張席芝，楊亞平，寇永淵，巢世霞，張統(tǒng)得，蔣 炳

（1.北京科技大學，北京 100083； 2.金川集團股份有限公司，甘肅 金昌 737102；3.中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734）

0 引言

金川是世界第三大在采巖漿銅鎳硫化物礦床，也是我國三大礦產(chǎn)綜合利用基地之一，擁有國內(nèi)最大儲量的鎳礦。礦床集中分布在龍首山下長6.5 km、寬500 m 的范圍內(nèi)。已探明礦石儲量5.2 億 t，鎳金屬儲量550 萬 t，銅金屬儲量343 萬 t。經(jīng)過多年開采，形成了龍首礦、二礦、三礦等主力礦山［1-2］。

經(jīng)過幾十年的大規(guī)模開采，金川礦區(qū)淺部資源已近枯竭，資源開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移。為進一步探明下部礦床，目前大多采用在已建采礦巷道內(nèi)布設中深鉆孔的方式，以降低勘探成本，提高勘探效率［3］。然而金川礦區(qū)工程地質(zhì)條件復雜，巖層軟弱破碎，地應力高［4］，鉆探施工難度極大，主要表現(xiàn)為孔壁穩(wěn)定性較差，沖洗液護壁困難，時常發(fā)生塌孔、掉塊、卡鉆等復雜情況，導致施工進度緩慢，礦區(qū)井下鉆探平均日進尺不足6 m，鉆孔報廢率居高不下，而鉆探施工周期的延長直接影響礦山建設和正常生產(chǎn)。解決復雜地層鉆進難題，首先需要深入了解礦區(qū)的地層特點及孔壁失穩(wěn)機理，從而針對性地開展器具、材料、工藝等工程方面的技術(shù)研究

1 礦區(qū)典型復雜情況

金川礦區(qū)地層主要為前震旦紀中深度變質(zhì)巖系，含礦超基性巖侵入大理巖、混合巖、片麻巖中。礦區(qū)經(jīng)歷了自呂梁運動以來的多次構(gòu)造運動作用、變質(zhì)作用和多期巖漿的侵入作用，給礦區(qū)留下以斷裂為主的構(gòu)造形跡，形成礦區(qū)復雜的巖石組合，導致礦區(qū)地質(zhì)條件十分復雜［5-7］。因此，在深部鉆探過程中，常遇破碎、弱膠結(jié)性、強水敏性和強涌水巖層等［8］（見圖1），頻繁導致鉆孔坍塌、掉塊，進而造成卡鉆、埋鉆、斷鉆具等事故（見表1），給礦區(qū)鉆探工作帶來極大困難，增加了鉆探成本［9］。

表1 金川礦區(qū)典型復雜情況Table 1 Overview of complex conditions in Jinchuan Mining Area

圖1 礦區(qū)鉆孔破碎巖心Fig.1 Broken core in the mining area

2 金川礦區(qū)復雜地層孔壁穩(wěn)定性研究

影響孔壁穩(wěn)定的原因十分復雜，但總體可歸結(jié)為3個方面：（1）地層本身的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特性；（2）孔壁巖石所受的構(gòu)造應力；（3）鉆進工藝措施。因此，研究孔壁失穩(wěn)的原因及技術(shù)對策必須了解不穩(wěn)定地層的組構(gòu)特性、理化性能以及所處的力學環(huán)境。

為此選取了龍首礦、二礦區(qū)和三礦區(qū)等多個鉆孔的復雜地層典型巖樣，通過薄片鑒定、X 射線衍射、電鏡掃描了解巖石的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特征；采用分散性測試、膨脹性測試、巖心浸泡實驗等手段探究巖樣的理化性能，結(jié)合礦區(qū)地應力特征開展孔壁穩(wěn)定性力學分析。

