嵩縣某金礦區(qū)復(fù)雜地層強(qiáng)抑制防塌泥漿技術(shù)

鄭洪濤

（河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002）

1 區(qū)域地質(zhì)概況

礦區(qū)地處熊耳山臺(tái)穹東南側(cè)，西側(cè)與小秦嶺和崤山基底隆起區(qū)成島鏈狀列布，屬長期強(qiáng)烈活動(dòng)的地臺(tái)邊緣地帶，發(fā)育有構(gòu)造蝕變巖型與石英脈型兩種金礦類型［1-2］。噴出巖主要為中元古代熊耳群陸相火山巖，具有良好的成礦地質(zhì)條件，區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源十分豐富，主要有金、鉬、鐵等。礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，F(xiàn)1及F14斷裂為金礦主要賦存位置。上部地層為第四系砂礫石、黃土、亞粘土，易發(fā)生坍塌、漏失；下部為英安巖、灰紫色流紋斑巖夾綠色安山巖、蝕變安山巖，破碎嚴(yán)重，RQD值＜60%，蝕變帶內(nèi)的礦物高嶺石化、綠泥石化嚴(yán)重，遇水膨脹，易垮塌、縮徑。詳細(xì)的出露地層情況如表1 所示，礦區(qū)35號(hào)礦脈勘探線剖面示意如圖1 所示。

圖1 礦區(qū)35 號(hào)礦脈勘探線剖面示意Fig.1 Profile of the exploration line for No.35 mineralization vain in the mining area

表1 礦區(qū)地層巖性概況Table 1 Lithology of the mining area

2 鉆孔設(shè)計(jì)及技術(shù)要求

2017 年設(shè)計(jì)鉆孔有直孔與斜孔，要求穿礦直徑≮75 mm，孔深在150～450 m 之間，技術(shù)要求如下：

（1）未經(jīng)地質(zhì)人員同意，不可隨意移動(dòng)孔位，移孔距離超過20 m 需報(bào)主管部門同意。

（2）礦體及其頂?shù)装?～5 m 范圍內(nèi)巖心采取率＞85%，圍巖采取率＞75%。礦層內(nèi)鉆進(jìn)，回次進(jìn)尺一般不大于2 m，如礦心采取率＜80%，則應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

（3）每50 m 測斜一次，開孔25 m 處加測一次，每100 m 允許頂角誤差彎曲及方位角偏差不超過勘探線間距的1/4，見礦、終孔均需測量，孔斜、孔深測量同時(shí)進(jìn)行。

（4）其它技術(shù)指標(biāo)參照《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》（DZ/T 0227—2010）執(zhí)行。

3 礦區(qū)鉆進(jìn)技術(shù)難點(diǎn)

目前礦區(qū)經(jīng)過多年開采已面臨閉坑的威脅，資源儲(chǔ)量嚴(yán)重危機(jī)，急需對礦山深部和外圍進(jìn)行科技攻關(guān)。該礦區(qū)內(nèi)地層復(fù)雜，鉆孔縮徑、垮塌、漏失、涌水等多種復(fù)雜情況頻發(fā)，斷鉆桿、粘卡、燒鉆等事故層出不窮。鄰近礦區(qū)在同類地層中施工，均出現(xiàn)了鉆進(jìn)困難、巖心采取率低、提大鉆頻率高等情況，如大西溝礦區(qū)鉆孔報(bào)廢率高達(dá)35%，平均臺(tái)月效率僅82 m［3］；槐樹坪礦區(qū)由于多種原因處理無效而被迫遷孔17 次，平均臺(tái)月效率為130.38 m［4］；東灣金礦區(qū)因漏失嚴(yán)重導(dǎo)致臺(tái)月效率為165.4 m［5］。

泥漿對鉆孔成功與否起著關(guān)鍵作用，而繩索取心金剛石鉆進(jìn)對泥漿的性能要求更加苛刻［6-8］。前期施工過程中總結(jié)該礦區(qū)主要的施工難點(diǎn)包括如下幾個(gè)方面：

（1）地層破碎嚴(yán)重，成孔難度大，巖心采取率低，泥漿漏失嚴(yán)重。

（2）該地區(qū)地下水較豐富，存在涌水地層，小環(huán)空間隙下抽吸作用強(qiáng)，鉆孔涌水情況時(shí)有發(fā)生。

（3）部分地層蝕變嚴(yán)重，褐鐵礦化明顯，長石高嶺土化，局部硅化強(qiáng)烈，水敏性強(qiáng)，井壁易垮塌。

（4）由于高嶺土化蝕變嚴(yán)重，在鉆具高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用下，鉆屑不斷分散，導(dǎo)致泥漿的密度、粘度快速上漲，摩阻越來越高，出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象。

