黃嶺礦區(qū)復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)綜合治理

林振福

(廣東省核工業(yè)地質(zhì)局二九三大隊，廣東 廣州 510811)

近年來隨著我隊地質(zhì)探礦項目增多，而且施工向中深部鉆探延伸的發(fā)展趨勢，各探礦施工單位遇到的鉆探施工問題越來越多，特別是繩索取心鉆進(jìn)在復(fù)雜地層鉆孔中的漏水、縮徑、坍塌、掉塊、風(fēng)化等等以及孔壁巖層遇水風(fēng)化膨脹造成的孔內(nèi)復(fù)雜化的特征。如果機(jī)臺工作人員不高度重視，及時處理排除，就會造成孔內(nèi)事故發(fā)生，鉆具無法正常下到孔底鉆進(jìn)，輕則造成巖粉增多，重復(fù)鉆進(jìn)，增加隱患，進(jìn)尺緩慢，成本加大，重則造成埋鉆、燒鉆，鉆桿拆斷等孔內(nèi)事故，甚至造成報廢工作量。筆者根據(jù)三十多年來繩索取心鉆進(jìn)復(fù)雜地層的鉆探工作經(jīng)驗，談?wù)勗阢@進(jìn)過程中，鉆孔在千變?nèi)f化的復(fù)雜地層鉆進(jìn)泥漿護(hù)壁堵漏綜合治理的點滴認(rèn)識及體會，供同行們參考借鑒。

一、黃嶺礦區(qū)地層概述

黃嶺礦區(qū)處于羅定白堊紀(jì)斷陷盆地南緣，廣寧—羅定斷裂帶和吳川—四會斷裂帶之間夾持的貴子弧形構(gòu)造中段，強(qiáng)應(yīng)力變形區(qū)內(nèi)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造、巖漿活動較為發(fā)育，出露地層主要有薊縣紀(jì)云開群、泥盆紀(jì)、白堊紀(jì)和第四紀(jì)。已發(fā)現(xiàn)和控制的礦體主要受薊縣紀(jì)云開群、泥盆系、白堊系所構(gòu)成的不整合斷裂構(gòu)造控制。礦石風(fēng)化、破碎、容易膨脹、松散的水敏性地層，往往造成孔內(nèi)嚴(yán)重垮碴和坍塌。若不及時排除治理，甚至演變?yōu)橹卮罂變?nèi)事故，造成報廢工作量的后果。在黃嶺礦區(qū)復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)中，軟硬地層的互變是多種多樣的。如何應(yīng)對這樣復(fù)雜多變地層，是個比較復(fù)雜的技術(shù)難題，單純應(yīng)用一般的護(hù)壁堵漏材料和方法、手段。是較難攻克黃嶺礦區(qū)復(fù)雜地層，鉆探工作中所見復(fù)雜地層都有其固有特征和基本影響要素，這就會限制我們單純考慮某一項護(hù)壁堵漏材料和方法是“最好”的。迄今很多鉆探工程師及鉆探技術(shù)工作者發(fā)表了大量的有卓見的理論、實踐、經(jīng)驗等等見解。這些見解對于解決繩索取心鉆進(jìn)攻克黃嶺礦區(qū)復(fù)雜地層的綜合治理起到了獨(dú)特的作用。不過事實證明:任何單項的護(hù)壁堵漏方法都不是萬能的，它不能解決一切復(fù)雜地層鉆進(jìn)問題。攻克復(fù)雜地層綜合治理，要達(dá)到理想的效果，而且經(jīng)濟(jì)上也是最省的，那就只有在加強(qiáng)復(fù)雜地層的綜合研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)真研究、制定綜合治理的方案及措施，才能解決黃嶺礦區(qū)復(fù)雜地層鉆進(jìn)中難題。

二、常規(guī)的“護(hù)堵”治理方法

通常繩索取心金剛石鉆進(jìn)在巖層比較完整，地層不太復(fù)雜，鉆孔輕微漏水、孔內(nèi)干凈地層較穩(wěn)定，巖粉厚度小于0.3 米的施工，如黃嶺礦區(qū)Zk21—2 鉆孔，通常情況下我們都采用常規(guī)的“護(hù)壁堵漏”治理方法進(jìn)行鉆進(jìn)。

