南陽板廠多金屬礦區(qū)泥漿技術的合理化應用

韓明耀， 柳碩林， 謝宏偉

(河南省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質勘查院，河南 鄭州 450001)

1 工程概況

1.1 工程地質情況

河南省內鄉(xiāng)縣板廠一帶多金屬礦區(qū)位于伏牛山南麓，北秦嶺褶皺帶東段，黃花?；◢弾r體南側之朱陽關—夏館斷裂帶上。巖層經(jīng)歷了多期次的變質、變形作用，使礦區(qū)內的不同時期、不同性質、不同規(guī)模的褶皺、斷裂等構造十分發(fā)育[1]。

礦區(qū)出露地層為秦嶺巖群雁嶺溝巖組以及少量第四系。鉆遇地層大致可分為上、中、下3個巖性段。上部巖性段主要為黑云斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖、白云石大理巖，厚度約為50～100 m，可鉆性4～6級，研磨性較低。該段內的構造蝕變帶與花崗(斑)巖的內外接觸帶中，由于裂隙情況發(fā)育、斷裂破碎帶較集中，鉆遇該層段時易出現(xiàn)井漏現(xiàn)象。中部巖性段以白云石大理巖為主，中間夾部分綠簾石、綠泥石層，厚度40～80 m。綠簾石成巖程度低，遇水易崩散，缺乏膠結能力，自穩(wěn)能力極差，垮塌現(xiàn)象嚴重；綠泥石層水敏性強，易吸水膨脹而導致縮徑，起下鉆困難。下部巖性段為白云質大理巖，含石墨大理巖夾黑云斜長片麻巖等，厚度>100 m，可鉆性6～8級，中等研磨性。

1.2 井身結構及鉆井參數(shù)設計

合理的井身結構與鉆井方法的實施對快速鉆進、降低事故風險、節(jié)約成本有著至關重要的作用[2]。針對該礦區(qū)復雜的地層條件以及鉆進施工要求，井身結構與鉆進參數(shù)設計如表1所示。

表1 井身結構與鉆井參數(shù)設計

2 泥漿選用與配制

2.1 技術難點

在復雜地層中鉆進，泥漿質量好壞是工程能否順利完工的重要因素[3]。結合已往鉆井經(jīng)驗，該礦區(qū)泥漿的選用所面臨的技術難點包括以下幾點。

(1)地層條件復雜。上部地層處于構造蝕變帶，裂隙發(fā)育，容易發(fā)生井漏；中部綠簾石層膠結能力弱，自穩(wěn)能力差，易發(fā)生垮塌；綠泥石層水敏性強，易吸水膨脹而導致縮徑，起下鉆困難。

(2)開孔傾角85°左右，鉆桿柱受重力影響而自然向下傾斜，導致摩阻增大，鉆具磨損嚴重，易發(fā)生鉆具折斷等事故。

(3)泥漿凈化困難。施工場地范圍受限，無法有效配備固控設備及開挖沉淀池，鉆進過程中由于巖粉混入泥漿中，從而導致泥漿劣質固相含量增加，惡化泥漿性能。

(4)繩索取心鉆進環(huán)空間隙小，起鉆速度過快時造成抽吸壓力較大，易引發(fā)井壁坍塌以及地層水侵入井眼。

2.2 泥漿方案設計思路

泥漿體系的選擇合理與否將對鉆井質量、效率及綜合成本控制具有極大的影響。低粘、低固相、低密度泥漿是金剛石繩索取心工藝所要求的最常用、最有效的泥漿體系，在滿足懸浮巖屑能力和防止孔壁垮塌的同時，能最大程度地發(fā)揮高轉速的效能[4-5]。然而，考慮到板廠礦區(qū)鉆進施工的復雜性，確定在上、中下部分孔段分別選用不同的泥漿體系。上部孔段地層相對來說較穩(wěn)定，可選用低成本且易維護的植物膠體系鉆進，一旦發(fā)生漏失，迅速實施堵漏方案即可；中下部針對綠簾石層垮塌及綠泥石層水敏縮徑，應注重泥漿的造壁與膠結能力，提高泥漿抑制綠泥石水化的能力，可在原植物膠泥漿體系的基礎上轉化為鈣處理劑泥漿體系。

