甘肃曹家口金矿松散破碎地层液动潜孔锤钻进冲洗液选型及应用

王发民， 刘清山， 郭合伟， 何玉云， 曹学斌

(宁夏回族自治区核工业地质勘查院，宁夏 银川 750021)

1 施工项目地质概况

1.1 矿区区域地质构造特征

甘肃省山丹县曹家口金矿位于山丹县大马营乡，大黄山主峰南侧，属中高山区，海拔最高3201 m，高差一般200～400 m。地势陡峻，沟谷发育，覆盖广泛，荆棘丛生。勘查区内有大黄山复式向斜的次一级褶皱(大黄山背斜之南翼)，断裂发育。矿区层间褶曲不发育，仅局部见有小型扭曲。地层产状变化较大，且无规律，主要与断裂作用有关。地层倾向一般10°～70°，局部倾向北西或南东，个别地段倾向南西。工作区内以走向逆断层为主，平推断层次之，主要断裂有6条，钻孔布置区域内主要存在一条F1逆断层，该断层位于工作区北东部边缘长石石英杂砂岩中，两端延长出测区外，长>4 km，对钻探施工影响较大。

1.2 矿区钻遇地层岩性特征

0～30 m，第四系冲积层、残坡积层，地层破碎，冲洗液漏失严重。

30～260 m，主要为浅灰色长石石英杂砂岩夹板岩，地层裂隙发育、破碎，属力学不稳定地层，吸水膨胀、易分散，钻探施工难度大。

260～600 m，主要为泥岩、石英砂岩及泥质板岩，少数地层硅化，地层较完整，可钻性在6～8级。

2 钻探技术难点及液动潜孔锤技术要求

2.1 钻探技术难点

2015年宁夏核工业地质勘查院2台全液压动力头钻机在该矿区施工，共完成5个钻孔，钻探进尺1835 m，施工中，因地层破碎、坍塌、漏失等报废钻孔达4个。施工的1835 m进尺由2台钻机完成，耗时110 d，平均台月效率255 m，钻探成本约700元/m，岩心采取率在80%～85%。该矿区施工遇到的主要问题是：地层坍塌破碎，遇水易膨胀、分散，回次进尺<500 mm，常出现提下钻遇阻、打捞岩心后再次下钻不能顺利下到孔底、开泵后出现泵压升高、冲洗液不能正常循环等现象，需要反复扫孔循环才能重新钻进；部分钻孔漏失严重，经常出现冲洗液失返现象，漏速>5 m3/h，钻具回转阻力大，烧钻等事故时有发生。

2.2 液动潜孔锤冲洗液技术要求

为提高施工效率和回次进尺，我们决定采用液动潜孔锤钻进。液动锤是在冲洗液环境下高频往复运动，因此冲洗液性能对其使用寿命和工作状态影响很大，高含砂量、高固相含量和高粘度的冲洗液会加剧液动锤零件磨损，影响其使用寿命，也可能发生阻卡使液动锤停止工作。因此采用液动潜孔锤钻进对冲洗液性能有较严格的要求，除要求冲洗液具有良好的护壁性能外，还要求冲洗液具有较低的含砂量(含砂量<0.5%)、较低的粘度、较低的密度(一般为1.0～1.1 g/cm3)、低切力、低失水量及强抑制性和良好的润滑性能。

3 冲洗液优选

针对施工中存在的钻探技术难题，综合考虑液动锤冲洗液性能特性，选择冲洗液必须满足以下两方面技术要求：一要有很好的护壁效果，确保孔壁稳定；二要满足液动潜孔锤要求的工作技术参数，确保液动锤能正常工作。为此，根据钻遇地层特点和施工工艺要求，我们分段设计了冲洗液技术方案。

3.1 覆盖层冲洗液的优化选择

覆盖层地层较松散破碎，要求冲洗液具有低失水量和适当的粘度，结合大量室内冲洗液优选评价实验，最终优选出一套低固相冲洗液体系在开钻时使用。配方：1 m3水+30 kg钠土+5 kg HV-CMC+10 kg无荧光防塌润滑剂+40 kg腐植酸钾+1 kg水解聚丙烯酰胺+1 kg NaOH。冲洗液性能参数：密度1.02 g/cm3，马氏漏斗粘度49 s，表观粘度23 mPa·s，塑性粘度18 mPa·s，动切力10 Pa，动塑比0.56，失水量6 mL/30 min。

