植物胶冲洗液在东乌旗阿吉勒铅锌矿钻探施工中的应用

赵 浩，何 涛，李 强，尹 飞

(1．武警黄金第四支队，辽宁辽阳111000;2．中国地质大学〈北京〉工程技术学院，北京100083)

1 概述

阿吉勒矿区是武警黄金指挥部2008年发现的铅锌矿区，自项目开展以来，历经7年的勘探施工，储量已经达到13.5万t。但是，由于矿区地层复杂，钻探施工难度大，尤其是遇到水敏性地层护壁难的问题一直影响着施工进度，成为找矿工作的“瓶颈”。针对钻孔护壁难的问题，先后采用PHP、PAB、PAA型等多种冲洗液护壁，虽然在个别钻孔取得成功，有一定效果，但处理孔内事故耗时长，不能从根本上解决矿区钻进施工中坍塌、缩径问题。2014年开始，改用植物胶低固相冲洗液护壁，效果显著，解决了该矿区水敏性地层坍塌和缩径的问题，大大降低孔内事故率和辅助时间，提高了施工效率，并大幅降低了钻探施工成本。

2 施工条件

2．1 地层概况

矿区位于内蒙古东乌旗境内，大地构造位置处于华北板块与西伯利亚板块之间的结合部位［1－2］。矿区地质情况复杂，出露的主要地层如下［3－4］。

(1)第三系宝格达乌拉组(N2b)灰白—姜黄—紫红色泥岩、细砂岩和含砾粗砂岩，分布于矿区南西和北东部地势低洼地区，岩石破碎，裂隙发育，裂隙间距一般＜0.20 m，含有软弱夹层，可钻性1～4级。

(2)侏罗系满克头鄂博组(J3mk)凝灰岩、角砾凝灰岩夹流纹岩、角砾熔岩，分布于矿区中部，在区内面积最大。岩层一般有3～5层厚度＞10 m的破碎地段，最厚可达30多米。裂隙间距一般＜0.20 m，含有软弱夹层，可钻性8～10级，局部可达11级。

(3)石炭系—二叠系宝力高庙组二段((C2－P1)bl2)安山质岩屑晶屑凝灰岩、凝灰质砂岩粉砂岩、板岩、安山玢岩，分布于矿区南东和北东部，在钻孔ZK4803—ZK9603之间，钻孔岩心比较完整，以柱状为主，有少量块状、碎块状，裂隙间距0.2～0.6 m，裂隙面稍粗糙，可钻性8～10级。

各钻孔均有2～5层破碎带，厚度在几米至几十米不等，夹杂软弱互层，蚀变非常发育，主要有绿泥石化、高岭土化、硅化、碳酸盐化，由高岭土、蒙脱石及硅质颗粒胶结的地段，易发生水敏化，造成坍塌、掉块，钻进困难，且岩心采取率低。矿区典型破碎蚀变带地层岩样如图1所示。

图1 矿区典型破碎蚀变带岩心

2．2 钻进工艺

根据阿吉勒矿区地层情况，采用小口径金刚石绳索取心钻进，冲洗液循环为正循环方式。小口径金刚石绳索取心钻进，具有提钻次数少、辅助时间短、纯钻时间长、劳动强度低、综合效率高等优点，是岩心钻探的主要施工方法［5］。采用 XY－5、XY－5A型钻机，BW－250型泥浆泵和JSJ型绞车作为主要钻进机械;采用孕镶阶梯型金刚石钻头。一般采用三级成孔，开孔直径为110 mm穿过第四系覆盖层，下108 mm套管;然后采用91 mm钻头钻进至稳定基岩，下89 mm套管;最后用76 mm钻头钻进直至终孔。钻进过程中钻压保持在50～100 kN，泵量40～60 L/min、泵压1～4 MPa、转速600～1000 r/min。

3 矿区钻进护壁存在的主要问题分析

从2009年开始在阿吉勒矿区进行岩心钻探施工，截止2014年底，共计施工钻孔26个，因矿区地层复杂，护壁困难，均采用三级成孔套管护壁。以往在钻遇复杂地层时，单纯靠无固相高分子化合物冲洗液无法正常钻进，虽然冲洗液在孔内循环时会形成一层胶联的保护膜，但在钻进过程中，孔内岩屑、岩粉增多，孔内高分子聚合物保护膜和孔内的岩屑、岩粉及孔壁上水敏性强的硅质、泥质胶结物及碳质板岩等絮凝、聚沉后，会很快破坏孔壁上的保护层，因此往往只能暂时保护孔壁，难以达到理想效果。与此同时，在遇到水敏性易坍塌地层时，也会采用高标号水泥进行护壁，但灌注水泥耗费时间较长，且成功率低，严重影响了施工进度。此外，还尝试使用PHP、PAB、PAA等，虽然在个别钻孔完成较好，但护壁时间较长，效果也不太理想，未能从根本上提高钻进效率，无形中还增加了生产成本。

