張 波，鄭秀華，汪傳武

(1．西安地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)院，陜西西安710100;2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京100083)

0 引言

鉆探中常用水玻璃與水泥等配制成混合漿液進(jìn)行鉆孔堵漏，利用水玻璃與水泥反應(yīng)的速凝作用，固結(jié)破碎段;或利用水玻璃膠液能滲入縫隙和孔隙中，以惰性材料為橋接，固化的硅凝膠與惰性材料的混合物堵塞毛細(xì)孔通道，從而達(dá)到堵塞漏失通道的目的。在斷層帶施工時(shí)，斷層帶的斷層泥使得鉆孔孔壁常發(fā)生縮徑、坍塌，斷層角礫的掉塊引發(fā)卡鉆造成鉆孔事故的情況時(shí)有發(fā)生，此類(lèi)地層難點(diǎn)在于成孔困難、巖心采取率低。在含斷層泥的蠕變坍塌地層中，將高粘度、高密度的水玻璃和其他處理劑配合使用配制成為鉆井液進(jìn)入鉆井液循環(huán)系統(tǒng)，利用高模數(shù)水玻璃的高密度、高粘度的特性達(dá)到平衡孔內(nèi)壓力和保護(hù)孔壁，同時(shí)加入鉀鹽，利用鉀鹽對(duì)泥巖地層的抑制作用達(dá)到防止泥巖過(guò)度水化的目的，實(shí)現(xiàn)正常鉆進(jìn)。

1 工程概況

施工工區(qū)位于青海省都蘭縣諾木洪南八寶灘以南、馬爾爭(zhēng)以北一帶，行政區(qū)劃屬青海省海西蒙古族藏族自治州都蘭縣諾木洪鎮(zhèn)管轄，地處昆侖山系之布爾漢布達(dá)山南坡，工區(qū)平均海拔4700 m左右，工區(qū)水系比較發(fā)育，用水方便。礦區(qū)的地質(zhì)工作始于20世紀(jì)50年代，先后有不同單位進(jìn)行過(guò)不同比例尺的各種礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域性地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查工作和綜合研究工作，這些工作基本建立了本礦區(qū)地層、構(gòu)造系統(tǒng)。我院從2010～2013年均有隊(duì)伍在此從事鉆探施工，由于地處高海拔地區(qū)，并且地質(zhì)要求全孔平均巖心采取率≮70%;礦化帶重要標(biāo)志層以及礦層與頂板交界處以上和礦層與底板交界處以下各5 m范圍內(nèi)的巖層平均巖心采取率≮80%;鉆孔不同深度的各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)頂角與開(kāi)孔頂角之差要求＜2°/100 m。以往使用普通單管鉆進(jìn)難以達(dá)到取心率、鉆孔彎曲度要求，并且事故率較高。因此，為保證巖心采取率、控制鉆孔彎曲度以及降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等，采用繩索取心鉆進(jìn)工藝。

2 施工區(qū)構(gòu)造及地層

2．1 施工區(qū)大地構(gòu)造

本區(qū)地處昆中斷裂與昆南斷裂之間。褶皺構(gòu)造不發(fā)育，主要為斷裂構(gòu)造，以北西向和近南北向?yàn)橹?。斷裂?guī)模大，地表形成規(guī)模不等的破碎帶。北西向斷裂是區(qū)內(nèi)主干構(gòu)造，控制著區(qū)內(nèi)地層、巖漿巖及礦產(chǎn)的空間分布。帶內(nèi)構(gòu)造巖以壓性特征為主，且有蝕變及后期巖脈侵入現(xiàn)象。南北向斷裂也是區(qū)內(nèi)主要斷裂之一，斷裂切割三疊紀(jì)地層與北西向斷層斷裂，性質(zhì)為逆斷裂，地表見(jiàn)有幾米至十幾米寬的破碎帶，并發(fā)育有糜棱巖、斷層角礫巖和黑色斷層泥，總體傾向東傾，傾角70°。

