郭俊杰，牛金山，張慶宇，胡殿濤

(河北省地礦局石家莊綜合地質(zhì)大隊，河北　石家莊　050085)

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平山縣秋卜洞銀礦區(qū)復(fù)雜地層沖洗液使用探討

郭俊杰，牛金山，張慶宇，胡殿濤

(河北省地礦局石家莊綜合地質(zhì)大隊，河北石家莊050085)

摘要：秋卜洞銀礦區(qū)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裂隙發(fā)育、綠泥石化蝕變帶地層較厚，容易產(chǎn)生漏水、漏漿、縮徑、掉塊、卡鉆、埋鉆等。通過運用合理的泥漿助劑沖洗液配方，起到經(jīng)濟、合理、有效的作用，達到安全高效施工目的，為該礦區(qū)施工減少了孔內(nèi)事故，提高鉆進效率、減少勞動強度，給地質(zhì)普查縮短了勘探周期，取得了顯著地社會效益和經(jīng)濟效益，同時為鉆探施工積累了豐富的施工經(jīng)驗，鍛煉了施工隊伍，給今后工作提供了有效的借鑒及技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞:復(fù)雜地層；沖洗液；護壁；堵漏

1礦區(qū)概況

秋卜洞銀礦區(qū)位于河北省平山縣觀音堂鄉(xiāng)秋卜洞、寺坪、常溝村區(qū)域。距離石家莊市約130公里，礦區(qū)內(nèi)山高路陡，交通欠發(fā)達，屬山區(qū)氣候，四季分明，春秋兩季溫度較低，晝夜溫差較大，這也給鉆探施工帶來較大的困難。為響應(yīng)國家整裝勘查政策，根據(jù)既有的地質(zhì)資料及相關(guān)的礦區(qū)資料，依據(jù)地質(zhì)工作者已經(jīng)完成的地質(zhì)普查工作，在本礦區(qū)設(shè)計鉆孔9個，孔深600~1200m， 傾角為75°~85°，本年度總工作量約為5800m。

2機械設(shè)備配置

根據(jù)設(shè)計孔深、當?shù)氐刭|(zhì)、地層條件、施工區(qū)域內(nèi)的施工難易程度，采用連云港黃海機械廠(原西北探礦機械廠)的HXY-5型鉆機施工，泥漿泵選用湖南衡陽探礦廠生產(chǎn)的BW-250型泥漿泵2臺套，鉆桿、鉆具，選用唐山金石生產(chǎn)的XJS75繩索取心鉆具。

3地層條件

該礦區(qū)主要地層為淺粒巖地層，主要成分為長石、石英。礦區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育，局部有深度在10~80m左右的綠泥蝕變帶，部分地層為石英斑巖。由于裂隙發(fā)育，鉆探施工中漏失水比較嚴重， 經(jīng)常需要采取泥漿助劑護壁與堵漏。在綠泥蝕變帶施工中，孔壁破碎、易坍塌、掉塊嚴重，部分地層存在縮徑現(xiàn)象，經(jīng)常發(fā)生卡鉆，埋鉆的事故，鉆進效率低，有時出現(xiàn)提鉆后下鉆下不到孔底，給鉆探施工埋下安全隱患，也造成極大困難，必須加以解決。

4沖洗液的配制

根據(jù)礦區(qū)地層條件復(fù)雜，裂隙多，綠泥蝕變帶較厚等原因，沖洗液的配制與護壁堵漏效果是完成本工程的首要任務(wù)。要想配制科學、合理、實用、有效的沖洗液配方，起到護壁、堵漏、防坍塌作用，順利地進行鉆探施工，就必須分清地層條件，依據(jù)不同的地層及地質(zhì)條件選用不同的鉆井液。然后合理、經(jīng)濟、有效的選擇沖洗液配方，為鉆探安全保駕護航。

4.1地層因素

本礦區(qū)在局部有深度不等的綠泥石化蝕變帶，綠泥石化蝕變帶具有縮徑、造漿分散、易引起黏附，易造成泥包、卡鉆，孔壁坍塌。分析該地層為水敏性地層，解決水敏性地層主要方案有如下幾點。

(1)避免大量自由水進入地層，降低泥漿濾失量。

(2)提高沖洗液的抑制性能。

(3)吸附、交聯(lián)或包被作用，加入高分子聚合物。

(4)封閉孔壁毛細通道，加入瀝青或溶脹性處理劑。

(5)調(diào)整鉆井液密度，平衡地層壓力。孔內(nèi)液體壓力差與地層中流體的壓力差是鉆井液失水的動力，盡可能的減少壓力差，維持平衡鉆進是減少鉆井液漏失的有效措施。

