甘肅曹家口金礦松散破碎地層液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)沖洗液選型及應(yīng)用

王發(fā)民， 劉清山， 郭合偉， 何玉云， 曹學(xué)斌

(寧夏回族自治區(qū)核工業(yè)地質(zhì)勘查院，寧夏 銀川 750021)

1 施工項(xiàng)目地質(zhì)概況

1.1 礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征

甘肅省山丹縣曹家口金礦位于山丹縣大馬營鄉(xiāng)，大黃山主峰南側(cè)，屬中高山區(qū)，海拔最高3201 m，高差一般200～400 m。地勢陡峻，溝谷發(fā)育，覆蓋廣泛，荊棘叢生?？辈閰^(qū)內(nèi)有大黃山復(fù)式向斜的次一級(jí)褶皺(大黃山背斜之南翼)，斷裂發(fā)育。礦區(qū)層間褶曲不發(fā)育，僅局部見有小型扭曲。地層產(chǎn)狀變化較大，且無規(guī)律，主要與斷裂作用有關(guān)。地層傾向一般10°～70°，局部傾向北西或南東，個(gè)別地段傾向南西。工作區(qū)內(nèi)以走向逆斷層為主，平推斷層次之，主要斷裂有6條，鉆孔布置區(qū)域內(nèi)主要存在一條F1逆斷層，該斷層位于工作區(qū)北東部邊緣長石石英雜砂巖中，兩端延長出測區(qū)外，長>4 km，對(duì)鉆探施工影響較大。

1.2 礦區(qū)鉆遇地層巖性特征

0～30 m，第四系沖積層、殘坡積層，地層破碎，沖洗液漏失嚴(yán)重。

30～260 m，主要為淺灰色長石石英雜砂巖夾板巖，地層裂隙發(fā)育、破碎，屬力學(xué)不穩(wěn)定地層，吸水膨脹、易分散，鉆探施工難度大。

260～600 m，主要為泥巖、石英砂巖及泥質(zhì)板巖，少數(shù)地層硅化，地層較完整，可鉆性在6～8級(jí)。

2 鉆探技術(shù)難點(diǎn)及液動(dòng)潛孔錘技術(shù)要求

2.1 鉆探技術(shù)難點(diǎn)

2015年寧夏核工業(yè)地質(zhì)勘查院2臺(tái)全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)在該礦區(qū)施工，共完成5個(gè)鉆孔，鉆探進(jìn)尺1835 m，施工中，因地層破碎、坍塌、漏失等報(bào)廢鉆孔達(dá)4個(gè)。施工的1835 m進(jìn)尺由2臺(tái)鉆機(jī)完成，耗時(shí)110 d，平均臺(tái)月效率255 m，鉆探成本約700元/m，巖心采取率在80%～85%。該礦區(qū)施工遇到的主要問題是：地層坍塌破碎，遇水易膨脹、分散，回次進(jìn)尺<500 mm，常出現(xiàn)提下鉆遇阻、打撈巖心后再次下鉆不能順利下到孔底、開泵后出現(xiàn)泵壓升高、沖洗液不能正常循環(huán)等現(xiàn)象，需要反復(fù)掃孔循環(huán)才能重新鉆進(jìn)；部分鉆孔漏失嚴(yán)重，經(jīng)常出現(xiàn)沖洗液失返現(xiàn)象，漏速>5 m3/h，鉆具回轉(zhuǎn)阻力大，燒鉆等事故時(shí)有發(fā)生。

2.2 液動(dòng)潛孔錘沖洗液技術(shù)要求

為提高施工效率和回次進(jìn)尺，我們決定采用液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)。液動(dòng)錘是在沖洗液環(huán)境下高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此沖洗液性能對(duì)其使用壽命和工作狀態(tài)影響很大，高含砂量、高固相含量和高粘度的沖洗液會(huì)加劇液動(dòng)錘零件磨損，影響其使用壽命，也可能發(fā)生阻卡使液動(dòng)錘停止工作。因此采用液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)對(duì)沖洗液性能有較嚴(yán)格的要求，除要求沖洗液具有良好的護(hù)壁性能外，還要求沖洗液具有較低的含砂量(含砂量<0.5%)、較低的粘度、較低的密度(一般為1.0～1.1 g/cm3)、低切力、低失水量及強(qiáng)抑制性和良好的潤滑性能。

