甘肅金昌龍首礦坑道鉆探?jīng)_洗液對(duì)策

李曉東，柯玉軍

(1.北京探礦工程研究所，北京 102405；2.西北有色地質(zhì)勘查局，西安 710054)

1 鉆孔概況

1.1 工區(qū)概況

龍首礦是隸屬于金川集團(tuán)公司的國(guó)有大型銅鎳礦山，是金川公司最早的礦山生產(chǎn)單位。礦區(qū)位于甘肅省河西走廊中部金昌市，地理坐標(biāo)：東經(jīng)102°13′，北緯38°30′，距省城蘭州372 km。礦區(qū)內(nèi)有專線鐵路與蘭新鐵路金昌站接軌，河(河西堡鎮(zhèn))—雅(雅布賴)公路從礦區(qū)通過，向南48 km至永昌縣城處與312國(guó)道相接，交通十分方便。金川銅鎳礦是世界著名的多金屬共生的大型硫化銅鎳礦床之一。鎳和鉑族金屬儲(chǔ)量居全國(guó)第一位，銅、鈷儲(chǔ)量居全國(guó)第二位，礦床中伴生的多金屬種類之多，在國(guó)內(nèi)外迄今尚屬罕見。金川銅鎳礦的發(fā)現(xiàn)與開發(fā)，從根本上結(jié)束了我國(guó)缺鎳少鉑的歷史。

1.2 地質(zhì)概況

1.2.1 區(qū)域地質(zhì)概況

金川銅鎳礦床大地構(gòu)造位置位于華北地臺(tái)阿拉善地塊西南緣的龍首山隆起中，屬于典型的中生代以來水平擠壓隆起的構(gòu)造背景。礦床南鄰活動(dòng)強(qiáng)烈的祁連板塊，再以南為柴達(dá)木地塊，北接相對(duì)穩(wěn)定的阿拉善地塊，再以北為晚古生代準(zhǔn)噶爾褶皺帶，西靠塔里木地塊，東部為鄂爾多斯地塊(與阿拉善塊體同屬中朝準(zhǔn)地臺(tái))。自北而南，對(duì)礦區(qū)有重要影響的構(gòu)造塊體依次為潮水拗陷(盆地)帶、龍首山斷褶(隆)帶、河西走廊過渡帶和祁連山加里東褶皺帶，它們均以深大斷裂為界，其中前兩者屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)，后兩者屬歐亞板塊?？梢娊鸫◣r體所處的大地構(gòu)造環(huán)境在地質(zhì)歷史中有過重大變動(dòng)。

1.2.2 礦區(qū)地層情況

由于大地構(gòu)造的疊加與改造，使得金川地區(qū)在沉積建造上出現(xiàn)過多次大的變化，形成不同巖相的地層，花崗巖類最為發(fā)育，分布面積大，多呈巖基產(chǎn)出，斷續(xù)散布于龍首山區(qū)，伴隨侵入活動(dòng)，巖漿噴發(fā)作用亦較發(fā)育，以基性火山巖為主，主要發(fā)育于前寒武紀(jì)，多已變質(zhì)。巖石具有不同程度的蝕變，相對(duì)新鮮的巖石以及幾乎完全蝕變僅殘留尖晶石的巖石都存在。主要的蝕變作用是綠泥石化、蛇紋石化，透閃石化等，但蝕變程度不等，而且在巖體中的分布也不均勻。

1.3 鉆孔基本情況

在該礦區(qū)施工鉆孔3個(gè)，均位于地表600 m以下的坑道內(nèi)，孔位海拔1100 m。鉆孔設(shè)計(jì)孔深、設(shè)計(jì)傾角及終孔深度如表1所示。

表1 施工鉆孔概況

1.4 鉆孔所用設(shè)備、循環(huán)系統(tǒng)、施工工藝及孔身結(jié)構(gòu)

1.4.1 現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備及檢測(cè)儀器

現(xiàn)場(chǎng)施工鉆機(jī)共3臺(tái)，泥漿性能檢測(cè)儀器均為機(jī)臺(tái)配套箱。具體情況如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備

1.4.2 沖洗液循環(huán)系統(tǒng)

施工的3個(gè)鉆孔的循環(huán)系統(tǒng)均由1個(gè)5 m3泥漿池、1個(gè)0.5 m3沉淀池、1個(gè)0.3 m3沉淀池及約10 m長(zhǎng)的循環(huán)槽組成。

