帥松

摘 要：重慶市易溪礦區(qū)設(shè)計(jì)孔深較深，下伏基巖主要以青灰色灰?guī)r、含石英角礫灰?guī)r為主，巖層傾角較陡，且破碎，裂隙發(fā)育，硬度較高。巖石可鉆性變化大，構(gòu)造發(fā)育，斷層蝕變帶發(fā)育，巖脈較發(fā)育，且?guī)r層傾角大（軸夾角8°～15°），進(jìn)行繩索取芯鉆進(jìn)的難度較大。結(jié)合野外施工實(shí)踐，總結(jié)了保證小口徑金剛石繩索取芯鉆進(jìn)順利進(jìn)行的工藝參數(shù)和泥漿應(yīng)用技術(shù)。通過近半年的施工實(shí)踐，對(duì)硬度高，傾角陡的破碎地層繩索取芯鉆探技術(shù)在設(shè)備配套、鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、泥漿使用方面進(jìn)行合理的實(shí)踐，實(shí)踐證明低固相泥漿的應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效。

關(guān)鍵詞：易溪礦區(qū)；低固相泥漿；金剛石；繩索取芯

1 工程概況

礦區(qū)出露的地層主要有三迭系下統(tǒng)嘉陵江組（T2j）、大冶組（T1d）。二迭系上統(tǒng)大隆組（P3d）、吳家坪組（P3w），中統(tǒng)茅口組（P2m）、棲霞組（P2q），下統(tǒng)梁山組（P1l）。志留中統(tǒng)（S2h）。其中二疊系中統(tǒng)吳家坪組（P3w）為含礦層。易溪向斜為預(yù)查區(qū)主體構(gòu)造，軸向近東西，由西至東揚(yáng)起。與本礦床相關(guān)的區(qū)域構(gòu)造主要有：自北向南為康家坪至銅罐溝沖斷背斜、易溪向斜，如圖1。

地層巖石主要以青灰色灰?guī)r、含石英角礫灰?guī)r為主，巖層傾角較陡，且破碎，裂隙發(fā)育，巖石可鉆性6～9級(jí)，在鉆孔施工過程中，易發(fā)生鉆孔超徑、孔壁坍塌、鉆進(jìn)堵水、漏水等現(xiàn)象，易造成燒鉆、卡鉆等事故，鉆進(jìn)效率低。

2 主要鉆探設(shè)備

根據(jù)易溪礦區(qū)的設(shè)計(jì)孔深及有可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)變更，以及巖層及質(zhì)量要求等情況，主要設(shè)備配備如表1所示：

3 鉆孔設(shè)計(jì)

由于易溪礦區(qū)地層比較復(fù)雜，地表是堆積的砂卵石層，固鉆孔設(shè)計(jì)開孔口徑比較大。Φ150mm金剛石鉆頭開孔，一般鉆進(jìn)10～20m深，下入Φ146mm套管，然后改用Φ130mm金剛石鉆頭鉆進(jìn)，鉆至較完整的巖層中，深度80～120m，下入Φ108mm套管，再換Φ91mm金剛石鉆頭鉆進(jìn)，最后換Φ75+1mm金剛石繩索取芯鉆頭鉆至終孔。

4 小口徑金剛石繩索取芯鉆進(jìn)對(duì)泥漿的要求

4.1 金剛石繩索取芯泥漿的性能指標(biāo)

①超低固相泥漿密度不高于1.02g/cm3；

②極細(xì)分散，送入孔內(nèi)的泥漿固相粒度應(yīng)控制在80%～90%，小于15～20μm；

③低粘度、低切力，視粘度<3～5mPa·s，屈服值<0.05～0.10Pa，靜切力1G/wG趨近于零；

④失水量適當(dāng)，有一定的抑制水敏性地層的性能，在較復(fù)雜地層中使用泥漿的API失水量應(yīng)控制在15ml/30分鐘，地層較穩(wěn)定時(shí)可以放寬。

4.2 泥漿泵量

（1）泥漿泵量計(jì)算公式

流量即是泵量，它的確定是與鉆進(jìn)方法相適應(yīng)，以保證有效的排出巖粉和冷卻鉆頭為前提。一般根據(jù)泥漿液流上返速度來確定金剛石繩索取芯鉆進(jìn)所需的泵量Q，量的確定可用公式：