通过对矿区地层的综合研究表明，矿区护壁困难的主要原因为:矿区地层的泥质、硅质胶结物以及碳质板岩中含有大量的蒙脱石、伊利石等粘土矿物，尤其是在破碎带中，蒙脱石、伊利石含量更高，这些地层遇到冲洗液后遇水膨胀，遇到比较厚的破碎带时会出现大面积的剥离、崩塌，从而使得孔内出现缩径、坍塌，会出现憋泵夹钻，提钻、下钻过程受阻，多次上下钻会冲刷形成漩誧，造成更大的坍塌，从而无法正常钻进，耽误工期，甚至出现报废孔。以往主要采用PHP、PAB、PAA等无固相冲洗液进行护壁，虽然这些高分子聚合物能够形成致密、坚韧、柔性好的网，在孔壁表面或随冲洗液深入孔壁形成比较坚韧的吸附薄膜，但在钻进过程中，这些高分子聚合物在孔壁形成薄膜的同时，对孔内的岩粉、岩屑尤其是在破碎带中的蒙脱石、伊利石等粘土矿物进行絮凝和吸附［6］，会改变冲洗液性能，导致粘度下降，从而排粉能力下降，在孔壁也无法形成保护膜，不能形成较好的泥皮来护壁，需要频繁更换冲洗液，劳动强度大，经济上和施工效率上无法满足需求。此外，这类冲洗液往往失水量比较大，反而会导致地层的重复失稳，不利于系统化维护。

4 植物胶低固相冲洗液的配制、护壁机理及现场管理

针对矿区钻进护壁存在的问题及原因，结合几年来钻探施工经验，重点针对绿泥石化、高岭土化强烈，泥质含量高、水敏性强的地层进行了大量研究和实验，优选出植物胶低固相冲洗液。该冲洗液具有低固相、低粘度、低失水的特点，是小口径金刚石岩心钻进中较为常用的冲洗液体系，它既可以获得无固相冲洗液体系的高转速，又可较好地提高携带悬浮岩屑能力和防止孔壁坍塌的性能［7］。处理剂主要采用羧甲基纤维素钠(CMC)作为降失水剂，并加入皂化油作为钻具润滑剂。配方为:优质膨润土+纯碱+植物胶+CMC+皂化油。冲洗液性能:密度1.02～1.03 g/cm3，漏斗粘度 22～23 s，失水量＜12 mL/30 min，泥饼厚度＜1 mm，pH 值 8～9，胶体率＞98%。使用中应注意避免冲洗液固相污染、自然增稠及堵水、憋泵情况，要适时加入润滑剂，以降低回转阻力。

4．1 冲洗液的配制

具体配比:5%优质膨润土+0.15%纯碱+1%～2%植物胶+0.2%～0.3%CMC+0.2%皂化油。即基浆采用优质膨润土(50 kg)加水、加碱(1.5 kg)充分搅拌，水化24 h以上。分别取水化好的2%Na－CMC溶液、10%植物胶溶液各100 L及2 L皂化油充分搅拌，静置0.5 h以上，冲洗液不分层即可使用。

4．2 冲洗液的护壁机理

孔壁失稳过程首先是一个泥质岩层和粘土矿物水化膨胀的过程。地层中的泥质成分及其粘土矿物在地层压力、水平地应力等作用下，处于相对平衡状态。而一旦被钻开，冲洗液与地层开始接触，粘土矿物表面遇水，产生水化膨胀。对于一些泥质、硅质硬颗粒胶结而成的半固结和弱固结地层，固结程度低，会在重力作用下产生自然剥离掉落，使得地层极不稳定。其失稳的主要形式为剥落、掉块、坍塌、缩径、超径等［5］。因此，可以通过对冲洗液添加一些造浆材料、化学处理剂等对其性能进行改良，抑制其水敏性及水化作用，防止坍塌、掉块、孔壁失稳的目的。

植物胶低固相冲洗液在循环过程中会形成一层粘弹性薄膜，能够减少冲洗液中的水分浸入到孔壁地层中，同时又能够在孔壁上形成一层薄而坚韧的泥皮，降低失水量，起到护壁堵漏的作用，还能够润滑钻具，从而减轻对孔壁的冲刷破坏作用。