（5）斜孔中內(nèi)管投放難度大，鉆桿柱在重力作用下自然向下傾斜，導(dǎo)致摩阻增大，鉆具磨損嚴(yán)重，易發(fā)生鉆具折斷等事故。

（6）施工場地范圍受限，無法有效配備固控設(shè)備及開挖沉淀池，鉆進(jìn)過程中由于巖粉混入泥漿中，從而導(dǎo)致泥漿劣質(zhì)固相含量增加，惡化泥漿性能。

4 鉆孔結(jié)構(gòu)的選擇

礦區(qū)鉆孔地表第四系地層采用?110 mm 普通金剛石鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)至微風(fēng)化層巖后用?108 mm套管護(hù)壁；微風(fēng)化層采用?91 mm 普通金剛石鉆頭，利用繩索取心技術(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)至穩(wěn)定基巖處左右，下入?89 mm 套管，預(yù)留復(fù)雜地層或處理事故孔徑；基巖層采用?76 mm 普通金剛石鉆頭進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至終孔。具體鉆孔結(jié)構(gòu)詳見圖2。

圖2 礦區(qū)ZK35087 鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of ZK35087 borehole in the mining area

5 泥漿性能調(diào)控思路及解決方案

5.1 上部地層泥漿方案

上部地層巖性以粘土、礫石為主，礫石成分為下伏風(fēng)化殘積英安巖，粒徑10～20 mm 不等，成孔難度大，孔壁容易坍塌，也容易發(fā)生漏失。對于該類地層，決定采用高濃度膨潤土漿開孔，通過較高的粘度增加孔壁顆粒間的膠結(jié)力［9］。泥漿具體配置方法為：如使用體積為1 m3的泥漿罐進(jìn)行沖洗液配置，首先將80 kg 優(yōu)質(zhì)膨潤土充分預(yù)水化，然后補(bǔ)充1.5 kg燒堿以引起粘土膠粒適度絮凝，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，補(bǔ)充1 kg HV-CMC 以進(jìn)一步提高粘度并控制失水量。其大致性能為：漏斗粘度為55 s 左右、中壓失水量10 mL 左 右、pH 值10.5 左右。

5.2 下部地層泥漿方案

下部復(fù)雜層段主要為強(qiáng)蝕變的英安巖，綠泥石化、高嶺石化嚴(yán)重，具有一定的水敏性，泥漿浸泡條件下很快發(fā)生水化膨脹、崩散，常規(guī)分散型泥漿難以起到穩(wěn)定孔壁的作用。為此，需要提高泥漿的抑制性，嚴(yán)格控制失水量［10-12］。現(xiàn)場嘗試了聚乙烯醇無固相泥漿以及低固相鉀銨聚合物泥漿等體系，并對比了其使用效果。

5.2.1 聚乙烯醇無固相泥漿性能試驗(yàn)

所用聚乙烯醇的醇解度為99%以上，分子式為-CH2-CH（OH）-，聚合度n約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)松散巖石的作用［13］。

配制不同濃度的聚乙烯醇溶液，分別測試其表觀粘度值如圖3 所示。

圖3 表觀粘度隨聚乙烯醇濃度的變化Fig.3 The apparent viscosity changes with the concentration of polyvinyl alcohol

由于金剛石繩索取心鉆進(jìn)環(huán)空間隙小，泵壓不能過高，泥漿的粘度不可過高，要求表觀粘度AV≯20 mPa·s，這樣聚乙烯醇的濃度不能超過3%。

將粘土球分別置于1%～3%濃度的聚乙烯醇溶液中，觀察其外觀形貌變化，結(jié)果如表2 所示。

表2 巖心在不同類型泥漿中浸泡效果Table 2 Effect of different types of mud on cores

從試驗(yàn)結(jié)果來看，巖心在清水中浸泡時(shí)迅速分散，20 s 內(nèi)全部垮塌。在PVA 中浸泡的巖心，只有在1%溶液中才會(huì)逐漸膨脹，在50 min 以后表面出現(xiàn)一些肉眼可見的細(xì)裂紋，10 h 后有發(fā)生少量脫落，但粘土球表面基本完整。當(dāng)PVA 濃度高于1%時(shí)，所浸泡的巖心表面仍比較完整。說明PVA 泥漿具有良好的防塌性能，加量在3%濃度范圍內(nèi)就能夠起到良好的護(hù)壁效果。

5.2.2 聚合物泥漿性能試驗(yàn)

