王 迪

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局321地質(zhì)隊，安徽 銅陵 244033)

1 施工概況

安徽省銅陵市龜山深部銅金礦區(qū)是長江中下游成礦帶內(nèi)具有代表性和典型性的大型銅、金礦田[1]。礦田內(nèi)構造活動、巖漿作用及成礦作用復雜。礦區(qū)內(nèi)主要地層包括：上部為灰?guī)r，夾泥質(zhì)頁巖；中部為硅質(zhì)巖夾硅質(zhì)頁巖，夾粉砂巖夾炭質(zhì)頁巖；底部以大理巖夾燧石夾矽卡巖為主，夾雜含銅金大理巖。本區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構造及地層條件復雜，存在數(shù)層煤層及嚴重風化層。礦區(qū)圍巖硅化、碳酸鹽化蝕變較普遍。

ZK141鉆孔位于銅陵市獅子山區(qū)俞村境內(nèi)，設計孔深1250 m。開孔采用?150 mm金剛石鉆具鉆進至14.75 m，穿過浮土、碎石土見較完整新鮮基巖即下入?146 mm套管，改用?130 mm金剛石鉆具鉆進16.7 m，下?127 mm套管；換?110 mm金剛石鉆具鉆進至 98.75 m左右穿過風化層，即下?108 mm套管；換?95 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進至834.65 m左右，穿過風化煤層見硅質(zhì)巖后下入?89 mm套管；更換?75 mm繩索取心鉆具鉆至終孔。

2 鉆遇問題及鉆井液對策

第四系覆蓋層松散、破碎，因破碎物直徑較大，多為山上落石，坡體滾石，開孔使用粗分散泥漿鉆進，如此鉆至16.7 m后改用PHP泥漿，其性能指標為：密度1.01～1.05 g/cm3，漏斗粘度17～19 s，pH值9～10，潤滑系數(shù)0.13～0.15。開鉆后事故頻發(fā)，鉆進過程極為困難，歷時3個月，鉆進至688 m。主要孔內(nèi)問題如下：

(1)鉆桿內(nèi)壁結垢。由于龜山礦區(qū)地層局部較為破碎，繩索取心鉆進切削巖屑粉顆粒大且?guī)r粉不易沉淀，被高速離心力甩向鉆桿內(nèi)壁；另外，受獅子山區(qū)地形限制，泥漿循環(huán)系統(tǒng)的總長度不能滿足泥漿中巖粉顆粒的沉降要求，致使巖粉沉淀效果不佳，固相含量偏高。泥漿循環(huán)過程中容易在鉆桿內(nèi)壁形成結垢，導致鉆桿實際內(nèi)徑縮小，使打撈內(nèi)管困難[2-3]。

(2)垮塌嚴重。鉆進至420～680 m遇嚴重風化層、炭質(zhì)頁巖以及數(shù)層煤層，尤其厚達18 m的風化層結構破碎，膠結性差，脆性松散。鉆進過程中，孔壁垮塌嚴重。鉆至714 m處，因發(fā)生嚴重塌孔，起大鉆后都要掃孔6～8 h才能到底，鉆進效率難以提高，而且鉆進時常出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，給鉆探生產(chǎn)帶來了極大困難。

針對上述問題，沖洗液應主要從防塌能力著手，最大程度減輕井壁垮塌；適當提高泥漿的粘度，以確保鉆屑順利返排至地面；增強泥漿的絮凝能力，使得泥漿在地面沉淀池內(nèi)快速沉淀；降低沖洗液中的固相含量，避免過高的固相含量在鉆桿的高速旋轉作用下在鉆桿內(nèi)壁結垢。

常用的無固相鉆井液包括聚丙烯酰胺沖洗液如PHP沖洗液、硅酸鹽沖洗液以及聚乙烯醇沖洗液等[4-6]。通常情況下，當?shù)貙酉鄬Ψ€(wěn)定時，采用PHP沖洗液可起到良好的潤滑、減振效果，有利于繩索取心工藝效能的發(fā)揮。但是，當存在破碎帶、強水敏地層時，聚丙烯酰胺難以防止井壁失穩(wěn)的發(fā)生，而硅酸鹽和聚乙烯醇由于獨特的防塌機理，此時可起到良好的防塌效果[7-12]。其中，對于聚乙烯醇沖洗液而言，在氫鍵的作用下，聚乙烯醇分子間會發(fā)生緊密的連接而形成穩(wěn)定的體型結構，而且聚乙烯醇分子與巖石間的吸附也比較牢固。此外，由于聚乙烯醇分子的長鏈烴基是憎水基團，能夠排斥水分子，所以，它自身具有向固-液界面遷移的趨勢，可以在巖石表面鋪展成膜而阻止水分子對巖石表面的侵襲，從而起到穩(wěn)定散粒體的作用。為此，本鉆孔后續(xù)施工考慮采用無固相聚乙烯醇沖洗液，一方面該沖洗液本身不含固相，即便部分鉆屑混入，也較大程度減少了固相含量，可降低鉆桿內(nèi)壁結垢的風險；另一方面，聚乙烯醇本身成膜能力強，防塌效果優(yōu)異，抑制性強，可以抑制鉆屑在泥漿中進一步分散。

