翟開慧

1 概述

寨上礦區(qū)是我部 2001年發(fā)現(xiàn)的金礦區(qū),自2002年進(jìn)入大規(guī)模鉆探控制以來,歷經(jīng) 8年的勘探施工,儲量已經(jīng)突破 100 t。但是,由于礦區(qū)地層復(fù)雜,鉆探施工難度大,尤其是鉆孔護(hù)壁難的問題一直困擾著礦區(qū)的勘探速度,成為我部找礦工作的“瓶頸”。針對鉆孔護(hù)壁難題,我們先后采用了 PHP、HJ-1、DWY-Ⅰ和 PAA型等多種沖洗液護(hù)壁,雖有一定的效果,但都不明顯,不能從根本上解決礦區(qū)鉆進(jìn)中坍塌、縮徑的問題;而裸孔鉆進(jìn)一徑長度平均 100 m左右,中深孔鉆進(jìn)護(hù)壁主要還是依靠套管,這樣就大大增加了擴(kuò)孔、下套管的時間和重復(fù)鉆進(jìn)時間。2008年底開始,我們改用植物膠低固相泥漿護(hù)壁,效果顯著,從根本上解決了鉆進(jìn)中出現(xiàn)的坍塌和縮徑等問題,裸孔鉆進(jìn)一徑長度平均 250 m以上,從而大大提高了施工效率,降低了鉆探成本。

2 地層、巖性及可鉆性級別

寨上金礦區(qū)含金地質(zhì)體主要分布在泥盆系及二疊系板巖、粉砂巖地層中,嚴(yán)格受 NWW向斷裂控制,容礦構(gòu)造為該斷裂派生的次級斷裂、次級層間斷裂,總體呈平行帶狀分布。

2.1 礦區(qū)地層

(1)中泥盆統(tǒng) e組一段 (D2-e1)

分布于礦區(qū)中部寨上村南,出露較少,巖性主要為灰色、淺灰色板巖,薄～中厚層石英砂巖與粉砂質(zhì)板巖互層,紫紅、淡黃色泥質(zhì)、粉砂質(zhì)板巖。

(2)上泥盆統(tǒng)大草灘群 b組上段 (Ddcb)

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由紫紅、灰綠色粉砂質(zhì)板巖、粉砂巖組成,并夾綠灰色石英砂巖、綠灰色粗砂巖,局部夾灰色薄層微?；?guī)r,本區(qū)可分為下部和中上部。

(3)下二疊統(tǒng) b組 (P1-b)

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分布于礦區(qū)中部,底部為厚約 20 m的灰色巨厚～塊狀礫巖,下部為礫巖、含礫石英砂巖、含炭板巖、砂巖;中部為灰黑色含炭板巖、泥質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)板巖夾棕灰、深灰色含石英細(xì)礫和巖屑的不等粒含鐵質(zhì)石英砂巖、深灰色角礫狀生物碎屑微晶灰?guī)r;上部為灰黑色含炭板巖、泥質(zhì)板巖夾棕色中厚層含石英礫石、巖屑的不等粒石英砂巖。

(4)下二疊統(tǒng) c組二段 (P1-C2)

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分布于礦區(qū)北部,主要為灰黑色含炭板巖夾薄～中厚層石英砂巖。

(5)老第三系 b組 (Eb)

主要分布于礦區(qū)西部,上部為紫紅色厚～巨厚層礫巖,比較松散,部分鈣質(zhì)膠結(jié),偶夾紫紅色薄～中厚層中粗粒砂巖,粒徑一般為 (0.5～3)mm×(0.3～0.8)mm,多為半棱角狀,少數(shù)渾圓狀,成分復(fù)雜,分選一般。

2.2 礦區(qū)主要巖層

礦區(qū)鉆進(jìn)遇主要巖層為:第四系氧化層或坡積物,老第三系巨厚層礫巖、泥巖、板巖、砂巖等互層產(chǎn)出。從采取的巖心看大致分以下幾類。

(1)第三紀(jì)上部為紫紅色厚～巨厚層礫巖,比較松散,部分鈣質(zhì)膠結(jié),偶夾紫紅色薄 -中厚層中粗粒砂巖,粒徑一般為 (0.5～3)mm×(0.3～0.8)mm,多為半棱角狀,少數(shù)渾圓狀,成分復(fù)雜,分選一般。適于硬質(zhì)合金鉆進(jìn),個別石英含量高砂巖碎塊鉆進(jìn)困難,宜用金剛石鉆進(jìn)。坡積物護(hù)壁困難,宜干孔鉆進(jìn)。可鉆性級別Ⅲ～Ⅴ級。

