可溶性固體鉀鎂鹽礦工程地質(zhì)特征分析及鉆探技術(shù)探索

劉維鵬，許青海，白寶云

(青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)，青海西寧 810006)

可溶性固體鉀鎂鹽礦工程地質(zhì)特征分析及鉆探技術(shù)探索

劉維鵬，許青海，白寶云

(青海省核工業(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)，青海西寧 810006)

老撾甘蒙省地區(qū)廣泛分布鉀鎂鹽礦礦床，其礦床屬于可溶性固體鉀鎂鹽礦類(lèi)型，礦層主要分布在新生界古近系鹽層中，礦物主要以鉀石鹽、光鹵石為主。通過(guò)對(duì)此處可溶性固體鉀鹽工程地質(zhì)特征的系統(tǒng)分析研究，探索出了一套適用于可溶性固體鉀鎂鹽礦的鉆探施工工藝，特別是對(duì)礦心采取和保護(hù)、漏失預(yù)防及治理，以及最終的封孔工藝進(jìn)行了深入的研究。

可溶性固體鉀鎂鹽礦;鉆探工藝;光鹵石;鉀石鹽

近年來(lái)，隨著老撾人民民主共和國(guó)鉀鎂鹽礦床的大力開(kāi)發(fā)和利用，我隊(duì)先后承接了老撾嘉西鉀鹽開(kāi)發(fā)有限公司和老撾開(kāi)元礦業(yè)有限公司在老撾甘蒙省一帶的可溶性固體鉀鎂鹽礦鉆探施工項(xiàng)目。在鉆探施工過(guò)程中，由于泥巖、石鹽層、礦層(鉀石鹽、光鹵石)的物理化學(xué)特征變化范圍很大，在鉆進(jìn)工藝方面需要同時(shí)適應(yīng)泥巖層和石鹽層2種地層，這給鉆探施工工作帶來(lái)了很多新問(wèn)題。為此，我們?cè)趯?duì)可溶性固體鉀鎂鹽礦工程地質(zhì)特征分析的基礎(chǔ)上，在礦心采取和保護(hù)、漏失預(yù)防及治理以及封孔工藝方面進(jìn)行了深入的研究，探索出了一套適用于該可溶性固體鉀鎂鹽礦的鉆探施工工藝。

1 鉀鎂鹽礦地質(zhì)條件及其工程地質(zhì)特征分析

1.1 礦區(qū)地層

從鉆探施工角度出發(fā)，礦區(qū)地層主要可以分為以下3大類(lèi):

(1)淺部泥巖為第四系松散無(wú)膠結(jié)，弱膠結(jié)泥巖，砂礫層，淤泥層。這一層主要由砂質(zhì)粘土組成，局部含有砂和礫石，礫石成分以石英和砂巖為主，粒徑大小不一，一般在3～5 mm，磨圓度較差，多為次棱角狀，含量約70%。在礫石之間分布有泥、砂。其工程地質(zhì)特征表現(xiàn)為松散，破碎，在沖洗液的沖刷作用下容易出現(xiàn)坍塌和掉塊現(xiàn)象。

(2)泥巖層主要為紅褐色泥巖、黃褐色泥巖、青灰色泥巖或棕褐色泥巖，主要由泥巖和砂質(zhì)泥巖組成，有時(shí)夾有石膏層，塊狀構(gòu)造或薄層狀構(gòu)造。硬度在3級(jí)左右，部分孔段達(dá)到5級(jí)左右。泥巖層在沖洗液的沖刷和浸泡后即變得松軟，并具可塑性，容易出現(xiàn)鉆孔縮徑現(xiàn)象。