2.2.1 上部地層泥漿方案制定及機理分析

憑借良好的成膜性、較強的潤滑減振、減阻以及低成本等性能，植物膠無固相泥漿在地質鉆探工程中得到了較大范圍的應用[5-8]。選用植物膠(CL)、腐植酸鉀(KHm)、聚丙烯酸鉀(KPAM)、纖維素(CMC)等材料構建配方以為上部地層鉆進時使用，當孔深增加時視具體情況添加部分潤滑劑以降低摩阻。

其中，植物膠CL是由贛西某野生植物經(jīng)特殊工藝制得的淡黃色粉末，其主要成分為多半乳甘露糖，多糖分子結構上的羥基與孔壁巖石晶格表面的氧原子形成氫鍵連接，使得多糖分子吸附在孔壁上，從而起到護壁的作用；少量存在于細胞壁中的纖維素可起到骨架的作用，提高對微孔隙和微裂隙的封堵效果；此外，該植物膠中的蛋白質成分在堿性環(huán)境下生成氨基酸具有良好的吸附作用，也可應對鈣鎂離子的污染，而脂肪成分具有良好的成膜特性。植物膠CL本身不具備絮凝能力，為保持泥漿清潔，需引入KPAM作為絮凝劑以有利于固相控制；為進一步控制失水量并調控粘度，添加部分腐植酸鉀KHm[9-10]。將上述材料通過不同配比進行室內試驗，測試結果見表2。

表2 處理劑加量對漏斗粘度及失水量(FL)的影響

由表2可知，在無固相泥漿中，相比于植物膠CL而言，KPAM對粘度的影響大得多，但是植物膠本身由于含有部分不溶物，所以具有良好的降失水能力；纖維素加入后能夠起到一定的提粘、降失水作用，但是效果并不突出。當有膨潤土存在時，1%植物膠的加入即可起到良好的提粘和降失水作用；KPAM加入后因為導致泥漿中的部分固相絮凝，所以失水量有一定程度的上升。所以，獲得最優(yōu)配方為：2%膨潤土+0.1%～0.15%純堿+1%植物膠+1%KHm+0.1%KPAM。配制出的泥漿性能為：粘度28 s，密度1.01 g/cm3，pH值8，失水量9 mL。

2.2.2 中下部地層泥漿方案制定及機理分析

自860 m以深近300 m的范圍內，發(fā)育有多套綠簾石、綠泥石層，短則4～5 m，長則幾十米，成孔難度較大。如圖1所示，由于綠簾石松散、破碎，且膠結性差，鉆探過程中掉塊、垮塌情況時有發(fā)生，導致起下鉆困難，嚴重時將導致埋鉆發(fā)生。垮塌發(fā)生后難以有效清理，一方面是因為環(huán)空間隙較小，尺寸稍大的顆粒難以通過小環(huán)空而繼續(xù)沉積在孔底；另一方面是由于超徑處下落的不同尺寸的粗顆粒在環(huán)空間隙較小的位置形成了“群粒封門”的現(xiàn)象，導致泵壓及扭矩在短時間內急劇升高，憋泵、憋車嚴重而不得不將鉆具提離孔底。

圖1 綠簾石垮塌物

所以該段泥漿配制思路是注重提高泥漿的防塌性能，增強松散體之間的膠結能力；適當提高粘度，盡量降低失水量。調控方法為在原漿基礎上選用石灰作為鈣處理劑轉換為鈣處理泥漿，同時補充磺化瀝青以進行有效封堵。

具體調整方法為：第一步，原漿中加入0.2%～0.3%纖維素以有效保護粘土，同時降低失水量；第二步，在每立方米泥漿中均勻、緩慢加入5～10 kg石灰，邊加邊觀察粘度變化情況，一旦粘度增加過高，則適度補充部分KHm以調整粘度；第三步，石灰加足后對泥漿性能進行測試，根據(jù)粘度和失水量的具體情況，確定纖維素及KHm的加量對泥漿進行微調。

