韓明耀， 柳碩林， 謝宏偉

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)情況

河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣板廠一帶多金屬礦區(qū)位于伏牛山南麓，北秦嶺褶皺帶東段，黃花?；◢弾r體南側(cè)之朱陽(yáng)關(guān)—夏館斷裂帶上。巖層經(jīng)歷了多期次的變質(zhì)、變形作用，使礦區(qū)內(nèi)的不同時(shí)期、不同性質(zhì)、不同規(guī)模的褶皺、斷裂等構(gòu)造十分發(fā)育[1]。

礦區(qū)出露地層為秦嶺巖群雁嶺溝巖組以及少量第四系。鉆遇地層大致可分為上、中、下3個(gè)巖性段。上部巖性段主要為黑云斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖、白云石大理巖，厚度約為50～100 m，可鉆性4～6級(jí)，研磨性較低。該段內(nèi)的構(gòu)造蝕變帶與花崗(斑)巖的內(nèi)外接觸帶中，由于裂隙情況發(fā)育、斷裂破碎帶較集中，鉆遇該層段時(shí)易出現(xiàn)井漏現(xiàn)象。中部巖性段以白云石大理巖為主，中間夾部分綠簾石、綠泥石層，厚度40～80 m。綠簾石成巖程度低，遇水易崩散，缺乏膠結(jié)能力，自穩(wěn)能力極差，垮塌現(xiàn)象嚴(yán)重；綠泥石層水敏性強(qiáng)，易吸水膨脹而導(dǎo)致縮徑，起下鉆困難。下部巖性段為白云質(zhì)大理巖，含石墨大理巖夾黑云斜長(zhǎng)片麻巖等，厚度>100 m，可鉆性6～8級(jí)，中等研磨性。

1.2 井身結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)

合理的井身結(jié)構(gòu)與鉆井方法的實(shí)施對(duì)快速鉆進(jìn)、降低事故風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約成本有著至關(guān)重要的作用[2]。針對(duì)該礦區(qū)復(fù)雜的地層條件以及鉆進(jìn)施工要求，井身結(jié)構(gòu)與鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 井身結(jié)構(gòu)與鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)

2 泥漿選用與配制

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)，泥漿質(zhì)量好壞是工程能否順利完工的重要因素[3]。結(jié)合已往鉆井經(jīng)驗(yàn)，該礦區(qū)泥漿的選用所面臨的技術(shù)難點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

(1)地層條件復(fù)雜。上部地層處于構(gòu)造蝕變帶，裂隙發(fā)育，容易發(fā)生井漏；中部綠簾石層膠結(jié)能力弱，自穩(wěn)能力差，易發(fā)生垮塌；綠泥石層水敏性強(qiáng)，易吸水膨脹而導(dǎo)致縮徑，起下鉆困難。

(2)開(kāi)孔傾角85°左右，鉆桿柱受重力影響而自然向下傾斜，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。

(3)泥漿凈化困難。施工場(chǎng)地范圍受限，無(wú)法有效配備固控設(shè)備及開(kāi)挖沉淀池，鉆進(jìn)過(guò)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)繩索取心鉆進(jìn)環(huán)空間隙小，起鉆速度過(guò)快時(shí)造成抽吸壓力較大，易引發(fā)井壁坍塌以及地層水侵入井眼。

2.2 泥漿方案設(shè)計(jì)思路

泥漿體系的選擇合理與否將對(duì)鉆井質(zhì)量、效率及綜合成本控制具有極大的影響。低粘、低固相、低密度泥漿是金剛石繩索取心工藝所要求的最常用、最有效的泥漿體系，在滿足懸浮巖屑能力和防止孔壁垮塌的同時(shí)，能最大程度地發(fā)揮高轉(zhuǎn)速的效能[4-5]。然而，考慮到板廠礦區(qū)鉆進(jìn)施工的復(fù)雜性，確定在上、中下部分孔段分別選用不同的泥漿體系。上部孔段地層相對(duì)來(lái)說(shuō)較穩(wěn)定，可選用低成本且易維護(hù)的植物膠體系鉆進(jìn)，一旦發(fā)生漏失，迅速實(shí)施堵漏方案即可；中下部針對(duì)綠簾石層垮塌及綠泥石層水敏縮徑，應(yīng)注重泥漿的造壁與膠結(jié)能力，提高泥漿抑制綠泥石水化的能力，可在原植物膠泥漿體系的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化為鈣處理劑泥漿體系。

2.2.1 上部地層泥漿方案制定及機(jī)理分析

憑借良好的成膜性、較強(qiáng)的潤(rùn)滑減振、減阻以及低成本等性能，植物膠無(wú)固相泥漿在地質(zhì)鉆探工程中得到了較大范圍的應(yīng)用[5-8]。選用植物膠(CL)、腐植酸鉀(KHm)、聚丙烯酸鉀(KPAM)、纖維素(CMC)等材料構(gòu)建配方以為上部地層鉆進(jìn)時(shí)使用，當(dāng)孔深增加時(shí)視具體情況添加部分潤(rùn)滑劑以降低摩阻。