1.4.3 鉆進(jìn)工藝與鉆具組合

采用繩索取心鉆進(jìn)工藝。開孔采用?95 mm金剛石鉆頭，下入?91 mm套管后，換?75 mm金剛石鉆頭鉆進(jìn)至終孔。

1.4.4 孔身結(jié)構(gòu)

以CKI22- 2孔為例，其孔身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CKI22-2孔孔身結(jié)構(gòu)圖

2 現(xiàn)場(chǎng)施工存在的問題與分析

2.1 蝕變地層遇水分散剝落

該礦區(qū)地層復(fù)雜，蝕變嚴(yán)重，如綠泥石化、蛇紋石化和透閃石化等，蝕變程度不等，且分布也不均勻。蝕變地層水敏性極強(qiáng)，巖層破碎，強(qiáng)度低，遇水極易分散剝落(見圖2)經(jīng)常發(fā)生孔壁坍塌、孔內(nèi)掉塊現(xiàn)象，造成鉆桿、套管折斷、脫扣等孔內(nèi)事故，成孔率極低。

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所取得的巖心樣品進(jìn)行XRD礦物成分分析，結(jié)果見表3，從分析結(jié)果中可以看到巖心中含有大量綠泥石、伊利石、高嶺石等黏土礦物，易吸水分散或膨脹，尤其是綠泥石水敏性極強(qiáng)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)取出的巖心

孔深/m巖心礦物成分含量/%綠泥石伊利石高嶺石石英長(zhǎng)石滑石白云石鐵鋁角閃石菱鐵礦1731020102025510——19150220——25—3—21010—5355———40303580—105————

2.2 地層涌水

地層內(nèi)含水豐富，有多個(gè)含水層，地層涌水時(shí)不但破壞沖洗液性能，大幅度削弱了沖洗液對(duì)孔壁的保護(hù)作用，而且加劇了水敏性地層吸水分散，給護(hù)壁帶來了極大的困難。

2.3 繩索取心鉆進(jìn)抽汲作用強(qiáng)

繩索取心鉆進(jìn)環(huán)空間隙小，提鉆過程中若沖洗液黏度和切力較高、提鉆速度過快，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的抽汲作用，沖洗液對(duì)孔壁的支撐作用驟減，從而導(dǎo)致孔壁坍塌。蝕變地層本身強(qiáng)度低，經(jīng)過水浸泡后強(qiáng)度進(jìn)一步下降，在抽汲作用下極易坍塌剝落，導(dǎo)致施工無法進(jìn)行。

3 沖洗液對(duì)策

對(duì)于水敏性地層，需要嚴(yán)格控制沖洗液濾失量，同時(shí)提高泥皮的隔水作用，保證沖洗液具有良好的護(hù)壁效果。對(duì)于涌水層，一方面應(yīng)提高密度，通過液柱壓力將地層水控制在鉆孔外，另一方面應(yīng)當(dāng)在被涌水破壞的沖洗液中及時(shí)補(bǔ)充處理劑，保證沖洗液性能在合理的范圍內(nèi)。鉆進(jìn)中應(yīng)時(shí)刻觀察地層涌水情況，通過提高密度、增大液柱壓力的方式防止地層水侵入沖洗液，同時(shí)還應(yīng)提高沖洗液性能監(jiān)測(cè)頻率，保證沖洗液性能不被地層涌水破壞。針對(duì)上述情況，我們選用了成膜護(hù)壁低固相沖洗液體系，通過在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)防止水敏性地層分散剝落、坍塌起到了顯著效果。

3.1 沖洗液組成及加量

成膜護(hù)壁低固相沖洗液所用材料、常用加量及其作用如表4所示，另外因涌水層較多，還需預(yù)備足夠量重晶石，以備加重時(shí)使用。

表4 配制1m3成膜護(hù)壁低固相沖洗液所需要的材料及加量

3.2 沖洗液配制方法

配制沖洗液時(shí)，先在配漿罐中放入清水，加純堿處理，配漿水呈弱堿性；加入膨潤(rùn)土，攪拌20～30 min，使其充分水化；接著加入成膜體系A(chǔ)劑和成膜體系B劑，攪拌5 min；然后依次加入防塌減阻劑、封堵劑及隨鉆堵漏劑，攪拌5～10 min；再加入3～5 kg增黏劑，攪拌10～15 min，以分散均勻且不成團(tuán)為宜；最后加入包被劑，攪拌20～30 min后即可使用。

3.3 沖洗液性能

現(xiàn)場(chǎng)配制的沖洗液性能為：蘇式漏斗黏度35～50 s，密度1.05～1.20 g/cm3，API濾失量5～8 mL/30 min，泥皮厚度0.2 mm，pH 9～10，泥皮質(zhì)量致密、薄韌。