2.1 巖石物質(zhì)組成分析

2.1.1 巖樣薄片鑒定

通過對選取的典型巖樣進行薄片鑒定，其主要定名為綠泥片巖、蝕變陽起石片巖、蝕變粘土片巖、陽起綠泥片巖四種，均屬于強蝕變性軟弱巖層。如其中綠泥片巖，呈鱗片狀結(jié)構(gòu)，鏡下巖石發(fā)生強的風化蝕變，組成礦物以粘土礦物為主，其中又以綠泥石居多，包括部分蒙脫石及伊利石等，整體呈微晶片狀、絲縷狀集合體，少量石英，呈粒狀，且部分發(fā)育裂紋，見少量殘留的長石，多具有粘土化現(xiàn)象，少量方解石充填在巖石裂隙中，裂隙寬在0.02～0.2 mm 之間；而蝕變陽起石片巖呈鱗片狀、柱狀結(jié)構(gòu)，主要由陽起石礦物組成，呈長柱狀、針柱狀，礦物普遍沿解理、裂隙發(fā)生強的風化蝕變作用（粘土化），整體呈黃褐色，含少量輝石，其次為粘土礦物，主要是綠泥石、蒙脫石及伊利石等。

從薄片鑒定的結(jié)果來看，巖樣中普遍含有粘土礦物，且裂隙發(fā)育，巖石強度低，易水化導致鉆進中孔壁失穩(wěn)。

2.1.2 全巖礦物和粘土礦物組分分析

為了進一步了解巖石中各類礦物組成及含量，選取了部分巖樣開展了全巖礦物和粘土礦物組分分析（XRD），具體結(jié)果分別見圖2 和圖3。

圖2 全巖礦物X 射線衍射法檢測結(jié)果Fig.2 Results of X-ray diffraction for wholerock minerals

圖3 粘土礦物X 射線衍射法檢測結(jié)果Fig.3 Results of X-ray diffraction for clay minerals

從圖2 可以看出，巖樣的主要礦物組分為石英、斜長石、方解石和粘土礦物，部分巖樣粘土礦物含量較高，甚至超過50%以上，表明粘土-水體系水化效應對巖樣力學特性及孔壁穩(wěn)定有較大影響。從圖3中進一步對粘土礦物的種類和組分分析來看，選取的6 個樣品中粘土礦物主要以蒙脫石和綠泥石為主；而蒙脫石由于其自身的晶體構(gòu)造特點，分子間連接力較弱，水分子易進入晶層之間，引起晶格膨脹，同時由于晶格取代作用，陽離子交換容量較高，進一步加劇了水化膨脹作用，因此，蒙脫石屬于典型的膨脹型粘土礦物；此外，雖然綠泥石不屬于膨脹性粘土礦物，但在其蝕變過程中，降解的綠泥石其中的一部分水鎂石被除去也會發(fā)生一定程度的晶層間水化和晶格膨脹。從全巖礦物和粘土礦物組分分析來看，巖樣中含有大量粘土礦物，且粘土礦物以膨脹性蒙脫石和綠泥石為主，具有較強的水敏特性［10-12］。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

為了進一步了解地層的結(jié)構(gòu)微觀特性，對不同巖樣開展了掃描電鏡分析（SEM），從微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)去揭示水作用機理。從實驗結(jié)果來看，總體呈現(xiàn)如下3 個特點：

（1）部分蝕變強烈地層的巖樣孔隙發(fā)育，且孔隙直徑較大、膠結(jié)性差，圖4 為巖樣在放大110 倍條件下掃描照片，從圖中可以明顯看出巖樣孔隙、裂隙發(fā)育，孔隙寬度在20～130 μm 之間，一旦該類地層被鉆開后，自由水很容易沿著孔隙進入地層，造成原本較為松散的巖石發(fā)生垮塌，同時隨著自由水的深入也會引發(fā)深部地層的水化反應，進一步加劇孔壁失穩(wěn)［13］。

