河南靈寶小秦嶺金礦區復雜地層鉆探施工中沖洗液的研制與應用

李茂軍

（河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院，河南鄭州450001）

河南靈寶小秦嶺金礦區復雜地層鉆探施工中沖洗液的研制與應用

李茂軍*

（河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院，河南鄭州450001）

因地層形成條件的差異，在金礦區的地質鉆探中，常常會遇到坍塌、掉塊、涌水、漏水等復雜情況。如果處理不好，常常會造成鉆孔事故，嚴重時可能報廢鉆孔。在河南省靈寶市南山礦區崟鑫金礦普查的地質鉆探施工過程中，前期就遇到了上述情況，致使鉆孔事故頻發，根據地層特點，研制了2種鉆井沖洗液進行護壁，有效地解決了施工中遇到的鉆孔坍塌、掉塊、涌、漏水的難題，順利地完成了施工任務。

金礦區；復雜地層；沖洗液；研制；應用

1 工程概況

1.1 自然地理概況

南山礦區崟鑫金礦位于河南省靈寶市朱陽鎮，東起楊寨峪，西至藏珠峪，礦區面積為58.14m2，礦區距靈寶市65km，有柏油公路相通。

礦區位于小秦嶺分水嶺南側，地勢北高南低。小秦嶺最高峰老鴉岔腦，海拔2413.8m,為河南省最高峰，位于礦區西北部。礦區范圍內最高海拔2300m，最低800m，相對高差達1500m，屬切割強烈的中山區。

1.2 簡要地質特征

從上至下地層的巖性依次為：變質砂巖、鈣質千枚巖、粉砂質板巖、石英巖（中部夾大理巖）、花崗片麻巖、黑云母斜長片麻巖、斜長角閃片麻巖、斜長角閃巖等。

區內褶皺及斷裂構造較發育，尤以斷裂構造最為發育。

1.3 含礦層

（1）含金石英脈：主要賦存在主成礦構造派生的近南：北向壓扭性斷裂中，多在地表下100～200m范圍內。脈石礦物主要是石英，次為長石，絹云母及圍巖捕擄塊：（2）含金破碎硅鉀蝕變巖：主要賦存在地表下200m以下，致密塊狀、條帶狀、斑雜狀，主要礦物為石英、正長石、方解石、綠泥石、絹云母。

1.4 水文情況

該礦區的水文情況分為2類：（1）第四系孔隙潛水：巖性為亞粘土、中粗砂、少量卵石，層厚10～50m，水位埋深約20m，單井出水量300～500t/d。（2）基巖裂隙水：賦存于基巖裂隙中，深度200～600m不等，水量變化大，流量0.1～2.6L/s。

1.5 鉆孔及鉆探工作量

2013年布設鉆孔4個，直孔，孔深分別為1575m、1515m、410m和330m，2014年度布設3個鉆孔，直孔，孔深分別為1360m、570m和370m。鉆探工作量合計6130m。

2 鉆孔質量技術要求

鉆探工程必須按照鉆探施工通知書要求進行施工，現場進行定點，開孔位置應于設計位置相符，偏差不得超過5m，鉆探方位與設計方位一致。鉆孔回次記錄、巖礦芯的采取與順序擺放工作，鉆進過程中要詳細做好臺賬記錄，回次循環時間，巖芯采取長度，巖芯采取率不低于80%，礦芯采取率不低于85%。巖芯取出后，要規范進行編號、放置，并標記巖芯段號、深度，并按順序排放，必須確定鉆孔截穿礦脈礦體底板，終孔前必須經地質人員確認達到設計要求方可終孔。

終孔孔徑不小于?75mm。

3 施工概況

3.1 施工機械設備的選擇

根據鉆孔設計及甲方要求，2013年我方進場3臺鉆機，分別為HXY-6B型2臺、XY-42型1臺，泥漿泵分別為BW250型2臺和BW150型1臺，鉆塔分別為23.5m四角塔2套和18.5m管子塔1臺，?73mm繩索取芯鉆具配備?76mm繩索取芯金剛石鉆頭。

