武羽曉邢立亭袁春鴻呂晶
(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),山東 濟(jì)南 250014;2.山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心,濟(jì)南 250014;3.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,山東 濟(jì)南 250002)
鉀鹽為我國急緊缺資源,進(jìn)口依賴程度高,國內(nèi)僅在青海省等局部區(qū)域內(nèi)有分布,大多數(shù)是從液態(tài)鹵水中提取,固態(tài)鉀鹽礦層鉆探工程在國內(nèi)相對(duì)其它礦種較少,總體鉆探時(shí)效偏低。實(shí)施“走出去”戰(zhàn)略,在境外建立鉀鹽基地是長遠(yuǎn)之計(jì)。剛果盆地某礦區(qū)內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的鉀鹽礦產(chǎn)資源,沉積厚度167.00~635.25 m。中方駐剛果公司獲得了剛果盆地某礦區(qū)的鉀鹽礦勘探許可。鉀鹽水敏性極強(qiáng),會(huì)吸收空氣中的水分而溶解,取芯質(zhì)量要求高(王衛(wèi)民和仲玉芳,2011)。以前國內(nèi)實(shí)施鉀鹽礦層鉆探以飽和液作為沖洗液,隨著孔內(nèi)溫度與壓力的變化,飽和液的組分需及時(shí)作出調(diào)整,實(shí)際上勘探現(xiàn)場(chǎng)對(duì)飽和液的調(diào)整是滯后的,由于鉀鹽的水敏性特點(diǎn),經(jīng)常出現(xiàn)巖芯表面被溶解,甚至溶解到無法采取巖芯的現(xiàn)象,表現(xiàn)為取芯率低,鉆探時(shí)效低等不足。為提高鉀鹽礦層鉆探取芯質(zhì)量,提高鉀鹽礦層鉆進(jìn)時(shí)效,對(duì)鉀鹽礦層鉆探工藝進(jìn)行了研究。以油基泥漿為沖洗液,采用金剛石鉆頭工藝技術(shù),機(jī)械鉆速為0.32~0.36 m/h,油基泥漿平均實(shí)用量為4.99 m3/100 m。研究清楚鉀鹽物理特性及復(fù)合片鉆頭在軟—中硬度巖石剪切破巖機(jī)理(李田軍,2012;李琴等,2016)。嘗試復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù),采用復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù),機(jī)械鉆速有了顯著提高,達(dá)到0.43~0.84 m/h,與金剛石鉆頭工藝技術(shù)相比,平均提高了0.88 倍,油基泥漿平均用量降低為1.50 m3/100 m,降低了3.49 m3/100 m。復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù)在鉀鹽礦層鉆探中,明顯節(jié)約時(shí)間、節(jié)約成本。
剛果共和國奎盧省某鉀鹽礦區(qū)為本文研究區(qū),西臨大西洋東岸,南距剛果共和國黑角市約30 km,黑角市為非洲重要港口城市,海上交通運(yùn)輸條件良好,可通航歐、亞、非、美多個(gè)國家和地區(qū),區(qū)域位置圖見圖1。
圖1 研究區(qū)區(qū)域位置簡圖