4.2鉆井液組成

要配制合理、經(jīng)濟、實用的泥漿沖洗液，就必須了解泥漿材料的組成，現(xiàn)就本項目施工中采用的幾種泥漿材料闡述如下。

鉆井液由泥漿助劑基礎(chǔ)材料及化學處理劑兩部分組成。鉆井液基礎(chǔ)材料是指在配漿中用量較大的基本部分，如膨潤土、水、油或重晶石等。處理劑是指用于改善和穩(wěn)定鉆井液性能，或為滿足鉆井液某些性能要求需要加入的化學添加劑。

4.3純堿的作用

(1)鈉化作用。通過離子交換使鈣膨潤土轉(zhuǎn)化為鈉膨潤土。因此配制鈣膨潤土漿加入適量純堿，可使泥漿失水量下降，黏度、切力增大。

(2)沉淀作用。調(diào)節(jié)pH值。

4.4CMC作用

羧甲基纖維素(CMC)為無毒無味的白色絮狀粉末，性能穩(wěn)定，易溶于水，其水溶液為中性或堿性透明黏稠液體， 可溶于其他水溶性膠及樹脂，不溶于乙醇等有機溶劑。

在固體礦產(chǎn)小口徑巖心鉆探泥漿護壁液中，CMC主要功能為降失水、增黏、抗鹽。一般配成2%~4%溶液， 主要作為降濾失劑使用。 在石油、天然氣的鉆探、掘井等工程性能如下：

(1)CMC的泥漿能使井壁形成薄而堅，滲透性低的濾餅，使失水量降低。

(2)泥漿加入CMC后，使得鉆機得到低的初切力，使泥漿易于放出裹在里面的氣體，同時把碎物很快棄于泥坑中。

(3)鉆井泥漿和其他懸浮分散體一樣，具有一定的存在期，加入CMC后能使他穩(wěn)定而延長存在期。

(4)含有CMC的泥漿，很少受霉菌影響，因此，無須維持很高的pH值，也不必使用防腐劑。

(5)含有CMC作鉆井泥漿洗井液處理劑，可抗各種可溶性鹽類的污染。

(6)含有CMC的泥漿，穩(wěn)定性良好，即使溫度在150℃以上仍能降低失水。 高黏度、高取代度的CMC適用于密度較小的泥漿，低粘度、高取代度的CMC適用于密度大的泥漿。使用CMC應(yīng)根據(jù)泥漿種類、孔深、地區(qū)、地質(zhì)條件不同，具體分析選擇性使用。

4.5腐植酸鉀作用

在固體礦產(chǎn)小口徑巖心鉆探護壁液體系中，腐植酸鉀主要作為稀釋劑、頁巖抑制劑。

(1)作為稀釋劑，主要用于相對簡單的泥漿體系，加量為1%~3%。

(2)作為頁巖抑制劑，兼有降黏、降濾失作用，可抗高溫180℃，一般加量為1%~3%。

4.6植物膠作用

植物膠具有增黏，降濾失的作用，主要用于無固相泥漿。由于植物膠易降解，使用時加入防腐劑，使用效果會更好，改性植物膠在實際使用中效果較好。

4.7沖洗液配方

根據(jù)本礦區(qū)地層條件和沖洗液工作機理，采用以下幾種沖洗液配方，在保證鉆孔安全順利施工鉆進的前提下，既經(jīng)濟合理，又提高鉆進效率。

(1)水+乳化油(俗稱皂化油)水+切削膏

在相對較穩(wěn)定的地層施工時，由于漏失水效果好，孔內(nèi)相對穩(wěn)定。采用沖洗液可以保證金剛石繩索取心鉆進工藝發(fā)揮最大鉆進效率。油基沖洗液潤滑性強，便于鉆機高速運轉(zhuǎn)，減少摩擦阻力，減小鉆桿鉆具磨損度，提高工作效率，充分發(fā)揮金剛石鉆進工藝的優(yōu)勢。

(2)水+水解聚丙烯酰胺(PHP)、水玻璃(俗稱泡花堿)+PAM+水+植物膠

在本礦區(qū)多數(shù)地層裂隙較發(fā)育，部分地層易坍塌，為了防止孔壁坍塌，減少阻力，合理利用處理劑的增黏，降失水，防坍塌的機理，同時保證金剛石在無固相條件下在高轉(zhuǎn)速施工。 其中水玻璃有強抑制性，PAM有絮凝性，對于本礦區(qū)綠泥石化蝕變帶較小的地層，可以達到保證正常鉆進的效果，孔壁保持穩(wěn)定。其中水玻璃加量為3%~10%，選用模數(shù)2.6~2.8，PAM加量為0.02%~0.04%。