(2)砂巖、石英砂巖、礫巖,局部可見黃鐵礦化。巖性硬、脆,進(jìn)尺快,巖心較完整。部分砂巖呈碎屑狀,破碎,取心、護(hù)壁困難,可鉆性級別Ⅴ級。

(3)炭質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖、炭質(zhì)硅板巖互層。遇水膨脹、沿層理分裂成薄片。礦體及蝕變帶的炭質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖部分似橡皮泥,有可塑性,膠結(jié)性好,巖心完整柱狀;大部分蝕變泥質(zhì)中膠結(jié)堅(jiān)硬石英顆礫:水敏性強(qiáng),遇沖洗液泥質(zhì)溶入循環(huán)系統(tǒng),只剩下堅(jiān)硬石礫等不溶物,不易采取。可鉆性級別Ⅲ～Ⅳ級。

3 礦區(qū)鉆進(jìn)護(hù)壁存在的主要問題及原因分析

我部從 2002年開始在寨上礦區(qū)進(jìn)行巖心鉆探施工,截止 2008年底,共計(jì)施工 98個鉆孔,因礦區(qū)地層復(fù)雜,護(hù)壁困難,除淺鉆外,均靠套管多級成孔,而且每徑鉆進(jìn)深度均在 150 m以內(nèi),還需要反復(fù)擴(kuò)孔,嚴(yán)重影響施工效率,且反復(fù)擴(kuò)孔導(dǎo)致孔內(nèi)事故增多。過去寨上礦區(qū)復(fù)雜地層鉆進(jìn)中,沖洗液護(hù)壁主要是采用高分子化合物為主,這些沖洗液剛配制好時因其吸附、膠聯(lián)的作用在孔內(nèi)循環(huán)時形成一層膠聯(lián)的保護(hù)膜,隨著鉆進(jìn)過程中,孔內(nèi)巖屑、巖粉的增多,孔內(nèi)高分子聚合物保護(hù)膜和孔內(nèi)的巖屑、巖粉及孔壁上水敏性較強(qiáng)的碳質(zhì)、泥質(zhì)板巖絮凝、聚沉后,很快破壞了孔壁上的保護(hù)層,因此,單純依靠沖洗液護(hù)壁,往往只能暫時保護(hù)孔壁,難以達(dá)到理想效果。我們曾采用了灌注高標(biāo)號水泥或地勘水泥護(hù)壁,但礦區(qū)脆碎巖地層及裂隙水活動強(qiáng)烈,灌注水泥漿容易被稀釋,而軟地層強(qiáng)度低,膠結(jié)差,灌注水泥護(hù)壁成功率不到 20%。通過不斷摸索總結(jié),2004年以后確定了多級成孔,沖洗液與套管綜合護(hù)壁的方法保護(hù)孔壁。沖洗液主要是 PHP、HJ-1號、PAA等,護(hù)壁時效一般在 1個星期左右。因此,鉆孔多用?150—?130—?110—?95—?75—?60 mm 六徑成孔,雖然起到了一定的效果,但是套管下得越多也就意味著起拔套管的數(shù)量也就越多,難度也就越大,往往有部分套管難以完全成功起拔,無形中也增加了生產(chǎn)成本。

通過對寨上礦區(qū)地層的綜合研究和科研攻關(guān),獲知礦區(qū)護(hù)壁困難的主要原因?yàn)?礦區(qū)地層中的碳質(zhì)、泥質(zhì)板巖中含有大量的蒙脫石、伊犁石等粘土礦物,尤其在含礦破碎帶中,蒙脫石、伊犁石含量更高,這些地層遇沖洗液后吸水膨脹,長時間浸泡在孔內(nèi)的碳質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖及破碎帶吸水后出現(xiàn)大面積剝離、崩塌,從而孔內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重縮徑、坍塌。過去我們在礦區(qū)護(hù)壁主要使用 PHP、PAA、HJ-1號等高分子聚合物無固相沖洗液,這種聚合物沖洗液由于選擇了低聚合度、結(jié)晶性好的高分子聚合物,用于有水浸潤和沖蝕下立即散落的水敏坍塌層有良好的效果。這些沖洗液高分子鏈中的官能團(tuán)形成致密、堅(jiān)韌、柔性好的網(wǎng),在井壁表面或隨沖洗液深入井壁形成比較堅(jiān)韌的吸附薄膜或吸附圈。但這些高分子聚合物作為沖洗液在鉆進(jìn)過程中,在井壁表面或隨沖洗液深入井壁形成比較堅(jiān)韌的吸附薄膜或吸附圈的同時,對孔內(nèi)的巖粉、巖屑尤其是在含礦破碎帶中的蒙脫石、伊犁石等粘土礦物進(jìn)行絮凝和吸附,從而很快地改變了沖洗液的性能,導(dǎo)致粘度迅速下降,排粉能力下降,在孔壁也無法形成保護(hù)膜,盡管現(xiàn)場對沖洗液的性能在不斷調(diào)整,但由于礦區(qū)地層中粘土礦物含量大,絮凝沉淀快,沖洗液性能改變快,因而從經(jīng)濟(jì)上和施工效率上都無法滿足其要求,從而最終靠套管護(hù)壁。過去曾經(jīng)試用泥漿作為沖洗液護(hù)壁,但通過多次試驗(yàn),因無法解決繩索取心鉆進(jìn)工藝中鉆桿結(jié)垢問題和降失水的問題,最終導(dǎo)致失敗。