3 無固相聚乙烯醇沖洗液配制

3.1 聚乙烯醇加量確定

所選用的聚乙烯醇的醇解度為98%以上，分子式為—[CH2-CH(OH)—]n，聚合度n約為2000。其良好的成膜性取決于疏水主鏈上帶有親水側基，而且該親水側基與水的吸引力大于其本身的內(nèi)聚力，單分子鏈節(jié)與巖石表面發(fā)生牢固的“平臥式”吸附，從而起到膠結松散巖石、保護孔壁的作用[13]。在金剛石繩索取心鉆進中，由于環(huán)空間隙小，要求沖洗液的粘度不能過高。因此，配制不同濃度的聚乙烯醇溶液，分別測試其表觀粘度值如圖1所示，以確定較為合適的加量。

圖1 表觀粘度隨聚乙烯醇濃度的變化

從圖1可知，隨著聚乙烯醇濃度的增加，表觀粘度逐漸增加；當加量超過3%時，其粘度基本呈指數(shù)趨勢急劇增加，過高的粘度對于泵壓影響較大，也會由于壓力“激動”而產(chǎn)生井壁失穩(wěn)的問題，所以，結合巖心鉆探?jīng)_洗液粘度要求，將聚乙烯醇的加量控制在3%以內(nèi)是比較合適的。

3.2 巖心碎塊浸泡試驗

取部分現(xiàn)場風化帶巖心碎塊，分別置于不同濃度的聚乙烯醇溶液和清水中，觀察并記錄其外觀形貌的變化情況，結果如表1所示。

表1 巖心碎塊在不同加量聚乙烯醇溶液中浸泡現(xiàn)象

由表1可知，現(xiàn)場巖心碎塊的水敏性極強，在清水環(huán)境內(nèi)浸泡不到30 s的時間就已經(jīng)完全水化崩散。在含有聚乙烯醇的溶液中，巖心發(fā)生水化的速度減緩，尤其是當聚乙烯醇的濃度達到3%時，巖心在浸泡過程中基本無明顯變化，一定程度上表明聚乙烯醇具有穩(wěn)定井壁的作用。

3.3 降濾失劑的選擇

實驗發(fā)現(xiàn)，以聚乙烯醇配制的沖洗液在做失水量試驗時基本為全濾失，這對于防止井壁失穩(wěn)也是不利的。所以，使用常用的降失水劑添加到聚乙烯醇溶液內(nèi)，測試其失水量的變化情況。由表1可知，聚乙烯醇加量在3%時具有很強的穩(wěn)定巖心碎塊的能力，但是此時的表觀粘度已經(jīng)達16 mPas左右，對于巖心鉆探而言粘度已略微偏高，復配以其它降濾失劑時有可能導致粘度繼續(xù)增加而引起泵壓過度增大。而聚乙烯醇濃度在2%時已經(jīng)具有較強的穩(wěn)定巖心碎塊的能力，從成本以及復配處理劑時沖洗液有可能繼續(xù)增粘等方面考慮，暫定聚乙烯醇的濃度為2%，分別添加磺化酚醛樹脂(SMP)、植物膠(CL-1)、磺化瀝青粉(FT-342)以及磺化褐煤樹脂(SPNH)，加量均為2%，測試上述降失水劑對其粘度與失水量的影響，測試結果見表2。

表2 不同降失水劑對聚乙烯醇溶液的性能影響

由表1可知，CL-1對粘度影響比較大，也具有良好的降失水的能力，可以作為提粘型降失水劑；而SMP、SPNH和FT-342均對粘度影響較小，相對而言SPNH和FT-342的降濾失效果更好。而且FT-342本身具有一定的封堵能力和潤滑作用，所以更加適合在此處使用。

