嵩县某金矿区复杂地层强抑制防塌泥浆技术

摘要

嵩县某金矿区钻遇地层复杂，岩石破碎，部分地层绿泥石化、高岭石化严重，钻进过程中缩径、垮塌、漏失、涌水等多种复杂情况频发，断钻杆、粘卡、烧钻等事故层出不穷。在对比邻近矿区施工经验的基础上，总结了本地区钻孔施工的技术难点，对比分析了分散泥浆、无固相聚乙烯醇泥浆、低固相聚合物泥浆的使用效果。结果表明，高浓度膨润土浆具有防塌、防漏、胶结松散岩石等多种功能，配制简单且使用方便，可用于上部覆盖层钻进。对于下部复杂地层，常规分散泥浆体系抑制性不足，难以应对该矿区复杂工况；无固相聚乙烯醇泥浆前期防塌能力强，但是处理坍塌事故能力不足；低固相聚合物泥浆体系抑制性强，流变性良好，防塌能力强，取得了良好的使用效果。

关键词

瑶沟金矿; 复杂地层; 绳索取心; 防塌泥浆

1 区域地质概况

矿区地处熊耳山台穹东南侧，西侧与小秦岭和崤山基底隆起区成岛链状列布，属长期强烈活动的地台边缘地带，发育有构造蚀变岩型与石英脉型两种金矿类型^［1‑2］。喷出岩主要为中元古代熊耳群陆相火山岩，具有良好的成矿地质条件，区内矿产资源十分丰富，主要有金、钼、铁等。矿区内断裂构造极为发育，F₁及F₁₄断裂为金矿主要赋存位置。上部地层为第四系砂砾石、黄土、亚粘土，易发生坍塌、漏失；下部为英安岩、灰紫色流纹斑岩夹绿色安山岩、蚀变安山岩，破碎严重，RQD值<60%，蚀变带内的矿物高岭石化、绿泥石化严重，遇水膨胀，易垮塌、缩径。详细的出露地层情况如表1所示，矿区35号矿脉勘探线剖面示意如图1所示。

表1  矿区地层岩性概况

Table 1  Lithology of the mining area

地层	岩性
第四系（Q）	砂、砾石、粘土组成，厚度一般小于10 m，常含砂金
新近系（N）	白色、灰黄色厚层砂砾岩，夹薄层泥质粉砂岩，厚5~20 m，底部含有砂金
古近系（E）	河湖相沉积物，岩性主要为紫红色中厚层砂岩、灰黄色厚层状砂质砾岩与泥灰岩互层，局部夹砂质粘土岩
鸡蛋坪组（Pt2j）	棕褐色绢云母化、钾长石化英安岩, 灰绿色安山玢岩, 青灰色绢云母化晶屑岩屑凝灰熔岩, 含砾凝灰岩, 钾化英安岩
许山组（Pt2x）	灰绿色安山玢岩，有时夹少量英安岩，岩石具斑状结构，杏仁状构造，斑晶和杏仁体大小不一

图1  矿区35号矿脉勘探线剖面示意

Fig.1  Profile of the exploration line for No.35 mineralization vain in the mining area

2 钻孔设计及技术要求

2017年设计钻孔有直孔与斜孔，要求穿矿直径≮75 mm，孔深在150~450 m之间，技术要求如下：

（1）未经地质人员同意，不可随意移动孔位，移孔距离超过20 m需报主管部门同意。

（2）矿体及其顶底板3~5 m范围内岩心采取率>85%，围岩采取率>75%。矿层内钻进，回次进尺一般不大于2 m，如矿心采取率<80%，则应及时采取补救措施。

（3）每50 m测斜一次，开孔25 m处加测一次，每100 m允许顶角误差弯曲及方位角偏差不超过勘探线间距的1/4，见矿、终孔均需测量，孔斜、孔深测量同时进行。

（4）其它技术指标参照《地质岩心钻探规程》（DZ/T 0227—2010）执行。

3 矿区钻进技术难点

目前矿区经过多年开采已面临闭坑的威胁，资源储量严重危机，急需对矿山深部和外围进行科技攻关。该矿区内地层复杂，钻孔缩径、垮塌、漏失、涌水等多种复杂情况频发，断钻杆、粘卡、烧钻等事故层出不穷。邻近矿区在同类地层中施工，均出现了钻进困难、岩心采取率低、提大钻频率高等情况，如大西沟矿区钻孔报废率高达35%，平均台月效率仅82 m^［3］；槐树坪矿区由于多种原因处理无效而被迫迁孔17次，平均台月效率为130.38 m^［4］；东湾金矿区因漏失严重导致台月效率为165.4 m^［5］。