3.2 30 m以深岩层冲洗液的优化选择

根据以往施工资料，该矿区23～260 m主要为浅灰色长石石英杂砂岩夹板岩，地层裂隙发育、破碎，属力学不稳定地层，吸水膨胀，容易分散，钻探施工难度大。为了保证施工质量，下完表层套管后更换SYZX96型绳索取心液动潜孔锤钻具，要求冲洗液具有较好的护壁护心效果，同时能满足液动潜孔锤的正常工作。

为了满足现场施工需要，在室内对23 m以深岩层钻进时冲洗液配方进行了优选和评价，初步优选出成膜1、成膜2、无固相1和无固相2四组冲洗液配方：其中成膜体系1是2015年我单位从北京探矿工程研究所引进的冲洗液体系，成膜体系2是我们根据现场冲洗液材料设计的备选冲洗液方案。

成膜1：1 m3水+1 kg NaOH+50 kg成膜A剂+40 kg成膜B剂+10 kg防塌减阻剂+20 kg封堵剂+10 kg增粘剂。

成膜2：1 m3水+1 kg NaOH+50 kg成膜A剂+40 kg成膜B剂+10 kg防塌减阻剂+15 kg LV-CMC。

无固相1：1 m3水+20 kg植物胶+20 kg LV-CMC+10 kg润滑剂+30 kg腐植酸钾+1 kg水解聚丙烯酰胺+1 kg NaOH。

无固相2：1 m3水+15 kg HV-CMC+10 kg无荧光防塌润滑剂+20 kg腐植酸钾+1 kg水解聚丙烯酰胺+1 kg Na2CO3。

以上4组冲洗液体系具体性能参数见表1。

表1 冲洗液性能参数

实验表明，几组冲洗液配方的性能参数基本合理，满足携带和沉降岩粉的需要，但是施工矿区的地层比较松散破碎,因此几组冲洗液体系的护壁效果还需要进一步的验证。为确保现场施工的顺利，我们选取了山丹县曹家口金矿松散破碎层位的岩心进行了室内“岩心浸泡实验”，分别以清水、成膜1、成膜2、无固相1和无固相2作为浸泡介质，实验效果如下。

(1)清水浸泡实验(见图1)。

图1 清水浸泡实验

实验结果：清水浸泡2.5 min，岩心样品完全分散剥落。

(2)成膜体系浸泡实验(见图2～3)。

图2 成膜体系浸泡前岩心

图3 成膜体系浸泡4 h

实验结果：成膜体系1、2浸泡4 h后，岩心表面光滑，没有出现分散剥落现象。

(3)无固相冲洗液浸泡实验(见图4～5)。

图4 无固相体系浸泡前岩心

实验结果：无固相体系1浸泡4 h后岩心表面开始变得松软，无固相体系2浸泡4 h后，岩心分散成碎块。

在室内对几种冲洗液体系评价的基础上，对矿区松散破碎岩心样品进行了浸泡实验，实验结果表明成膜体系1、2具有较好的“护壁护心”效果，在岩心表面形成了一层致密的“薄膜”，避免了冲洗液中的水分对岩心的侵蚀，同理，在钻进过程中，在孔壁上应该也能形成致密的泥皮，防止冲洗液中的水分对孔壁岩层的侵蚀，确保孔壁稳定。但是成膜体系2成本相对较低，因此计划在地层较完整时采用成膜体系2，以降低成本。在地层较复杂时，为了维持孔壁稳定，采用成膜体系1作为最优冲洗液方案。是否能满足液动潜孔锤的正常工作，需要现场进一步验证。

图5 无固相体系浸泡4 h

3.3 漏失孔段冲洗液方案

冲洗液漏失的根本原因是孔内液柱相对于岩层产生压差，以及岩石中存在有漏失通道，即钻孔-地层系统存在压力不平衡和岩层中有漏失通道这两个方面。根据2015年的施工资料，山丹县曹家口金矿在钻进中发生的漏失以渗漏为主，个别孔段存在裂缝性漏失。现场发生渗漏时，当漏速<2 m3/h时，适当提高成膜体系中封堵剂和增粘剂的加量，避免使用大颗粒堵漏材料对液动潜孔锤造成堵塞，实现快速钻进；当发生裂缝型漏失，将采用施工前设计的冲洗液堵漏方案进行桥接堵漏，堵漏成功后再转化为成膜体系1配合液动潜孔锤继续钻进，具体堵漏方案见表2。