(3)鹽層分為3類(lèi)，分別為石鹽層、鉀石鹽層(礦層)、光鹵石層(礦層)。其礦物組成主要為石鹽(NaCl)、鉀石鹽(KCl)和光鹵石(MgCl2·KCl·6H2O)三種礦物。三者的含量在不同的地層變化較大。石鹽層主要以石鹽組成(含量占98%左右)，礦層主要組成仍然以石鹽為主，其它2種礦物含量大約占到40%左右。該3類(lèi)地層有溶～易溶于水的物理特征，而且受鉆孔中多種情況(鉆孔深度、泥漿處理機(jī)的物化作用和鉆具的機(jī)械作用等)的影響極易造成鉆孔中溫度的升高，從而導(dǎo)致各類(lèi)鹽層(尤其鉀石鹽與光鹵石)溶解度的增加，這種情況對(duì)在該類(lèi)鹽層中的采取心工作帶來(lái)了不利的影響。

礦層中主要成分為NaCl、KCl和MgCl2，三者的總量達(dá)80%以上。礦石類(lèi)型不同其礦物成分也表現(xiàn)為不同，其礦物成分分布如表1所示。

表1 鉀鎂鹽礦礦層成分

1.2 鉀鎂鹽礦中3種主要鹽類(lèi)礦物的物理化學(xué)特性分析比較

鉀鹽礦區(qū)主要針對(duì)的是鹽層和其中的鉀石鹽層和光鹵石層。這3類(lèi)礦物在物理化學(xué)特征上具有共同點(diǎn)同時(shí)也存在巨大的差異(具體見(jiàn)表2所示)。同時(shí)鉀石鹽與光鹵石在隨著溫度的變化下表現(xiàn)出不同的差熱曲線(xiàn)特征，其兩類(lèi)礦物的差熱曲線(xiàn)特征如表3所示。

表2 鉀鎂鹽礦3類(lèi)礦物成分的差異

表3 鉀石鹽和光鹵石差熱曲線(xiàn)特征

2 主要鉆探技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 孔徑結(jié)構(gòu)及鉆具級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)老撾鉀鹽礦地層的特征和采樣要求(終孔孔徑≮91 mm，巖心樣直徑達(dá)到70 mm以上)，以及在施工過(guò)程中孔內(nèi)遇到的問(wèn)題(漏失)，結(jié)合沉積巖的鉆探經(jīng)驗(yàn)，鉆孔以168 mm鉆具開(kāi)孔，孔徑180 mm，下入168 mm套管，下入深度主要封隔上部第四系植被層及砂礫石層，防止上部地層掉塊和坍塌影響下部地層和礦層取心。下部采用110/89 mm單動(dòng)雙管鉆具和110 mm單管鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)，孔徑為120 mm。預(yù)留一級(jí)技術(shù)套管。

2.2 鉆具及鉆頭設(shè)計(jì)

石鹽層和礦層采用三層單動(dòng)雙管鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)，底噴階梯式硬質(zhì)合金鉆頭或底噴階梯式復(fù)合片鉆頭，鉆頭外徑120 mm。

2.3 沖洗液體系設(shè)計(jì)

依據(jù)鉀鹽礦區(qū)地質(zhì)特征，各類(lèi)地層之間的工程地質(zhì)特征存在巨大的差異，所以在鉆探施工過(guò)程中需要對(duì)各類(lèi)地層采取有針對(duì)性的泥漿體系。泥漿體系設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 鉀鎂鹽礦泥漿體系設(shè)計(jì)

3 鉀鹽礦施工中主要鉆探問(wèn)題及解決方案

3.1 礦心采取及保護(hù)技術(shù)措施

可溶性鉀鎂鹽礦床中礦物主要分為2大類(lèi)，即鉀石鹽和光鹵石。鉀石鹽的特性與石鹽相近，其中鉀鹽礦物為KCl為主，含少量的MgCl2，因此在飽合NaCl鹽水泥漿中基本不溶解，而光鹵石中除含KCl外，還含有高溶解的MgCl2，其含量達(dá)到30%左右且含量在各個(gè)鉆孔中不同，因此在礦心采取時(shí)要依據(jù)礦心中不同礦物的含量對(duì)泥漿進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)我隊(duì)在現(xiàn)場(chǎng)施工的經(jīng)驗(yàn)，具體礦心取心重點(diǎn)需要注意以下幾個(gè)方面。

3.1.1 礦層鉆進(jìn)

