董震堃，胥 虹，聶洪巖，雷杰力

(天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)二四七大隊，天津301800)

1 巖溶裂隙地層發(fā)育簡述

1．1 我國巖溶裂隙地層發(fā)育分布

中國大陸的巖溶含裸露、覆蓋、埋藏3個類型，總面積為344.3萬 km2，其中裸露的占90.7萬km2，幾乎遍及全國各省、市、區(qū)，跨各地質(zhì)年代。如南方的寒武－奧陶系、泥盆系、石炭－二疊系、三疊系，北方的前震旦系和震旦系、寒武－奧陶系、石炭系等。碳酸鹽巖最厚在貴州，達8000余米;最高居喜馬拉雅之巔;跨熱帶、亞熱帶、溫帶;有濕潤區(qū)、干旱和半干旱區(qū)、高山和高原區(qū)、平原和丘陵區(qū)。最有代表性的地區(qū)是云、貴、川、藏、兩湖和兩廣，其中貴州巖溶占全省面積的73%，湖南巖溶占全省面積的1/3。其分布情況如圖1所示。

圖1 中國西南部巖溶和類型分布圖

鉆孔地層主要為青白口系鵝家坳組及南華系南沱組、震旦系陡山沱組隱伏于地腹，地表出露地層由新到老依次為寒武系下統(tǒng)清虛洞組、金頂山組、明心寺組、牛蹄塘組，震旦系上統(tǒng)燈影組，第四系不整合覆于各礦時代地層之上。

主要含水層是燈影組白云巖，厚626.89～1031.61 m。溶蝕孔洞及節(jié)理裂隙發(fā)育，透水性好，富水性強，屬巖溶裂隙含水層，是本區(qū)礦床主要充水含水層。此外，明心寺組第二段灰?guī)r、清虛洞組灰?guī)r屬溶洞巖溶含水層。

地層的地質(zhì)條件經(jīng)前期施工鉆孔經(jīng)驗來看較為穩(wěn)定，所以能否解決巖溶裂隙漏失問題是鉆孔施工的關鍵。

1．2 貴州巖溶裂隙發(fā)育特點

(1)厚度大，明心寺組可溶性碳酸巖厚達100～200 m，而燈影組厚度達200～400 m。

(2)發(fā)育程度高，可對鉆探施工帶來顯著影響的溶蝕通道每隔數(shù)十米甚至數(shù)米頻繁出現(xiàn)，且通道直徑多數(shù)在8 mm以上，施工中甚至出現(xiàn)15 cm以上溶蝕通道。

(3)具有一定貫通性，可溶蝕地層本身存在相互貫通的部分通道，同時鉆探施工可將上下部巖溶裂隙水貫通，造成人為漏失通道。

(4)富含承壓水，鉆探施工中多數(shù)巖溶裂隙水有一定的承壓性，靜止水位高于漏失層的情況常見。

2 鉆孔施工情況簡述

2．1 鉆孔結(jié)構(gòu)設計

ZK003鉆孔設計施工深度1060 m，ZK002鉆孔設計施工深度1100 m。要求巖心采取率≮65%，礦心采取率≮80%。并提交簡易水文觀測等國家規(guī)范要求內(nèi)六項指標數(shù)據(jù)。

ZK002、ZK0032施工鉆孔沿勘探線水平距離100 m，水平高差20 m。根據(jù)地質(zhì)設計，兩者具有極為相似的地層情況和地質(zhì)構(gòu)造條件。在實際施工中遇到的地層問題基本一致，具有良好的可對比性。

ZK003鉆孔地層設計主要為:0～5.89 m為第四系覆蓋層;5.89～103.56 m主要為灰色厚層狀泥晶灰?guī)r，發(fā)育少量裂隙;103.56～189.66 m為深灰色薄層狀鈣質(zhì)粘土巖，較完整;189.66～497.35 m為深灰色薄～中厚層鈣質(zhì)粉砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育。497.35～560.07 m為黑色、灰黑色薄層炭質(zhì)粘土巖，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育。560.07～1011.56 m為灰色、深灰色厚層粉晶白云巖、灰白色、白色薄～中厚層硅化白云巖，巖溶裂隙發(fā)育、具有大量溶蝕晶洞。1011.56 m～終孔為礦段及底板。

根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)可以看出，ZK003鉆孔大部分層段節(jié)理裂隙發(fā)育，特別是在560 m以深位置白云巖中巖溶裂隙高度發(fā)育，屬于典型巖溶裂隙地層。

2．2 設備選擇

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，兩鉆孔均選取以下設備組合。

XY－5A型鉆機:拆裝方便，設計最大深度及動力均符合鉆孔設計要求;BW250型水泵:泵量范圍適合，性能穩(wěn)定，維修方便;SG18鉆塔:符合場地小的條件，承載力充足;1500型絞車:滿足孔深要求，動力充足，取心速度快;XJS鉆桿:鉆桿強度、韌性優(yōu)良，滿足深孔性能要求;25 kW發(fā)電設備:提供機場照明及絞車、攪拌罐動力需求;其他配套動力設備;