該類泥漿組成主要包括KPAM、KPAN、NH4HPAN 等，三者均具有良好的抑制性。其中KPAM 為高分子聚合物，具有良好的絮凝、包被能力，可顯著提高泥漿的粘度；KPAN 為聚丙烯腈鉀鹽，可用于降低失水量，當(dāng)加量超過0.3%時(shí)具有提粘效果；NH4HPAN 為水解聚丙烯腈銨鹽，具有降粘降失水的功能［14-15］。通過試驗(yàn)確定了最優(yōu)聚合物泥漿配比：

4% 膨潤土+0.05% NaOH+0.1% KPAM+0.3% KPAN+0.5% NH4HPAN+1% FT。其性能見表3。

表3 聚合物泥漿基本性能參數(shù)Table 3 Basic performance parameters of polymer mud

5.2.3 不同種類泥漿浸泡試驗(yàn)

如圖4 所示，將現(xiàn)場典型易散巖心碎塊分別浸泡在不同的漿液中，自左上至右下分別為清水、5%KCl 溶液、3%聚乙烯醇溶液、0.1% KPAM 膠液和5% Na2SiO3溶液。結(jié)果表明，除3% 聚乙烯醇和0.1% KPAM 膠液中的巖心在浸泡過程中較完整外，其余溶液中的巖心在不到1 min 的時(shí)間內(nèi)即產(chǎn)生裂紋，發(fā)生崩散。浸泡時(shí)間超過24 h 后，0.1%KPAM 膠液中的樣品仍然保持完整，說明其穩(wěn)定巖心碎塊的能力最強(qiáng)。故進(jìn)一步選用低固相聚合物泥漿進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)。

圖4 巖心浸泡試驗(yàn)Fig.4 Core immersion test

6 現(xiàn)場應(yīng)用

現(xiàn)場聚合物泥漿具體配置方法：使用體積為1 m3的泥漿罐進(jìn)行沖洗液配置，首先將40 kg 優(yōu)質(zhì)膨潤土充分預(yù)水化，然后補(bǔ)充0.5 kg 燒堿以引起粘土膠粒適度絮凝，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，然后緩慢加入1 kg KPAM，然后緩慢加入3kg KPAN、0.5 kg NH4HPAN，最后混入10 kg 瀝青。鉆進(jìn)過程中由于滲濾及鉆屑吸附，要根據(jù)實(shí)際情況持續(xù)補(bǔ)充各類處理劑，以維持泥漿性能。在孔壁較穩(wěn)定的層段，失水量指標(biāo)可適當(dāng)放寬，此時(shí)KPAN 及NH4HPAN 二者的加量可適當(dāng)降低；在強(qiáng)水敏層段，則需要提高二者的加量以嚴(yán)格控制失水量，并保證較強(qiáng)的抑制性；當(dāng)蝕變嚴(yán)重，地層散碎時(shí)，還應(yīng)提高FT 瀝青粉濃度至2%，通過物理性封堵以增強(qiáng)膠結(jié)能力［16-17］。聚合物泥漿的現(xiàn)場配置情況如圖5 所示。

圖5 聚合物泥漿的現(xiàn)場配置Fig.5 Polymer mud on-site preparation

ZK301 孔前期采用分散型泥漿鉆進(jìn)過程中鉆遇強(qiáng)蝕變地層，垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重，處理困難，改用該低固相聚合物泥漿后，孔內(nèi)穩(wěn)定性獲得較大提升，鉆穿多套蝕變地層而未產(chǎn)生較大的垮塌事故。期間部分層段出現(xiàn)孔壁失穩(wěn)時(shí)，由于該泥漿流變性能良好，處理孔內(nèi)坍塌物也很快捷。相比于無固相聚乙烯醇泥漿而言，處理孔內(nèi)垮塌物的能力要強(qiáng)，成本也低一些。不同孔深位置泥漿性能見表4。

表4 低固相聚合物泥漿性能Table 4 Low solid phase polymer mud performance

7 結(jié)論

（1）高濃度膨潤土漿具有防塌、防漏、膠結(jié)松散巖石等作用，配制簡單、使用方便，適用于上部覆蓋層鉆進(jìn)。

（2）低固相聚合物泥漿抑制性強(qiáng)，性能易于調(diào)控，成本可控，適用于高嶺石化嚴(yán)重的蝕變地層取心鉆進(jìn)。

（3）蝕變地層沖洗液配置時(shí)除應(yīng)考慮增強(qiáng)抑制性外，還應(yīng)適當(dāng)增加瀝青等封堵材料，通過物理性封堵提高孔壁的膠結(jié)。