寧夏固原市原州區硝口—上店子南部巖鹽勘探施工技術

楊凌雪

（寧夏回族自治區地質工程院，寧夏 銀川 750001）

進一步查明本地區巖鹽成礦規律，推進巖鹽礦勘查開發進程，使本區資源盡早轉化為經濟效益，根據相關規定要求，結合礦區地質概況，進行本次詳細勘查工作。

通過此次詳查工作，主要查明：①詳細查明勘探區地層層序、時代、構造和成鹽地質特征；②詳細的查明勘探區的礦層相關的具體情況，包括其深度、層數、規模、形態與形狀、位置等等；③詳細查明勘探區所產的礦化石的內部特征以及結構特點，包括其化學成分、有害以及有益的組分等等；④詳細查明勘探區礦區地質情況，包括含水層以及隔水層的分布、產狀、巖性以及埋藏條件等等。同時，查明含水層富水性、水層水質情況、滲透系數、孔隙度以及隔水層的可靠度、連續性和穩定性；⑤詳細查明勘探區的礦體頂底板、夾層穩定性、物理學性質、礦物成分、固結程度、礦物成分等等，按照相關的結果，進行地質巖組的有效劃分，由此評估地面塌陷、開裂現象的預防措施（包括工程措施和生物措施等等）；⑥詳細查明勘探區的地下水、巖石以及礦石的情況，了解其可能盡的放射性、有害性元素，同時，檢測其有害成分的額含量以及隨著地表、低下溫度的具體的變化情況；⑦詳細查明勘探區的礦床情況，對礦山建設的可信性進行研究，并設計礦山的布局、規劃，預估出所產生的經濟效益等。

1 礦區基本情況

固原市原州區中河鄉硝口—上店子村一帶，因其地質形態復雜，礦產類資源豐富，故而備受關注。固原硝口巖鹽礦區便位于這一區域內。礦區范圍較大，面積達到30.55 平方千米，是該市較為知名的礦區。其具體情況如下。

（1）地層。根據礦區的地質結構進行探測，可以發現，其出露地層的部分為白堊系下統六盤山群乃家河與馬東山組，古近系清水營組；第四系上更新統和全新統。

（2）構造。從礦區的位置看，其整個礦區，均位于六盤山背部，葉家河—硝口大斷層東北，在礦區核心區域，為中新生代斷陷盆地。根據相關部門的地震以及鉆探資料進行分析，可以發現，礦區的含鹽層，主要為北西以及北東走向，構造為單邪構造。在礦區的外圍，存在大量的北西方向的斷裂結構以及一些褶曲。

（3）含礦層位。乃家河組的上段區域，為鹽巖系，其厚度在227.37m 到985.81m 之間，整體的平均厚度為524.50m。這些鹽層當中，多部分的為工業鹽層，所以，從厚度看，變化較大。根據地域分布，其從西南向東北方向的厚度逐漸增加，與此同時，相應的鹽城埋藏深度也逐漸加深。地層主要是按照旋廻發育，單一的鹽層透鏡狀產出，該區域的鹽層礦，其具有較大的傾斜角，一般在30°到40°之間，此外在一些受到地質構造影響較為嚴重的區域，傾斜角的角度則更大。

（4）工程地質特征。在乃家河的上段，覆蓋著大部分的礦體，這些礦體的頂板分布厚度相對較大，且十分的穩定。但是不適合使用對接井或者是單井水溶進行鹽群的開采，如果采用這兩種方式，就會到影響頂板的穩定性。此外，礦體頂板以上，覆蓋著大量的古近系泥巖以及一些第四系松散層，厚度較大。這些覆蓋物，均屬于軟巖石，在開采的過程中，需要格外注意。其工程地質條件與其他區域的鹽礦相比較差。當進行水采的時候，由于作用力的原因，可能導致頂板、礦層以及夾層，出現部分或者大部分的溶解以及軟化等的現象，進而引起頂板巖層失去平衡，造成垮塌。

2 鉆探施工技術

（1）鉆井鉆探。本次針對這一鹽礦的開采鉆探取芯，主要使用的是繩索取芯的方法。這一方法當中，最為常用的工具是金剛石鉆頭。當然，在一些較軟的地層當中，也會使用硬度相對較低的PDC 和硬質合金鉆頭。具體的鉆頭型號以及相關的參數標準，主要根據實際的鉆探條件進行調整。根據調查，在固原硝口一寺口子礦區，區域內的地層，一般以泥巖為主，礦層主要以石膏礦層和夾巖巖礦層為核心。按照相關的系數計算，其可鉆性級別一般在4 級左右，部分區域為6 級。在礦區的一些孔段，主要是一些軟硬互層，這些孔段中的孔，其孔壁的穩定性并不強，由此使得該處的巖層，十分容易發生破碎的現象，所以，鉆頭的選擇，需要結合地層制定方案。同時，為了最大限度的減少下鉆的次數以及鉆孔的裸露時間，避免因為外部因素所導致的抽吸破壞，維持孔壁穩定，所以選擇的鉆頭，應當具有長壽、高時效性的特點。針對這一問題，在進行鉆探的時候，本文主要選擇多臺階或者是高臺階的PDC、金剛石等鉆頭進行取芯。PDC 鉆頭的硬度較為適中，可以對一些鉆性級別在6 以下的地層進行鉆探，十分適用于抗壓強度低、膠結性差、含有薄夾層或者是具有較差研磨性的地層使用。這類鉆頭上，有硬質合金層，可以用于抗擊外部沖擊，同時，含有的金剛石部分，十分耐磨，開采效率也較高。