Q =βFV=πβ（D2-d2）V/4

式中：Q——沖洗液量；m3/s

β——上返流速不均勻系數(shù)；（β=1.1～1.3）

F——最大上返環(huán)狀空間過流斷面面積；m2

D——由最大鉆頭外徑?jīng)Q定的孔徑或最大套管內(nèi)徑；m

d——鉆桿外徑；m

V——沖洗液上返流速；（V=0.2～0.6m/s）。

在算出各孔段所需泵量后，選其中最大值作為選定泥漿泵量的依據(jù)。各孔段所需泵量見后面鉆進(jìn)參數(shù)。

上返流速不均勻系數(shù)β取小值1.1，沖洗液上返流速V取小值0.2，鉆桿外徑d取值75mm=0.075m，D取值146mm=0.146 m。

由公式：

Q1 =βFV=πβ（D2-d2）V/4=0.0027m3/s=162L/分鐘

上返流速不均勻系數(shù)β取大值1.3，沖洗液上返流速V取大值0.6，鉆桿外徑d取值75mm=0.075m，D取值76mm=0.076m。則：

Q2=βFV=πβ（D2-d2）V/4=0.000093m3/s=6L/分鐘

金剛石繩索取芯鉆進(jìn)時(shí)鉆孔環(huán)空間隙很小，尤其是內(nèi)管與鉆桿內(nèi)壁之間的環(huán)形間隙相當(dāng)小，泥漿的流動(dòng)阻力很大，金剛石繩索取芯鉆進(jìn)是以較小的泵量和較高的泵壓來工作的。

（2）選擇金剛石繩索取芯鉆進(jìn)時(shí)，泥漿泵量的選擇應(yīng)綜合考慮的因素

如何選擇泵量，要根據(jù)金剛石鉆孔的口徑、鉆進(jìn)的巖層性質(zhì)、孔內(nèi)的狀況、鉆進(jìn)時(shí)效等綜合考慮，確定泵量的大小，具體如下：

A、巖層性質(zhì)。鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖層，鉆速較低時(shí)，單位時(shí)間產(chǎn)生的巖粉量少，可選擇較小的泵量。

B、鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性巖層，產(chǎn)生較大的熱量需要較大的泵量冷卻。

C、防止燒鉆。在鉆進(jìn)中硬以下巖層，鉆進(jìn)時(shí)效較高（大于3.00m/h），孔內(nèi)產(chǎn)生的巖粉量較大，需要較大的泵量及時(shí)把孔內(nèi)的巖粉排除干凈，否則易發(fā)生燒鉆事故，建議使用二檔泵量（90L/分鐘）。

5 泥漿的選擇

根據(jù)不同地層特點(diǎn)，選用不同類型的泥漿，是繩鉆工藝技術(shù)得以充分發(fā)揮的關(guān)鍵。針對(duì)易溪礦區(qū)地層的特點(diǎn)，必須使泥漿性能滿足繩鉆工藝的要求（即“三低一好”，固相含量低、粘度低、失水量低、潤滑性能好），既要有較高的護(hù)壁和攜帶巖屑能力，又要有較大的靜切力和較小的動(dòng)切力，并有良好的潤滑性能，才能發(fā)揮出繩鉆的效率。

5.1 礦區(qū)上部表土層、卵石泥沙堆積覆蓋地層

此層段地層復(fù)雜，漏失、垮塌、掉塊嚴(yán)重，如ZK8-1孔，表層全是卵石堆積覆蓋層。為縮短鉆進(jìn)時(shí)間，一般采取技術(shù)套管隔離措施，淺部完整孔段可采取清水頂漏鉆進(jìn)或采用PHP無固相泥漿鉆進(jìn)：

①配方：清水（1m3）+PHP（0.5～1.0kg）+潤滑劑（3～5kg）；

②性能：比重1.005，粘度15.5～16s，pH值8，潤滑系數(shù)：0.12～0.15。

5.2 礦區(qū)構(gòu)造破碎帶地層

包括破碎地層及構(gòu)造應(yīng)力地層。一般不產(chǎn)生水敏性破壞，鉆進(jìn)中會(huì)出現(xiàn)沙重、掉塊、漏水。為抑制掉塊，更好的排出巖粉顆粒，要求沖洗液具有良好的造壁性、失水量小、泥餅薄而韌。在不漏水的情況下，可適當(dāng)提高泥漿比重，并保持相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)涌水層，應(yīng)測出水層的靜壓高度。由于很多涌水層往往也是漏水層（如鉆進(jìn)時(shí)漏水，提鉆后涌水），要掌握好泥漿的比重以確保堵漏防漏。