1、PHP 低固相泥漿配比

粘土粉:3%——4%

純堿:0.1——0.2%

往基漿內(nèi)加水解聚丙烯酰胺(PHP)100——300PPM，攪拌30 分鐘后即往水源箱中添加。

粘土粉加水?dāng)嚢韬蠹蛹儔A鈉化以充分分散粘土顆粒。粘土粉必須預(yù)先泡制6 小時以上。

2、PHP——Na——CMC 無固相沖洗液配比

HPAM (水解度H=30%、分子量M=600——800萬、濃度1%)200PPM。

Na——CMC (干量)0.3——0.6%

癸酯酸鈉(干粉)0.3%

把HPAM 加入清水中攪拌5-10 分鐘，再加入預(yù)先泡制好的Na-CMC，攪拌10 分鐘后，加入癸酯酸鈉攪拌即成。

3、“魔芋”——燒堿——硼砂無固相沖洗液

魔芋粉:3000PPM——4000PPM (0.3-0.4%)

燒堿:加量控制PH 值等于8-10 之間即可，約魔芋粉重量的10%-30%。

硼砂:為魔芋干粉重量的20-100%。

先把定量魔芋粉加入水中攪拌5 分鐘后，再加入NaOH 攪拌約30 分鐘，加清水后攪拌約1 小時即成。如需稀釋成較低濃度的沖洗液，可加入定量清水?dāng)嚢杈鶆颥F(xiàn)場使用。

魔芋粉無固相沖洗液可以與HPAM、CMC、水玻璃等處理劑，任意比例可混合使用。

三、水泥與PMP 及惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏綜合治理

繩索取心鉆進(jìn)在黃嶺礦區(qū)地層相對較復(fù)雜的巖層中鉆進(jìn)，我們通常使用水泥、PMP 及惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏綜合治理，通過對所在礦區(qū)地層進(jìn)行認(rèn)真總結(jié)、分析、探索，我們研配和探索了一套適應(yīng)在黃嶺礦區(qū)的繩索取心鉆進(jìn)的綜合治理方案，較好地解決了鉆探過程中的難題，為該礦區(qū)在復(fù)雜地層順利鉆進(jìn)提供后續(xù)保障，主要特點是:

①加快探礦進(jìn)度，滿足地質(zhì)工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求;

②節(jié)約探礦成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益;

③提高探礦機(jī)臺的臺月效率和純鉆進(jìn)時間，快速解決鉆孔漏失水以及孔壁保護(hù)層鏈狀的形成;

④轉(zhuǎn)變探礦技術(shù)人員，對使用水泥、PMP 及惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏在黃嶺礦區(qū)地層綜合治理的全面認(rèn)識;

⑤降低探礦工人勞動強(qiáng)度，提高探礦機(jī)臺專業(yè)技術(shù)水平;

⑥調(diào)動探礦工人施工積極性，創(chuàng)建文明生產(chǎn)施工;

⑦減少各類機(jī)械事故、孔內(nèi)事故、人身事故的發(fā)生。

1、普通硅酸鹽水泥——三乙醇胺漿液

水灰比:0.4-0.5

三乙醇醇胺:0.05-0.1%

食鹽:0.5-2%

普通硅酸鹽水泥及礦碴水泥均可用此配比，能較快提高泥漿早期強(qiáng)度，并且可延長灌漿周期，且不易發(fā)生灌漿管道流通事故，用WW/90 變量泵可一次性灌至鉆孔任何部位。

2、超早強(qiáng)水泥

水灰比:0.6-0.8

鐵鉻鹽(FLLS):0.2-0.5%

影響水泥灌注成功與否的因素很多，除了探礦技術(shù)人員的操作方法、專業(yè)技術(shù)水平、素質(zhì)、還有灌漿的部位、地層特征以及鉆進(jìn)工藝外;對于灌漿工藝、灌漿方法、壓水計算、水泥漿配比、外加劑及摻量等等對其有著重要的影響。在此不一一敘述。

3、PHP 與惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏綜合治理

使用PHP 與惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏進(jìn)行綜合治理，主要應(yīng)用于黃嶺礦區(qū)地層復(fù)雜、巖層軟硬互變突出，鉆孔內(nèi)漏失水特別嚴(yán)重，地層破碎、研磨性強(qiáng)，鉆孔局部有裂隙、坍塌、掉塊、縮徑以及孔壁巖層遇水風(fēng)化膨脹造成的孔內(nèi)復(fù)雜化的情況下，我們主要應(yīng)用PHP 與惰性材料聚合物的方法，來提高鉆進(jìn)過程中的護(hù)壁堵漏綜合治理有效途徑。

聚丙烯酰胺(分子量1000-1500萬、水解度30%，濃度1%)1000-3000PPM

水泥(普通硅酸鹽水泥)適量

惰性材料聚合物(稻草桿、廢麻繩、谷康、鋸末康、花生殼、甘蔗渣)

①PHP 與惰性材料聚合物及配方:

我們應(yīng)用PHP 與惰性材料聚合物主要為鋸末康、花生殼、甘蔗渣、水泥、聚丙烯酰胺;把花生殼、甘蔗渣、鋸末康用粉碎機(jī)粉碎成規(guī)格粒度為最小0.5mm、最大5mm，惰性材料聚合物加工之前需把材料曬干。

配方:根據(jù)鉆孔內(nèi)地層的漏失水量、鉆孔裂隙大小以及灌注工藝流程不同，選擇配比不相同。通常情況下對裂隙破碎帶小，漏失水量相對不大的巖層;鋸末康(固結(jié)性好)、花生殼(堵漏效果好)、甘蔗渣(吸水性強(qiáng)易膨脹)的比例為1:1.5:2，泥漿粘度控制在25～30 秒。地層復(fù)雜性的變化往往不是絕對的，況且惰性材料聚合物與PHP 及水泥混合成漿液或固體后，受時間與探礦工作人員等等因素影響，多數(shù)情況下我們采用1:1:1 相配。對溶洞或裂隙大，漏失水嚴(yán)重，坍塌、掉塊的孔段長的地層，就要專門配制粘度高、濃度大護(hù)壁堵漏泥漿。而且惰性材料粒度要大，泥漿量可以提高20%。也可以用聚丙烯酰胺與惰性材料、水泥做成泥球投入孔內(nèi)，再用鉆具回轉(zhuǎn)擠壓。

②灌注工藝法:

邊漏失水邊堵護(hù)方法:對鉆孔裂隙破碎帶小，漏失水量相對不大的鉆孔巖層，一般采用水泵灌注的方法較好，將調(diào)試好的護(hù)壁堵漏惰性材料加入泥漿里，攪拌均勻，用水泵灌送的方法和正常鉆進(jìn)在樣使用，方法簡單，節(jié)約成本、降低勞動強(qiáng)度、效果很好。

孔口投入工藝法:對溶洞、裂隙、漏失水大鉆孔的裂隙破碎帶嚴(yán)重，坍塌、掉塊的孔段長的地層鉆孔地層相對復(fù)雜，專門配制粘度高、濃度大護(hù)壁堵漏泥漿，用惰性材料聚合物與PHP 及水泥混合成固體漿液后，做成泥球投入孔內(nèi)，再用鉆具回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)擠壓到各溶洞、裂隙、漏失部位。每回次起鉆后即往孔內(nèi)投入球，即配即用，投入孔內(nèi)后馬下鉆進(jìn)行鉆進(jìn)，這樣堅持?jǐn)?shù)回次，孔口就會返水。因為當(dāng)聚丙烯酰胺--惰性材料——水泥混合漿液進(jìn)入漏失層后，形成凝膠，堵塞了溶洞、裂隙帶的漏失層部位，達(dá)到理想效果和綜合治理預(yù)期目的。

四、繩索取心金剛石鉆進(jìn)套管護(hù)孔綜合治理

繩索取心鉆進(jìn)金剛石鉆進(jìn)，在黃嶺礦區(qū)復(fù)雜巖層巖溶施工中，我們常用的PHP 低固相泥、PMP 及惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏綜合治理，但在黃嶺礦區(qū)糯米坑連州斷裂破碎帶的巖溶鉆進(jìn)時，采用PMP 及惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏綜合治理，效果不是很多，而且達(dá)不到我們預(yù)期目的;這樣我們只好應(yīng)用勞動強(qiáng)度相對大的護(hù)壁堵漏綜合治理方案--套管跟進(jìn)護(hù)壁綜合治理。為了更順利達(dá)到穿越多層位坍塌溶巖，嚴(yán)重漏失水復(fù)雜巖層，提高探礦效率，保證鉆孔質(zhì)量，降低鉆探成本，采用套管護(hù)孔綜合治理是必需的一種手段。在大力推廣使用泥漿護(hù)孔，水泥護(hù)孔和化學(xué)漿液護(hù)孔，并實現(xiàn)無套管鉆進(jìn)，雖收到一定的效果，但鉆進(jìn)效率、臺月效率低，鉆孔質(zhì)量得不到保證、鉆探成本高，技術(shù)工人勞動強(qiáng)度大。根據(jù)我們多年的鉆探實踐經(jīng)驗，套管護(hù)孔，在多層位、多孔段坍塌、掉塊、連通性大裂縫復(fù)雜巖層鉆孔中，是可靠而又經(jīng)濟(jì)的綜合治理辦法。

