無(wú)固相聚乙烯醇沖洗液在龜山銅金礦區(qū)的應(yīng)用

王 迪

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊(duì)，安徽 銅陵 244033)

1 施工概況

安徽省銅陵市龜山深部銅金礦區(qū)是長(zhǎng)江中下游成礦帶內(nèi)具有代表性和典型性的大型銅、金礦田[1]。礦田內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)、巖漿作用及成礦作用復(fù)雜。礦區(qū)內(nèi)主要地層包括：上部為灰?guī)r，夾泥質(zhì)頁(yè)巖；中部為硅質(zhì)巖夾硅質(zhì)頁(yè)巖，夾粉砂巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖；底部以大理巖夾燧石夾矽卡巖為主，夾雜含銅金大理巖。本區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造及地層條件復(fù)雜，存在數(shù)層煤層及嚴(yán)重風(fēng)化層。礦區(qū)圍巖硅化、碳酸鹽化蝕變較普遍。

ZK141鉆孔位于銅陵市獅子山區(qū)俞村境內(nèi)，設(shè)計(jì)孔深1250 m。開(kāi)孔采用?150 mm金剛石鉆具鉆進(jìn)至14.75 m，穿過(guò)浮土、碎石土見(jiàn)較完整新鮮基巖即下入?146 mm套管，改用?130 mm金剛石鉆具鉆進(jìn)16.7 m，下?127 mm套管；換?110 mm金剛石鉆具鉆進(jìn)至 98.75 m左右穿過(guò)風(fēng)化層，即下?108 mm套管；換?95 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)至834.65 m左右，穿過(guò)風(fēng)化煤層見(jiàn)硅質(zhì)巖后下入?89 mm套管；更換?75 mm繩索取心鉆具鉆至終孔。

2 鉆遇問(wèn)題及鉆井液對(duì)策

第四系覆蓋層松散、破碎，因破碎物直徑較大，多為山上落石，坡體滾石，開(kāi)孔使用粗分散泥漿鉆進(jìn)，如此鉆至16.7 m后改用PHP泥漿，其性能指標(biāo)為：密度1.01～1.05 g/cm3，漏斗粘度17～19 s，pH值9～10，潤(rùn)滑系數(shù)0.13～0.15。開(kāi)鉆后事故頻發(fā)，鉆進(jìn)過(guò)程極為困難，歷時(shí)3個(gè)月，鉆進(jìn)至688 m。主要孔內(nèi)問(wèn)題如下：

(1)鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢。由于龜山礦區(qū)地層局部較為破碎，繩索取心鉆進(jìn)切削巖屑粉顆粒大且?guī)r粉不易沉淀，被高速離心力甩向鉆桿內(nèi)壁；另外，受獅子山區(qū)地形限制，泥漿循環(huán)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度不能滿足泥漿中巖粉顆粒的沉降要求，致使巖粉沉淀效果不佳，固相含量偏高。泥漿循環(huán)過(guò)程中容易在鉆桿內(nèi)壁形成結(jié)垢，導(dǎo)致鉆桿實(shí)際內(nèi)徑縮小，使打撈內(nèi)管困難[2-3]。

(2)垮塌嚴(yán)重。鉆進(jìn)至420～680 m遇嚴(yán)重風(fēng)化層、炭質(zhì)頁(yè)巖以及數(shù)層煤層，尤其厚達(dá)18 m的風(fēng)化層結(jié)構(gòu)破碎，膠結(jié)性差，脆性松散。鉆進(jìn)過(guò)程中，孔壁垮塌嚴(yán)重。鉆至714 m處，因發(fā)生嚴(yán)重塌孔，起大鉆后都要掃孔6～8 h才能到底，鉆進(jìn)效率難以提高，而且鉆進(jìn)時(shí)常出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，給鉆探生產(chǎn)帶來(lái)了極大困難。