3 沖洗液優(yōu)選

針對(duì)施工中存在的鉆探技術(shù)難題，綜合考慮液動(dòng)錘沖洗液性能特性，選擇沖洗液必須滿足以下兩方面技術(shù)要求：一要有很好的護(hù)壁效果，確保孔壁穩(wěn)定；二要滿足液動(dòng)潛孔錘要求的工作技術(shù)參數(shù)，確保液動(dòng)錘能正常工作。為此，根據(jù)鉆遇地層特點(diǎn)和施工工藝要求，我們分段設(shè)計(jì)了沖洗液技術(shù)方案。

3.1 覆蓋層沖洗液的優(yōu)化選擇

覆蓋層地層較松散破碎，要求沖洗液具有低失水量和適當(dāng)?shù)恼扯?，結(jié)合大量室內(nèi)沖洗液優(yōu)選評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，最終優(yōu)選出一套低固相沖洗液體系在開鉆時(shí)使用。配方：1 m3水+30 kg鈉土+5 kg HV-CMC+10 kg無熒光防塌潤滑劑+40 kg腐植酸鉀+1 kg水解聚丙烯酰胺+1 kg NaOH。沖洗液性能參數(shù)：密度1.02 g/cm3，馬氏漏斗粘度49 s，表觀粘度23 mPa·s，塑性粘度18 mPa·s，動(dòng)切力10 Pa，動(dòng)塑比0.56，失水量6 mL/30 min。

3.2 30 m以深巖層沖洗液的優(yōu)化選擇

根據(jù)以往施工資料，該礦區(qū)23～260 m主要為淺灰色長石石英雜砂巖夾板巖，地層裂隙發(fā)育、破碎，屬力學(xué)不穩(wěn)定地層，吸水膨脹，容易分散，鉆探施工難度大。為了保證施工質(zhì)量，下完表層套管后更換SYZX96型繩索取心液動(dòng)潛孔錘鉆具，要求沖洗液具有較好的護(hù)壁護(hù)心效果，同時(shí)能滿足液動(dòng)潛孔錘的正常工作。

為了滿足現(xiàn)場施工需要，在室內(nèi)對(duì)23 m以深巖層鉆進(jìn)時(shí)沖洗液配方進(jìn)行了優(yōu)選和評(píng)價(jià)，初步優(yōu)選出成膜1、成膜2、無固相1和無固相2四組沖洗液配方：其中成膜體系1是2015年我單位從北京探礦工程研究所引進(jìn)的沖洗液體系，成膜體系2是我們根據(jù)現(xiàn)場沖洗液材料設(shè)計(jì)的備選沖洗液方案。

成膜1：1 m3水+1 kg NaOH+50 kg成膜A劑+40 kg成膜B劑+10 kg防塌減阻劑+20 kg封堵劑+10 kg增粘劑。

成膜2：1 m3水+1 kg NaOH+50 kg成膜A劑+40 kg成膜B劑+10 kg防塌減阻劑+15 kg LV-CMC。

無固相1：1 m3水+20 kg植物膠+20 kg LV-CMC+10 kg潤滑劑+30 kg腐植酸鉀+1 kg水解聚丙烯酰胺+1 kg NaOH。

無固相2：1 m3水+15 kg HV-CMC+10 kg無熒光防塌潤滑劑+20 kg腐植酸鉀+1 kg水解聚丙烯酰胺+1 kg Na2CO3。

以上4組沖洗液體系具體性能參數(shù)見表1。

表1 沖洗液性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)表明，幾組沖洗液配方的性能參數(shù)基本合理，滿足攜帶和沉降巖粉的需要，但是施工礦區(qū)的地層比較松散破碎,因此幾組沖洗液體系的護(hù)壁效果還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。為確保現(xiàn)場施工的順利，我們選取了山丹縣曹家口金礦松散破碎層位的巖心進(jìn)行了室內(nèi)“巖心浸泡實(shí)驗(yàn)”，分別以清水、成膜1、成膜2、無固相1和無固相2作為浸泡介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)效果如下。