圖4 弱膠結(jié)巖樣微觀掃描照片F(xiàn)ig.4 Microscopic scanning photos of weakly cemented rock samples

（2）部分巖樣層狀結(jié)構(gòu)明顯，裂隙發(fā)育，自由水可以從水平及垂直兩個方向進入地層，如圖5 所示，具有如此結(jié)構(gòu)特點在水作用下更容易發(fā)生孔壁失穩(wěn)，且發(fā)生迅速。

圖5 巖樣水平及垂直方向裂隙發(fā)育Fig.5 Horizontal and vertical fracture developed in rock samples

（3）從不同倍數(shù)實驗條件下獲得的微觀照片來看，裂隙寬度范圍較大，但主要集中在10～30 μm 之間，少部分微裂隙為納米級，見圖6。

圖6 不同放大倍數(shù)下的巖樣裂縫形態(tài)Fig.6 Fracture morphology of rock samples under different magnification

總體上，礦區(qū)地層的微觀孔隙裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)形態(tài)多樣，在鉆探過程中沖洗液很容易沿著微裂隙進入地層，而地層中的粘土礦物與水接觸后引起地層水化膨脹，造成孔壁失穩(wěn)；同時沖洗液濾液進入地層后也會引起地層中含水量的升高，從而導致地層的力學性質(zhì)發(fā)生一系列變化，如彈性模量降低、泊松比增加、地層強度降低等，加劇了孔壁失穩(wěn)的程度［14］。

2.3 理化分析

2.3.1 巖石分散性測試

滾動回收實驗主要是測定巖樣在液體介質(zhì)條件下的分散特性，回收率越低，表明其分散性越強。本次選取典型巖樣進行熱滾實驗，分別取6～10 目的不同巖樣20 g 在蒸餾水中進行熱滾16 h 后（根據(jù)礦區(qū)實鉆孔底溫度設定為40 ℃），取出巖樣過40 目分樣篩，烘干稱取剩余重量，計算滾動回收率，其結(jié)果見圖7。

從圖7 可以看出，選取的巖樣在經(jīng)過熱滾后均出現(xiàn)了不同程度的質(zhì)量損失，大部分巖樣的回收率為60%以下，個別巖樣滾動回收率甚至小于30%，表明礦區(qū)典型地層均存在較強分散的特性，容易發(fā)生分散剝落垮塌，更為重要的是礦區(qū)主要采用金剛石繩索取心鉆進工藝，產(chǎn)生的巖粉粒度較小，在鉆進過程中一旦沖洗液的抑制性較差，巖粉更容易水化分散，造成沖洗液性能嚴重變壞，如粘度、切力、密度、濾失量及固相含量等指標升高，泥皮質(zhì)量變差，難以滿足鉆進要求；同時由于濾失量的升高還會加劇不穩(wěn)定地層的水化反應程度，進一步產(chǎn)生膨脹縮徑等情況引發(fā)孔壁失穩(wěn)。

2.3.2 巖樣膨脹性測試

地層膨脹是地層中所含的粘土礦物水化的結(jié)果。膨脹性實驗主要用于檢測巖樣在常溫常壓條件下的膨脹變化情況，實驗選取部分巖樣開展常溫常壓條件下膨脹量測試，各巖樣的線膨脹曲線見圖8。

