復合片鉆頭工藝技術在鉀鹽礦層中的應用

武羽曉邢立亭袁春鴻呂晶

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟南 250014；2.山東省地下水環(huán)境保護與修復工程技術研究中心，濟南 250014；3.濟南大學水利與環(huán)境學院，山東 濟南 250002)

0 引言

鉀鹽為我國急緊缺資源，進口依賴程度高，國內(nèi)僅在青海省等局部區(qū)域內(nèi)有分布，大多數(shù)是從液態(tài)鹵水中提取，固態(tài)鉀鹽礦層鉆探工程在國內(nèi)相對其它礦種較少，總體鉆探時效偏低。實施“走出去”戰(zhàn)略，在境外建立鉀鹽基地是長遠之計。剛果盆地某礦區(qū)內(nèi)蘊藏著豐富的鉀鹽礦產(chǎn)資源，沉積厚度167.00～635.25 m。中方駐剛果公司獲得了剛果盆地某礦區(qū)的鉀鹽礦勘探許可。鉀鹽水敏性極強，會吸收空氣中的水分而溶解，取芯質(zhì)量要求高(王衛(wèi)民和仲玉芳，2011)。以前國內(nèi)實施鉀鹽礦層鉆探以飽和液作為沖洗液，隨著孔內(nèi)溫度與壓力的變化，飽和液的組分需及時作出調(diào)整，實際上勘探現(xiàn)場對飽和液的調(diào)整是滯后的，由于鉀鹽的水敏性特點，經(jīng)常出現(xiàn)巖芯表面被溶解，甚至溶解到無法采取巖芯的現(xiàn)象，表現(xiàn)為取芯率低，鉆探時效低等不足。為提高鉀鹽礦層鉆探取芯質(zhì)量，提高鉀鹽礦層鉆進時效，對鉀鹽礦層鉆探工藝進行了研究。以油基泥漿為沖洗液，采用金剛石鉆頭工藝技術，機械鉆速為0.32～0.36 m/h，油基泥漿平均實用量為4.99 m3/100 m。研究清楚鉀鹽物理特性及復合片鉆頭在軟—中硬度巖石剪切破巖機理(李田軍，2012；李琴等，2016)。嘗試復合片鉆頭工藝技術，采用復合片鉆頭工藝技術，機械鉆速有了顯著提高，達到0.43～0.84 m/h，與金剛石鉆頭工藝技術相比，平均提高了0.88 倍，油基泥漿平均用量降低為1.50 m3/100 m，降低了3.49 m3/100 m。復合片鉆頭工藝技術在鉀鹽礦層鉆探中，明顯節(jié)約時間、節(jié)約成本。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

剛果共和國奎盧省某鉀鹽礦區(qū)為本文研究區(qū)，西臨大西洋東岸，南距剛果共和國黑角市約30 km，黑角市為非洲重要港口城市，海上交通運輸條件良好，可通航歐、亞、非、美多個國家和地區(qū)，區(qū)域位置圖見圖1。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置簡圖

區(qū)域上主要有古元古界(Pt1)、白堊系(K)、新近系(N)、第四系(Q)地層，勘探區(qū)東部分布有古生代早期侵入的巖漿巖，巖性主要為中細?；◢忛W長巖。古元古界出露于東北部，巖性主要為二云片巖、細粒大理巖、滑石片巖、石英巖等，厚度大于200 m。白堊系在研究區(qū)廣泛分布，分三段，下段陸相沉積，中段鹽類沉積，上段海相沉積，與下伏古元古界之間為角度不整合接觸，其中，陸相沉積頂板埋深602.00～909.03 m，巖性為砂巖及粉砂巖，厚度不詳；鹽類沉積頂板埋深260.65～518.85 m，厚度167.00～635.25 m，巖性為石鹽巖、光鹵石巖、二者呈互層狀，局部發(fā)育水氯鎂石巖、瀝青頁巖；海相沉積頂板埋深127.95～200.10 m，厚度60.55～148.22 m，巖性為白云質(zhì)粉砂巖。新近系出露于西部沿海一帶，多被第四系覆蓋，厚度30.52～99.20 m，巖性多為半固結(jié)粉砂巖、粘土質(zhì)粉砂。第四系區(qū)內(nèi)普遍分布，厚度88.37～145.06 m。白堊系中段是本文鉆探研究層。