2014年我方使用2臺鉆機進行施工，型號分別為HXY-6B、XY-42，泥漿泵分別為BW250型和BW150型，鉆塔分別為23.5m四角塔和18.5m管子塔。

3.2 鉆孔結構

上部10～50m第四系地層用中130mm合金鉆頭施工，至完整基巖后，下入?127mm和?108mm雙層套管，?76mm繩索取芯鉆具施工至終孔。

3.3 施工概況

在2013年的前期鉆探工程施工中，由于3條主礦體部位多為破碎帶，地下水活動明顯，因此鉆孔屢次發生漏水、涌水現象，坍塌、掉塊現象極為嚴重，致使鉆孔事故頻發。特別是含綠泥石和絹云母的礦段，遇水膨脹較為嚴重，如果預防措施不及時，處理不當，極易造成塌孔事故。2013年施工時，就曾經因為該孔段發生塌孔而出現移動孔位重新開孔的現象，嚴重影響了施工效率和鉆孔質量。

針對出現的問題，我們組織探礦技術人員和有經驗的老工人，成立了復雜巖層綜合治理專題小組，通過對礦區復雜地層的分析研究，決定主要從鉆井沖洗液方面下手，配制出一種適合本礦區地層的沖洗液，再從鉆進技術參數上加以改進，制定出一整套的綜合治理措施，指導該礦區的施工。通過試驗并不斷進行改進，終于取得了成功，在2013年后期及2014年的施工中，雖然也遇到了坍塌、掉塊、漏水等現象，但沒有出現較為嚴重的鉆孔事故，更沒有報廢進尺，圓滿地完成了施工任務。

4 鉆孔沖洗液的配制

4.1 配制沖洗液的指導思想

根據2013年前期施工中出現的問題，發現鉆孔坍塌、掉塊嚴重是造成鉆孔事故的主要原因，同時涌水、漏水現象也時有發生，因此決定配制一種沖洗液，使其具有防坍、低比重、攜粉能力強、沉砂性能好，且凝結時間和粘度可調，可以隨鉆堵輕微漏失。為了防止繩索取芯內管結垢，要求該種沖洗液的固相含量要小，甚至無固相含量。

對于特別嚴重的坍塌、掉塊和涌水、漏失現象，輔以其他的技術方法，如：灌注水泥漿、煉膠泥漿，甚至擴孔后下套管封隔等。

4.2 沖洗液在試驗室中的配制

（1）沖洗液添加劑的選擇：根據已經確定的指導思想，我們配制了2種沖洗液，其配方中的添加劑如表1所示。

表l沖洗液添加劑加量

水解聚丙稀酰胺(PHP)：其分子量大，分子鏈很長，水溶液的粘度較大，剪切稀釋作用好。PHP通過多點吸咐，吸咐在井壁上起保護作用。在實際應用中，加入適量的交聯劑(FeCl3)等，可提高粘度、切力和攜砂能力，有較好的護壁效應。PHP還有一定的潤滑作用。

聚乙烯醇(PVA)：PVA也屬于高分子化合物，溶于水后可增加粘度，它同樣具有剪切稀釋的特性。PVA成膜性很強。其水溶液中加入少量硼砂，用人工激烈攪動，靜置2min后膠化的PVA成凍膠狀，對護壁堵漏十分有效。

FeCl3：提供Fe3+，可與PHP交聯成不溶性凝膠物，以利于護壁堵漏。

KCl：能提供K+。礦區復雜地層中已發現有溶脹、溶坍的地段，特別是斷裂破碎帶水敏性較嚴重，K+進入粘土晶格后可以防止水分子進入，從而防止了地層遇水溶脹現象的發生，根據地層不同，可以調整KCl的用量。

硼砂：可與PVA交聯成凍膠，構成雙二醇型的鍵。

（2）配制試驗：選擇好添加劑后，用正交試驗法進行沖洗液配制的試驗，選用Lg（34)正交表，見表2。

表2中，PHP：水解度20%～40%，分子量300～500萬，將干粉配成1%濃度的水溶液待用；PVA：聚合度1750，醇解度88%，配成1%濃度待用；FeCl3：配成19%濃度水溶液；KCl：配成1%濃度水溶液(最好用KHM)；硼砂：配成1%濃度水溶液。