圖8 各樣品膨脹量隨時間變化曲線Fig.8 Expansion curve of each sample with time

通過圖8 可以看出，所選取的巖樣總體上都具有較強的膨脹特性，其中16 h 膨脹率最高達到19.06%。巖樣的膨脹均呈現(xiàn)出前期發(fā)展較快，8h 后基本上趨于穩(wěn)定；因巖石性質(zhì)的不同，大部分巖樣的2 h 膨脹率較高，并很快趨于穩(wěn)定，表明自由水易進入巖石內(nèi)部并很快參與水化反應，而也有部分巖樣水化時間較長，呈現(xiàn)出初期膨脹量較低，但后期膨脹量較高。其膨脹機理主要是在浸泡過程中巖樣內(nèi)部的粘土類礦物如蒙脫石、綠泥石、伊利石等與水相互作用，造成晶格膨脹隆起，產(chǎn)生了一定的膨脹變形和膨脹壓力，且在短時間內(nèi)較為劇烈，但隨著時間的延長，其膨脹變形和膨脹壓力增加速率變小并趨于穩(wěn)定［15-17］。在鉆探施工中，巖石吸水水化膨脹極易造成鉆孔縮徑，引發(fā)憋泵、鉆機回轉(zhuǎn)阻力大、下鉆掃孔，甚至卡鉆等復雜情況。

2.3.3 巖心浸泡試驗

實驗選取不同鉆孔、不同巖性特征的巖樣人工制備成試驗巖心進行蒸餾水浸泡實驗。從實驗結(jié)果來看，各巖樣的浸泡穩(wěn)定性總體較差，大部分巖樣在放入蒸餾水中立即發(fā)生剝落垮塌，其余巖樣也是在24 h 內(nèi)發(fā)生完全垮塌。從實驗現(xiàn)象來看，隨著蒸餾水的侵入，各巖樣均不同程度的出現(xiàn)先小塊剝落再大面積垮塌現(xiàn)象，其原因主要是如同礦區(qū)不穩(wěn)定地層一樣，在制備的巖心中同樣存在大量微裂隙和孔隙，而在浸泡過程中隨著蒸餾水的侵入一方面導致巖樣內(nèi)部的粘聚力和內(nèi)摩擦力減小，力學強度降低而發(fā)生垮塌，另一方面巖樣內(nèi)部粘土水化效應產(chǎn)生水化應力，進一步降低了巖樣內(nèi)部的膠結(jié)力，造成巖樣的垮塌，如圖9 所示。

圖9 巖樣浸泡實驗Fig.9 Immersion test of rock samples

2.4 力學分析

從巖石力學分析孔壁失穩(wěn)主要是由于巖石本身強度小于孔壁周圍應力時發(fā)生破壞。在鉆進之前，地層受到上覆巖層壓力、水平地應力以及孔隙壓力，處于力學的相對平衡狀態(tài)，而一旦地層被鉆開之后，沖洗液液柱壓力代替了原有的巖土層對孔壁的支撐，孔壁周圍應力發(fā)生重新分布。為了達到孔壁的穩(wěn)定狀態(tài)，必須保證沖洗液的液柱壓力能平衡孔壁周圍的應力，當沖洗液液柱壓力小于孔壁圍巖地層坍塌壓力時，圍巖極易發(fā)生剪切破壞而坍塌，在強塑性地層中則會發(fā)生縮徑；而當沖洗液液柱壓力大于孔壁圍巖地層破裂壓力時，這個壓力差超過巖石的抗拉強度時即會發(fā)生漏失。根據(jù)目前對金川礦區(qū)地層孔壁失穩(wěn)的形態(tài)來看，其主要表現(xiàn)為地層鉆開后引起的應力重分布超過巖體強度或過度變形所致，這兩方面的因素均與巖體天然應力場的特征密切相關(guān)，因此，要了解金川礦區(qū)孔壁失穩(wěn)的力學因素必須深入分析礦區(qū)的地應力特征。

金川地應力測量和研究工作從20 世紀70 年代開始一直持續(xù)至今，已取得了諸多成果，有許多機構(gòu)學者都進行了實測研究，針對金川礦區(qū)的地應力開展了測量及資料收集整理［18-21］，結(jié)合線性回歸分析方法，得出了礦區(qū)最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應力隨深度變化的規(guī)律和回歸方程；在相關(guān)學者的研究成果基礎上［22-23］，繪制了地應力與深度的變化曲線，如圖10 所示。