(3)水+膨潤土+純堿+CMC+腐植酸鉀

在較厚的綠泥石化蝕變帶地層施工中，使用上述配方可以順利地進行鉆進。其中膨潤土要求使用鈉基膨潤土。純堿加量為2%~4%，CMC加量為2%~4%，膨潤土加量為50~80kg，腐植酸鉀加量為1%~3%。

(4)施工中遇到的困難

該礦區(qū)ZK-4503號鉆孔，鉆進深度達到650m處時，發(fā)生輕微卡鉆、掉塊等現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)巖心變性，有綠泥石化蝕變，巖心不完整，巖心采取率降低，容易堵塞內(nèi)管，回次進尺很少，有時300～400mm需要提內(nèi)管取心，有時一個回次進尺只有100mm左右，提大鉆是家常便飯，勞動強度急劇加大，考慮采用水玻璃+PAM無固相沖洗液鉆進。鉆進至720m處時，破碎嚴重，出現(xiàn)嚴重卡鉆，提鉆后巖心松散，再次下鉆時出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，下鉆需要重復(fù)幾次，邊下鉆邊掃孔，即使反復(fù)掃孔幾次，最終還是掃不到孔底，致使施工進度停滯不前，施工效率降低，施工難度加大。

圖1　使用水玻璃+PAM后的巖心

5處理措施

在技術(shù)人員對地層反復(fù)考證后，認為該地層為綠泥石化蝕變嚴重的水敏性地層。該地層既要考慮降失水，又要考慮地層的膨脹、縮徑現(xiàn)象，還要用一定的泥漿密度平衡地層壓力，抑制地層的壓力造成的縮徑。決定采用固相沖洗液配方鉆進，即選用優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土+純堿+CMC+腐植酸鉀作為解決該地層的沖洗液。在實際鉆探施工過程中，由于地層壓力及綠泥石化蝕變膨脹散落，提鉆重新下鉆后發(fā)現(xiàn)縮徑嚴重，孔內(nèi)提取巖心全為砂化。在此情況下，采用單管鉆具(不使用擴孔器、鉆頭、彈卡總成、內(nèi)管等)撈取巖心、泥漿泵不給水加干燒辦法。結(jié)果取出巖心滿管全是松散砂狀。由于阻力較大，造成鉆桿中間脫落。給施工人員帶來巨大的心理壓力。經(jīng)過幾天多次處理、撈取，最終把鉆桿撈出，后經(jīng)施工人員反復(fù)摸索、謹慎作業(yè)施工，采取分小段撈取巖心，撈出所有巖心至735m處。在到達735m處時，開始配制上述沖洗液、攪拌均勻。在實際施工中，先充分溶解CMC，在小型容器內(nèi)充分攪拌均勻，再倒入攪拌筒。各種處理劑要依據(jù)小分子先放入攪拌筒，大分子物質(zhì)最后放入。準備就緒后先用泥漿泵把攪拌均勻的沖洗液送入孔內(nèi)，在鉆進開始后，鉆進正常，未出現(xiàn)憋泵、泵壓過高、阻力過大、坍塌、縮徑等現(xiàn)象。證明沖洗液配制達到預(yù)期目的及效果。正常鉆進后， 經(jīng)過幾次反復(fù)校驗配比，最終取得了合理的配比，實現(xiàn)沖洗液經(jīng)濟、合理、效益最大化，順利穿過約110m的綠泥石化蝕變帶，圓滿完成該鉆孔施工任務(wù)，各項指標均能達到地質(zhì)要求，該孔終孔孔深為759.3m，歷時53天。

圖2　撈取的砂樣

6護壁與堵漏

本礦區(qū)裂隙發(fā)育，部分地層破碎嚴重，鉆進過程中經(jīng)常出現(xiàn)漏水，不返漿現(xiàn)象，給施工增加困難，容易出現(xiàn)卡鉆、燒鉆等鉆探事故。結(jié)合本礦區(qū)實際地層特點與鉆探施工經(jīng)驗，采用以下方法護壁堵漏。