鉆至標(biāo)志性層位(青灰色泥巖或石鹽層變化層段)→加鹽至飽和并循環(huán)→鉆進(jìn)標(biāo)志層位(青灰色泥巖)1～2 m后開(kāi)始加MgCl2至飽和(理論飽和，表4中的第4種泥漿體系)→通過(guò)鉆進(jìn)礦層進(jìn)一步確定MgCl2是否飽和(實(shí)際飽和)→鉆進(jìn)礦層。

3.1.2 對(duì)礦層位置準(zhǔn)確判斷

從3個(gè)方面的標(biāo)志性層位判斷是否進(jìn)入礦層:

(1)青灰色泥巖作為主要標(biāo)志層，見(jiàn)青灰色泥巖后鉆進(jìn)石膏層或一段石鹽層后進(jìn)入礦層;

(2)通過(guò)石鹽的結(jié)晶性能以及和含雜質(zhì)量的大小判斷是否進(jìn)入礦層，石鹽層從粗顆粒鹽變?yōu)榧?xì)顆粒鹽，石鹽層中顏色變化及石膏夾層增多;

(3)從色、味等物理特征方面判斷是否進(jìn)入礦層。

3.1.3 泥漿調(diào)制及使用

(1)泥漿調(diào)制順序:在原泥漿的基礎(chǔ)上先加鹽至飽和然后再加MgCl2飽和。

(2)鹽的飽和比例:鹽的加量每立方米泥漿加量在300 kg至飽和，同時(shí)結(jié)合鹽層取出的巖心的溶蝕情況判斷鹽是否飽和。

(3)MgCl2加量的合宜判斷標(biāo)準(zhǔn):

①加量標(biāo)準(zhǔn)以每立方米加入300 kg MgCl2為基準(zhǔn)，對(duì)于泥漿量的計(jì)算必須要通過(guò)計(jì)算地表泥漿池的方量和孔內(nèi)泥漿的方量的總和而得;

②MgCl2加量是否達(dá)到飽和主要通過(guò)所采取巖心的溶蝕情況進(jìn)行判斷，不能保持巖心成柱狀時(shí)(見(jiàn)圖1)為不飽和，能保持巖心成柱狀時(shí)(見(jiàn)圖2)為飽和。

圖1 礦心溶蝕度大，不能保持完整性

圖2 礦心基本不溶解，保持巖心的原樣性

MgCl2加量是否達(dá)到飽和主要通過(guò)所采取巖心的溶蝕情況進(jìn)行判斷。不能保持巖心成柱狀時(shí)(見(jiàn)圖1)為不飽和，能保持巖心成柱狀時(shí)(見(jiàn)圖2)為飽和。

(4)使用MgCl2泥漿時(shí)需對(duì)孔內(nèi)泥漿進(jìn)行完全循環(huán)且待泥漿冷卻后才能正常進(jìn)行鉆進(jìn)。

3.1.4 鉆進(jìn)參數(shù)和操作注意事項(xiàng)

為了確保礦心采取的質(zhì)量，在礦層中選擇低轉(zhuǎn)速、偏低壓力、中等泵量進(jìn)行鉆進(jìn)，回次長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)在操作上需要注意以下幾個(gè)方面。

(1)進(jìn)入青灰色泥巖后，在對(duì)于礦層無(wú)法確認(rèn)時(shí)回次進(jìn)尺可采用“3—6—9鉆進(jìn)法”(即先鉆進(jìn)300 mm，再鉆進(jìn)600 mm，確認(rèn)后可鉆進(jìn)900 mm以上)進(jìn)行確認(rèn)，并且判斷沖洗液中鹽的加量是否達(dá)到飽和。

(2)在礦層和頂?shù)装邈@進(jìn)時(shí)回次進(jìn)尺不宜超過(guò)1.5 m。

(3)礦心必須采用單動(dòng)雙管鉆具采取，內(nèi)外管間隙不大于3 mm，鉆頭內(nèi)徑與內(nèi)管鉆頭內(nèi)徑之間的配合根據(jù)地層的情況進(jìn)行調(diào)整。