2．2 地層和巖性

地層分區(qū)屬秦祁昆地層區(qū)東昆侖—中秦嶺地層分區(qū)東昆侖南坡小區(qū)和巴顏喀拉地層區(qū)瑪多—馬爾康地層分區(qū)阿尼瑪卿山小區(qū)。東昆侖南坡小區(qū)出露地層主要有元古代萬(wàn)寶溝群，奧陶—志留系納赤臺(tái)群，石炭系哈拉郭勒組、浩特洛洼組，三疊系洪水川組、鬧倉(cāng)堅(jiān)溝組、八寶山組，侏羅—白堊系羊曲組，古近系雅西錯(cuò)組。各地層及巖性如下:

(1)第四系堆積物主要有湖積、沖—洪積和冰磧等，巖性為沖洪積砂土、砂礫石、碎石及風(fēng)塵砂，可鉆性1～4級(jí);

(2)古—新近系雅西措組，巖性主要為砂巖與灰?guī)r互層、局部夾泥巖及少量復(fù)成分礫巖，可鉆性6～7級(jí);

(3)侏羅—白堊系羊曲組，巖性為黑云母長(zhǎng)石砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖，可鉆性6～7級(jí);

(4)三疊系地層，巖性主要為長(zhǎng)石砂巖、石英砂巖、板巖及少量灰?guī)r，偶見(jiàn)凝灰質(zhì)砂巖、流紋巖、安山巖夾頁(yè)巖、玄武巖、細(xì)礫巖、千枚巖等，可鉆性6～8級(jí)。

3 鉆探施工難點(diǎn)

第四系堆積物松散、漏水、坍塌，成孔比較困難;下部巖石軟硬不均，并且地層傾角較大，鉆孔易發(fā)生偏斜;斷裂帶層段的斷層泥、斷層角粒結(jié)構(gòu)，鉆進(jìn)緩慢，易產(chǎn)生縮徑、掉塊、坍塌，而且失水量較大。

其中ZKA01孔在施工中多次發(fā)生掉塊卡鉆、縮徑卡鉆，造成鉆具提拉不動(dòng)，回轉(zhuǎn)時(shí)將柴油機(jī)憋熄火，而且在孔深只有125 m時(shí)，由于斷層泥縮徑造成環(huán)狀間隙減小，泥漿泵泵壓高達(dá)5 MPa，為泥漿泵提供動(dòng)力的柴油機(jī)經(jīng)常被憋滅，致使無(wú)法正常鉆進(jìn)。

4 鉆進(jìn)工藝及技術(shù)參數(shù)

針對(duì)以上困難情況，我們及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù)，加大了鉆頭、擴(kuò)孔器外徑，用水玻璃、鉀鹽、生物聚合物等配制抑制性沖洗液。

4．1 鉆進(jìn)設(shè)備選型

該礦區(qū)設(shè)計(jì)鉆孔孔深多為500 m以淺直孔，因此，選用了如下設(shè)備:XY－4型鉆機(jī)，BW250型泥漿泵，4105型柴油動(dòng)力機(jī)，AJ13．5型鉆塔。

4．2 金剛石鉆頭與擴(kuò)孔器

在該礦區(qū)斷裂帶鉆進(jìn)中，由于地層破碎、坍塌、斷層泥縮徑，造成孔壁不穩(wěn)定，鉆桿外壁與孔壁間的環(huán)狀間隙小、流速大、泵壓損耗大、液流不暢、泵壓偏高或憋泵，使鉆進(jìn)無(wú)法正常進(jìn)行。為此我們定做了加大外徑的鉆頭和擴(kuò)孔器，鉆頭外徑由原來(lái)的75 mm增加到76 mm，擴(kuò)孔器外徑由原來(lái)的75.5 mm增加到77 mm;增大了環(huán)狀間隙;金剛石鉆頭使用的是北京探礦工程研究所制作的高胎體金剛石鉆頭，極大地延長(zhǎng)了鉆頭使用壽命，單只鉆頭最大壽命達(dá)到了120 m。

鉆頭、擴(kuò)孔器在使用過(guò)程中注意排隊(duì)使用，以免出現(xiàn)重復(fù)擴(kuò)孔的發(fā)生。

4．3 鉆進(jìn)方法

不同地層采用的鉆探工藝如下。

4．4 鉆進(jìn)參數(shù)