泥浆对钻孔成功与否起着关键作用，而绳索取心金刚石钻进对泥浆的性能要求更加苛刻^［6-8］。前期施工过程中总结该矿区主要的施工难点包括如下几个方面：

（1）地层破碎严重，成孔难度大，岩心采取率低，泥浆漏失严重。

（2）该地区地下水较丰富，存在涌水地层，小环空间隙下抽吸作用强，钻孔涌水情况时有发生。

（3）部分地层蚀变严重，褐铁矿化明显，长石高岭土化，局部硅化强烈，水敏性强，井壁易垮塌。

（4）由于高岭土化蚀变严重，在钻具高速回转产生强烈的搅拌作用下，钻屑不断分散，导致泥浆的密度、粘度快速上涨，摩阻越来越高，出现憋泵现象。

（5）斜孔中内管投放难度大，钻杆柱在重力作用下自然向下倾斜，导致摩阻增大，钻具磨损严重，易发生钻具折断等事故。

（6）施工场地范围受限，无法有效配备固控设备及开挖沉淀池，钻进过程中由于岩粉混入泥浆中，从而导致泥浆劣质固相含量增加，恶化泥浆性能。

4 钻孔结构的选择

矿区钻孔地表第四系地层采用Ø110 mm普通金刚石钻头进行钻进至微风化层岩后用Ø108 mm套管护壁；微风化层采用Ø91 mm普通金刚石钻头，利用绳索取心技术进行钻进至稳定基岩处左右，下入Ø89 mm套管，预留复杂地层或处理事故孔径；基岩层采用Ø76 mm普通金刚石钻头进行绳索取心钻进，钻进至终孔。具体钻孔结构详见图2。

图2  矿区ZK35087钻孔结构示意

Fig.2  Structure of ZK35087 borehole in the mining area

5 泥浆性能调控思路及解决方案

5.1 上部地层泥浆方案

上部地层岩性以粘土、砾石为主，砾石成分为下伏风化残积英安岩，粒径10~20 mm不等，成孔难度大，孔壁容易坍塌，也容易发生漏失。对于该类地层，决定采用高浓度膨润土浆开孔，通过较高的粘度增加孔壁颗粒间的胶结力^［9］。泥浆具体配置方法为：如使用体积为1 m³的泥浆罐进行冲洗液配置，首先将80 kg优质膨润土充分预水化，然后补充1.5 kg烧碱以引起粘土胶粒适度絮凝，增加结构强度，补充1 kg HV-CMC以进一步提高粘度并控制失水量。其大致性能为：漏斗粘度为55 s左右、中压失水量10 mL左右、pH值10.5左右。

5.2 下部地层泥浆方案

下部复杂层段主要为强蚀变的英安岩，绿泥石化、高岭石化严重，具有一定的水敏性，泥浆浸泡条件下很快发生水化膨胀、崩散，常规分散型泥浆难以起到稳定孔壁的作用。为此，需要提高泥浆的抑制性，严格控制失水量^［10-12］。现场尝试了聚乙烯醇无固相泥浆以及低固相钾铵聚合物泥浆等体系，并对比了其使用效果。

5.2.1 聚乙烯醇无固相泥浆性能试验

所用聚乙烯醇的醇解度为99%以上，分子式为-CH₂-CH（OH）-，聚合度n约2000，其良好的成膜性取决于疏水主链上带有亲水侧基，而且该亲水侧基与水的吸引力大于其本身的内聚力，单分子链节与岩石表面发生牢固的“平卧式”吸附，从而起到胶结松散岩石的作用^［13］。

配制不同浓度的聚乙烯醇溶液，分别测试其表观粘度值如图3所示。

图3  表观粘度随聚乙烯醇浓度的变化

Fig.3  The apparent viscosity changes with the concentration of polyvinyl alcohol

由于金刚石绳索取心钻进环空间隙小，泵压不能过高，泥浆的粘度不可过高，要求表观粘度AV≯20 mPa·s，这样聚乙烯醇的浓度不能超过3%。

将粘土球分别置于1%~3%浓度的聚乙烯醇溶液中，观察其外观形貌变化，结果如表2所示。

表2  岩心在不同类型泥浆中浸泡效果

Table 2  Effect of different types of mud on cores

泥浆类型	不同时间岩心的浸泡效果
	膨胀	出现裂纹	剥落	全部坍塌	保持原样
清水		1 s	5 s	20 s
1%PVA	1 min	50 min	10 h	—	基本保持
2%PVA	—	2 min	10 h	—	基本保持
3%PVA	—	—	—	—	基本保持

