可溶性固體鉀鎂鹽礦工程地質特征分析及鉆探技術探索

劉維鵬，許青海，白寶云

(青海省核工業地質局第一地質礦產勘查大隊，青海西寧 810006)

可溶性固體鉀鎂鹽礦工程地質特征分析及鉆探技術探索

劉維鵬，許青海，白寶云

(青海省核工業地質局第一地質礦產勘查大隊，青海西寧 810006)

老撾甘蒙省地區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。通過對此處可溶性固體鉀鹽工程地質特征的系統分析研究，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，特別是對礦心采取和保護、漏失預防及治理，以及最終的封孔工藝進行了深入的研究。

可溶性固體鉀鎂鹽礦;鉆探工藝;光鹵石;鉀石鹽

近年來，隨著老撾人民民主共和國鉀鎂鹽礦床的大力開發和利用，我隊先后承接了老撾嘉西鉀鹽開發有限公司和老撾開元礦業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目。在鉆探施工過程中，由于泥巖、石鹽層、礦層(鉀石鹽、光鹵石)的物理化學特征變化范圍很大，在鉆進工藝方面需要同時適應泥巖層和石鹽層2種地層，這給鉆探施工工作帶來了很多新問題。為此，我們在對可溶性固體鉀鎂鹽礦工程地質特征分析的基礎上，在礦心采取和保護、漏失預防及治理以及封孔工藝方面進行了深入的研究，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 鉀鎂鹽礦地質條件及其工程地質特征分析

1.1 礦區地層

從鉆探施工角度出發，礦區地層主要可以分為以下3大類:

(1)淺部泥巖為第四系松散無膠結，弱膠結泥巖，砂礫層，淤泥層。這一層主要由砂質粘土組成，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。其工程地質特征表現為松散，破碎，在沖洗液的沖刷作用下容易出現坍塌和掉塊現象。

(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，主要由泥巖和砂質泥巖組成，有時夾有石膏層，塊狀構造或薄層狀構造。硬度在3級左右，部分孔段達到5級左右。泥巖層在沖洗液的沖刷和浸泡后即變得松軟，并具可塑性，容易出現鉆孔縮徑現象。

(3)鹽層分為3類，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、泥漿處理機的物化作用和鉆具的機械作用等)的影響極易造成鉆孔中溫度的升高，從而導致各類鹽層(尤其鉀石鹽與光鹵石)溶解度的增加，這種情況對在該類鹽層中的采取心工作帶來了不利的影響。

礦層中主要成分為NaCl、KCl和MgCl2，三者的總量達80%以上。礦石類型不同其礦物成分也表現為不同，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種主要鹽類礦物的物理化學特性分析比較

鉀鹽礦區主要針對的是鹽層和其中的鉀石鹽層和光鹵石層。這3類礦物在物理化學特征上具有共同點同時也存在巨大的差異(具體見表2所示)。同時鉀石鹽與光鹵石在隨著溫度的變化下表現出不同的差熱曲線特征，其兩類礦物的差熱曲線特征如表3所示。

表2 鉀鎂鹽礦3類礦物成分的差異

表3 鉀石鹽和光鹵石差熱曲線特征

2 主要鉆探技術設計

2.1 孔徑結構及鉆具級配設計

根據老撾鉀鹽礦地層的特征和采樣要求(終孔孔徑≮91 mm，巖心樣直徑達到70 mm以上)，以及在施工過程中孔內遇到的問題(漏失)，結合沉積巖的鉆探經驗，鉆孔以168 mm鉆具開孔，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單動雙管鉆具和110 mm單管鉆具進行鉆進，孔徑為120 mm。預留一級技術套管。

2.2 鉆具及鉆頭設計

石鹽層和礦層采用三層單動雙管鉆具進行鉆進，底噴階梯式硬質合金鉆頭或底噴階梯式復合片鉆頭，鉆頭外徑120 mm。

2.3 沖洗液體系設計

依據鉀鹽礦區地質特征，各類地層之間的工程地質特征存在巨大的差異，所以在鉆探施工過程中需要對各類地層采取有針對性的泥漿體系。泥漿體系設計如表4所示。

表4 鉀鎂鹽礦泥漿體系設計

3 鉀鹽礦施工中主要鉆探問題及解決方案

3.1 礦心采取及保護技術措施

可溶性鉀鎂鹽礦床中礦物主要分為2大類，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，其含量達到30%左右且含量在各個鉆孔中不同，因此在礦心采取時要依據礦心中不同礦物的含量對泥漿進行調整。根據我隊在現場施工的經驗，具體礦心取心重點需要注意以下幾個方面。

3.1.1 礦層鉆進

鉆至標志性層位(青灰色泥巖或石鹽層變化層段)→加鹽至飽和并循環→鉆進標志層位(青灰色泥巖)1～2 m后開始加MgCl2至飽和(理論飽和，表4中的第4種泥漿體系)→通過鉆進礦層進一步確定MgCl2是否飽和(實際飽和)→鉆進礦層。

3.1.2 對礦層位置準確判斷

從3個方面的標志性層位判斷是否進入礦層:

(1)青灰色泥巖作為主要標志層，見青灰色泥巖后鉆進石膏層或一段石鹽層后進入礦層;