2 工作部署及鉆探方法

2.1 工作部署

本文主要研究鉀鹽礦層鉆探，為了后續(xù)巖礦試驗的順利開展，采用了相對大口徑Ф97.5 繩索取芯鉆探工藝(李飛躍，1991；劉維鵬等，2012；盧予北等，2012；王永全等，2012；王達和何遠信，2014；楊相茂等，2014)。本文工藝技術是針對鉀鹽礦層鉆探形成的結(jié)論，不涵蓋鉀鹽礦層上覆砂巖及以上地層。

本次研究共實施了7 個鉆孔，鉆孔編號分別為zk01、zk02、zk03、zk04、zk05、zk06、zk07，首先采用的金剛石鉆頭工藝技術實施了zk01、zk02 兩個鉆孔，鉆探中摸索調(diào)整鉆探規(guī)程中各參數(shù)，鉆探時效不理想，一般為0.5 m/ h 左右；研究鉀鹽物理特性，咨詢考察了復合片鉆頭在軟—中硬度地層破巖機理后，然后采用復合片鉆頭工藝技術，實施了zk03、zk04、zk05、zk06、zk07 五個鉆孔，鉆探摸索過程實際就是鉆探參數(shù)調(diào)整優(yōu)化的過程(李金鎖等，2015)。鉆孔平面布置圖(圖2)。

圖2 鉆孔平面布置圖

地質(zhì)資料研究表明(欒元滇等，2012；周興濤等，2015)，硬質(zhì)石膏層為進入鉀鹽礦層的標志層。鉀鹽礦體一般埋深于地下260.65～909.03 m，厚度167.00～635.25 m。鉀鹽礦體上覆為海相沉積層，以白云質(zhì)砂巖為主，厚度60.55～148.22 m；海相沉積層上覆為新近系，巖性為粉砂巖、粘土質(zhì)粉砂為主，厚度30.52～99.20 m；最上層為第四系，主要粉砂及細砂，厚度88.37～145.06 m。鉆探揭露鉀鹽礦層有:石鹽巖、光鹵石巖、水氯鎂石巖、溢晶石巖等均為可溶性巖體，厚度較大，巖性硬度低?？碧浆F(xiàn)場所取鉀鹽礦層巖芯實物圖如圖3 所示。

圖3 鉀鹽礦層巖芯實物圖

2.2 鉆探設備及鉆具參數(shù)

本次鉀鹽礦層鉆探研究，采用繩索取芯工藝技術，主要鉆探設備參數(shù)如下:XY-5 型巖芯鉆機、BW-320型柱塞式泥漿泵、SC-95 型繩索取芯鉆具、SJ-3000 繩索絞車等、鉆頭:S 95 +2.5 mm 表鑲?cè)嗽旖饎偸@頭(鉆頭底唇“圓弧”型，胎體硬度HRC 20)、S 95+2.5 mm 復合片鉆頭兩種(潘起峰等，2005)、鉆桿及鉆桿接手等(胡中立，1991，姜光忍等，2009)。

2.3 鉆孔結(jié)構

采用三級口徑、二級套管的鉆孔結(jié)構，鉆孔結(jié)構示意圖見圖4。

圖4 鉆孔結(jié)構示意圖

3 新工藝合理性分析

3.1 鉆頭合理性

(1)金剛石鉆頭，破巖作用是由金剛石顆粒完成的。

單粒金剛石在鉆壓作用下使巖石處于極高的應力狀態(tài)下(約4200～5700 MPa)，使巖石發(fā)生巖性轉(zhuǎn)變，由脆性變?yōu)樗苄?。單粒金剛石吃入地層，在扭矩作用下切削破巖，切削深度基本上等于金剛石顆粒的吃入深度，切削厚度小、切入深度小，鉆探過程產(chǎn)生巖屑顆粒較細小，大多巖屑粒徑在40 μm 左右，這樣粒徑巖屑，等同于泥漿中的固相物，隨鉆探工程的推進會逐漸增大(鄧清松和張中，2013；何建平等，2018)。金剛石鉆頭工藝技術，它的優(yōu)勢在高轉(zhuǎn)速，鉆探堅硬的巖石會突顯出來。鉀鹽硬度1～2級，硬度低，具有一定韌性；可鉆性為1～2 級，可鉆性好；屬低研磨性巖性。采用金剛石鉆頭工藝技術，對于鉀鹽不易采用較高的轉(zhuǎn)速(下文將進行說明)，而且隨著鉆孔的加深，破碎巖屑重復被破碎和研磨鉆頭現(xiàn)象較突出，在油基泥漿中，鉆頭好似被一件粘性物包裹住一樣，發(fā)揮不出優(yōu)勢，時效較低。

