(xiàn)場采用100～200r/min的轉(zhuǎn)速，基本上鉆進(jìn)平穩(wěn)，無跳鉆現(xiàn)象發(fā)生。此外，還要根據(jù)如下情況調(diào)整轉(zhuǎn)速：

（1）巖層較軟時，為保證沖洗液能及時排出所產(chǎn)生的巖粉，應(yīng)降低轉(zhuǎn)速。

（2）孔內(nèi)情況復(fù)雜，巖層破碎，鉆進(jìn)時抖動厲害，應(yīng)降低轉(zhuǎn)速，反之增加。

（3）孔內(nèi)環(huán)空間隙大，孔深較大時，應(yīng)適度降低鉆速。

泵量的選擇：泵量應(yīng)滿足沖洗液上返速度的要求。金剛石繩索取芯鉆進(jìn)保持上返流速為0.5～1.5m/s。地層完整，巖屑多時，泵量適當(dāng)加大。地層破碎，或鉆進(jìn)斷層泥地層時，泵量應(yīng)適當(dāng)減小，以減少泥漿對巖芯和孔壁的沖蝕。各級開孔鉆進(jìn)參數(shù)見表3。

表3　各級開孔鉆進(jìn)參數(shù)

4.4沖洗液的選配與使用

破碎覆蓋層段因破碎物直徑比較大，多為山上的落石，使用細(xì)分散泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，然后倒入水泥漿與石膏的混合物將其充分固結(jié)后造孔；如此反復(fù)直至將此層穿過，然后下入?127mm套管護(hù)孔。繩索取芯鉆進(jìn)由于其高轉(zhuǎn)速的特點，沖洗液易在鉆桿內(nèi)形成結(jié)垢，從而造成在采用鋼絲繩撈取內(nèi)管時易發(fā)卡，再加之該工區(qū)地層復(fù)雜、巖層破碎漏失、鉆孔縮徑等。因此，沖洗液的粘度、密度、潤滑性和含砂量等均需要根據(jù)地層情況適時調(diào)配控制。

泥漿方案：覆蓋層：1t水+40kg鈉土+4kg纖維素+2kg燒堿；鉀基加重泥漿配方：1t水+20kg鈉土+2kg纖維素+ 2kg黃原膠+20kg氯化鉀+40kg水玻璃膠液+1kg燒堿。

各孔段沖洗液使用情況及技術(shù)參數(shù)見表4。

表4　泥漿性能參數(shù)表

5　鉆遇問題及處理方案

5.1開孔段塌孔漏水

第四系坡積物松散、破碎，且含大量直徑大小不一的落石，開孔比較困難，且漏水嚴(yán)重。由于之前對該孔施工難度估計不足，開孔口徑過小。為了固孔，一度用水泥封孔固結(jié)破碎松散層，雖然配合使用速凝劑，但是仍然耗費了大量的時間。

解決松散層難成孔的方法：采用?127mm套管處理上部松散層，表層套管共下入20m。

5.2炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)灰?guī)r段坍塌漏水，加桿困難

下入表套之后，用?110mm口徑鉆進(jìn)至42m，下入?108mm套管；進(jìn)尺2.45m后提鉆取芯，出現(xiàn)加桿困難，判斷可能是塌孔造成。用S95繩索鉆具鉆進(jìn)探明孔內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)下部巖石松散、破碎，主要巖性為炭質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖，取芯比較困難，沖洗液沖上來的都是一些粒徑不足0.5cm的巖石顆粒。

鑒于此種情況，?108mm套管所處的位置可能會隨時下降，造成套管事故。因此用?110mm單管鉆具繼續(xù)往下施工，取芯采用停泵干鉆的方法，鉆至穩(wěn)定巖層后，采用打吊錘（200kg）和立軸往下壓的方法將?108mm套管打（壓）至穩(wěn)定巖層部位，最終下入?108mm套管48m，實現(xiàn)了暫時的正常鉆進(jìn)。

炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)灰?guī)r段松散，且泥巖易遇水膨脹，引起塌孔。此段處理方法主要是配制抑制性泥漿，加入KCl，同時為了平衡此段的地層壓力，需要適當(dāng)加大泥漿比重。加入水玻璃膠液，將泥漿密度調(diào)至1.10g/cm3，此時基本上解決了漏失與孔壁坍塌問題，使用調(diào)整后的泥漿加桿正常。

5.3鉆遇小溶洞

遇到問題：在鉆至240m時突然掉鉆50cm，泥漿全部漏失，判斷可能是遇到大裂隙或溶洞，此時離設(shè)計孔深還有140m，繼續(xù)頂漏鉆進(jìn)很有可能造成燒鉆、掉塊卡鉆等事故，另外由于氣溫下降供水也受到影響，故需對此溶洞段進(jìn)行處理。

解決方法：將鉆具提離孔口，向孔內(nèi)投入片石、粘土塊和水泥，填充溶洞，然后下入光鉆桿，鉆桿頭接腦袋，將投入孔內(nèi)的粘土塊、水泥球、片石等擠壓夯實；如此反復(fù)，直至超過漏水點1m左右開始回灌泥漿保護(hù)上層孔壁；鉆孔中泥漿灌滿后停鉆候凝48h。將其透開鉆進(jìn)，孔內(nèi)開始返漿。

5.4脫卡困難

遇到問題：由于孔內(nèi)地層破碎、裂隙發(fā)育，加之鉆進(jìn)中偶遇小溶洞，在施工過程中，孔內(nèi)大多時候沒有水位。因此，在投放內(nèi)管時必須利用鋼絲繩將內(nèi)管安全平穩(wěn)地送至孔底，然后再用脫卡器脫開撈矛頭。就算這樣，孔深時，脫卡器依然會墩成喇叭口，脫卡困難，甚至釀成孔內(nèi)事故。

解決方法：加工一無縫鋼管，根據(jù)原有脫卡器尺寸車好外徑、倒角，長度約為40～50cm，同時在該脫卡器兩頭鉆2個小孔。使用時，將鐵絲一端穿過小孔固定，另一端通過小環(huán)可以順著鋼絲繩上下活動，此種方法可以依靠鋼絲繩提供摩擦阻力，同時利用無縫鋼管的強度避免了墩壞脫卡器。

6　鉆探技術(shù)成果

在松散破碎層通過使用水玻璃與水泥混合漿液封固松散破碎段，然后透開下入套管封隔；炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)灰?guī)r段主要通過優(yōu)質(zhì)泥漿平衡地層壓力和抑制泥巖水化膨脹。通過這些措施實現(xiàn)了正常鉆進(jìn)，為后續(xù)鉆孔施工爭取了時間。本礦區(qū)鉆孔施工情況見表5。

表5　博樂四臺礦區(qū)鉆孔施工情況表

7　結(jié)語

博樂四臺礦區(qū)在以往的施工過程中遇到的碎、脆、塌、漏以及溶洞裂隙，使用一種方法無法解決所有的問題，這就要求我們在施工過程中根據(jù)鉆遇的具體情況，及時調(diào)整施工方案；尤其是在繩索取芯工藝施工過程中，對套管及泥漿的使用是必不可少的，合理的鉆孔及套管結(jié)構(gòu)、有效的泥漿方案以及熟練謹(jǐn)慎的操作是此類復(fù)雜地層成功施工缺一不可條件。

［1］李世忠.鉆探工藝學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社,1994.

［2］高玉良,楊尹成,張蕭牧.連云港太和磷礦漏失地層巖芯鉆進(jìn)工藝［J］.西部探礦工程,2012（7）.

［3］張明龍.水玻璃對水泥漿液硬化的影響［J］.江西煤炭科技, 1999（2）.

［4］王偉,毛友新.低固相沖洗液在鷹咀山礦區(qū)繩取鉆探施工中的應(yīng)用研究［J］.地質(zhì)裝備,2008（2）.

P634.6

B

1004-5716（2016）01-0057-04

2015-01-05

2015-01-05

黃德強（1971-），男（漢族），陜西旬陽人，工程師，現(xiàn)從事鉆探礦施工管理和鉆探技術(shù)研究工作。