(1)清水浸泡實(shí)驗(yàn)(見圖1)。

圖1 清水浸泡實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：清水浸泡2.5 min，巖心樣品完全分散剝落。

(2)成膜體系浸泡實(shí)驗(yàn)(見圖2～3)。

圖2 成膜體系浸泡前巖心

圖3 成膜體系浸泡4 h

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：成膜體系1、2浸泡4 h后，巖心表面光滑，沒有出現(xiàn)分散剝落現(xiàn)象。

(3)無固相沖洗液浸泡實(shí)驗(yàn)(見圖4～5)。

圖4 無固相體系浸泡前巖心

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：無固相體系1浸泡4 h后巖心表面開始變得松軟，無固相體系2浸泡4 h后，巖心分散成碎塊。

在室內(nèi)對(duì)幾種沖洗液體系評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)松散破碎巖心樣品進(jìn)行了浸泡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明成膜體系1、2具有較好的“護(hù)壁護(hù)心”效果，在巖心表面形成了一層致密的“薄膜”，避免了沖洗液中的水分對(duì)巖心的侵蝕，同理，在鉆進(jìn)過程中，在孔壁上應(yīng)該也能形成致密的泥皮，防止沖洗液中的水分對(duì)孔壁巖層的侵蝕，確?？妆诜€(wěn)定。但是成膜體系2成本相對(duì)較低，因此計(jì)劃在地層較完整時(shí)采用成膜體系2，以降低成本。在地層較復(fù)雜時(shí)，為了維持孔壁穩(wěn)定，采用成膜體系1作為最優(yōu)沖洗液方案。是否能滿足液動(dòng)潛孔錘的正常工作，需要現(xiàn)場進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖5 無固相體系浸泡4 h

3.3 漏失孔段沖洗液方案

沖洗液漏失的根本原因是孔內(nèi)液柱相對(duì)于巖層產(chǎn)生壓差，以及巖石中存在有漏失通道，即鉆孔-地層系統(tǒng)存在壓力不平衡和巖層中有漏失通道這兩個(gè)方面。根據(jù)2015年的施工資料，山丹縣曹家口金礦在鉆進(jìn)中發(fā)生的漏失以滲漏為主，個(gè)別孔段存在裂縫性漏失?，F(xiàn)場發(fā)生滲漏時(shí)，當(dāng)漏速<2 m3/h時(shí)，適當(dāng)提高成膜體系中封堵劑和增粘劑的加量，避免使用大顆粒堵漏材料對(duì)液動(dòng)潛孔錘造成堵塞，實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)；當(dāng)發(fā)生裂縫型漏失，將采用施工前設(shè)計(jì)的沖洗液堵漏方案進(jìn)行橋接堵漏，堵漏成功后再轉(zhuǎn)化為成膜體系1配合液動(dòng)潛孔錘繼續(xù)鉆進(jìn)，具體堵漏方案見表2。

表2 針對(duì)不同裂縫寬度的堵漏方案

4 沖洗液現(xiàn)場應(yīng)用

以ZK302孔為例，2016年9月19日開鉆，覆蓋層厚約30 m，采用PQ繩索取心鉆具開孔，沖洗液使用優(yōu)選出的無固相體系，鉆進(jìn)過程中漏失嚴(yán)重，泥漿消耗量較大(達(dá)到2.5 m3/h)，鉆速為1.5～2.0 m/h，增加HV-CMC的加量提高沖洗液的粘度，漏失得到控制(降為1.0 m3/h)；鉆進(jìn)至45 m，有小段較完整巖石出現(xiàn)，提鉆下入PQ套管。沖洗液上返情況變好，但仍有較輕微滲漏，但能正常循環(huán)鉆進(jìn)。沖洗液更換為成膜體系2，循環(huán)1 h后下入繩索取心液動(dòng)潛孔錘鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆頭選擇為?96 mm平底金剛石鉆頭，環(huán)齒形狀，胎體硬度HRC25～45；泥漿泵泵量為60～90 L/min；轉(zhuǎn)速在300～550 r/min。