區(qū)域上主要有古元古界(Pt1)、白堊系(K)、新近系(N)、第四系(Q)地層,勘探區(qū)東部分布有古生代早期侵入的巖漿巖,巖性主要為中細(xì)粒花崗閃長巖。古元古界出露于東北部,巖性主要為二云片巖、細(xì)粒大理巖、滑石片巖、石英巖等,厚度大于200 m。白堊系在研究區(qū)廣泛分布,分三段,下段陸相沉積,中段鹽類沉積,上段海相沉積,與下伏古元古界之間為角度不整合接觸,其中,陸相沉積頂板埋深602.00~909.03 m,巖性為砂巖及粉砂巖,厚度不詳;鹽類沉積頂板埋深260.65~518.85 m,厚度167.00~635.25 m,巖性為石鹽巖、光鹵石巖、二者呈互層狀,局部發(fā)育水氯鎂石巖、瀝青頁巖;海相沉積頂板埋深127.95~200.10 m,厚度60.55~148.22 m,巖性為白云質(zhì)粉砂巖。新近系出露于西部沿海一帶,多被第四系覆蓋,厚度30.52~99.20 m,巖性多為半固結(jié)粉砂巖、粘土質(zhì)粉砂。第四系區(qū)內(nèi)普遍分布,厚度88.37~145.06 m。白堊系中段是本文鉆探研究層。
本文主要研究鉀鹽礦層鉆探,為了后續(xù)巖礦試驗(yàn)的順利開展,采用了相對(duì)大口徑Ф97.5 繩索取芯鉆探工藝(李飛躍,1991;劉維鵬等,2012;盧予北等,2012;王永全等,2012;王達(dá)和何遠(yuǎn)信,2014;楊相茂等,2014)。本文工藝技術(shù)是針對(duì)鉀鹽礦層鉆探形成的結(jié)論,不涵蓋鉀鹽礦層上覆砂巖及以上地層。
本次研究共實(shí)施了7 個(gè)鉆孔,鉆孔編號(hào)分別為zk01、zk02、zk03、zk04、zk05、zk06、zk07,首先采用的金剛石鉆頭工藝技術(shù)實(shí)施了zk01、zk02 兩個(gè)鉆孔,鉆探中摸索調(diào)整鉆探規(guī)程中各參數(shù),鉆探時(shí)效不理想,一般為0.5 m/ h 左右;研究鉀鹽物理特性,咨詢考察了復(fù)合片鉆頭在軟—中硬度地層破巖機(jī)理后,然后采用復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù),實(shí)施了zk03、zk04、zk05、zk06、zk07 五個(gè)鉆孔,鉆探摸索過程實(shí)際就是鉆探參數(shù)調(diào)整優(yōu)化的過程(李金鎖等,2015)。鉆孔平面布置圖(圖2)。
圖2 鉆孔平面布置圖
地質(zhì)資料研究表明(欒元滇等,2012;周興濤等,2015),硬質(zhì)石膏層為進(jìn)入鉀鹽礦層的標(biāo)志層。鉀鹽礦體一般埋深于地下260.65~909.03 m,厚度167.00~635.25 m。鉀鹽礦體上覆為海相沉積層,以白云質(zhì)砂巖為主,厚度60.55~148.22 m;海相沉積層上覆為新近系,巖性為粉砂巖、粘土質(zhì)粉砂為主,厚度30.52~99.20 m;最上層為第四系,主要粉砂及細(xì)砂,厚度88.37~145.06 m。鉆探揭露鉀鹽礦層有:石鹽巖、光鹵石巖、水氯鎂石巖、溢晶石巖等均為可溶性巖體,厚度較大,巖性硬度低??碧浆F(xiàn)場(chǎng)所取鉀鹽礦層巖芯實(shí)物圖如圖3 所示。
圖3 鉀鹽礦層巖芯實(shí)物圖
本次鉀鹽礦層鉆探研究,采用繩索取芯工藝技術(shù),主要鉆探設(shè)備參數(shù)如下:XY-5 型巖芯鉆機(jī)、BW-320型柱塞式泥漿泵、SC-95 型繩索取芯鉆具、SJ-3000 繩索絞車等、鉆頭:S 95 +2.5 mm 表鑲?cè)嗽旖饎偸@頭(鉆頭底唇“圓弧”型,胎體硬度HRC 20)、S 95+2.5 mm 復(fù)合片鉆頭兩種(潘起峰等,2005)、鉆桿及鉆桿接手等(胡中立,1991,姜光忍等,2009)。
采用三級(jí)口徑、二級(jí)套管的鉆孔結(jié)構(gòu),鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。
圖4 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖
(1)金剛石鉆頭,破巖作用是由金剛石顆粒完成的。