(4)單動(dòng)雙管鉆具在下鉆前必須檢查其單動(dòng)性能是否轉(zhuǎn)運(yùn)靈活，內(nèi)外管必須做必要的清洗，并檢查內(nèi)管水眼是否通暢。

(5)開(kāi)鉆前檢查泥漿泵供水是否通暢，泵量是否足夠。

3.2 漏孔預(yù)防及處理技術(shù)措施

鉀鎂鹽礦床與其它鹽類(lèi)礦床有著同樣的特性，因此在施工過(guò)程中鉆孔漏失現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，通過(guò)分析漏失層的巖心及漏失特征，鉀鎂鹽礦地層漏失主要分為泥巖層的裂隙性漏失、鹽層中的孔隙性漏失，泥巖與石膏接觸面間裂隙性漏失3大類(lèi)。針對(duì)這3類(lèi)漏失發(fā)生的機(jī)理分析后發(fā)現(xiàn)，這3類(lèi)漏失產(chǎn)生的原因與地層中含鹽類(lèi)礦物有很大關(guān)系，所以預(yù)防和處理漏失從控制地層鹽類(lèi)礦物的可溶性入手，具體漏失的預(yù)防和處理方案如表5所示。

表5 鉀鎂鹽礦漏失預(yù)防和治理方案

3.3 封孔及措施方案

可溶性鉀鹽礦作為鹽類(lèi)礦物的一種，其礦物特性是易溶于水，而且各種不同形式和深度的地下含水層埋藏于礦床中，因此封孔作為鉆探工程六項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)中的一項(xiàng)，在可溶性鉀鹽礦這類(lèi)礦床中顯得尤為重要。由于可溶性固體鉀鎂鹽礦的地層特征和鉆探施工的特點(diǎn)，采用以往純水泥漿液進(jìn)行封孔時(shí)，水泥漿在鹽類(lèi)礦層的凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生裂縫，且與鹽層和泥巖不能很好地膠結(jié)到一起，并且普通硅酸鹽水泥抗鹽蝕能力極差，實(shí)際結(jié)果往往達(dá)不到有效封孔的目的。另外采用泥球進(jìn)行回填鉆孔時(shí)，往往會(huì)在孔內(nèi)形成架橋，無(wú)法完全封閉孔徑并不規(guī)則的鉆孔腔體，也無(wú)法有效達(dá)到封隔和保護(hù)礦層的目的。所以研究和制定一套有效和可靠的封孔工藝在可溶性固體鉀鎂鹽礦鉆探工藝中也是重要的一個(gè)部分。我們?cè)谕ㄟ^(guò)對(duì)鉆進(jìn)沖洗液和水泥的性能進(jìn)行充分的分析和試驗(yàn)比對(duì)后，在鉀鎂鹽礦的封孔工藝中摸索了一種簡(jiǎn)單而易操作的封孔方案。

3.3.1 封孔原理

儲(chǔ)備一定量的在鉆進(jìn)過(guò)程中使用過(guò)的富含NaCl、MgCl2(速凝劑)泥漿(飽和鹽水泥漿)以作為主要的封孔材料，使用前在其中加入合適配比的水泥，攪拌均勻后通過(guò)鉆桿柱泵入孔內(nèi)，在水泥的凝固作用下，將泥漿中已有的固相含量(大約占45%左右)和水泥凝固，形成類(lèi)似泥巖的凝固體，具有一定的抗鹽性，且與原地層具有良好的膠結(jié)性，達(dá)到封隔地表水及地下水進(jìn)入礦層的目的。

3.3.2 封孔材料

稠泥漿(含NaCl或MgCl2)，525高標(biāo)號(hào)水泥。

3.3.3 封孔配方

稠泥漿0.7 m3+水泥250～300 kg。

3.3.4 封孔方法

首先確定封孔所需的方量，然后把鉆桿下入鉆孔底部，通過(guò)泥漿泵泵入水泥漿混合液，待至替換完全孔內(nèi)泥漿后提鉆，提完鉆桿后繼續(xù)從孔口泵入水泥漿混合液至孔口。