(2)復合片鉆頭，破巖方式因鉆頭的切削結(jié)構及地層巖性與硬度而異。

復合片切削齒在鉆壓與扭矩的作用下克服地層應力吃入地層向前滑動，巖石在削齒作用下沿其剪切方向破碎并產(chǎn)生塑性流動，切削所產(chǎn)生的巖屑呈大塊片狀(鄒德永和王瑞和，2003)。主要有剪切、預破碎、犁削、磨削四種破巖方式。對于軟-中度地層，剪切破碎機理優(yōu)勢突顯(楊春，2010；王紅波等，2011)。鉀鹽硬度低且研磨性低，粒狀結(jié)構(其中，光鹵石粒徑多為1～2 cm，石鹽粒徑多為3～5 mm，水氯鎂石等其它的粒徑多為0.01 mm 左右)，復合片鉆頭工藝技術，在剪切破碎機理條件下進行鉀鹽破碎，一是鉆頭切削下來的巖屑呈大塊片狀，切削速度快，鉆進效率高，二是切削產(chǎn)生的巖屑粒徑絕大多數(shù)在1～2 mm 之間，非常適合現(xiàn)場所用油基泥漿的循環(huán)攜帶，使巖屑迅速隨油基泥漿循環(huán)沖離孔口，不存在重復破碎的過程。鉆進時效高是復合片鉆頭工藝技術中最突出的優(yōu)勢。

3.2 泥漿使用合理性

(1)油基泥漿成份及性能參數(shù):鉀鹽礦層中包括石鹽巖、光鹵石、水氯鎂石、溢晶石等，均為可溶性巖體，水敏感性極強，它們各自成分不同，溶解度也存在較大的差別。水敏感性地層對泥漿要求較高，程志濤等(2017)采用抑制性泥漿解決問題。本文預先設想過飽和液沖洗液，研究表明，在飽和液接觸鉀鹽礦體時，表面不停地進行著離子交換活動，且隨著鉆孔深度的增加，孔內(nèi)溫度、壓力、溶液濃度不斷地發(fā)生著變化，離子交換活動呈增強的趨勢，會改變所取鉀鹽巖芯表面的原有成分，巖芯表面會出現(xiàn)溶蝕的狀況，且隨深度的增加越來越嚴重。因此鉆探過程為保證高質(zhì)量巖芯采取率，為保證所采取巖芯的原始狀態(tài)，油基泥漿為首選泥漿。油基泥漿專門用于鉀鹽礦層鉆探使用的泥漿(宮述林等，2011)，可確保鉀鹽礦層100%的取芯率。油基泥漿成份及性能參數(shù)如下:60%基礎油+20%水+10%KCl +5%乳化劑(SPAN-80+OP-10) +2%CaCl2+2%CaCO3+0.5%Na2CO3+0.5%MV-CMC。密度1.10～1.15 g/cm3，pH 值≥9，粘度35～45 s，含砂量＜2%，失水量＜15 ml/30 min。經(jīng)特制設備攪拌而成，其靜置保質(zhì)期約1 周。

(2)金剛石鉆頭工藝技術:由于金剛石鉆頭切削產(chǎn)生巖屑與巖粉顆粒細小，巖屑與巖粉短時間內(nèi)無法快速沉淀而撈取，相當長時間內(nèi)懸浮于油基泥漿中，致使取芯時，內(nèi)管打撈器下放時間平均增加了兩倍以上時間，最長達4 倍時間，由于浮力較大，有時還存在撈矛頭沒法進入彈卡室，無法打撈的現(xiàn)象，需提升內(nèi)管打撈器重新操作，進一步增加了勘探用時。為克服此矛盾問題，也可以不間斷地兌入新的泥漿置換舊泥漿，但增加了泥漿用量，加大了泥漿成本。復合片鉆頭工藝技術，切削所產(chǎn)生的巖屑呈大塊片狀，巖屑粒徑大部分為1～2 mm，個別大粒的約3 mm，粒徑適中，有利于巖屑巖粉通過油基泥漿循環(huán)攜帶，有利于巖粉沉淀并撈取，可節(jié)約油基泥漿的用量，取芯時間一般20～30 min/次。節(jié)約泥漿是復合片鉆頭工藝技術的另一優(yōu)勢特點。

3.3 鉆探規(guī)程合理性

(1)鉆壓:鉀鹽為軟巖，鉆探時壓力較大時(現(xiàn)場zk01 鉆孔勘探表明，孔底壓力大于20 kN 時)，鉀鹽礦體有壓裂的現(xiàn)狀?，F(xiàn)場總結(jié)，鉆壓12～15 kN時為理想數(shù)值。