(2)通過石鹽的結晶性能以及和含雜質量的大小判斷是否進入礦層，石鹽層從粗顆粒鹽變為細顆粒鹽，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入礦層。

3.1.3 泥漿調制及使用

(1)泥漿調制順序:在原泥漿的基礎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，同時結合鹽層取出的巖心的溶蝕情況判斷鹽是否飽和。

(3)MgCl2加量的合宜判斷標準:

①加量標準以每立方米加入300 kg MgCl2為基準，對于泥漿量的計算必須要通過計算地表泥漿池的方量和孔內泥漿的方量的總和而得;

②MgCl2加量是否達到飽和主要通過所采取巖心的溶蝕情況進行判斷，不能保持巖心成柱狀時(見圖1)為不飽和，能保持巖心成柱狀時(見圖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加量是否達到飽和主要通過所采取巖心的溶蝕情況進行判斷。不能保持巖心成柱狀時(見圖1)為不飽和，能保持巖心成柱狀時(見圖2)為飽和。

(4)使用MgCl2泥漿時需對孔內泥漿進行完全循環且待泥漿冷卻后才能正常進行鉆進。

3.1.4 鉆進參數和操作注意事項

為了確保礦心采取的質量，在礦層中選擇低轉速、偏低壓力、中等泵量進行鉆進，回次長度不宜過長，同時在操作上需要注意以下幾個方面。

(1)進入青灰色泥巖后，在對于礦層無法確認時回次進尺可采用“3—6—9鉆進法”(即先鉆進300 mm，再鉆進600 mm，確認后可鉆進900 mm以上)進行確認，并且判斷沖洗液中鹽的加量是否達到飽和。

(2)在礦層和頂底板鉆進時回次進尺不宜超過1.5 m。

(3)礦心必須采用單動雙管鉆具采取，內外管間隙不大于3 mm，鉆頭內徑與內管鉆頭內徑之間的配合根據地層的情況進行調整。

(4)單動雙管鉆具在下鉆前必須檢查其單動性能是否轉運靈活，內外管必須做必要的清洗，并檢查內管水眼是否通暢。

(5)開鉆前檢查泥漿泵供水是否通暢，泵量是否足夠。

3.2 漏孔預防及處理技術措施

鉀鎂鹽礦床與其它鹽類礦床有著同樣的特性，因此在施工過程中鉆孔漏失現象經常發生，通過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。針對這3類漏失發生的機理分析后發現，這3類漏失產生的原因與地層中含鹽類礦物有很大關系，所以預防和處理漏失從控制地層鹽類礦物的可溶性入手，具體漏失的預防和處理方案如表5所示。

表5 鉀鎂鹽礦漏失預防和治理方案

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質量指標中的一項，在可溶性鉀鹽礦這類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，采用以往純水泥漿液進行封孔時，水泥漿在鹽類礦層的凝固過程中容易產生裂縫，且與鹽層和泥巖不能很好地膠結到一起，并且普通硅酸鹽水泥抗鹽蝕能力極差，實際結果往往達不到有效封孔的目的。另外采用泥球進行回填鉆孔時，往往會在孔內形成架橋，無法完全封閉孔徑并不規則的鉆孔腔體，也無法有效達到封隔和保護礦層的目的。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部分。我們在通過對鉆進沖洗液和水泥的性能進行充分的分析和試驗比對后，在鉀鎂鹽礦的封孔工藝中摸索了一種簡單而易操作的封孔方案。

3.3.1 封孔原理

儲備一定量的在鉆進過程中使用過的富含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，攪拌均勻后通過鉆桿柱泵入孔內，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性，達到封隔地表水及地下水進入礦層的目的。

3.3.2 封孔材料

稠泥漿(含NaCl或MgCl2)，525高標號水泥。

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，通過泥漿泵泵入水泥漿混合液，待至替換完全孔內泥漿后提鉆，提完鉆桿后繼續從孔口泵入水泥漿混合液至孔口。

4 鉆探效果

我隊在老撾國甘蒙省一帶進行鉆探施工過程中，通過采用以上鉆探技術方案，取得了明顯的技術效果，可以從以下幾個方面進行說明:

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

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

(3)通過采用以上鉆探技術方案，單機臺月效率由原來不到500 m，達到了1200 m以上。

(4)在采用了以上封孔方案之后，通過鉆探透孔驗證以及后期的開采礦床的過程中可以看出，該封孔方案能夠達到較為理想的封孔狀態，封孔材料與泥巖層緊密膠結，沒有存在縫隙的現象。

5 結語

鉆探工程是鉀鎂鹽礦床地質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特征變化范圍廣，礦層可溶性強，并且在構造運動影響下地層的工程地質條件復雜多變。因此在投資方對鉀鎂鹽礦進行開采前，需要在鉆探施工中通過鉆孔設計、鉆具及鉆頭的設計、沖洗液的配制及使用等措施來保證鉆孔質量，特別是巖礦心的采取率及原狀結構，以獲得礦區的詳細地質資料。同時為了保護鉀鎂鹽礦床不因鉆孔而遭到破壞，必須有一個安全可靠的封孔方案。

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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)，青海互助人，青海省核工業地質局第一地質礦產勘查大隊副隊長，探礦工程專業，從事礦產勘查和開發工作，青海省西寧市生物園區經三路38號，qh65203@163.com。