4 鉆探效果

我隊(duì)在老撾國(guó)甘蒙省一帶進(jìn)行鉆探施工過(guò)程中，通過(guò)采用以上鉆探技術(shù)方案，取得了明顯的技術(shù)效果，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明:

(1)通過(guò)采用上述泥漿技術(shù)工藝后，全孔巖心的采取率達(dá)到85%以上，礦心采取率達(dá)到90%以上，并且保持了礦心的完整性(如圖2所示)。

(2)采用針對(duì)性飽和鹽水泥漿體系，尤其是在針對(duì)上部泥巖段和礦層段采用半飽和鹽水泥漿體系，對(duì)預(yù)防鉆孔漏失起到了極大的作用，上部泥巖段孔內(nèi)漏失情況，由原來(lái)孔孔漏到后期基本不出現(xiàn)漏失。

(3)通過(guò)采用以上鉆探技術(shù)方案，單機(jī)臺(tái)月效率由原來(lái)不到500 m，達(dá)到了1200 m以上。

(4)在采用了以上封孔方案之后，通過(guò)鉆探透孔驗(yàn)證以及后期的開(kāi)采礦床的過(guò)程中可以看出，該封孔方案能夠達(dá)到較為理想的封孔狀態(tài)，封孔材料與泥巖層緊密膠結(jié)，沒(méi)有存在縫隙的現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

鉆探工程是鉀鎂鹽礦床地質(zhì)勘查工作中最主要的勘查手段之一。鉀鎂鹽礦的地層物理化學(xué)特征變化范圍廣，礦層可溶性強(qiáng)，并且在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響下地層的工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變。因此在投資方對(duì)鉀鎂鹽礦進(jìn)行開(kāi)采前，需要在鉆探施工中通過(guò)鉆孔設(shè)計(jì)、鉆具及鉆頭的設(shè)計(jì)、沖洗液的配制及使用等措施來(lái)保證鉆孔質(zhì)量，特別是巖礦心的采取率及原狀結(jié)構(gòu)，以獲得礦區(qū)的詳細(xì)地質(zhì)資料。同時(shí)為了保護(hù)鉀鎂鹽礦床不因鉆孔而遭到破壞，必須有一個(gè)安全可靠的封孔方案。

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［3］宋兆輝.復(fù)合鹽飽和鹽水鉆井液在利97井中的應(yīng)用［J］.中外能源，2011，16(2).

［4］宮述林，趙光貞，欒元滇，等.鉀鹽礦床鉆探工藝技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(7).

［5］張成亞，夏柏如.境外某鉀鎂鹽礦鉆井液試驗(yàn)與實(shí)踐［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，34(12).

Analysis on Engineering Geological Characteristics of Soluble Solid K－Mg Salt Deposit and Drilling Technology Exploration

LIU Wei-peng，XU Qing-hai，BAI Bao-yun(No.1 Geology and Mines Investigation Brigade of Qinghai Geology Survey of Nuclear Industry，Xining Qinghai 810016，China)

K－Mg salt deposit is widely distributed in Gammon Province of Laos，which belongs to soluble solid K－Mg salt deposit，the ore seams mainly spread in Cenozoic paleogene salt bed and mainly with sylvite and carnallite.By the systematic analysis on the engineering geological characteristics of soluble solid K－Mg salt，a set of drilling construction technology in soluble solid K－Mg salt deposit was probed out.The study on coring and core protection，leakage prevention and the control and borehole sealing technology was presented.

soluble solid K－Mg salt deposit;drilling technology;carnallite;sylvite

P634.5

A

1672－7428(2012)08－0011－04

2012－06－25;

2012－07－10

劉維鵬(1973－)，男(漢族)，青?；ブ耍嗪Ｊ『斯I(yè)地質(zhì)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查大隊(duì)副隊(duì)長(zhǎng)，探礦工程專(zhuān)業(yè)，從事礦產(chǎn)勘查和開(kāi)發(fā)工作，青海省西寧市生物園區(qū)經(jīng)三路38號(hào)，qh65203@163.com。