4．4．1 鉆壓

破碎地層中鉆進(jìn)鉆壓不宜選用過(guò)大，孔深大于100 m后即使用減壓鉆進(jìn)，以避免孔斜超標(biāo)。在該孔中一般鉆壓選定為8～10 kN。

4．4．2 轉(zhuǎn)速

該孔孔內(nèi)破碎，使用高轉(zhuǎn)速易發(fā)生孔內(nèi)事故，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，把轉(zhuǎn)速控制在180～250 r/min，鉆進(jìn)較平穩(wěn)，未發(fā)生鉆頭劇烈震動(dòng)。

4．4．3 泵量

由于該孔情況比較復(fù)雜、孔壁不穩(wěn)定，流速過(guò)低，巖粉顆粒在超徑處懸浮沉積，停泵后易出現(xiàn)夾埋事故，泵量過(guò)大又會(huì)沖散巖心影響采取率，因此既要考慮泵量對(duì)孔壁的沖刷和對(duì)鉆頭胎體沖蝕的影響，又要保證巖粉排出，泵量調(diào)整為80 L/min。

4．5 沖洗液選擇及現(xiàn)場(chǎng)管理

4．5．1 沖洗液選擇

覆蓋層沖洗液配方:1 m3水+3% ～5%膨潤(rùn)土+0.2%燒堿+0.2%～0.5%中粘CMC+1%潤(rùn)滑劑。性能參數(shù):密度1.03～1.05 g/cm3，粘度30～34 s。

巖礦層沖洗液配方:1 m3水+300 ppm水解聚丙烯酰胺+1%～3%潤(rùn)滑劑。遇到孔內(nèi)漏失或破碎地層時(shí)添加2.5% ～4%土，0.2% ～0.3%CMC，性能參數(shù):密度1.02 ～1.04 g/cm3，粘度28 ～30s。

4．5．2 技術(shù)分析與調(diào)整

通過(guò)分析，采用加大沖洗液密度平衡地層壓力，同時(shí)要解決減小失水量和孔壁坍塌、掉塊的問(wèn)題，采用常規(guī)的加重泥漿會(huì)使沖洗液失水量加大，嚴(yán)重的情況下可能將漏失通道壓大造成沖洗液惡性漏失，因此最終將方案定為采用高模數(shù)水玻璃配制沖洗液，利用高模數(shù)水玻璃高密度、高粘度以及可發(fā)生膠凝、同時(shí)又能以膠液形式進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的特性來(lái)解決平衡壓力與堵漏這一矛盾。

選購(gòu)模數(shù)為3的鈉水玻璃膠液，現(xiàn)場(chǎng)使用水玻璃的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)為:模數(shù)3，濃度為50°Bé，氧化鈉含量8.2%，密度為1.36 g/cm3。配方:水+2%膨潤(rùn)土+8%硅酸鈉+3%KCl+0.01%燒堿。先按此配方配制的沖洗液進(jìn)行沖孔，反復(fù)循環(huán)12 h，然后下鉆進(jìn)行鉆進(jìn)，正常鉆進(jìn)40 m后，發(fā)現(xiàn)內(nèi)管提拉困難，并且發(fā)生吸鉆強(qiáng)力提拔出內(nèi)管后觀察發(fā)現(xiàn)水玻璃發(fā)生重度凝膠。此凝膠應(yīng)為水玻璃中的硅酸鈉在水的作用下發(fā)生水解反應(yīng)而產(chǎn)生的H2SiO3，其水解過(guò)程可以用下列的方程式表示:

Na2SiO3+2H2O=2NaOH+H2SiO3

從反應(yīng)式中可見(jiàn)，生成了H2SiO3，H2SiO3是一種不溶于水的膠體，要解決凝膠對(duì)提拉內(nèi)管阻礙的問(wèn)題，須抑制水玻璃的水解反應(yīng)。我們從2個(gè)方面入手:一是減少水玻璃的用量，將其用量調(diào)整為每立方米加量為5%;二是抑制其水玻璃的水化反應(yīng)，適當(dāng)調(diào)低其模數(shù)，方法是向其中加入NaOH。通過(guò)計(jì)算得出每立方米沖洗液中需加入調(diào)處理水玻璃的燒堿量為1.056 kg;同時(shí)為了處理加入膨潤(rùn)土的有害離子，按每立方米加入膨潤(rùn)土量的5%加燒堿進(jìn)行處理。則每立方米沖洗液中加入的燒堿總量為2.056 kg。

最終泥漿配方調(diào)整為:水+2%膨潤(rùn)土+5%硅酸鈉+3%KCl+0.21%燒堿+0.4%XC+3%乳化石蠟。其性能是:表觀粘度16.0 mPa·s，失水量14 mL/30 min，密度1.09 g/cm3，pH 值 12 ～13，漏斗粘度31 s。

按照調(diào)整后的泥漿配方，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，解決水玻璃漿液的過(guò)度膠凝問(wèn)題，又保證了沖洗液能正常循環(huán)。

4．5．3 沖洗液現(xiàn)場(chǎng)配制

現(xiàn)場(chǎng)用1 m3攪拌罐提前將膨潤(rùn)土攪拌，使其充分水化，加入1 kg燒堿，攪拌均勻后倒入泥漿坑中，然后將50 kg水玻璃膠液加1.056 kg燒堿攪拌均勻后倒入泥漿坑中與膨潤(rùn)土漿液混合，最后加入30 kg KCl，在池中充分?jǐn)嚢琛?/p>

4．5．4 沖洗液的現(xiàn)場(chǎng)管理

配制好的沖洗液在使用一段時(shí)間后，其性能會(huì)發(fā)生變化，在現(xiàn)場(chǎng)每班要測(cè)定沖洗液性能，根據(jù)沖洗液消耗量確定補(bǔ)充水玻璃溶液的量，一般是每鉆進(jìn)10 m需補(bǔ)充水玻璃溶液80 L，補(bǔ)充30 kg KCl，具體方法是將80 L水玻璃與1 m3水?dāng)嚢杈鶆虻谷肽酀{坑中，然后分2～3次將KCl溶于200 L水中加入泥漿坑，與坑內(nèi)沖洗液攪拌均勻。由于調(diào)整后的沖洗液屬于強(qiáng)堿性，因此在配制和施工過(guò)程中一定要佩戴防護(hù)眼罩和橡膠手套，避免沖洗液濺入眼中和沾到皮膚。

5 孔內(nèi)事故處理

在ZKA01孔的施工中出現(xiàn)的事故主要是孔壁坍塌和掉塊卡鉆。造成卡鉆的原因是沖洗液護(hù)壁效果不好，鉆進(jìn)中不能有效地平衡孔內(nèi)壓力。在本孔遇到卡鉆事故時(shí)，首先要保證沖洗液能夠循環(huán)，在泥漿泵能力允許下使用大泵量，先清潔鉆孔，然后再低擋回轉(zhuǎn)鉆具，上下竄動(dòng)，操作時(shí)要根據(jù)鉆機(jī)的拉力、回轉(zhuǎn)參數(shù)以及鉆機(jī)動(dòng)力負(fù)荷判斷回轉(zhuǎn)和提拉的力度，阻力變小時(shí)再緩慢提升。在復(fù)雜地層施工過(guò)程中，操作要細(xì)心謹(jǐn)慎，合理控制提下鉆速度，注意孔內(nèi)沖洗液循環(huán)情況，泵壓、鉆壓、稱(chēng)重等顯示及柴油機(jī)異常響動(dòng)，防止燒鉆、斷鉆;如果需要停機(jī)或出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)，應(yīng)將孔內(nèi)鉆具提出并回灌沖洗液;遇到卡鉆的情況不能野蠻施工，禁止強(qiáng)拉硬頂以防將鉆具卡死，從鉆具、沖洗液等方面進(jìn)行分析，找到原因，有針對(duì)性地制定解決方案。