其中，植物膠CL是由贛西某野生植物經(jīng)特殊工藝制得的淡黃色粉末，其主要成分為多半乳甘露糖，多糖分子結(jié)構(gòu)上的羥基與孔壁巖石晶格表面的氧原子形成氫鍵連接，使得多糖分子吸附在孔壁上，從而起到護(hù)壁的作用；少量存在于細(xì)胞壁中的纖維素可起到骨架的作用，提高對(duì)微孔隙和微裂隙的封堵效果；此外，該植物膠中的蛋白質(zhì)成分在堿性環(huán)境下生成氨基酸具有良好的吸附作用，也可應(yīng)對(duì)鈣鎂離子的污染，而脂肪成分具有良好的成膜特性。植物膠CL本身不具備絮凝能力，為保持泥漿清潔，需引入KPAM作為絮凝劑以有利于固相控制；為進(jìn)一步控制失水量并調(diào)控粘度，添加部分腐植酸鉀KHm[9-10]。將上述材料通過(guò)不同配比進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 處理劑加量對(duì)漏斗粘度及失水量(FL)的影響

由表2可知，在無(wú)固相泥漿中，相比于植物膠CL而言，KPAM對(duì)粘度的影響大得多，但是植物膠本身由于含有部分不溶物，所以具有良好的降失水能力；纖維素加入后能夠起到一定的提粘、降失水作用，但是效果并不突出。當(dāng)有膨潤(rùn)土存在時(shí)，1%植物膠的加入即可起到良好的提粘和降失水作用；KPAM加入后因?yàn)閷?dǎo)致泥漿中的部分固相絮凝，所以失水量有一定程度的上升。所以，獲得最優(yōu)配方為：2%膨潤(rùn)土+0.1%～0.15%純堿+1%植物膠+1%KHm+0.1%KPAM。配制出的泥漿性能為：粘度28 s，密度1.01 g/cm3，pH值8，失水量9 mL。

2.2.2 中下部地層泥漿方案制定及機(jī)理分析

自860 m以深近300 m的范圍內(nèi)，發(fā)育有多套綠簾石、綠泥石層，短則4～5 m，長(zhǎng)則幾十米，成孔難度較大。如圖1所示，由于綠簾石松散、破碎，且膠結(jié)性差，鉆探過(guò)程中掉塊、垮塌情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致起下鉆困難，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致埋鉆發(fā)生?？逅l(fā)生后難以有效清理，一方面是因?yàn)榄h(huán)空間隙較小，尺寸稍大的顆粒難以通過(guò)小環(huán)空而繼續(xù)沉積在孔底；另一方面是由于超徑處下落的不同尺寸的粗顆粒在環(huán)空間隙較小的位置形成了“群粒封門(mén)”的現(xiàn)象，導(dǎo)致泵壓及扭矩在短時(shí)間內(nèi)急劇升高，憋泵、憋車嚴(yán)重而不得不將鉆具提離孔底。

圖1 綠簾石垮塌物

所以該段泥漿配制思路是注重提高泥漿的防塌性能，增強(qiáng)松散體之間的膠結(jié)能力；適當(dāng)提高粘度，盡量降低失水量。調(diào)控方法為在原漿基礎(chǔ)上選用石灰作為鈣處理劑轉(zhuǎn)換為鈣處理泥漿，同時(shí)補(bǔ)充磺化瀝青以進(jìn)行有效封堵。

具體調(diào)整方法為：第一步，原漿中加入0.2%～0.3%纖維素以有效保護(hù)粘土，同時(shí)降低失水量；第二步，在每立方米泥漿中均勻、緩慢加入5～10 kg石灰，邊加邊觀察粘度變化情況，一旦粘度增加過(guò)高，則適度補(bǔ)充部分KHm以調(diào)整粘度；第三步，石灰加足后對(duì)泥漿性能進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)粘度和失水量的具體情況，確定纖維素及KHm的加量對(duì)泥漿進(jìn)行微調(diào)。

現(xiàn)場(chǎng)小型試驗(yàn)將加入石灰前后的泥漿性能進(jìn)行比較，并初步確定了轉(zhuǎn)換方案，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鈣處理泥漿性能調(diào)整

獲得最終泥漿配方為：2%膨潤(rùn)土+0.1%～0.15%純堿+0.2%～0.3%CMC+0.4%～0.6%CL+2%～3%KHm+0.03%～0.05%KPAM+0.5%～1%CaO+1%～2%FT。所得泥漿性能為：粘度30 s，密度1.03 g/cm3，pH值8，失水量6～8 mL，膠體率接近100%。

2.3 泥漿的維護(hù)與處理措施

(1)前期配漿時(shí)嚴(yán)格按照配方以及規(guī)定順序配制，每班安排專職人員測(cè)定泥漿性能，根據(jù)孔內(nèi)情況及時(shí)調(diào)整泥漿性能。