數據處理：按有關公式計算表2中的表觀粘度T1表、塑性粘度T1塑、動切力Td和動塑比Td/T1塑列入表3中。

對各因素表觀粘度、塑性粘度、動切力和動塑比的數據進行回歸處理，結果見表4。

由表2分析可以得到：PHP對泥漿性能影響最大，其次是PHP與FeCl3交聯，最佳配方應為PHP(K3)、 PVA(K3)、KCl(K3)。但考慮到復雜地層的護壁堵漏效果，應加大PVA的加量，最后確定的配方即為I號配方。沖洗液配方的性能為：

表2 正交試驗結果

表3 數據處理結果

表4 數據回處理結果

（3）巖樣浸泡試驗：將所取到的3個孔6個孔段的5種典型巖樣：變質砂巖、千枚巖、片麻巖、含礦破碎帶和普通構造破碎帶，砸碎后不加任何介質做成直徑為25m的小圓球，放在陰涼干燥處陰干后待用。

把5種巖性的樣球分別放置在盛放Ⅰ號沖洗液的燒杯中，每個燒杯放2～3個，浸泡24h后，含礦破碎帶和普通構造破碎帶的樣球有裂紋、分瓣現象，其它3個樣球無變化。

將發生變化的2個樣品拿出，其它幾個樣品繼續浸泡，數日不坍，此沖洗液可作為常規沖洗液。

對于破碎帶應重新設計配方，在其它藥品加量不變的基礎上，把KCl加量調到2‰～3‰，再浸泡破碎帶巖樣，數日不坍，此配方可作為破碎帶層沖洗液。

（4）Ⅱ號沖洗液配方的選定：微漏—中等漏失地層中，應使用PVA加硼砂交聯配成凍膠來堵漏，經正交試驗，回歸處理得到的配方如表5所示。

表5 回處理得到的配方

經試驗，該沖洗液激烈攪拌靜置15min后即成凍膠狀，再激烈攪拌又變稀。變稀液時的漏斗粘度為27～30s。

5 沖洗液在施工中的應用及效果

5.1 在坍塌、掉塊地層中的應用及效果

（1）全孔使用Ⅰ號沖洗液配方，遇水敏性破碎帶將KCl加量調到2‰～3‰，提高沖洗液的結膜性及提高膜的強度。使用該沖洗液后，鉆孔的坍塌、掉塊、地層膨脹情況得到極大改善，雖然還有此類現象發生，但是未造成較嚴重的鉆孔事故；

（2）遇長孔段嚴重破碎帶時，該沖洗液護孔效果較差，此時可用灌注水泥和套管護壁的方法進行治理。

5.2 在漏失、涌水地層中的應用及效果

（1）對于微漏至中等漏失地層，可在Ⅰ號沖洗液中加入添加劑配制成Ⅱ號沖洗液，除能夠護壁外，還可以隨鉆堵漏，效果良好，大大提高了施工效率；

（2）如果出現中等至嚴重漏失，則Ⅱ號沖洗液的作用有限，此時可采用粘土絮凝堵漏、化學堵漏、水泥堵漏、套管封隔等方法進行治理；

(3)對于涌水地層可以配制大比重沖洗液，采用平衡鉆進方法治理。

6 結論

經過實驗室的各種試驗，并經現場施工應用的檢驗，得到以下結論：

（1）在不同的地質條件下，分別使用2種沖洗液，能夠起到護壁、堵漏、預防鉆孔事故的目的，減少了鉆孔事故，提高了施工效率，同時保證了工程質量。

（2）Ⅰ號沖洗液（KCl加量調整至2‰～3‰）可有效保護孔壁，預防鉆孔坍塌、掉塊、巖層膨脹，為本礦區鉆探施工常用沖洗液。

（3）Ⅱ號沖洗液配合在Ⅰ號沖洗液中，可作為微漏至中等漏失地層的隨鉆堵漏劑，能夠有效提高施工效率。

（4）對于長孔段嚴重破碎帶地層、嚴重漏失地層以及涌水地層，這兩種沖洗液的護壁作用有限，需要使用其它方法進行治理。

（5）在實際施工中，一方面要嚴格按照沖洗液配方進行配制泥漿，使其達到預定的沖洗液性能；另一方面，又要根據施工中所遇到的不同情況，在技術人員的指導下，隨時對沖洗液的性能加以改進，以達到更好的護壁堵漏效果。

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1004-5716(2015)10-0013-04

2015-04-13

李茂軍（1977-），男（漢族），河南潢川人，工程師，現從事鉆探技術及管理方面的工作。