現(xiàn)場小型試驗將加入石灰前后的泥漿性能進行比較，并初步確定了轉換方案，試驗結果見表3。

表3 鈣處理泥漿性能調整

獲得最終泥漿配方為：2%膨潤土+0.1%～0.15%純堿+0.2%～0.3%CMC+0.4%～0.6%CL+2%～3%KHm+0.03%～0.05%KPAM+0.5%～1%CaO+1%～2%FT。所得泥漿性能為：粘度30 s，密度1.03 g/cm3，pH值8，失水量6～8 mL，膠體率接近100%。

2.3 泥漿的維護與處理措施

(1)前期配漿時嚴格按照配方以及規(guī)定順序配制，每班安排專職人員測定泥漿性能，根據(jù)孔內情況及時調整泥漿性能。

(2)做好現(xiàn)場管理以及防排水措施，不讓污水、山水、雨水流進泥漿中。

(3)處理劑消耗后，需定時定量的將膠液補充進泥漿中，泥漿配制人員操作時應緩慢、均勻，避免泥漿性能的突變。

(4)鉆孔進行泥漿類型轉化前，應做小型試驗，以確定石灰以及降失水劑的加量。

(5)嚴控泥漿中的固相含量，安排人員及時清除泥漿中的鉆渣，保證泥漿質量。

3 現(xiàn)場應用

在實鉆過程中，860 m以淺地層使用低固相植物膠泥漿，起到了良好的攜巖、減阻及防漏效果，鉆屑返出情況良好，且泵壓隨井深的增加基本上沒有太大變化。然而，由于裂隙發(fā)育，在鉆進過程中遭遇了多次井漏，當漏失程度較低時采取了頂漏鉆進，當出現(xiàn)較嚴重漏失而返漿量較少時采取了橋接堵漏。具體方法為：以清水、PHP、CMC及堵漏材料配制堵漏漿，充分攪拌至粘稠狀，利用井口漏斗倒入繩索取心鉆桿內，連接主動鉆桿后開泵將堵漏材料送至漏失部位，慢慢回轉并上下活動鉆具，如返漿量增加則說明堵漏成功，否則需要重復多次該流程。

860 m以深近300 m的范圍內發(fā)育有水敏性較強的綠泥石層以及膠結能力弱的綠簾石層，在使用低固相植物膠泥漿鉆進過程中遭遇了多次垮塌、縮徑。為此，在詳細分析了井壁失穩(wěn)原因的基礎上，并結合現(xiàn)場實際情況，確定將低固相植物膠泥漿轉換為鈣處理泥漿。鈣離子的存在會壓縮粘土顆粒表面的擴散雙電層，能夠使得水敏性礦物從分散狀態(tài)轉為適度絮凝狀態(tài)，同時能與腐植酸鉀電離出的腐植酸根形成不溶的腐植酸鈣，起到良好的防塌作用。自轉化為鈣處理泥漿后，井內垮塌現(xiàn)象得到極大緩解，起下鉆順暢，大大提高了鉆進效率。

該礦區(qū)普查孔ZK1724孔累計施工193 d，最終孔深1712.56 m。其中共探明礦體厚度381.63 m，礦心采取率為99.73%；全孔取心厚度1662.52 m，巖心采取率為98.36%。ZK1724孔部分巖心照片見圖2。

圖2 ZK1724孔部分巖心照片

4 結語

(1)CL植物膠體系泥漿主要由膨潤土粉、植物膠、腐植酸鉀等材料組成，配制簡單，維護便利，減阻、潤滑效果好，在微裂隙發(fā)育的易漏地層取得了良好的使用效果。

(2)對于綠簾石及綠泥石發(fā)育的地層，鈣處理泥漿抑制性強，可有效應對水敏性問題且配制方便；石灰與腐植酸鉀配合使用可起到良好的協(xié)同效果。

(3)繩索取心施工中如鉆遇地層不完整，盡量選用低固相泥漿體系以提高降失水和造壁性，如選用無固相泥漿則有可能加劇井壁失穩(wěn)問題。

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