王發(fā)民， 劉清山， 郭合偉， 何玉云， 曹學斌

(寧夏回族自治區(qū)核工業(yè)地質勘查院，寧夏 銀川 750021)

1 施工項目地質概況

1.1 礦區(qū)區(qū)域地質構造特征

甘肅省山丹縣曹家口金礦位于山丹縣大馬營鄉(xiāng)，大黃山主峰南側，屬中高山區(qū)，海拔最高3201 m，高差一般200～400 m。地勢陡峻，溝谷發(fā)育，覆蓋廣泛，荊棘叢生?？辈閰^(qū)內有大黃山復式向斜的次一級褶皺(大黃山背斜之南翼)，斷裂發(fā)育。礦區(qū)層間褶曲不發(fā)育，僅局部見有小型扭曲。地層產狀變化較大，且無規(guī)律，主要與斷裂作用有關。地層傾向一般10°～70°，局部傾向北西或南東，個別地段傾向南西。工作區(qū)內以走向逆斷層為主，平推斷層次之，主要斷裂有6條，鉆孔布置區(qū)域內主要存在一條F1逆斷層，該斷層位于工作區(qū)北東部邊緣長石石英雜砂巖中，兩端延長出測區(qū)外，長>4 km，對鉆探施工影響較大。

1.2 礦區(qū)鉆遇地層巖性特征

0～30 m，第四系沖積層、殘坡積層，地層破碎，沖洗液漏失嚴重。

30～260 m，主要為淺灰色長石石英雜砂巖夾板巖，地層裂隙發(fā)育、破碎，屬力學不穩(wěn)定地層，吸水膨脹、易分散，鉆探施工難度大。

260～600 m，主要為泥巖、石英砂巖及泥質板巖，少數(shù)地層硅化，地層較完整，可鉆性在6～8級。

2 鉆探技術難點及液動潛孔錘技術要求

2.1 鉆探技術難點

2015年寧夏核工業(yè)地質勘查院2臺全液壓動力頭鉆機在該礦區(qū)施工，共完成5個鉆孔，鉆探進尺1835 m，施工中，因地層破碎、坍塌、漏失等報廢鉆孔達4個。施工的1835 m進尺由2臺鉆機完成，耗時110 d，平均臺月效率255 m，鉆探成本約700元/m，巖心采取率在80%～85%。該礦區(qū)施工遇到的主要問題是：地層坍塌破碎，遇水易膨脹、分散，回次進尺<500 mm，常出現(xiàn)提下鉆遇阻、打撈巖心后再次下鉆不能順利下到孔底、開泵后出現(xiàn)泵壓升高、沖洗液不能正常循環(huán)等現(xiàn)象，需要反復掃孔循環(huán)才能重新鉆進；部分鉆孔漏失嚴重，經常出現(xiàn)沖洗液失返現(xiàn)象，漏速>5 m3/h，鉆具回轉阻力大，燒鉆等事故時有發(fā)生。

2.2 液動潛孔錘沖洗液技術要求

為提高施工效率和回次進尺，我們決定采用液動潛孔錘鉆進。液動錘是在沖洗液環(huán)境下高頻往復運動，因此沖洗液性能對其使用壽命和工作狀態(tài)影響很大，高含砂量、高固相含量和高粘度的沖洗液會加劇液動錘零件磨損，影響其使用壽命，也可能發(fā)生阻卡使液動錘停止工作。因此采用液動潛孔錘鉆進對沖洗液性能有較嚴格的要求，除要求沖洗液具有良好的護壁性能外，還要求沖洗液具有較低的含砂量(含砂量<0.5%)、較低的粘度、較低的密度(一般為1.0～1.1 g/cm3)、低切力、低失水量及強抑制性和良好的潤滑性能。

3 沖洗液優(yōu)選

針對施工中存在的鉆探技術難題，綜合考慮液動錘沖洗液性能特性，選擇沖洗液必須滿足以下兩方面技術要求：一要有很好的護壁效果，確?？妆诜€(wěn)定；二要滿足液動潛孔錘要求的工作技術參數(shù)，確保液動錘能正常工作。為此，根據鉆遇地層特點和施工工藝要求，我們分段設計了沖洗液技術方案。

3.1 覆蓋層沖洗液的優(yōu)化選擇

覆蓋層地層較松散破碎，要求沖洗液具有低失水量和適當?shù)恼扯?，結合大量室內沖洗液優(yōu)選評價實驗，最終優(yōu)選出一套低固相沖洗液體系在開鉆時使用。配方：1 m3水+30 kg鈉土+5 kg HV-CMC+10 kg無熒光防塌潤滑劑+40 kg腐植酸鉀+1 kg水解聚丙烯酰胺+1 kg NaOH。沖洗液性能參數(shù)：密度1.02 g/cm3，馬氏漏斗粘度49 s，表觀粘度23 mPa·s，塑性粘度18 mPa·s，動切力10 Pa，動塑比0.56，失水量6 mL/30 min。