單粒金剛石在鉆壓作用下使巖石處于極高的應(yīng)力狀態(tài)下(約4200~5700 MPa),使巖石發(fā)生巖性轉(zhuǎn)變,由脆性變?yōu)樗苄?。單粒金剛石吃入地層,在扭矩作用下切削破巖,切削深度基本上等于金剛石顆粒的吃入深度,切削厚度小、切入深度小,鉆探過程產(chǎn)生巖屑顆粒較細(xì)小,大多巖屑粒徑在40 μm 左右,這樣粒徑巖屑,等同于泥漿中的固相物,隨鉆探工程的推進(jìn)會(huì)逐漸增大(鄧清松和張中,2013;何建平等,2018)。金剛石鉆頭工藝技術(shù),它的優(yōu)勢(shì)在高轉(zhuǎn)速,鉆探堅(jiān)硬的巖石會(huì)突顯出來。鉀鹽硬度1~2級(jí),硬度低,具有一定韌性;可鉆性為1~2 級(jí),可鉆性好;屬低研磨性巖性。采用金剛石鉆頭工藝技術(shù),對(duì)于鉀鹽不易采用較高的轉(zhuǎn)速(下文將進(jìn)行說明),而且隨著鉆孔的加深,破碎巖屑重復(fù)被破碎和研磨鉆頭現(xiàn)象較突出,在油基泥漿中,鉆頭好似被一件粘性物包裹住一樣,發(fā)揮不出優(yōu)勢(shì),時(shí)效較低。
(2)復(fù)合片鉆頭,破巖方式因鉆頭的切削結(jié)構(gòu)及地層巖性與硬度而異。
復(fù)合片切削齒在鉆壓與扭矩的作用下克服地層應(yīng)力吃入地層向前滑動(dòng),巖石在削齒作用下沿其剪切方向破碎并產(chǎn)生塑性流動(dòng),切削所產(chǎn)生的巖屑呈大塊片狀(鄒德永和王瑞和,2003)。主要有剪切、預(yù)破碎、犁削、磨削四種破巖方式。對(duì)于軟-中度地層,剪切破碎機(jī)理優(yōu)勢(shì)突顯(楊春,2010;王紅波等,2011)。鉀鹽硬度低且研磨性低,粒狀結(jié)構(gòu)(其中,光鹵石粒徑多為1~2 cm,石鹽粒徑多為3~5 mm,水氯鎂石等其它的粒徑多為0.01 mm 左右),復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù),在剪切破碎機(jī)理?xiàng)l件下進(jìn)行鉀鹽破碎,一是鉆頭切削下來的巖屑呈大塊片狀,切削速度快,鉆進(jìn)效率高,二是切削產(chǎn)生的巖屑粒徑絕大多數(shù)在1~2 mm 之間,非常適合現(xiàn)場(chǎng)所用油基泥漿的循環(huán)攜帶,使巖屑迅速隨油基泥漿循環(huán)沖離孔口,不存在重復(fù)破碎的過程。鉆進(jìn)時(shí)效高是復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù)中最突出的優(yōu)勢(shì)。
(1)油基泥漿成份及性能參數(shù):鉀鹽礦層中包括石鹽巖、光鹵石、水氯鎂石、溢晶石等,均為可溶性巖體,水敏感性極強(qiáng),它們各自成分不同,溶解度也存在較大的差別。水敏感性地層對(duì)泥漿要求較高,程志濤等(2017)采用抑制性泥漿解決問題。本文預(yù)先設(shè)想過飽和液沖洗液,研究表明,在飽和液接觸鉀鹽礦體時(shí),表面不停地進(jìn)行著離子交換活動(dòng),且隨著鉆孔深度的增加,孔內(nèi)溫度、壓力、溶液濃度不斷地發(fā)生著變化,離子交換活動(dòng)呈增強(qiáng)的趨勢(shì),會(huì)改變所取鉀鹽巖芯表面的原有成分,巖芯表面會(huì)出現(xiàn)溶蝕的狀況,且隨深度的增加越來越嚴(yán)重。因此鉆探過程為保證高質(zhì)量巖芯采取率,為保證所采取巖芯的原始狀態(tài),油基泥漿為首選泥漿。油基泥漿專門用于鉀鹽礦層鉆探使用的泥漿(宮述林等,2011),可確保鉀鹽礦層100%的取芯率。油基泥漿成份及性能參數(shù)如下:60%基礎(chǔ)油+20%水+10%KCl +5%乳化劑(SPAN-80+OP-10) +2%CaCl2+2%CaCO3+0.5%Na2CO3+0.5%MV-CMC。密度1.10~1.15 g/cm3,pH 值≥9,粘度35~45 s,含砂量<2%,失水量<15 ml/30 min。經(jīng)特制設(shè)備攪拌而成,其靜置保質(zhì)期約1 周。