表2 针对不同裂缝宽度的堵漏方案

4 冲洗液现场应用

以ZK302孔为例，2016年9月19日开钻，覆盖层厚约30 m，采用PQ绳索取心钻具开孔，冲洗液使用优选出的无固相体系，钻进过程中漏失严重，泥浆消耗量较大(达到2.5 m3/h)，钻速为1.5～2.0 m/h，增加HV-CMC的加量提高冲洗液的粘度，漏失得到控制(降为1.0 m3/h)；钻进至45 m，有小段较完整岩石出现，提钻下入PQ套管。冲洗液上返情况变好，但仍有较轻微渗漏，但能正常循环钻进。冲洗液更换为成膜体系2，循环1 h后下入绳索取心液动潜孔锤钻具继续钻进，钻头选择为Ø96 mm平底金刚石钻头，环齿形状，胎体硬度HRC25～45；泥浆泵泵量为60～90 L/min；转速在300～550 r/min。

钻进至孔深127.02 m，因孔内钻遇漏失型裂缝，漏失严重，泥浆失返，漏失量达到2.5 m3/h，提高冲洗液粘度后漏失仍得不到控制，提钻堵漏。

堵漏措施：按配方“冲洗液+3%核桃壳+0.75%棉籽壳+1%锯末”配制堵漏浆液3.0 m3，泵入后静止憋压2 h，开泵循环，冲洗液返出量逐渐加大并恢复正常，冲洗液更换为成膜体系2，同时加大封堵剂GFD-1的加量，防止再次发生漏失，循环30 min，继续下液动潜孔锤钻进，后续施工顺利，没有出现冲洗液漏失、提下钻遇阻及回转阻力大等复杂情况。

通过合理设计和使用冲洗液，液动潜孔锤工作正常，孔壁稳定，取心质量明显提高，平均采取率达到95%以上，解决了在该矿区钻探施工中遇到的复杂情况，没有发生孔内事故，钻探施工效率和质量明显提高，施工情况统计见表3。

表3 施工效果对比

由表3可看出，采用合理的冲洗液方案，确保了液动潜孔锤的工作效率，回次进尺明显提高，使得钻孔回次数降低，施工效率提升，平均提高68%；全孔岩心采取率达到95.5%，平均提高5%，最大提高8.21%；采用液动潜孔锤平均台月效率681.85 m，平均提高21%；未发生孔内事故，降低了钻探成本。

5 结语

通过室内实验和现场验证相结合的研究方法，初步探讨了甘肃省山丹县曹家口金矿区复杂地层液动锤钻进冲洗液类型，提出了相应的冲洗液和辅助的堵漏配方。

对于低固相冲洗液体系和无固相冲洗液体系，结合钻遇岩性特点、冲洗液流变性参数及成本因素，选择低固相冲洗液体系作为覆盖层钻进时的冲洗液方案，钻进效率和岩心采取率指标表现良好，事故率明显下降，整个钻进过程未出现绳索取心钻具内管结垢和钻头包泥现象。从成本考虑，低固相冲洗液体系成本仅为无固相冲洗液体系55%左右。

对于成膜冲洗液体系1和成膜冲洗液体系2分别在山丹曹家口金属勘查矿区进行了现场应用对比实验，结果表明，两个冲洗液配方应对复杂地层效果明显，能够满足液动潜孔锤工作效率的正常发挥。就成膜冲洗液体系两种配方比较，成膜体系2经济性更好，适合在地层相对完整的情况下使用，可以降低冲洗液成本约30%，在地层相对复杂的情况下及时加入封堵剂和增粘剂转换为成膜体系1继续钻进。

通过甘肃山丹曹家口金矿钻探堵漏实验，单孔冲洗液消耗明显减少，台班效率明显提高，推荐的堵漏配方表现出了良好的堵漏效果。

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