3.2 30 m以深巖層沖洗液的優(yōu)化選擇

根據以往施工資料，該礦區(qū)23～260 m主要為淺灰色長石石英雜砂巖夾板巖，地層裂隙發(fā)育、破碎，屬力學不穩(wěn)定地層，吸水膨脹，容易分散，鉆探施工難度大。為了保證施工質量，下完表層套管后更換SYZX96型繩索取心液動潛孔錘鉆具，要求沖洗液具有較好的護壁護心效果，同時能滿足液動潛孔錘的正常工作。

為了滿足現(xiàn)場施工需要，在室內對23 m以深巖層鉆進時沖洗液配方進行了優(yōu)選和評價，初步優(yōu)選出成膜1、成膜2、無固相1和無固相2四組沖洗液配方：其中成膜體系1是2015年我單位從北京探礦工程研究所引進的沖洗液體系，成膜體系2是我們根據現(xiàn)場沖洗液材料設計的備選沖洗液方案。

成膜1：1 m3水+1 kg NaOH+50 kg成膜A劑+40 kg成膜B劑+10 kg防塌減阻劑+20 kg封堵劑+10 kg增粘劑。

成膜2：1 m3水+1 kg NaOH+50 kg成膜A劑+40 kg成膜B劑+10 kg防塌減阻劑+15 kg LV-CMC。

無固相1：1 m3水+20 kg植物膠+20 kg LV-CMC+10 kg潤滑劑+30 kg腐植酸鉀+1 kg水解聚丙烯酰胺+1 kg NaOH。

無固相2：1 m3水+15 kg HV-CMC+10 kg無熒光防塌潤滑劑+20 kg腐植酸鉀+1 kg水解聚丙烯酰胺+1 kg Na2CO3。

以上4組沖洗液體系具體性能參數(shù)見表1。

表1 沖洗液性能參數(shù)

實驗表明，幾組沖洗液配方的性能參數(shù)基本合理，滿足攜帶和沉降巖粉的需要，但是施工礦區(qū)的地層比較松散破碎,因此幾組沖洗液體系的護壁效果還需要進一步的驗證。為確保現(xiàn)場施工的順利，我們選取了山丹縣曹家口金礦松散破碎層位的巖心進行了室內“巖心浸泡實驗”，分別以清水、成膜1、成膜2、無固相1和無固相2作為浸泡介質，實驗效果如下。

(1)清水浸泡實驗(見圖1)。

圖1 清水浸泡實驗

實驗結果：清水浸泡2.5 min，巖心樣品完全分散剝落。

(2)成膜體系浸泡實驗(見圖2～3)。

圖2 成膜體系浸泡前巖心

圖3 成膜體系浸泡4 h

實驗結果：成膜體系1、2浸泡4 h后，巖心表面光滑，沒有出現(xiàn)分散剝落現(xiàn)象。

(3)無固相沖洗液浸泡實驗(見圖4～5)。

圖4 無固相體系浸泡前巖心

實驗結果：無固相體系1浸泡4 h后巖心表面開始變得松軟，無固相體系2浸泡4 h后，巖心分散成碎塊。

在室內對幾種沖洗液體系評價的基礎上，對礦區(qū)松散破碎巖心樣品進行了浸泡實驗，實驗結果表明成膜體系1、2具有較好的“護壁護心”效果，在巖心表面形成了一層致密的“薄膜”，避免了沖洗液中的水分對巖心的侵蝕，同理，在鉆進過程中，在孔壁上應該也能形成致密的泥皮，防止沖洗液中的水分對孔壁巖層的侵蝕，確?？妆诜€(wěn)定。但是成膜體系2成本相對較低，因此計劃在地層較完整時采用成膜體系2，以降低成本。在地層較復雜時，為了維持孔壁穩(wěn)定，采用成膜體系1作為最優(yōu)沖洗液方案。是否能滿足液動潛孔錘的正常工作，需要現(xiàn)場進一步驗證。

圖5 無固相體系浸泡4 h

3.3 漏失孔段沖洗液方案

沖洗液漏失的根本原因是孔內液柱相對于巖層產生壓差，以及巖石中存在有漏失通道，即鉆孔-地層系統(tǒng)存在壓力不平衡和巖層中有漏失通道這兩個方面。根據2015年的施工資料，山丹縣曹家口金礦在鉆進中發(fā)生的漏失以滲漏為主，個別孔段存在裂縫性漏失?，F(xiàn)場發(fā)生滲漏時，當漏速<2 m3/h時，適當提高成膜體系中封堵劑和增粘劑的加量，避免使用大顆粒堵漏材料對液動潛孔錘造成堵塞，實現(xiàn)快速鉆進；當發(fā)生裂縫型漏失，將采用施工前設計的沖洗液堵漏方案進行橋接堵漏，堵漏成功后再轉化為成膜體系1配合液動潛孔錘繼續(xù)鉆進，具體堵漏方案見表2。