(2)轉(zhuǎn)速:由于油基泥漿內(nèi)本身還有5%～10%固相物，鉆探鉀鹽礦層過程中又會不斷產(chǎn)生部分細小巖屑與巖粉，特別是采用金剛石鉆頭繩索取芯鉆探工藝技術時，情況更為嚴重，固相物會逐漸＞20%，當鉆速超過400 R/min 時會產(chǎn)生鉆桿內(nèi)壁固結(jié)泥皮的孔內(nèi)事故，影響正常鉆進。現(xiàn)場zk01 鉆孔勘探研究表明，達到400 R/min 以上時，鉆探進尺2.5～3.0 m 時，鉆探中泥漿中固相顆粒物，因高速離心原理牢牢固結(jié)于繩索取芯鉆桿內(nèi)壁上，致使繩索取芯鉆桿內(nèi)徑與內(nèi)管外壁之間逐漸被泥皮填充而粘死，無法提升內(nèi)管取芯，需提升整套鉆具進行事故處理(李恩海，1989；何立新等，2016)，大大增加了鉆探總體用時。研究表明，降低油基泥漿中固相物的濃度或者降低轉(zhuǎn)速是防止鉆桿內(nèi)壁固結(jié)泥皮的主要措施，現(xiàn)場試驗表明，降低轉(zhuǎn)速最為有效，轉(zhuǎn)速160～260 R/min 效果最理想。

(3)泵量:鉀鹽礦層總體為軟巖層，鉆探中會快速產(chǎn)生較多的巖屑和巖粉，需要較大的泵量，迅速攜帶巖屑和巖粉于地表進行撈取?，F(xiàn)場研究證明，泵量120～160 L/min 效果最理想。

因此，采用SC-95 型繩索鉆具復合片鉆頭工藝技術，以油基泥漿作為沖洗介質(zhì)，在鉆壓12～15 kN，轉(zhuǎn)速160～260 R/min，泵量120～160 L/min條件下，實施鉀鹽礦層鉆探為最佳鉆探工藝。

4 試驗結(jié)果與效果分析

4.1 新舊工藝鉆探對比

4.1.1 鉀鹽礦層鉆探厚度對比

各鉆孔鉀鹽礦層開始與終止深度、礦層厚度情況詳見圖5。zk01、zk02 位于成礦邊緣地帶。鉀鹽礦層相對較薄，zk07 因孔內(nèi)事故，未揭穿鉀鹽而終孔。研究區(qū)南部礦層厚度普遍較大，一般大于550 m，鉆孔資料顯示厚度543.53～635.25 m，平均厚度575.08 m。

圖5 各鉆孔鉀鹽礦層鉆探厚度對比圖

4.1.2 鉀鹽礦層鉆探用時對比

各鉆孔實際鉆探厚度、鉆進速度、取芯時間、提下鉆具時間、孔內(nèi)事故處理時間、鉆具故障處理及檢修時間不同，各鉆孔鉆探過程總用時差別較大，實際鉆孔鉀鹽礦層鉆探用時對比情況見圖6。

圖6 各鉆孔鉀鹽礦層鉆探用時對比圖

鉆孔zk04 總用時54 d，純鉆探用時778 h，取芯次數(shù)212 次，是zk02 取芯次數(shù)的1.98 倍；取芯用時276 h，是zk02 取芯用時的1.55 倍，是zk06 取芯用時的2.13 倍。zk04 鉆孔最深處909.03 m。鉆孔越深，單次取芯用時會越長(靳紅兵，2011)。鉆探工序總用時長短是鉆進、取芯、事故處理、檢修、提下鉆等多個工序共同作用的結(jié)果。

4.1.3 鉀鹽礦層鉆探用時對比

因鉆探工藝技術不同，各鉆孔純鉆進用時也差別較大。各鉆孔鉀鹽礦層鉆探作業(yè)時間分析圖(圖7)顯示，zk03、zk04 鉆進用時最多，分別為765 h 和778 h，但其它工序時間不同程度存在著差別。

圖7 各鉆孔鉀鹽礦層鉆探作業(yè)時間分析圖

4.1.4 時效對比

各鉆孔鉀鹽礦層鉆探時效對比圖(圖8)表明，采用金剛石鉆頭工藝技術，完成2 個鉆孔，平均時效0.501 m/h；而采用復合片鉆頭工藝技術后，完成5個鉆孔，平均時效0.906 m/h。前后對照，時效呈現(xiàn)提高的趨勢，復合片鉆頭工藝技術較金剛石鉆頭工藝技術鉆探時效平均提高了0.808 倍。