圖10 地應力與埋深的變化曲線Fig.10 Variation curve of geostress and burial depth

從圖10 可以看出，雖然從各個研究學者得出的地應力隨埋深的變化規(guī)律有一定差別，但總體趨勢是一致的，且呈現(xiàn)如下幾個特點。

（1）根據(jù)高地應力判別標準，礦區(qū)基本上屬于中高應力-超高地應力范圍；且最大水平主應力（σHmax）、最小水平主應力（σHmin）和垂直主應力（σV）與埋深具有很強的線性關(guān)系，都隨埋深的增加而增加；（2）最大水平主應力始終處于主導地位，說明金川礦區(qū)以水平的構(gòu)造應力為主；（3）隨著埋深的增加，σHmax與σHmin的差值越大，而根據(jù)地層坍塌當量密度的確定公式可知，當σHmax和σhmin的差值越大，地層坍塌壓力和破裂壓力差值就越小，可調(diào)當量密度范圍也就越低，同時兩個水平應力相差越大，巖石所受的剪切應力亦越大，鉆孔也容易沿著弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞，不利于孔壁的穩(wěn)定性，增加了鉆探施工的難度；（4）礦區(qū)地應力場具有明顯的不均勻性，即使在同一高程不同位置，測點的應力大小、方向和傾角都存在較大差異，反映了本區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和巖體特征的復雜和特殊性，這樣在不同區(qū)域孔壁穩(wěn)定性會呈現(xiàn)較大區(qū)別，不利于鉆探工作的開展。

3 復雜地層鉆探技術(shù)對策

3.1 沖洗液技術(shù)對策

3.1.1 強化沖洗液的失水抑制性

對金川礦區(qū)典型復雜地層的物質(zhì)組分及理化學分析得出，巖石中粘土礦物含量較高，且以蒙脫石、綠泥石等膨脹性粘土礦物為主，具有強水敏性，因此要求沖洗液具有優(yōu)良的降失水性和抑制性。降低濾失量的目的是減少沖洗液濾液與地層的水化反應量，強抑制性則主要是通過提高濾液粘度、濾液礦化度等手段降低濾液與水敏性地層的反應程度，可充分利用鉀離子防塌、高分子聚合物吸附-包被作用以及化學反滲透防塌等機理提高沖洗液的抑制性［24］。

3.1.2 強化沖洗液的封堵膠結(jié)性

由于地層具有膠結(jié)性差、強度低、微裂隙發(fā)育的典型特征，需采用物理封堵方法阻止或減緩濾液向地層的滲透。針對不同的裂縫寬度選用合適尺寸的剛性或柔性粒子對微裂縫實現(xiàn)有效封堵，在孔壁周圍形成一道致密的薄膜，避免沖洗液在液柱壓力作用下沿著微裂隙侵入地層而造成粘土水化或孔隙壓力升高，同時也可向沖洗液中加入適量的聚合物以提高沖洗液的濾液粘度，或向沖洗液中加入具有較強吸附粘接性的處理劑，在地層內(nèi)部巖石顆粒間形成具有較強粘附性和內(nèi)聚力的膠結(jié)層，從而強化巖石強度，提高地層的坍塌壓力［25-26］。

3.1.3 選用合適的沖洗液密度

根據(jù)礦區(qū)普遍存在高地應力情況，尤其是最大水平主應力始終處于主導地位，說明金川礦區(qū)以水平的構(gòu)造應力為主，且隨著深度增加，最大水平主應力與最小水平主應力的差值越大，越容易發(fā)生剪切破壞，因此在沖洗液應在良好抑制性和封堵性的前提下必須具有合適的密度，以提高沖洗液液柱壓力對孔壁的正向支撐力，減輕因地應力作用導致的鉆孔縮徑或垮塌；同時，應針對涌水地層適當提高沖洗液密度，平衡地層壓力快速通過涌水層。鉆進中加強沖洗液的性能監(jiān)測與維護。