4 現(xiàn)場應用

4.1 現(xiàn)場配制

聚乙烯醇在水中溶解速度慢，高醇解度的聚乙烯醇難以在冷水中溶解，所以，需要在熱水中邊攪拌邊加入以加快溶解速度。加熱過程中需要連續(xù)攪拌，以防止局部受熱嚴重而導致聚乙烯醇糊化。待溶解充分后，再補充到配漿水中適當稀釋至所需濃度。配漿水水質(zhì)對于聚乙烯醇的溶解有一定的影響，當配漿水中鈣鎂離子濃度過高時會降低聚乙烯醇的溶解能力，嚴重者會導致部分聚乙烯醇析出。當配漿水pH值<7時，可使用碳酸鈉進行適當調(diào)整，確保配漿水的pH值在7.5左右，達到一個弱堿環(huán)境，以清除部分鈣鎂離子。

提粘劑植物膠分子量較大，需要預先在水中浸泡、攪拌，充分水化后配制成高濃度的膠液，并補充到聚乙烯醇溶液中去，邊補充邊攪拌，直到漏斗粘度達到30 s左右。FT-342在水中的溶解能力強，添加時可直接補充到攪拌罐內(nèi)。待徹底攪拌均勻后將所配沖洗液排放至泥漿池內(nèi)備用。

4.2 無固相沖洗液的維護

聚乙烯醇具有強烈的絮凝鉆屑的能力，所以，在使用該無固相沖洗液時需要先將前期使用的泥漿進行徹底置換，并且嚴格清洗地面循環(huán)槽、沉淀池和泥漿池，確保泥漿循環(huán)過程中無殘留的井漿混入到該無固相沖洗液內(nèi)。替漿完成后，小排量循環(huán)，將孔內(nèi)沉淀的鉆屑攜帶至地面，此時，聚乙烯醇將在井壁上快速吸附，也會在鉆屑表面發(fā)生吸附，導致有效物含量降低，粘度下降很快，所以需要持續(xù)補充聚乙烯醇的用量。待孔內(nèi)鉆屑返排充分后，即可按照配方要求進行正常配制和維護。

4.3 現(xiàn)場使用

ZK141孔在530～688 m段鉆遇大段風化破碎帶，上部掉塊、輕微坍塌不斷，無法掃到孔底。688 m后，鉆進9 m完整巖層，至697 m又遇18 m厚風化煤系地層，由于煤層性質(zhì)硬、脆、碎，以及煤層底板粘土巖縮徑，繼續(xù)下鉆鉆進時孔壁不斷坍塌、掉塊、縮徑，反復掃孔，孔內(nèi)沉渣多，常常出現(xiàn)內(nèi)外管間隙被沉渣卡死，無法順利打撈巖心管。從688 m掃孔至714.9 m，掃孔歷時5 d，且鉆孔內(nèi)沉渣越聚越多，越掃越淺，情況未見好轉。

通過現(xiàn)場分析和小樣實驗，將常規(guī)低固相沖洗液改為聚乙烯醇無固相沖洗液，按照2%聚乙烯醇+0.1%植物膠+2%FT-342的配比配制，徹底清理地面循環(huán)系統(tǒng)后全孔替漿，最小排量掃孔、循環(huán)2.5 h左右后到達孔底。鉆進過程中，再未發(fā)生因為鉆桿內(nèi)壁結垢而造成打撈內(nèi)管失敗的現(xiàn)象。據(jù)所取巖心觀察，714～ 834 m孔段的地層仍為破碎炭質(zhì)頁巖及煤層，巖心呈粉末狀，見圖2。穿過該破碎段后鉆進至1027 m進入完整巖層，直致達到終孔深度1256.05 m。現(xiàn)場實踐表明，無固相聚乙烯醇沖洗液對垮塌地層起到了較好的護壁效果。

圖2 ZK141孔孔深782 m左右處巖心

5 結論

(1)安徽省龜山銅金礦區(qū)超厚破碎帶井壁垮塌嚴重，采用普通低固相沖洗液難以起到有效的護壁效果，通過采用無固相聚乙烯醇沖洗液順利鉆穿了易垮炭質(zhì)頁巖及煤系地層。

(2)聚乙烯醇沖洗液能夠最大程度保證巖心碎塊在浸泡過程中不發(fā)生崩散，抑制性強，但是失水量偏大，需要補充FT-342等降失水劑控制失水量。

(3)聚乙烯醇對鉆屑有較強的絮凝作用，使用時需要確保循環(huán)槽、泥漿池、攪拌罐等徹底清洗干凈，避免與聚乙烯醇接觸時影響使用效果。