圖8 各鉆孔鉀鹽礦層鉆探時效對比圖

4.1.5 各鉆孔油基泥漿使用情況對比

油基泥漿基礎成分是60%基礎油，鉆孔后孔內(nèi)油基泥漿必須全部回收。不同的鉆孔回收起的油基泥漿化學成分差別是較大的?；厥掌鸬挠突酀{靜置后會分層，下層部分因超標的固相物而報廢，上層部分進行調(diào)配后，在下一孔鉆探時可重復利用。

采用金剛石鉆頭工藝技術油基泥漿新采購量、耗損量、回收量、報廢量及產(chǎn)生的可重復利用的泥漿量情況如表1 所示。由此看出，采用金剛石鉆頭工藝技術，油基泥漿平均實用量相對較高，按100 m鉆探工程折算，實用量4.99 m3/100 m。

表1 油基泥漿新采購、耗損、回收、報廢情況表/m3(金剛石鉆頭)

采用復合片鉆頭工藝技術油基泥漿新采購量、耗損量、回收量、報廢量及產(chǎn)生的可重復利用的泥漿量情況詳見表2。從表2 可看出，采用復合片鉆頭工藝技術，油基泥漿平均實用量下降了許多，按100 m 鉆探工程折算，實用量下降到1.50 m3/100 m，與金剛石鉆頭工藝技術相比，油基泥漿降低了3.49 m3/100 m。

表2 油基泥漿新采購、耗損、回收、報廢情況表/m3(復合片鉆頭)

另外，油基泥漿，其主要成分是石油中提取出來的一種基礎油，報廢的油基泥漿不能隨意排放，需委托具有資質(zhì)的環(huán)境公司進行專項處置。泥漿用量越大，報廢泥漿量相應越大，專項處置花費越高。按100 m 鉆探工程折算，分析對照，采用金剛石鉆頭工藝技術，廢泥漿量3.29 m3/100 m；采用復合片鉆頭工藝技術，廢泥漿0.94 m3/100 m。廢泥漿主要是由于鉆探過程中產(chǎn)生的粒徑細微巖粉長時間懸浮于油基泥漿中，致使泥漿變性而成為廢泥漿。當采用金剛石鉆頭鉆頭繩索取芯鉆探工藝時，這種弊端更為突出。復合片鉆頭工藝技術，每100 m鉆探工程，可節(jié)約泥漿費用及廢泥漿專項處置費用約1.2 萬元人民幣。

4.2 效果分析評價

復合片鉆頭工藝技術與金剛石鉆頭工藝技術相比，可提高鉆探時效，降低勘探成本。在鉆探時效方面，鉆探效率每100 m 可提高約0.45 倍；在材料成本與時間成本等方面，每100 m 可節(jié)約鉆探成本約8.8 萬元人民幣。此項鉆探工藝技術的探討并有效實施是研究工作的重點創(chuàng)新，可為鉀鹽礦層鉆探工程提供良好的技術支撐。

5 結(jié)論

(1)本文針對鉀鹽礦層鉆探時效低進行的研究，采用的設備、泥漿等均屬易獲取的生產(chǎn)材料，是反復多次試驗研究出的一套相對較好的鉆探工藝技術，是可推廣的一項良性工藝技術。鉀鹽與石鹽、石膏、鎂鹽等為共生礦物，本次鉀鹽礦層鉆探研究中，也鉆探揭露了部分的石鹽層及石膏層，因此對于石鹽、石膏等鹽類礦物鉆探工程可以借鑒此工藝技術。

(2)現(xiàn)場對比看出，復合片鉆頭工藝技術在鉀鹽礦層鉆探提高時效及節(jié)約成本方面具有較大的優(yōu)勢，可以節(jié)約近一半的鉆探時間，節(jié)約大量勘探成本。

(3)本文對鉀鹽礦層鉆探時效進行了研究，取得了一定成效。但從系統(tǒng)程度上還遠不夠，建議進行系統(tǒng)化研究并形成方案。我國是農(nóng)業(yè)大國，鉀肥生產(chǎn)需要持續(xù)、大量鉀鹽原料。研究出一整套系統(tǒng)的高質(zhì)量的鉀鹽礦層鉆探方案，對于我國鉀鹽行業(yè)發(fā)展意義深遠。