(2)做好現(xiàn)場(chǎng)管理以及防排水措施，不讓污水、山水、雨水流進(jìn)泥漿中。

(3)處理劑消耗后，需定時(shí)定量的將膠液補(bǔ)充進(jìn)泥漿中，泥漿配制人員操作時(shí)應(yīng)緩慢、均勻，避免泥漿性能的突變。

(4)鉆孔進(jìn)行泥漿類型轉(zhuǎn)化前，應(yīng)做小型試驗(yàn)，以確定石灰以及降失水劑的加量。

(5)嚴(yán)控泥漿中的固相含量，安排人員及時(shí)清除泥漿中的鉆渣，保證泥漿質(zhì)量。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在實(shí)鉆過(guò)程中，860 m以淺地層使用低固相植物膠泥漿，起到了良好的攜巖、減阻及防漏效果，鉆屑返出情況良好，且泵壓隨井深的增加基本上沒(méi)有太大變化。然而，由于裂隙發(fā)育，在鉆進(jìn)過(guò)程中遭遇了多次井漏，當(dāng)漏失程度較低時(shí)采取了頂漏鉆進(jìn)，當(dāng)出現(xiàn)較嚴(yán)重漏失而返漿量較少時(shí)采取了橋接堵漏。具體方法為：以清水、PHP、CMC及堵漏材料配制堵漏漿，充分?jǐn)嚢柚琳吵頎?，利用井口漏斗倒入繩索取心鉆桿內(nèi)，連接主動(dòng)鉆桿后開(kāi)泵將堵漏材料送至漏失部位，慢慢回轉(zhuǎn)并上下活動(dòng)鉆具，如返漿量增加則說(shuō)明堵漏成功，否則需要重復(fù)多次該流程。

860 m以深近300 m的范圍內(nèi)發(fā)育有水敏性較強(qiáng)的綠泥石層以及膠結(jié)能力弱的綠簾石層，在使用低固相植物膠泥漿鉆進(jìn)過(guò)程中遭遇了多次垮塌、縮徑。為此，在詳細(xì)分析了井壁失穩(wěn)原因的基礎(chǔ)上，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定將低固相植物膠泥漿轉(zhuǎn)換為鈣處理泥漿。鈣離子的存在會(huì)壓縮粘土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層，能夠使得水敏性礦物從分散狀態(tài)轉(zhuǎn)為適度絮凝狀態(tài)，同時(shí)能與腐植酸鉀電離出的腐植酸根形成不溶的腐植酸鈣，起到良好的防塌作用。自轉(zhuǎn)化為鈣處理泥漿后，井內(nèi)垮塌現(xiàn)象得到極大緩解，起下鉆順暢，大大提高了鉆進(jìn)效率。

該礦區(qū)普查孔ZK1724孔累計(jì)施工193 d，最終孔深1712.56 m。其中共探明礦體厚度381.63 m，礦心采取率為99.73%；全孔取心厚度1662.52 m，巖心采取率為98.36%。ZK1724孔部分巖心照片見(jiàn)圖2。

圖2 ZK1724孔部分巖心照片

4 結(jié)語(yǔ)

(1)CL植物膠體系泥漿主要由膨潤(rùn)土粉、植物膠、腐植酸鉀等材料組成，配制簡(jiǎn)單，維護(hù)便利，減阻、潤(rùn)滑效果好，在微裂隙發(fā)育的易漏地層取得了良好的使用效果。

(2)對(duì)于綠簾石及綠泥石發(fā)育的地層，鈣處理泥漿抑制性強(qiáng)，可有效應(yīng)對(duì)水敏性問(wèn)題且配制方便；石灰與腐植酸鉀配合使用可起到良好的協(xié)同效果。

(3)繩索取心施工中如鉆遇地層不完整，盡量選用低固相泥漿體系以提高降失水和造壁性，如選用無(wú)固相泥漿則有可能加劇井壁失穩(wěn)問(wèn)題。

[1] 雷淮.河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣板廠銅多金屬礦礦床成因及成礦模式探討[J].中國(guó)礦業(yè),2011,20(9):62-68.

[2] 段志強(qiáng),李生海.低固相沖洗液在贛南再里地區(qū)的應(yīng)用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2016,43(6):26-29.

[3] 麻坦,郜曉勇.牛D1井復(fù)雜構(gòu)造帶繩索取心鉆探工藝技術(shù)研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2017,44(4):19-22.

[4] 劉志峰.無(wú)固相沖洗液在變質(zhì)巖系復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2017,44(4):14-18.

[5] 王勝,陳禮儀,黃猛,等.新型KL植物膠無(wú)固相環(huán)保鉆井液體系[J].煤田地質(zhì)與勘探,2010,38(3):76-80.

[6] 吳昊.無(wú)固相聚合物泥漿在香格里拉普朗銅礦區(qū)復(fù)雜地層鉆進(jìn)中的試驗(yàn)與應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(3):10-13.

[7] 李生海.高分子聚合物無(wú)固相沖洗液在牛頭山深鉆CUSD3孔的應(yīng)用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2017,44(1):29-32.

[8] 李建軍,陳保國(guó).厚壁套管濃郁植物膠用于深厚砂礫石層鉆進(jìn)的應(yīng)用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2012，39(11):10-12,16.

[9] 王平全,周世良.泥漿處理劑及作用原理[M].北京:石油工業(yè)出版社,2003.

[10] 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].山東東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社,2000.