3.2 工程技術(shù)對策

3.2.1 進行合理的鉆探工程設計

對地質(zhì)設計相關(guān)資料進行仔細分析，做好鉆探工程設計，尤其是做好鉆孔結(jié)構(gòu)設計。在復雜地層鉆進時盡可能的采用“超前裸眼”鉆進思路，即在鉆進中盡可能完成甚至超過本開次的設計孔深任務，一旦鉆遇復雜情況再下入套管，這樣能為下部孔段提供安全儲備口徑，減小深部復雜地層鉆進的安全風險，確保滿足終孔深度及終孔口徑要求。極端復雜地層可以考慮采用提鉆取心或其它鉆進工藝［27-28］。

3.2.2 合理選擇鉆探設備，優(yōu)選鉆進參數(shù)

盡可能選用大一級鉆探設備，為處理復雜情況提供動力儲備；泵量的選擇也至關(guān)重要，如泵量選擇較低，對孔壁的沖蝕作用較小，但沖洗液上返流速較低，巖粉排出困難；而泵量過高，排粉容易，但在環(huán)空的上返流速過高，形成紊流，對孔壁形成過度沖蝕，易引起孔壁的坍塌掉快。此外在復雜地層鉆進時可適當增加鉆頭外徑，增大外環(huán)空間隙，降低縮徑和卡鉆風險，也降低了循環(huán)壓耗。

3.2.3 細化操作，降低影響

在起鉆過程中要堅持回灌沖洗液，避免沖洗液液柱壓力降低和波動而造成孔壁失穩(wěn)；嚴格控制起鉆速度，避免由于繩索取心滿眼鉆進產(chǎn)生很大的抽汲壓力并形成負壓差，嚴重時抽塌下部地層；還要做到早開泵、緩開泵，避免產(chǎn)生壓力激動而造成孔壁不穩(wěn)定；要力求快速通過復雜地層，避免長時間裸眼浸泡，因此需做好物資儲備、設備維護和日常交接班等工作，盡量避免因長時間停待引發(fā)孔內(nèi)復雜情況。

4 結(jié)論

（1）金川礦區(qū)鉆探事故頻發(fā)，地層復雜，主要表現(xiàn)為孔壁垮塌、縮徑、掉塊、涌水等。通過室內(nèi)實驗與測試分析表明礦區(qū)不穩(wěn)定地層粘土礦物含量較高，且以蒙脫石和綠泥石為主，具有較強的水敏特性，在理化實驗中也表現(xiàn)出較強的水化分散和水化膨脹特征；此外，地層破碎，微裂隙發(fā)育，裂隙寬度范圍較廣，自由水極易沿著微裂隙進入巖石內(nèi)部引發(fā)孔壁失穩(wěn)；同時，根據(jù)對礦區(qū)地應力資料分析，普遍存在高地應力地層，尤其是具有最大水平主應力與最小水平主應力差值較大的特征，孔壁易發(fā)生剪切破壞而失穩(wěn)；因此，礦區(qū)不穩(wěn)定地層總體呈現(xiàn)出強水敏、強破碎和高地應力，同時伴隨大量鉆孔涌水，進一步加劇了孔壁失穩(wěn)的程度。

（2）孔壁穩(wěn)定性研究工作為后續(xù)開展沖洗液、器具工藝等研究提供了理論依據(jù)。針對金川礦區(qū)地層特點和孔壁穩(wěn)定性分析，在該類復雜地層鉆探時，需要從沖洗液技術(shù)與工程措施兩個方面同時入手。一是強化沖洗液的失水抑制性和封堵性，選擇合適的沖洗液密度，提高沖洗液的防塌護壁能力；另一方面是進一步優(yōu)化鉆探工程設計，選擇合理的鉆孔結(jié)構(gòu)設計、鉆探設備、鉆進參數(shù)、管理措施等，也可以有效避免孔內(nèi)事故，提高復雜地層鉆探效率。