從現(xiàn)場(chǎng)配制的沖洗液性能可以看出，成膜護(hù)壁沖洗液性能穩(wěn)定，黏度根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，濾失量較低且泥皮致密薄韌，從而減少水分進(jìn)入地層造成孔壁破壞，一旦鉆遇涌水層，則需提高密度，及時(shí)壓住涌水。

3.4 沖洗液維護(hù)

現(xiàn)場(chǎng)使用和維護(hù)應(yīng)注意以下幾方面：

(1)在配制沖洗液時(shí)，按配方的順序依次加入，每一種材料攪勻后再加入下一種材料，其中增黏劑和包被劑在加入時(shí)應(yīng)緩慢加入，防止因攪不均形成團(tuán)塊狀，造成材料浪費(fèi)或堵塞蓮蓬頭。

(2)根據(jù)取出巖心狀態(tài)判斷成膜體系B劑加量是否充足，若巖心表面比較粗糙、有剝蝕現(xiàn)象，則說明加量不足；如果巖心表面光滑完整，則說明加量充足。

(3)沖洗液黏度保持在35～45 s，若黏度過高則會(huì)影響鉆進(jìn)效率，過低則不利于攜帶巖粉，通過增加或較少增黏劑的加量可靈活調(diào)整黏度。

(4)包被劑是高分子聚合物，消耗較快，需要每個(gè)班在循環(huán)系統(tǒng)中加入0.5～1.0 kg包被劑，預(yù)溶成適量的溶液加入沖洗液效果更好。

(5)若遇到裂隙滲漏地層，需增加封堵劑和隨鉆堵漏劑加量，降低沖洗液漏失量。

(6)因地層內(nèi)含水量高，經(jīng)常遇到涌水，對(duì)沖洗液性能造成較大影響，應(yīng)根據(jù)沖洗液性能變化及時(shí)補(bǔ)充各處理劑，以保證沖洗液性能維持在合適的范圍內(nèi)。

(7)經(jīng)常清理循環(huán)槽及沉淀池中的巖粉，從而降低沖洗液中的固相含量，減少有害固相對(duì)沖洗液的侵害。

(8)攪拌罐內(nèi)應(yīng)始終保持有攪拌好的沖洗液，以備補(bǔ)充使用，沖洗液攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，其中的高分子材料溶解越充分，沖洗液性能越好。

3.5 應(yīng)用效果

3.5.1 護(hù)壁效果

該孔地層含有大段蝕變地層，水敏性強(qiáng)、松散破碎較多、強(qiáng)度較低。在施工過程中使用成膜護(hù)壁低固相沖洗液，孔壁穩(wěn)定，坍塌掉塊現(xiàn)象明顯減少，起下鉆較通暢。另外，從現(xiàn)場(chǎng)取出的巖心情況也進(jìn)一步證明了成膜護(hù)壁沖洗液優(yōu)良的護(hù)壁效果。

3.5.2 取心質(zhì)量

使用成膜護(hù)壁沖洗液取出的巖心完整，表面光滑(如圖3所示)，而且取心率明顯提高。

圖3 采用成膜護(hù)壁沖洗液取出的巖心

3.5.3 流變性好

沖洗液具有良好的流變性，既能滿足攜砂要求，同時(shí)沖洗液中的巖屑又能在地表較好地沉降，沖洗液使用周期長(zhǎng)，有效減少了沖洗液排放，解決了坑道內(nèi)鉆探施工廢棄沖洗液難排放的問題。

3.5.4 有效抑制涌水

由于涌水層較多，沖洗液經(jīng)常會(huì)被破壞，導(dǎo)致黏度和密度降低，濾失量增加，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整性能，提高密度，有效抑制了涌水對(duì)沖洗液性能的影響。

3.5.5 鉆進(jìn)效率高

采用成膜護(hù)壁沖洗液鉆進(jìn)時(shí)，由于該沖洗液黏度適中且潤(rùn)滑性能好，鉆機(jī)可以開高轉(zhuǎn)速，鉆進(jìn)效率明顯高于同礦區(qū)其他機(jī)臺(tái)。

4 結(jié)論

龍首礦坑道鉆探施工中鉆遇水敏性極強(qiáng)的蝕變地層，采用成膜護(hù)壁低固相沖洗液體系，有效解決了孔壁分散剝落、坍塌問題，保證了取心質(zhì)量和取心率，提高了鉆進(jìn)效率，使鉆探施工得以順利實(shí)施。