針對(duì)上述問(wèn)題，沖洗液應(yīng)主要從防塌能力著手，最大程度減輕井壁垮塌；適當(dāng)提高泥漿的粘度，以確保鉆屑順利返排至地面；增強(qiáng)泥漿的絮凝能力，使得泥漿在地面沉淀池內(nèi)快速沉淀；降低沖洗液中的固相含量，避免過(guò)高的固相含量在鉆桿的高速旋轉(zhuǎn)作用下在鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢。

常用的無(wú)固相鉆井液包括聚丙烯酰胺沖洗液如PHP沖洗液、硅酸鹽沖洗液以及聚乙烯醇沖洗液等[4-6]。通常情況下，當(dāng)?shù)貙酉鄬?duì)穩(wěn)定時(shí)，采用PHP沖洗液可起到良好的潤(rùn)滑、減振效果，有利于繩索取心工藝效能的發(fā)揮。但是，當(dāng)存在破碎帶、強(qiáng)水敏地層時(shí)，聚丙烯酰胺難以防止井壁失穩(wěn)的發(fā)生，而硅酸鹽和聚乙烯醇由于獨(dú)特的防塌機(jī)理，此時(shí)可起到良好的防塌效果[7-12]。其中，對(duì)于聚乙烯醇沖洗液而言，在氫鍵的作用下，聚乙烯醇分子間會(huì)發(fā)生緊密的連接而形成穩(wěn)定的體型結(jié)構(gòu)，而且聚乙烯醇分子與巖石間的吸附也比較牢固。此外，由于聚乙烯醇分子的長(zhǎng)鏈烴基是憎水基團(tuán)，能夠排斥水分子，所以，它自身具有向固-液界面遷移的趨勢(shì)，可以在巖石表面鋪展成膜而阻止水分子對(duì)巖石表面的侵襲，從而起到穩(wěn)定散粒體的作用。為此，本鉆孔后續(xù)施工考慮采用無(wú)固相聚乙烯醇沖洗液，一方面該沖洗液本身不含固相，即便部分鉆屑混入，也較大程度減少了固相含量，可降低鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，聚乙烯醇本身成膜能力強(qiáng)，防塌效果優(yōu)異，抑制性強(qiáng)，可以抑制鉆屑在泥漿中進(jìn)一步分散。

3 無(wú)固相聚乙烯醇沖洗液配制

3.1 聚乙烯醇加量確定

所選用的聚乙烯醇的醇解度為98%以上，分子式為—[CH2-CH(OH)—]n，聚合度n約為2000。其良好的成膜性取決于疏水主鏈上帶有親水側(cè)基，而且該親水側(cè)基與水的吸引力大于其本身的內(nèi)聚力，單分子鏈節(jié)與巖石表面發(fā)生牢固的“平臥式”吸附，從而起到膠結(jié)松散巖石、保護(hù)孔壁的作用[13]。在金剛石繩索取心鉆進(jìn)中，由于環(huán)空間隙小，要求沖洗液的粘度不能過(guò)高。因此，配制不同濃度的聚乙烯醇溶液，分別測(cè)試其表觀粘度值如圖1所示，以確定較為合適的加量。

圖1 表觀粘度隨聚乙烯醇濃度的變化

從圖1可知，隨著聚乙烯醇濃度的增加，表觀粘度逐漸增加；當(dāng)加量超過(guò)3%時(shí)，其粘度基本呈指數(shù)趨勢(shì)急劇增加，過(guò)高的粘度對(duì)于泵壓影響較大，也會(huì)由于壓力“激動(dòng)”而產(chǎn)生井壁失穩(wěn)的問(wèn)題，所以，結(jié)合巖心鉆探?jīng)_洗液粘度要求，將聚乙烯醇的加量控制在3%以內(nèi)是比較合適的。

3.2 巖心碎塊浸泡試驗(yàn)

取部分現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)化帶巖心碎塊，分別置于不同濃度的聚乙烯醇溶液和清水中，觀察并記錄其外觀形貌的變化情況，結(jié)果如表1所示。