本次繩索取芯鉆的選擇，其具體的技術參數為：①3 層套管、3 層口徑，其中，φ150mm、φ130mm、φ110mm口徑分別對應φ146mm、φ127mm 和φ108mm 套管。②采用的繩索主要為S89。③鉆孔結構環選擇使用一些空隙較小的，其主要目的是為了最大限度的保護開采時所使用的繩索鉆桿，同時，確保在高速運行情況下的鉆桿柱的穩定。

為了改善鉆桿柱和孔壁之間存在的間隙，本文在鉆探的時候，對鉆頭的外徑進行了改良。通過將S89 調增為S89+(≥3mm)，最大限度的保證了空隙的最小化，同時，也有效的降低了鉆井液循環過程中所遇到的阻力，減少了因為鉆井液問題所導致的孔壁沖刷。此外，當進行鉆徑改良后，基于現有繩索取芯鉆，為了解決上部孔段不完整的問題，本文進行了技術套隔離，如使用φ127mm 管套執行S89+(≥3mm)鉆進。

經過確認，認定外管以及鉆桿內已經沒有巖心的時候，通過孔口，投入內管總成，然后使其進入到鉆桿，上機上鉆桿，開泵進行壓送，在壓送的過程中，主義觀察泵壓的具體情況，如果出現十分顯著的升高或者是超出范圍的降低，則說明內管總成已經達到了其所要到達的制定位置。如果在鉆探當中，出現了地層漏失或者是地下水位較深以及孔內沖洗液匱乏的情況，不能夠直接將內管總成投入其中，應當使用打撈器，將所需要的內管總成，有序的放入到孔內，或者是使用機上鉆桿，對準孔口，加入適當的符合要求的沖洗液后，迅速的將內管總成投入其中。

（2）鉆井液配置。清水營組存在大量的黏土礦物，當期被鉆穿后，會出現溶脹、縮徑、分散、剝落甚至是坍塌等現象。而且，當環空上返速度過快的時候，容易形成紊流，這一紊流，對于孔壁往往造成十分嚴重的沖刷，因此，為了維持孔壁穩定，防止坍塌以及縮徑等相關的現象，必須對鉆井液進行有效配置。經過綜合衡量，本文主要使用較為優質的無固相鉆井液，這一鉆井液具體配方為：1m3 水+1kg～2kg PHP+2kg～3kg 固體潤滑劑。

在進行鉆探的過程中，需要充分的考慮地層縮徑以及遇水膨脹等相關的問題，所以，本文選擇使用GPC、GLA 和CMC 等高分子，對這類問題進行處理，以最大限度的提升地層的水敏性，同時控制失水量。

當鉆探進入到巖鹽礦層的時候，因為無固相鉆井液具有較強的腐蝕性，容易侵蝕巖心或者是地層內部的巖鹽，所以，為了題還是能巖心采取率，同時保證采取過程中的孔壁穩定，本文在下部巖礦層的鉆探當中，使用了MBM 和鹽水鉆井液進程處理。其中，鹽水鉆井液的基礎性配方為：35%NaCl+4%MBM+:1m3 水。此外，為有限的保證鉆井液能夠和繩索取芯鉆相配合，本文基于基礎配方，進行了改進，添加了一些GPC、GLA、GTQ 等相關的處理劑，以求能夠改善鉆井液的流變性能，保持鉆井的穩定，同時降低失水量。與其他鉆井液相比，鹽水鉆井液具有抗鹽侵、耐高溫、高礦化度等特點，同時，可以抑制鹽的水溶性、泥頁巖水敏感度等，維護孔壁穩定。但是，這一鉆井液的成本相對較高，且腐蝕設備，所以，需要適當的使用。

（3）采芯。當金剛石進入到內部采取巖芯的時候，要避免通過投放卡料的方式進行取芯，而是要采用卡簧進行取芯。取芯開始，停鉆回轉，緩慢提鉆，使其距離孔底部5cm～7cm 之間，卡簧與巖心抱緊，緩慢轉圈扭斷巖心，后起鉆。避免隨意的上下活動鉆孔工具，同時避免猛地提鉆。此外，為防止在倒桿的時候由于沖洗液壓力所導致的鉆具上浮現象，要降低泵壓。節理發育或者是一些傾角較小的區域，使用半合管以及鍍鉻內管取芯。同時，在內管涂抹潤滑油，保護巖芯。

圖1 使用卡簧進行取芯圖

（4）封孔。在取芯完成后，需要根據實際情況，經過地質部門綜合考察后，按照圖紙以及技術封孔要求進行封孔工作，并編寫封孔設計。隨后將設計教給機臺，機臺在根據實際的要求，進行封孔。封孔完成，在其封孔位置處，使用水泥進行標記，將封孔記錄以及設計移交設計部門和施工部門，存檔處理。同時，進行透孔取樣，檢驗質量。

3 結語

本次鉆探共完成五個鉆孔進尺6000m，在施工工作開展前，認真分析了巖鹽礦深部地質勘探的困難，預測能力不足、探測理論和技術的局限性以及干擾是有很多因素的，故針對本區域鹽巖礦地層特點，采取金剛石鉆頭繩索取芯技術，并在不同地層中結合使用聚晶金剛石復合片(PDC)繩索取心鉆頭、使用MBM 飽和鹽水鉆井液等方法，對鉆井過程中可能遇到的系列問題，比如坍塌、縮徑等進行處理，以避免產生事故，提高取芯效率，這一做法，顯著增加了經濟效益。