4 植物膠低固相泥漿配方與護(hù)壁機(jī)理

鑒于以上原因,我們在寨上鉆進(jìn)技術(shù)研究過程中,著重對泥質(zhì)含量高、水敏性強(qiáng)的地層,適合于繩索取心工藝的泥漿進(jìn)行了大量的研究和實(shí)驗(yàn),優(yōu)選出植物膠低固相泥漿。

其配方為:優(yōu)質(zhì)粘土 3%+工業(yè)純堿 3%～5%(土的質(zhì)量比)+纖維素 0.2%～0.3%+植物膠2%～3%+腐植酸鉀 0.2%～0.3%+防塌劑 0.3%～0.5%。

配制成的泥漿性能為:膠體率 98%以上,漏斗粘度 22～26 s,失水量 6～8 mL,泥皮厚 1 mm。

植物膠低固相泥漿的護(hù)壁機(jī)理為:它既有像PAA、PHP高分子聚合物無固相鉆井液、“HJ-1”復(fù)合型無固相高分子聚合物鉆井液一樣,表面包裹一層粘彈性膠膜,起到隔離鉆孔地層、減少沖洗液中的水分浸入孔壁地層中的作用,同時又可在孔壁上形成一層薄而堅(jiān)韌的泥皮,這層泥皮具有一定的粘彈性和強(qiáng)度,又具有較好的潤滑性,減輕了鉆具對孔壁破壞的作用,同時植物膠沖洗液利用植物膠的粘性、膠結(jié)性和對水敏地層的抑制作用,較好地膠結(jié)地層,加入纖維素、腐植酸鉀、防塌劑和粘土有效提高沖洗液的粘度,增強(qiáng)泥皮的韌性,降低了失水量,有效地抑制了礦區(qū)泥質(zhì)、碳質(zhì)板巖等水敏地層的水化膨脹,抑制了地層中的粘土礦物自然造漿。采用植物膠低固相泥漿由于其失水量低,泥皮薄,轉(zhuǎn)速 <600 r/min時鉆桿不結(jié)垢,有效地解決了繩索取心鉆進(jìn)鉆桿結(jié)垢的問題。

5 施用效果

通過對歷年來施工的設(shè)計(jì)孔深大于 500 m的鉆孔施工情況和施工效率較高、施工較順利的 2008年施工生產(chǎn)與 2009年使用植物膠泥漿護(hù)壁后的施工情況對比 (表 1、2),可以明顯看出,植物膠泥漿對寨上礦區(qū)水敏性地層的護(hù)壁效果良好。

表1 2008、2009年度施工主要條件及施工效率對比表

表2 2008、2009年度施工生產(chǎn)情況對比表

通過對 2年施工情況對比可以看出,在施工設(shè)備、施工工藝、設(shè)計(jì)鉆孔深度、施工地層以及施工人員均沒有大的變化的情況下,2009年使用植物膠低固相沖洗液后,臺月效率由 2008年的 231.05 m提高到 398.06 m,提高了 72.3%,純鉆時間利用率由2008年的 29.04%,提高到 2009年的 42.53%,提高了 13.49個百分點(diǎn),事故率由 2008年的 21.06%下降為 2009年 6.74%,下降了 14.32個百分點(diǎn);礦區(qū)采用植物膠沖洗液后,正常鉆進(jìn)時,一徑平均達(dá)到200 m以上;護(hù)壁時間從原來的一個星期提高到目前的半個月。目前最深裸孔鉆進(jìn)能力已超過 300 m。近日完成 541.40 m的鉆孔也是五徑成孔,裸孔鉆進(jìn) 270 m后終孔。完成的 545.20 m的鉆孔為四級成孔。

6 結(jié)論

從國內(nèi)近年來的研究應(yīng)用情況來看,鉆井沖洗液在煤炭行業(yè)中仍將以不分散低固相泥漿為主;在金屬礦床勘探的復(fù)雜地層鉆進(jìn)中聚合物沖洗液的使用廣泛,但低固相泥漿在金礦復(fù)雜地層鉆進(jìn)中效果非常明顯。通過一年來我們在寨上礦區(qū)使用植物膠低固相沖洗液所取得的成效,應(yīng)該加強(qiáng)低固相泥漿的研究和應(yīng)用,在降低失水量、提高護(hù)壁能力上下功夫。

[1] 王亮寶,等.S M植物膠鉆探技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用[J].安徽水利科技,2000,(4).

[2] 孫濤,等.植物膠沖洗液的性能及新型植物膠 QM的開發(fā)研究[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2004,(4).