表1 巖心碎塊在不同加量聚乙烯醇溶液中浸泡現(xiàn)象

由表1可知，現(xiàn)場(chǎng)巖心碎塊的水敏性極強(qiáng)，在清水環(huán)境內(nèi)浸泡不到30 s的時(shí)間就已經(jīng)完全水化崩散。在含有聚乙烯醇的溶液中，巖心發(fā)生水化的速度減緩，尤其是當(dāng)聚乙烯醇的濃度達(dá)到3%時(shí)，巖心在浸泡過(guò)程中基本無(wú)明顯變化，一定程度上表明聚乙烯醇具有穩(wěn)定井壁的作用。

3.3 降濾失劑的選擇

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以聚乙烯醇配制的沖洗液在做失水量試驗(yàn)時(shí)基本為全濾失，這對(duì)于防止井壁失穩(wěn)也是不利的。所以，使用常用的降失水劑添加到聚乙烯醇溶液內(nèi)，測(cè)試其失水量的變化情況。由表1可知，聚乙烯醇加量在3%時(shí)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定巖心碎塊的能力，但是此時(shí)的表觀粘度已經(jīng)達(dá)16 mPas左右，對(duì)于巖心鉆探而言粘度已略微偏高，復(fù)配以其它降濾失劑時(shí)有可能導(dǎo)致粘度繼續(xù)增加而引起泵壓過(guò)度增大。而聚乙烯醇濃度在2%時(shí)已經(jīng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定巖心碎塊的能力，從成本以及復(fù)配處理劑時(shí)沖洗液有可能繼續(xù)增粘等方面考慮，暫定聚乙烯醇的濃度為2%，分別添加磺化酚醛樹(shù)脂(SMP)、植物膠(CL-1)、磺化瀝青粉(FT-342)以及磺化褐煤樹(shù)脂(SPNH)，加量均為2%，測(cè)試上述降失水劑對(duì)其粘度與失水量的影響，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同降失水劑對(duì)聚乙烯醇溶液的性能影響

由表1可知，CL-1對(duì)粘度影響比較大，也具有良好的降失水的能力，可以作為提粘型降失水劑；而SMP、SPNH和FT-342均對(duì)粘度影響較小，相對(duì)而言SPNH和FT-342的降濾失效果更好。而且FT-342本身具有一定的封堵能力和潤(rùn)滑作用，所以更加適合在此處使用。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)配制

聚乙烯醇在水中溶解速度慢，高醇解度的聚乙烯醇難以在冷水中溶解，所以，需要在熱水中邊攪拌邊加入以加快溶解速度。加熱過(guò)程中需要連續(xù)攪拌，以防止局部受熱嚴(yán)重而導(dǎo)致聚乙烯醇糊化。待溶解充分后，再補(bǔ)充到配漿水中適當(dāng)稀釋至所需濃度。配漿水水質(zhì)對(duì)于聚乙烯醇的溶解有一定的影響，當(dāng)配漿水中鈣鎂離子濃度過(guò)高時(shí)會(huì)降低聚乙烯醇的溶解能力，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致部分聚乙烯醇析出。當(dāng)配漿水pH值<7時(shí)，可使用碳酸鈉進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確保配漿水的pH值在7.5左右，達(dá)到一個(gè)弱堿環(huán)境，以清除部分鈣鎂離子。

提粘劑植物膠分子量較大，需要預(yù)先在水中浸泡、攪拌，充分水化后配制成高濃度的膠液，并補(bǔ)充到聚乙烯醇溶液中去，邊補(bǔ)充邊攪拌，直到漏斗粘度達(dá)到30 s左右。FT-342在水中的溶解能力強(qiáng)，添加時(shí)可直接補(bǔ)充到攪拌罐內(nèi)。待徹底攪拌均勻后將所配沖洗液排放至泥漿池內(nèi)備用。