植物胶是一种纯天然高分子聚合物，主要依靠分子间的联接提高其粘度，分子链的线性结构使其具有很好的流动性和剪切稀释特性。能够形成空间网架结构，表现出较高的粘度和粘弹性［8］。不仅可以较好地胶结地层，还能对水敏性地层起到抑制作用。加入纤维素可以有效地提高冲洗液粘度，增强泥皮韧性，并大大降低失水量，能够有效地抑制矿区泥质、硅质胶结物及碳质板岩等水敏地层的水化膨胀，从而有效地预防孔壁坍塌、缩径等失稳现象的发生。

4．3 冲洗液的现场管理

配置好的冲洗液在使用一段时间后，其性能会发生变化，因此在现场配备了简易冲洗液测试仪器，主要有失水量测试仪、漏斗粘度计、密度计、pH试纸、秒表等。要求每班对冲洗液进行简易测试，以便及时进行维护和性能调整。在使用中不能随意加入清水稀释冲洗液，当粘度和失水量不能达到要求时，要及时调整或者立即更换，确保冲洗液保持良好的性能。

5 ZK1507孔防塌及护壁效果

ZK1507孔是矿区最为典型的一个钻孔，其设计孔深350 m，终孔深度350.52 m，设计倾角85°，设计方位角210°。开孔日期2014年7月9日，终孔日期2014年7月28日。该孔在孔深288.95～350.52 m时遇到60多米的构造破碎带，为3段碳质板岩和2段晶屑岩屑凝灰岩互层。其中，碳质板岩绿泥石化强烈，较软，受机械作用破碎;晶屑岩屑凝灰岩主要由晶屑、岩屑和胶结物组成，固结程度不高，高岭土化、绿泥石化强烈，水敏性强。晶屑岩屑凝灰岩和碳质板岩如图2所示。

图2 晶屑岩屑凝灰岩和碳质板岩

处理经过:前期，根据预想柱状图已对该破碎带范围有一个大致推测，对此现场一直采用植物胶冲洗液进行维护，并对其性能进行实时监测。当钻进至第173回次(孔深至290.67 m)时，由于进尺加快，且出现憋泵夹钻情况，我们及时采取取心措施，发现末端有一段碳质板岩，随后，立即停止钻进，检测冲洗液主要性能指标，测得pH值为9，粘度为24 s，失水量为14 mL/30 min，总体表现为失水量过大，粘度略高。对此我们根据配方配好3 m3冲洗液，并向孔内压入2 m3，将孔内冲洗液排出。然后开始钻进，此时失水量为9.6 mL/30 min，粘度为22.5 s，憋泵夹钻现象消失。当钻进至294.27 m时，开始出现灰黑色晶屑岩屑凝灰岩，在钻进时有憋泵夹钻现象，且略有憋劲，对此我们将冲洗液的粘度加大至23.5 s，将失水量控制在9 mL/30 min以内，同时采取“三低”(即低转速、低泵量、低钻压)措施，缓慢钻进，并缩短回次进尺，确保岩心采取率。经过11个班近4天的时间终于穿过60 m厚的水敏性地层，达到了设计孔深，顺利终孔。

通过对2012、2013年矿区使用无固相冲洗液和2014年使用植物胶冲洗液后的进尺情况及平均直接成本等参数进行对比(见表1)，可以明显看出，植物胶冲洗液对阿吉勒矿区水敏性地层的护壁效果有极大的优势。

从表1可以看出，在钻遇该水敏性地层时，使用植物胶冲洗液进行护壁后，全年单个机台日均进尺分别较2012、2013年提高了67.7%、61.6%，平均岩心采取率分别提高了11.3%、11.2%，同时平均直接成本分别降低了56.9%、46.8%。而平均直接成本分别仅为2012、2013年的63.7%、68.1%。这直接表明，植物胶冲洗液在该水敏性地层中护壁效果良好，能够系统地维护孔壁，大幅度提高钻探施工效率，节约了成本。

表1 植物胶低固相冲洗液与无固相冲洗液各指标对比

6 结语

在阿吉勒矿区岩心钻探中，研究使用了以优质膨润土为基浆，植物胶、CMC、皂化油为主要添加剂的植物胶不分散低固相冲洗液体系，成功地解决了该矿区水敏性地层钻进困难、取心不足的难题，大幅度提高了纯钻时间，降低了钻孔事故率，辅助时间和停待率也都大幅度降低，各项指标都满足了地质要求。但在冲洗液处理过程中，应该注意维护冲洗液的性能，要求控制好低固相、低粘度、高矿化度和小滤失量，确保泥皮质量薄而韧，从而达到较好的钻进效果和护壁作用。

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