(2)金剛石鉆頭工藝技術(shù):由于金剛石鉆頭切削產(chǎn)生巖屑與巖粉顆粒細(xì)小,巖屑與巖粉短時(shí)間內(nèi)無法快速沉淀而撈取,相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)懸浮于油基泥漿中,致使取芯時(shí),內(nèi)管打撈器下放時(shí)間平均增加了兩倍以上時(shí)間,最長達(dá)4 倍時(shí)間,由于浮力較大,有時(shí)還存在撈矛頭沒法進(jìn)入彈卡室,無法打撈的現(xiàn)象,需提升內(nèi)管打撈器重新操作,進(jìn)一步增加了勘探用時(shí)。為克服此矛盾問題,也可以不間斷地兌入新的泥漿置換舊泥漿,但增加了泥漿用量,加大了泥漿成本。復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù),切削所產(chǎn)生的巖屑呈大塊片狀,巖屑粒徑大部分為1~2 mm,個(gè)別大粒的約3 mm,粒徑適中,有利于巖屑巖粉通過油基泥漿循環(huán)攜帶,有利于巖粉沉淀并撈取,可節(jié)約油基泥漿的用量,取芯時(shí)間一般20~30 min/次。節(jié)約泥漿是復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù)的另一優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。
(1)鉆壓:鉀鹽為軟巖,鉆探時(shí)壓力較大時(shí)(現(xiàn)場(chǎng)zk01 鉆孔勘探表明,孔底壓力大于20 kN 時(shí)),鉀鹽礦體有壓裂的現(xiàn)狀?,F(xiàn)場(chǎng)總結(jié),鉆壓12~15 kN時(shí)為理想數(shù)值。
(2)轉(zhuǎn)速:由于油基泥漿內(nèi)本身還有5%~10%固相物,鉆探鉀鹽礦層過程中又會(huì)不斷產(chǎn)生部分細(xì)小巖屑與巖粉,特別是采用金剛石鉆頭繩索取芯鉆探工藝技術(shù)時(shí),情況更為嚴(yán)重,固相物會(huì)逐漸>20%,當(dāng)鉆速超過400 R/min 時(shí)會(huì)產(chǎn)生鉆桿內(nèi)壁固結(jié)泥皮的孔內(nèi)事故,影響正常鉆進(jìn)?,F(xiàn)場(chǎng)zk01 鉆孔勘探研究表明,達(dá)到400 R/min 以上時(shí),鉆探進(jìn)尺2.5~3.0 m 時(shí),鉆探中泥漿中固相顆粒物,因高速離心原理牢牢固結(jié)于繩索取芯鉆桿內(nèi)壁上,致使繩索取芯鉆桿內(nèi)徑與內(nèi)管外壁之間逐漸被泥皮填充而粘死,無法提升內(nèi)管取芯,需提升整套鉆具進(jìn)行事故處理(李恩海,1989;何立新等,2016),大大增加了鉆探總體用時(shí)。研究表明,降低油基泥漿中固相物的濃度或者降低轉(zhuǎn)速是防止鉆桿內(nèi)壁固結(jié)泥皮的主要措施,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,降低轉(zhuǎn)速最為有效,轉(zhuǎn)速160~260 R/min 效果最理想。
(3)泵量:鉀鹽礦層總體為軟巖層,鉆探中會(huì)快速產(chǎn)生較多的巖屑和巖粉,需要較大的泵量,迅速攜帶巖屑和巖粉于地表進(jìn)行撈取?,F(xiàn)場(chǎng)研究證明,泵量120~160 L/min 效果最理想。