4.2 無(wú)固相沖洗液的維護(hù)

聚乙烯醇具有強(qiáng)烈的絮凝鉆屑的能力，所以，在使用該無(wú)固相沖洗液時(shí)需要先將前期使用的泥漿進(jìn)行徹底置換，并且嚴(yán)格清洗地面循環(huán)槽、沉淀池和泥漿池，確保泥漿循環(huán)過(guò)程中無(wú)殘留的井漿混入到該無(wú)固相沖洗液內(nèi)。替漿完成后，小排量循環(huán)，將孔內(nèi)沉淀的鉆屑攜帶至地面，此時(shí)，聚乙烯醇將在井壁上快速吸附，也會(huì)在鉆屑表面發(fā)生吸附，導(dǎo)致有效物含量降低，粘度下降很快，所以需要持續(xù)補(bǔ)充聚乙烯醇的用量。待孔內(nèi)鉆屑返排充分后，即可按照配方要求進(jìn)行正常配制和維護(hù)。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)使用

ZK141孔在530～688 m段鉆遇大段風(fēng)化破碎帶，上部掉塊、輕微坍塌不斷，無(wú)法掃到孔底。688 m后，鉆進(jìn)9 m完整巖層，至697 m又遇18 m厚風(fēng)化煤系地層，由于煤層性質(zhì)硬、脆、碎，以及煤層底板粘土巖縮徑，繼續(xù)下鉆鉆進(jìn)時(shí)孔壁不斷坍塌、掉塊、縮徑，反復(fù)掃孔，孔內(nèi)沉渣多，常常出現(xiàn)內(nèi)外管間隙被沉渣卡死，無(wú)法順利打撈巖心管。從688 m掃孔至714.9 m，掃孔歷時(shí)5 d，且鉆孔內(nèi)沉渣越聚越多，越掃越淺，情況未見(jiàn)好轉(zhuǎn)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析和小樣實(shí)驗(yàn)，將常規(guī)低固相沖洗液改為聚乙烯醇無(wú)固相沖洗液，按照2%聚乙烯醇+0.1%植物膠+2%FT-342的配比配制，徹底清理地面循環(huán)系統(tǒng)后全孔替漿，最小排量掃孔、循環(huán)2.5 h左右后到達(dá)孔底。鉆進(jìn)過(guò)程中，再未發(fā)生因?yàn)殂@桿內(nèi)壁結(jié)垢而造成打撈內(nèi)管失敗的現(xiàn)象。據(jù)所取巖心觀察，714～ 834 m孔段的地層仍為破碎炭質(zhì)頁(yè)巖及煤層，巖心呈粉末狀，見(jiàn)圖2。穿過(guò)該破碎段后鉆進(jìn)至1027 m進(jìn)入完整巖層，直致達(dá)到終孔深度1256.05 m?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，無(wú)固相聚乙烯醇沖洗液對(duì)垮塌地層起到了較好的護(hù)壁效果。

圖2 ZK141孔孔深782 m左右處巖心

5 結(jié)論

(1)安徽省龜山銅金礦區(qū)超厚破碎帶井壁垮塌嚴(yán)重，采用普通低固相沖洗液難以起到有效的護(hù)壁效果，通過(guò)采用無(wú)固相聚乙烯醇沖洗液順利鉆穿了易垮炭質(zhì)頁(yè)巖及煤系地層。

(2)聚乙烯醇沖洗液能夠最大程度保證巖心碎塊在浸泡過(guò)程中不發(fā)生崩散，抑制性強(qiáng)，但是失水量偏大，需要補(bǔ)充FT-342等降失水劑控制失水量。

(3)聚乙烯醇對(duì)鉆屑有較強(qiáng)的絮凝作用，使用時(shí)需要確保循環(huán)槽、泥漿池、攪拌罐等徹底清洗干凈，避免與聚乙烯醇接觸時(shí)影響使用效果。