①配方：清水（1m3）+Na-1型鈉土粉（25～30kg）+廣譜護(hù)壁劑（PGS）（2～3kg）+石墨化瀝青（DLSAS）（15～20kg）+潤滑劑（3-5kg）+硝基鐵鉀（3～5kg）；

②性能：密度1.02～1.04，粘度20～25s，失水量：11～13ml/30分鐘，泥皮厚度：≤0.5mm，pH值：9.5～10，潤滑系數(shù)：0.15～0.18。

5.3 礦區(qū)煤系地層或水敏性地層

粉煤取芯地層段極易坍塌

處理方法：主要有LBM低固相泥漿、低固相加重泥漿，磺化瀝青+廣譜護(hù)壁劑低固相泥漿等護(hù)壁性能較好。

5.4 礦區(qū)穩(wěn)定完整地層

這類地層孔壁穩(wěn)定，對(duì)泥漿要求不是很高，一般孔淺時(shí)采用清水+潤滑劑，孔深時(shí)采用清水+PHP+潤滑劑無固相泥漿。此孔段只有鉆機(jī)達(dá)到特速Ⅲ阻力較小，才能發(fā)揮出金剛石繩索取芯鉆進(jìn)效率。

5.5 礦區(qū)漏失地層

對(duì)于輕微漏失的地層，主要有田菁膠（TG-1型）無固相泥漿、MY型無固相泥漿、水玻璃+PHP無固相泥漿、PHP+KCL-鹽皂等無固相泥漿。對(duì)于漏失地層（孔內(nèi)不返水）：首先降低泥漿的比重和粘度，其次采取堵漏技術(shù)措施。如在泥漿中加入惰性材料（如鋸末及801堵漏劑等），或在地面上把鋸末與PHP攪拌后直接在鉆桿內(nèi)送入漏失層（注意孔深不能穿過漏失層深度太多）；或利用大失水泥漿，利用其特大的瞬時(shí)失水性能，在漏失層孔隙中快速形成固相沉積，封閉漏失，也可用膠性物質(zhì)堵漏水泥加入速凝劑如CaCl2、Na2SiO3等。

5.6 普通低固相泥漿配置

不同地層采用不同類型泥漿，較好地解決了繩鉆護(hù)壁問題，發(fā)揮出了繩鉆高轉(zhuǎn)速高效率的優(yōu)勢(shì)，普通低固相泥漿配方如表2。

6 易溪礦區(qū)使用低固相泥漿的效果和結(jié)論

在易溪礦區(qū)煤炭資源普查鉆探施工中，低固相泥漿的使用極大的提高了鉆進(jìn)效率，巖芯取芯率達(dá)到95%，無孔內(nèi)事故發(fā)生，降低了生產(chǎn)成本，順利地完成了易溪礦區(qū)煤炭資源普查鉆探施工任務(wù)。泥漿在鉆孔施工中起的作用特別重要，對(duì)巖礦心采取率，減少孔內(nèi)事故發(fā)生，減低成本，生產(chǎn)效益的提高等都起主導(dǎo)作用。通過總結(jié)對(duì)低固相泥漿在易溪礦區(qū)小口徑金剛石繩索取芯鉆進(jìn)中的應(yīng)用得出以下幾點(diǎn)：

（1）易溪礦區(qū)采用低固相的泥漿作鉆井泥漿，保證了巖心采取率，減少了孔內(nèi)事故，降低了成本，明顯提高鉆進(jìn)效率。

（2）在小口徑金剛石繩索取芯中，采用低固相的泥漿作鉆井泥漿，提升了鉆具設(shè)備的壽命，在鉆進(jìn)中，起到了保駕護(hù)航的作用。

（3）通過對(duì)易溪礦區(qū)的鉆探施工總結(jié)，小口徑金剛石繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)在煤田勘探復(fù)雜地層中，只有根據(jù)不同地層選擇不同類型的泥漿，采取各種堵漏技術(shù)措施，才能充分發(fā)揮出繩鉆的優(yōu)勢(shì)，從而降低成本，縮短勘探周期，創(chuàng)造出更好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]鄢泰寧.巖土鉆掘工程學(xué)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

[2]李世忠.鉆探工藝學(xué)[M].地質(zhì)出版社，1992.

（作者單位：重慶市地勘局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)）