因此,采用SC-95 型繩索鉆具復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù),以油基泥漿作為沖洗介質(zhì),在鉆壓12~15 kN,轉(zhuǎn)速160~260 R/min,泵量120~160 L/min條件下,實(shí)施鉀鹽礦層鉆探為最佳鉆探工藝。
4.1.1 鉀鹽礦層鉆探厚度對(duì)比
各鉆孔鉀鹽礦層開始與終止深度、礦層厚度情況詳見圖5。zk01、zk02 位于成礦邊緣地帶。鉀鹽礦層相對(duì)較薄,zk07 因孔內(nèi)事故,未揭穿鉀鹽而終孔。研究區(qū)南部礦層厚度普遍較大,一般大于550 m,鉆孔資料顯示厚度543.53~635.25 m,平均厚度575.08 m。
圖5 各鉆孔鉀鹽礦層鉆探厚度對(duì)比圖
4.1.2 鉀鹽礦層鉆探用時(shí)對(duì)比
各鉆孔實(shí)際鉆探厚度、鉆進(jìn)速度、取芯時(shí)間、提下鉆具時(shí)間、孔內(nèi)事故處理時(shí)間、鉆具故障處理及檢修時(shí)間不同,各鉆孔鉆探過程總用時(shí)差別較大,實(shí)際鉆孔鉀鹽礦層鉆探用時(shí)對(duì)比情況見圖6。
圖6 各鉆孔鉀鹽礦層鉆探用時(shí)對(duì)比圖
鉆孔zk04 總用時(shí)54 d,純鉆探用時(shí)778 h,取芯次數(shù)212 次,是zk02 取芯次數(shù)的1.98 倍;取芯用時(shí)276 h,是zk02 取芯用時(shí)的1.55 倍,是zk06 取芯用時(shí)的2.13 倍。zk04 鉆孔最深處909.03 m。鉆孔越深,單次取芯用時(shí)會(huì)越長(靳紅兵,2011)。鉆探工序總用時(shí)長短是鉆進(jìn)、取芯、事故處理、檢修、提下鉆等多個(gè)工序共同作用的結(jié)果。
4.1.3 鉀鹽礦層鉆探用時(shí)對(duì)比
因鉆探工藝技術(shù)不同,各鉆孔純鉆進(jìn)用時(shí)也差別較大。各鉆孔鉀鹽礦層鉆探作業(yè)時(shí)間分析圖(圖7)顯示,zk03、zk04 鉆進(jìn)用時(shí)最多,分別為765 h 和778 h,但其它工序時(shí)間不同程度存在著差別。
圖7 各鉆孔鉀鹽礦層鉆探作業(yè)時(shí)間分析圖
4.1.4 時(shí)效對(duì)比
各鉆孔鉀鹽礦層鉆探時(shí)效對(duì)比圖(圖8)表明,采用金剛石鉆頭工藝技術(shù),完成2 個(gè)鉆孔,平均時(shí)效0.501 m/h;而采用復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù)后,完成5個(gè)鉆孔,平均時(shí)效0.906 m/h。前后對(duì)照,時(shí)效呈現(xiàn)提高的趨勢(shì),復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù)較金剛石鉆頭工藝技術(shù)鉆探時(shí)效平均提高了0.808 倍。
圖8 各鉆孔鉀鹽礦層鉆探時(shí)效對(duì)比圖
4.1.5 各鉆孔油基泥漿使用情況對(duì)比
油基泥漿基礎(chǔ)成分是60%基礎(chǔ)油,鉆孔后孔內(nèi)油基泥漿必須全部回收。不同的鉆孔回收起的油基泥漿化學(xué)成分差別是較大的?;厥掌鸬挠突酀{靜置后會(huì)分層,下層部分因超標(biāo)的固相物而報(bào)廢,上層部分進(jìn)行調(diào)配后,在下一孔鉆探時(shí)可重復(fù)利用。
采用金剛石鉆頭工藝技術(shù)油基泥漿新采購量、耗損量、回收量、報(bào)廢量及產(chǎn)生的可重復(fù)利用的泥漿量情況如表1 所示。由此看出,采用金剛石鉆頭工藝技術(shù),油基泥漿平均實(shí)用量相對(duì)較高,按100 m鉆探工程折算,實(shí)用量4.99 m3/100 m。
表1 油基泥漿新采購、耗損、回收、報(bào)廢情況表/m3(金剛石鉆頭)