2．3 施工情況簡述

2．3．1 ZK002 鉆孔

12～55.31 m，鉆遇地下水流通道，鉆井液在距機場高差約50 m處泉眼中流出造成一定污染。下入108 mm套管隔離并封死套管外環(huán)狀間隙。

2．3．2 ZK003 鉆孔

5.89～34.16 m，鉆遇地下水流通道，鉆井液在距機場高差約30 m處泉眼中流出造成一定污染。下入108 mm套管隔離并封死套管外環(huán)狀間隙。

2．4 交通及水源情況

交通:施工區(qū)域?qū)儆诮煌ú话l(fā)達地區(qū)，僅有可通小型農(nóng)用車輛單向行駛的便道可供運輸使用，部分區(qū)域需要修建簡易道路，設備需要解體后人工搬運至機場區(qū)域。

水源:施工鉆孔附近1.5 km處有一條小河，冬季及夏季時常斷流，同時在農(nóng)忙季節(jié)無法滿足施工用水需求。施工用水較為困難。

2．5 施工中遇到的漏失問題及特點

ZK002、ZK003孔前期施工中均使用低固相泥漿，護壁效果較好。但在鉆遇巖溶裂隙水、巖溶裂隙通道高度發(fā)育(如圖2所示)的5.89～103.56 m灰?guī)r和燈影組白云巖段發(fā)生嚴重漏失情況。采用惰性材料、803堵漏劑、膨脹堵漏劑及水泥封孔效果均不理想。造成施工進度緩慢，事故率增加，工人勞動強度大等問題。

隨后ZK002鉆孔繼續(xù)采用惰性材料、水泥封孔邊堵邊干的方案繼續(xù)施工，由于封堵效果不好，漏失情況反復出現(xiàn)，進度緩慢，隨后采用頂水鉆進的方法歷時105天鉆至終孔。

而ZK003鉆孔則采用微泡沫泥漿工藝，通過計算，配置性能合理的泥漿，很好地解決了漏失問題，歷時64天完成鉆孔施工。相較于ZK002鉆孔表現(xiàn)出了更高的效率和更低廉的成本。

歸結(jié)2鉆孔漏失特點，均為巖溶裂隙水受壓后發(fā)生漏失，且漏失通道1～15 cm不等，常規(guī)堵漏效果不明顯。鉆孔24 h安定水位均高于漏失層位，且不同的漏失位置安定水位有一定的變化。

圖2 巖心上的溶蝕通道

3 微泡沫泥漿的使用

ZK003鉆孔在更換使用微泡沫泥漿后，很好地抑制了漏失情況，增加了施工效率。為巖溶裂隙地層施工提供了很好的借鑒經(jīng)驗。

3．1 微泡沫泥漿抑制漏失機理

微泡沫泥漿密度較小并可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，促使鉆孔內(nèi)液柱壓力更易與巖溶裂隙水壓力趨于平衡，減小由于孔內(nèi)液柱壓力大而將泥漿壓入地層通道內(nèi)的情況，進而減少漏失情況發(fā)生。

微泡沫泥漿流動性能和潤滑性能優(yōu)良，在通過鉆具和環(huán)狀間隙的過程中，產(chǎn)生的摩阻比普通泥漿更小，這樣就大大減小了水泵壓力并穩(wěn)定泵壓的波動幅度，從而減小由于泵壓不穩(wěn)造成的地層裂隙壓漏和已封堵位置二次壓開現(xiàn)象，進而減少漏失現(xiàn)象的出現(xiàn)。

微泡沫泥漿在低剪切速率下粘度會急劇升高。在漏失層位一旦泥漿流動速度減慢，粘度急劇上升，在局部位置形成一個高粘度的封隔層，阻止泥漿濾液進一步漏失，減少漏失量。

由于鉆孔液柱與巖溶裂隙水之間的壓力差促使本身平均分布的微泡向漏失壓力更小的地區(qū)集中，在漏失的前緣位置大量聚集，產(chǎn)生密實而有韌性的封隔墻，阻止濾液進入地層，進而降低漏失情況。

圖3 微泡沫泥漿的微觀狀態(tài)

3．2 泥漿配置

為了更好地攜帶巖粉和穩(wěn)定孔壁，減少掉塊現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，采用高粘CMC作為增粘劑。由于貴州地區(qū)水源富含鈣、鎂離子，對膨潤土及泥漿性能會產(chǎn)生較大的影響，固需采用一定手段控制離子含量，現(xiàn)場使用Na2CO3對水體進行軟化。上部地層中泥頁巖存在一定的水化剝落現(xiàn)象，故使用優(yōu)質(zhì)腐植酸鉀作為抑制劑。由于過大的欠壓鉆進會增加孔壁失穩(wěn)的可能性，故將密度控制在合理范圍內(nèi)，不宜過大或過小。