五、繩索取心金剛石鉆進(jìn)護(hù)壁堵漏綜合治理實例

1、常規(guī)的“護(hù)堵”治理方法實例

繩索取心金剛石鉆進(jìn)對鉆進(jìn)地層比較完整，鉆孔輕微漏水、孔內(nèi)干凈、且地層較穩(wěn)定巖層施工，我們應(yīng)用常規(guī)的“護(hù)壁堵漏”治理方法;如:黃嶺礦區(qū)Zk21—2 鉆孔，設(shè)計孔深380 米，實際終孔孔深406.15 米，設(shè)計傾角75°，采用繩索取心金剛石鉆進(jìn)工藝，該孔根據(jù)地質(zhì)設(shè)計，200 米以上有4段2～6 米不等的破碎巖層、輕度坍塌、掉塊、漏失水。采用φ108 直徑開孔，鉆進(jìn)到35.62M 后到基巖面，入下入φ110 套管;應(yīng)用PHP 低固相泥漿鉆進(jìn)，PHP 低固相泥漿配比:膨潤土粉:3%—4%;純堿;0.1—0.2%;攪拌10 分鐘后，往基漿內(nèi)加水解聚丙烯酰胺(PHP)200—300PPM，攪拌30 分鐘后即往水源箱中添加。從開孔至終孔，用了25 天時間，并達(dá)到地質(zhì)設(shè)計要求。在施工Zk21—2 鉆孔，我們有兩點感想;其一:膨潤土粉加水?dāng)嚢韬螅蛹儔A鈉化以充分分散粘土顆粒上，膨潤土粉必須預(yù)先泡制6 小時以上;其二:PHP 的使用量，應(yīng)根據(jù)孔內(nèi)地層復(fù)雜情況進(jìn)行調(diào)整。

2、PMP 及惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏綜合治理實例

在黃嶺礦區(qū)復(fù)雜地層的繩索取心金剛石鉆進(jìn)過程中、由于巖層軟硬互變突出，鉆孔內(nèi)漏失水特別嚴(yán)重，地層破碎、研磨性強(qiáng)，鉆孔局部有裂隙、坍塌、掉塊、縮徑以及孔壁巖層遇水風(fēng)化膨脹造成的孔內(nèi)復(fù)雜化的情況下，我們主要應(yīng)用PHP 與惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏綜合治理的方法，來提高鉆進(jìn)效率，效果非常好。

3、繩索取心金剛石鉆進(jìn)套管護(hù)壁堵漏綜合治理實例

繩索取心金剛石鉆進(jìn)在黃嶺礦區(qū)牛路坑巖層施工中，我們常用的PHP 低固相泥、PMP 及惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏綜合治理，效果非常理想;但在黃嶺礦區(qū)糯米坑連州斷裂破碎帶的復(fù)雜巖層巖溶施工鉆進(jìn)時，采用PMP 及惰性材料聚合物護(hù)壁堵漏綜合治理，效果不是很好，而且達(dá)不到我們預(yù)期目的;這樣我們只好應(yīng)用勞動強(qiáng)度相對大的護(hù)壁堵漏綜合治理方案--套管跟進(jìn)護(hù)壁綜合治理。為了更順利達(dá)到穿越多層位坍塌溶巖，嚴(yán)重漏失水復(fù)雜巖層，提高探礦效率，保證鉆孔質(zhì)量，采用套管護(hù)孔綜合治理是也是必需的一種手段。在大力推廣使用泥漿護(hù)孔，水泥護(hù)孔和化學(xué)漿液護(hù)孔，并實現(xiàn)無套管鉆進(jìn)時，雖收到一定的效果，但鉆進(jìn)效率、臺月效率低，鉆孔質(zhì)量得不到保證、技術(shù)工人勞動強(qiáng)度大。根據(jù)我三十多年的鉆探實踐經(jīng)驗，套管護(hù)孔，在多層位、多孔段坍塌、掉塊、連通性大裂縫復(fù)雜巖層鉆孔中，是可靠又安全的綜合治理辦法。

六、小結(jié)

繩索取心金剛石鉆進(jìn)，在黃嶺礦區(qū)復(fù)雜地層的施工，綜合應(yīng)用了各種護(hù)壁堵漏材料及方法，形成了一些共識和體會。我們認(rèn)為:在黃嶺礦區(qū)糯米坑連州斷裂破碎帶復(fù)雜地層的鉆進(jìn)，采用護(hù)壁堵漏泥漿主要應(yīng)用PHP 與惰性材料綜合治理，是解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)的有效途徑。務(wù)必在做好鉆探工程單孔施工設(shè)計，了解和掌握地層的變化，正確選擇最優(yōu)的護(hù)壁堵漏材料和方法，制定實施方案，“對癥下藥”應(yīng)用有效的護(hù)壁堵漏手段。