6 調(diào)整后的方案實(shí)施效果

以往在埃坑南礦區(qū)施工過(guò)程中，使用低固相或無(wú)固相沖洗液經(jīng)常會(huì)發(fā)生孔內(nèi)事故，尤其在鉆遇斷層帶時(shí)，縮徑、掉塊卡鉆、斷鉆、塌孔等事故時(shí)有發(fā)生，而且鉆進(jìn)效率低下，斷層帶的巖心采取率也得不到保障。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整后的高粘水玻璃鉀基抑制沖洗液能夠正常循環(huán)，提管取心過(guò)程中在鉆桿內(nèi)壁及內(nèi)管外壁沒(méi)有出現(xiàn)凝膠，內(nèi)管提拉順利;并且沒(méi)有發(fā)生鉆孔坍塌、掉塊卡鉆等事故。順利鉆至終孔，巖心采取率達(dá)到了80%以上(見(jiàn)表1)，符合地質(zhì)要求。使用此沖洗液方案時(shí)，由于不及時(shí)補(bǔ)充水玻璃或泥漿攪拌不均勻也可能會(huì)發(fā)生鉆孔漏失，ZKA11孔即是此種原因，因此在現(xiàn)場(chǎng)一定要重視泥漿的日常維護(hù)，做到勤觀察、勤測(cè)量、勤補(bǔ)充，才能使此方案發(fā)揮到最佳效果。

ZKA01孔試驗(yàn)方案成功后，?？幽系V區(qū)后續(xù)鉆探施工中，使用高粘水玻璃鉀基抑制沖洗液，有效地解決了蠕變破碎地層縮徑和坍塌、掉塊問(wèn)題，保護(hù)了孔壁，平衡了地層壓力。

7 結(jié)語(yǔ)

埃坑南礦區(qū)鉆遇蠕變坍塌地層，施工過(guò)程中伴隨著孔壁縮徑、坍塌以及斷層角礫的掉落造成卡鉆等事故，使用高粘水玻璃配制鉀基抑制沖洗液，有效地緩解了斷層泥的縮徑、坍塌、掉塊;同時(shí)采用合理的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量也是在此類(lèi)地層中施工成功的重要因素。ZKA01孔的成功施工為本礦區(qū)后續(xù)鉆探施工積累了經(jīng)驗(yàn)、提供了參考方法。另外，在使用高粘水玻璃配制成沖洗液的過(guò)程中要不定期監(jiān)測(cè)沖洗液的各項(xiàng)參數(shù)，及時(shí)補(bǔ)充各種材料，保證沖洗液性能最佳。

表1 埃坑南工區(qū)鉆探施工成果

［1］ 賀文，周興旺，徐潤(rùn)．低黏度水玻璃化學(xué)注漿材料試驗(yàn)研究［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，39(4):45 －47．

［2］ 孫淑文．水玻璃模數(shù)調(diào)節(jié)與計(jì)算［J］．建井技術(shù)，1984，(2):26－28．

［3］ 胡恒鵬，徐智勇．水玻璃在固壁堵漏中的理論及應(yīng)用［J］．探礦工程，1985，(3):39 －43．

［4］ 汪傳武，張波，黃德強(qiáng)，等．馬達(dá)加斯加Sakoa煤田鉆探施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5):8 －11．

［5］ 鄭思光，趙志杰，左新明．查干德?tīng)査广f礦復(fù)雜地層鉆探技術(shù)探討與實(shí)踐［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(5):31－33．

［6］ 姜桂春，韓頌．繩索取心液動(dòng)錘在浩堯爾忽洞金礦復(fù)雜地層中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(10):13 －15．

［7］ 洪衛(wèi)東．甘陜工區(qū)鉆井防漏堵漏技術(shù)分析與建議［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(3):42 －45．

［8］ 羅永貴，王紅陽(yáng)，劉建華．小秦嶺金礦田北礦帶厚覆蓋層鉆探技術(shù)難點(diǎn)及對(duì)策［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(1):27 －29，32．

［9］ 李振學(xué)，王力功．南坪礦區(qū)鉬金礦段鉆孔坍塌防治實(shí)踐［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(3)．:35 －37．

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