鉆進(jìn)至孔深127.02 m，因孔內(nèi)鉆遇漏失型裂縫，漏失嚴(yán)重，泥漿失返，漏失量達(dá)到2.5 m3/h，提高沖洗液粘度后漏失仍得不到控制，提鉆堵漏。

堵漏措施：按配方“沖洗液+3%核桃殼+0.75%棉籽殼+1%鋸末”配制堵漏漿液3.0 m3，泵入后靜止憋壓2 h，開泵循環(huán)，沖洗液返出量逐漸加大并恢復(fù)正常，沖洗液更換為成膜體系2，同時(shí)加大封堵劑GFD-1的加量，防止再次發(fā)生漏失，循環(huán)30 min，繼續(xù)下液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)，后續(xù)施工順利，沒有出現(xiàn)沖洗液漏失、提下鉆遇阻及回轉(zhuǎn)阻力大等復(fù)雜情況。

通過合理設(shè)計(jì)和使用沖洗液，液動(dòng)潛孔錘工作正常，孔壁穩(wěn)定，取心質(zhì)量明顯提高，平均采取率達(dá)到95%以上，解決了在該礦區(qū)鉆探施工中遇到的復(fù)雜情況，沒有發(fā)生孔內(nèi)事故，鉆探施工效率和質(zhì)量明顯提高，施工情況統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 施工效果對(duì)比

由表3可看出，采用合理的沖洗液方案，確保了液動(dòng)潛孔錘的工作效率，回次進(jìn)尺明顯提高，使得鉆孔回次數(shù)降低，施工效率提升，平均提高68%；全孔巖心采取率達(dá)到95.5%，平均提高5%，最大提高8.21%；采用液動(dòng)潛孔錘平均臺(tái)月效率681.85 m，平均提高21%；未發(fā)生孔內(nèi)事故，降低了鉆探成本。

5 結(jié)語

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，初步探討了甘肅省山丹縣曹家口金礦區(qū)復(fù)雜地層液動(dòng)錘鉆進(jìn)沖洗液類型，提出了相應(yīng)的沖洗液和輔助的堵漏配方。

對(duì)于低固相沖洗液體系和無固相沖洗液體系，結(jié)合鉆遇巖性特點(diǎn)、沖洗液流變性參數(shù)及成本因素，選擇低固相沖洗液體系作為覆蓋層鉆進(jìn)時(shí)的沖洗液方案，鉆進(jìn)效率和巖心采取率指標(biāo)表現(xiàn)良好，事故率明顯下降，整個(gè)鉆進(jìn)過程未出現(xiàn)繩索取心鉆具內(nèi)管結(jié)垢和鉆頭包泥現(xiàn)象。從成本考慮，低固相沖洗液體系成本僅為無固相沖洗液體系55%左右。

對(duì)于成膜沖洗液體系1和成膜沖洗液體系2分別在山丹曹家口金屬勘查礦區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，兩個(gè)沖洗液配方應(yīng)對(duì)復(fù)雜地層效果明顯，能夠滿足液動(dòng)潛孔錘工作效率的正常發(fā)揮。就成膜沖洗液體系兩種配方比較，成膜體系2經(jīng)濟(jì)性更好，適合在地層相對(duì)完整的情況下使用，可以降低沖洗液成本約30%，在地層相對(duì)復(fù)雜的情況下及時(shí)加入封堵劑和增粘劑轉(zhuǎn)換為成膜體系1繼續(xù)鉆進(jìn)。

通過甘肅山丹曹家口金礦鉆探堵漏實(shí)驗(yàn)，單孔沖洗液消耗明顯減少，臺(tái)班效率明顯提高，推薦的堵漏配方表現(xiàn)出了良好的堵漏效果。

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