(1)用聚丙烯+鋸末法

本礦區(qū)在破碎地層中出現(xiàn)鉆井液循環(huán)中漿液循環(huán)不正常，發(fā)現(xiàn)漿液漏失嚴重，以至于不返漿。首先采取聚丙烯加鋸末法，即用容器加入水，放入適量聚丙烯，加入一定比例鋸末，攪拌均勻， 卸開主動鉆桿，從孔口倒入，到孔底約20min后，接上主動鉆桿，低速轉(zhuǎn)動，開泵循環(huán)。如正常循環(huán)、泵壓不高， 則正常鉆進。

(2)水泥堵漏法

如用上述方法堵漏幾次不成功，即可考慮用水泥堵漏。水泥堵漏有時用快硬硫鋁酸鹽水泥(俗稱快干水泥42.5)，有時用礦渣硅酸鹽水泥(俗稱普通水泥32.5)加水玻璃，加入水玻璃利于水泥快速凝結(jié)成型。水泥堵漏應(yīng)注意以下事項：

A.水泥漿液的配置應(yīng)快速、適量、計算準確，以免在泵送過程中凝結(jié)，輸送困難。

B.根據(jù)孔深和漏失程度，選擇合理的水灰比，一般選擇水灰比0.5比較合適，既便于泵送，又利于漿液滲透到裂隙，達到封孔的目的。

C.用普通水泥封孔凝結(jié)時間較長，深孔水泥成柱狀較慢，掃孔時有時會出現(xiàn)水泥沒凝固成型，掃孔過程中可能產(chǎn)生卡鉆事故。一般即便封孔24h也不易成型。因而加入適量的水玻璃或三乙醇胺來縮短水泥凝固時間，根據(jù)鉆孔孔深及實際封孔效果，12h后即可掃孔。在鉆孔不是很深，蝕變帶較小的情況下，效果不錯。

D.水泥漿液的輸送方法：水泥漿液輸送可以采取以下幾種方法：1.從孔口直接倒入法，這種方式主要針對鉆孔較淺時，利用漿液自重流入、滲透，優(yōu)點是簡單便于操作，缺點是有時漿液成型后出現(xiàn)蜂窩狀，達不到封孔護壁的目的。2.用普雙Ф50內(nèi)方扣鉆桿泵送法，即把普雙Ф50內(nèi)方扣鉆桿放入距孔底一定距離，利用泥漿泵打入水泥漿，根據(jù)泵送時間、漿液埋入鉆桿的深度，及時停泵、起拔鉆桿，然后繼續(xù)注漿。此種方法優(yōu)點是水泥漿液均勻注入，壓力大，封孔效果好，缺點是目前大多數(shù)機臺裝備普雙Ф50內(nèi)方扣鉆桿不足。3.在套管口處用異徑接頭或套管接箍加工封堵套管的注漿堵頭，即利用在套管口接封閉堵頭，堵頭連接泥漿泵高壓膠管，另外堵頭的側(cè)面應(yīng)做一個放水閥門，便于控制封孔壓力和泥漿泵壓力。這種方法利于漿液在大泵壓下滲透裂隙，達到封孔目的，又不擔心注漿時鉆桿埋入孔內(nèi)，只要在需要時加工封孔堵頭即可，建議廣大鉆探工作者在遇到相關(guān)問題時采用此方法。

圖3　使用固相沖洗液的巖心

7結(jié)語

秋卜洞銀礦區(qū)復(fù)雜地層的鉆探施工過程中，充分證明了沖洗液在固體礦產(chǎn)鉆探施工中的重要性。廣大鉆探技術(shù)人員要對施工地層和泥漿材料有充分的認識，在沖洗液的配制中應(yīng)盡量做到科學、合理、便捷、經(jīng)濟，在深孔地質(zhì)勘探中更應(yīng)科學的、嚴謹、合理、有效的研究沖洗液的配制,充分認識高分子聚合物的化學機理，不斷探索新的聚合物配方，不斷加強泥漿助劑學習研究及合理運用，以提高鉆進效率，減少輔助時間，使沖洗液在國家礦產(chǎn)勘查開發(fā)中發(fā)揮更大的經(jīng)濟效益、社會效益。

參考文獻：(略)

作者簡介：郭俊杰(1973-)，男(漢族)，山西臨汾人，河北省地礦局石家莊綜合地質(zhì)大隊鉆探工程處技術(shù)負責、探礦工程師，石家莊市中山西路891號，Tel：15833219769，E-mail：268926243@qq.com。

收稿日期：2015-11-27

中圖分類號:P634.53

文獻標識碼：A

文章編號：1009-282X(2016)01-0037-04