表2 針對不同裂縫寬度的堵漏方案

4 沖洗液現(xiàn)場應用

以ZK302孔為例，2016年9月19日開鉆，覆蓋層厚約30 m，采用PQ繩索取心鉆具開孔，沖洗液使用優(yōu)選出的無固相體系，鉆進過程中漏失嚴重，泥漿消耗量較大(達到2.5 m3/h)，鉆速為1.5～2.0 m/h，增加HV-CMC的加量提高沖洗液的粘度，漏失得到控制(降為1.0 m3/h)；鉆進至45 m，有小段較完整巖石出現(xiàn)，提鉆下入PQ套管。沖洗液上返情況變好，但仍有較輕微滲漏，但能正常循環(huán)鉆進。沖洗液更換為成膜體系2，循環(huán)1 h后下入繩索取心液動潛孔錘鉆具繼續(xù)鉆進，鉆頭選擇為?96 mm平底金剛石鉆頭，環(huán)齒形狀，胎體硬度HRC25～45；泥漿泵泵量為60～90 L/min；轉速在300～550 r/min。

鉆進至孔深127.02 m，因孔內鉆遇漏失型裂縫，漏失嚴重，泥漿失返，漏失量達到2.5 m3/h，提高沖洗液粘度后漏失仍得不到控制，提鉆堵漏。

堵漏措施：按配方“沖洗液+3%核桃殼+0.75%棉籽殼+1%鋸末”配制堵漏漿液3.0 m3，泵入后靜止憋壓2 h，開泵循環(huán)，沖洗液返出量逐漸加大并恢復正常，沖洗液更換為成膜體系2，同時加大封堵劑GFD-1的加量，防止再次發(fā)生漏失，循環(huán)30 min，繼續(xù)下液動潛孔錘鉆進，后續(xù)施工順利，沒有出現(xiàn)沖洗液漏失、提下鉆遇阻及回轉阻力大等復雜情況。

通過合理設計和使用沖洗液，液動潛孔錘工作正常，孔壁穩(wěn)定，取心質量明顯提高，平均采取率達到95%以上，解決了在該礦區(qū)鉆探施工中遇到的復雜情況，沒有發(fā)生孔內事故，鉆探施工效率和質量明顯提高，施工情況統(tǒng)計見表3。

表3 施工效果對比

由表3可看出，采用合理的沖洗液方案，確保了液動潛孔錘的工作效率，回次進尺明顯提高，使得鉆孔回次數(shù)降低，施工效率提升，平均提高68%；全孔巖心采取率達到95.5%，平均提高5%，最大提高8.21%；采用液動潛孔錘平均臺月效率681.85 m，平均提高21%；未發(fā)生孔內事故，降低了鉆探成本。

5 結語

通過室內實驗和現(xiàn)場驗證相結合的研究方法，初步探討了甘肅省山丹縣曹家口金礦區(qū)復雜地層液動錘鉆進沖洗液類型，提出了相應的沖洗液和輔助的堵漏配方。

對于低固相沖洗液體系和無固相沖洗液體系，結合鉆遇巖性特點、沖洗液流變性參數(shù)及成本因素，選擇低固相沖洗液體系作為覆蓋層鉆進時的沖洗液方案，鉆進效率和巖心采取率指標表現(xiàn)良好，事故率明顯下降，整個鉆進過程未出現(xiàn)繩索取心鉆具內管結垢和鉆頭包泥現(xiàn)象。從成本考慮，低固相沖洗液體系成本僅為無固相沖洗液體系55%左右。

對于成膜沖洗液體系1和成膜沖洗液體系2分別在山丹曹家口金屬勘查礦區(qū)進行了現(xiàn)場應用對比實驗，結果表明，兩個沖洗液配方應對復雜地層效果明顯，能夠滿足液動潛孔錘工作效率的正常發(fā)揮。就成膜沖洗液體系兩種配方比較，成膜體系2經濟性更好，適合在地層相對完整的情況下使用，可以降低沖洗液成本約30%，在地層相對復雜的情況下及時加入封堵劑和增粘劑轉換為成膜體系1繼續(xù)鉆進。

通過甘肅山丹曹家口金礦鉆探堵漏實驗，單孔沖洗液消耗明顯減少，臺班效率明顯提高，推薦的堵漏配方表現(xiàn)出了良好的堵漏效果。

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