配方:3% ～4%膨潤土漿 +0.2%Na2CO3+0.6%腐植酸鉀+0.3%高粘CMC+0.5%～0.7%起泡劑+0.4%～0.6%穩(wěn)泡劑。

性能:密度0.7～0.9 g/cm3;漏斗粘度:35～50 s;表觀粘度30～65 mPa·s;動切力12～16 Pa;失水量≤10 mL/30 min。

3．3 微泡沫泥漿性能的調(diào)整

由于ZK003鉆孔漏失段較長，而鉆遇不同層位的巖溶裂隙水具有的壓力不同，所以需要根據(jù)不同的壓力值及時調(diào)整微泡沫泥漿的性能。

在簡化設定泥漿不可壓縮、為均勻流體、勻速上返、忽略環(huán)狀間隙流動阻力的前提下。計算前首先需確定漏失位置H(m)，準確測量鉆孔安定水位h(m)。

漏失位置巖溶裂隙水壓強:

綜合上述公式可得出防漏泥漿密度簡易計算公式為:

式中:ρ泥漿——需配置泥漿的密度，kg/L;P——漏失層位巖溶裂隙水壓強，Pa;P2——泥漿泵正常工作壓力，根據(jù)實際施工經(jīng)驗得出，Pa;g——重力加速度(可簡化取10 m/s2)。

實際施工中如鉆遇不同的漏失層位安定水位有變化，可根據(jù)上式簡易計算配置所需泥漿的密度參數(shù)，同時根據(jù)實際使用情況進行調(diào)整。

此外，如鉆遇地層破碎程度嚴重，有掉塊情況，首先可采用增大泥漿粘度的方法，增加增粘劑使用量。如效果不明顯，則逐步地提高泥漿密度，減少泡沫劑使用量，達到平衡地層應力的目的。并在防止漏失和穩(wěn)定孔壁之間尋找平衡點處泥漿的最優(yōu)參數(shù)。

同時，部分施工區(qū)域存在涌水情況，可采用加入重晶石配重。

3．4 微泡沫泥漿使用效果

根據(jù)ZK002孔與ZK003孔2鉆孔施工情況對比，使用微泡沫泥漿的ZK003鉆孔臺月效率提高了209 m，泥漿成本下降27元/m。證實在巖溶裂隙地區(qū)使用微泡沫泥漿能有效地減少漏失，同時可節(jié)約成本，提高效率。

4 微泡沫泥漿在巖溶裂隙地層中適應性的探究

4．1 巖溶裂隙地層特點

貴州乃至我國巖溶裂隙發(fā)育地層分布廣泛。普遍存在以下特點。

上部地層存在一定厚度的灰?guī)r地層，沿著地層的層理節(jié)理多出現(xiàn)巖溶裂隙通道，漏失情況復雜，但可適用泥漿范圍廣泛。

可溶性地層富含大量巖溶裂隙水及巖溶裂隙通道。在鉆孔液柱壓力差之下極易發(fā)生嚴重漏失情況，采用惰性材料堵漏效果不明顯，而采用水泥封孔會極大地增加成本。

巖溶裂隙水存在一定壓力，且在鉆穿前不同深度承壓水壓力不同，在使用微泡沫泥漿過程中往往需要隨時調(diào)整性能參數(shù)。

下部可溶性地層破碎程度大，受到的溶蝕作用明顯，泥漿使用中需要保證一定的粘度，預防掉塊的發(fā)生。

4．2 微泡沫泥漿的適用性

針對巖溶裂隙地層，微泡沫泥漿的使用對地層特點有很好的適應性。

白云巖屬于中硬破碎地層，而微泡沫泥漿密度低、固相含量低，能很大程度地提高鉆速;巖溶裂隙地層易發(fā)生嚴重漏失情況，微泡沫泥漿具有很好的防漏、堵漏效果;微泡沫泥漿具有良好的懸浮和攜帶巖粉的能力，實際施工中泵壓穩(wěn)定，孔底清潔;相較于普通泡沫泥漿，微泡沫泥漿可循環(huán)使用，成本及維護費用低，同時不需增加空壓機、增壓器、除氣器等設備，適用范圍廣;微泡沫泥漿配制、使用、維護、處理均很方便;具有良好的護壁、防掉塊效果，適應整套地層。

5 結(jié)語

在該區(qū)域施工過程中，由于巖溶裂隙地層嚴重漏失特點，及現(xiàn)場施工水源緊缺的情況下，采用微泡沫泥漿技術成功地預防并減少了漏失情況。提高了施工效率，節(jié)約了成本。證明了微泡沫泥漿在巖溶裂隙發(fā)育地層的適用性。同時通過施工總結(jié)出一套完整的施工泥漿配比計算方案，為進一步施工提供了良好的借鑒。

存在的一些問題如下:

(1)微泡沫泥漿在使用過程中，如果使用的發(fā)泡劑或穩(wěn)泡劑質(zhì)量、加量存在問題，很容易造成泡沫過多，泡沫表層膜不穩(wěn)定，極大地影響到泥漿質(zhì)量，造成孔壁失穩(wěn)。

(2)微泡沫泥漿由于密度較小，在地應力較大或特別破碎地層，無法很好地平衡巖石應力，可能出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。

(3)由于微泡沫泥漿存在氣相，使用普通BW250型水泵如果密封情況不良，極易造成燒鉆情況。

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