采用復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù)油基泥漿新采購量、耗損量、回收量、報(bào)廢量及產(chǎn)生的可重復(fù)利用的泥漿量情況詳見表2。從表2 可看出,采用復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù),油基泥漿平均實(shí)用量下降了許多,按100 m 鉆探工程折算,實(shí)用量下降到1.50 m3/100 m,與金剛石鉆頭工藝技術(shù)相比,油基泥漿降低了3.49 m3/100 m。
表2 油基泥漿新采購、耗損、回收、報(bào)廢情況表/m3(復(fù)合片鉆頭)
另外,油基泥漿,其主要成分是石油中提取出來的一種基礎(chǔ)油,報(bào)廢的油基泥漿不能隨意排放,需委托具有資質(zhì)的環(huán)境公司進(jìn)行專項(xiàng)處置。泥漿用量越大,報(bào)廢泥漿量相應(yīng)越大,專項(xiàng)處置花費(fèi)越高。按100 m 鉆探工程折算,分析對(duì)照,采用金剛石鉆頭工藝技術(shù),廢泥漿量3.29 m3/100 m;采用復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù),廢泥漿0.94 m3/100 m。廢泥漿主要是由于鉆探過程中產(chǎn)生的粒徑細(xì)微巖粉長時(shí)間懸浮于油基泥漿中,致使泥漿變性而成為廢泥漿。當(dāng)采用金剛石鉆頭鉆頭繩索取芯鉆探工藝時(shí),這種弊端更為突出。復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù),每100 m鉆探工程,可節(jié)約泥漿費(fèi)用及廢泥漿專項(xiàng)處置費(fèi)用約1.2 萬元人民幣。
復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù)與金剛石鉆頭工藝技術(shù)相比,可提高鉆探時(shí)效,降低勘探成本。在鉆探時(shí)效方面,鉆探效率每100 m 可提高約0.45 倍;在材料成本與時(shí)間成本等方面,每100 m 可節(jié)約鉆探成本約8.8 萬元人民幣。此項(xiàng)鉆探工藝技術(shù)的探討并有效實(shí)施是研究工作的重點(diǎn)創(chuàng)新,可為鉀鹽礦層鉆探工程提供良好的技術(shù)支撐。
(1)本文針對(duì)鉀鹽礦層鉆探時(shí)效低進(jìn)行的研究,采用的設(shè)備、泥漿等均屬易獲取的生產(chǎn)材料,是反復(fù)多次試驗(yàn)研究出的一套相對(duì)較好的鉆探工藝技術(shù),是可推廣的一項(xiàng)良性工藝技術(shù)。鉀鹽與石鹽、石膏、鎂鹽等為共生礦物,本次鉀鹽礦層鉆探研究中,也鉆探揭露了部分的石鹽層及石膏層,因此對(duì)于石鹽、石膏等鹽類礦物鉆探工程可以借鑒此工藝技術(shù)。
(2)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比看出,復(fù)合片鉆頭工藝技術(shù)在鉀鹽礦層鉆探提高時(shí)效及節(jié)約成本方面具有較大的優(yōu)勢(shì),可以節(jié)約近一半的鉆探時(shí)間,節(jié)約大量勘探成本。
(3)本文對(duì)鉀鹽礦層鉆探時(shí)效進(jìn)行了研究,取得了一定成效。但從系統(tǒng)程度上還遠(yuǎn)不夠,建議進(jìn)行系統(tǒng)化研究并形成方案。我國是農(nóng)業(yè)大國,鉀肥生產(chǎn)需要持續(xù)、大量鉀鹽原料。研究出一整套系統(tǒng)的高質(zhì)量的鉀鹽礦層鉆探方案,對(duì)于我國鉀鹽行業(yè)發(fā)展意義深遠(yuǎn)。