从试验结果来看，岩心在清水中浸泡时迅速分散，20 s内全部垮塌。在PVA中浸泡的岩心，只有在1%溶液中才会逐渐膨胀，在50 min以后表面出现一些肉眼可见的细裂纹，10 h后有发生少量脱落，但粘土球表面基本完整。当PVA浓度高于1%时，所浸泡的岩心表面仍比较完整。说明PVA泥浆具有良好的防塌性能，加量在3%浓度范围内就能够起到良好的护壁效果。

5.2.2 聚合物泥浆性能试验

该类泥浆组成主要包括KPAM、KPAN、NH₄HPAN等，三者均具有良好的抑制性。其中KPAM为高分子聚合物，具有良好的絮凝、包被能力，可显著提高泥浆的粘度；KPAN为聚丙烯腈钾盐，可用于降低失水量，当加量超过0.3%时具有提粘效果；NH₄HPAN为水解聚丙烯腈铵盐，具有降粘降失水的功能^［14-15］。通过试验确定了最优聚合物泥浆配比：

4%膨润土+0.05% NaOH+0.1% KPAM+0.3% KPAN+0.5% NH₄HPAN+1% FT。其性能见表3。

表3  聚合物泥浆基本性能参数

Table 3  Basic performance parameters of polymer mud

ρ/ (g·cm-3)	AV/ (mPa∙s)	PV/ (mPa∙s)	YP/ Pa	GEL/ Pa/Pa	FL/ mL
1.02	18	14	4	1/3	6.7

5.2.3 不同种类泥浆浸泡试验

如图4所示，将现场典型易散岩心碎块分别浸泡在不同的浆液中，自左上至右下分别为清水、5% KCl溶液、3%聚乙烯醇溶液、0.1% KPAM胶液和5% Na₂SiO₃溶液。结果表明，除3%聚乙烯醇和0.1% KPAM胶液中的岩心在浸泡过程中较完整外，其余溶液中的岩心在不到1 min的时间内即产生裂纹，发生崩散。浸泡时间超过24 h后，0.1% KPAM胶液中的样品仍然保持完整，说明其稳定岩心碎块的能力最强。故进一步选用低固相聚合物泥浆进行现场应用试验。

图4  岩心浸泡试验

Fig.4  Core immersion test

6 现场应用

现场聚合物泥浆具体配置方法：使用体积为1 m³的泥浆罐进行冲洗液配置，首先将40 kg优质膨润土充分预水化，然后补充0.5 kg烧碱以引起粘土胶粒适度絮凝，增加结构强度，然后缓慢加入1 kg KPAM，然后缓慢加入3 kg KPAN、0.5 kg NH₄HPAN，最后混入10 kg沥青。钻进过程中由于渗滤及钻屑吸附，要根据实际情况持续补充各类处理剂，以维持泥浆性能。在孔壁较稳定的层段，失水量指标可适当放宽，此时KPAN及NH₄HPAN二者的加量可适当降低；在强水敏层段，则需要提高二者的加量以严格控制失水量，并保证较强的抑制性；当蚀变严重，地层散碎时，还应提高FT沥青粉浓度至2%，通过物理性封堵以增强胶结能力^［16-17］。聚合物泥浆的现场配置情况如图5所示。

图5  聚合物泥浆的现场配置

Fig.5  Polymer mud on‑site preparation

ZK301孔前期采用分散型泥浆钻进过程中钻遇强蚀变地层，垮塌现象严重，处理困难，改用该低固相聚合物泥浆后，孔内稳定性获得较大提升，钻穿多套蚀变地层而未产生较大的垮塌事故。期间部分层段出现孔壁失稳时，由于该泥浆流变性能良好，处理孔内坍塌物也很快捷。相比于无固相聚乙烯醇泥浆而言，处理孔内垮塌物的能力要强，成本也低一些。不同孔深位置泥浆性能见表4。

表4  低固相聚合物泥浆性能

Table 4  Low solid phase polymer mud performance

孔深/ m	ρ/ （g·cm-3）	AV/ （mPa∙s）	PV/ (mPa∙s)	YP/ Pa	GEL/ Pa/Pa	FL/ mL
120	1.02	18	14	4	1/3	6.7
180	1.03	20	15	5	1/4	5.4
240	1.02	21	15	6	1/4	5.2
300	1.03	20	14	6	1/3.5	4.4

7 结论

（1）高浓度膨润土浆具有防塌、防漏、胶结松散岩石等作用，配制简单、使用方便，适用于上部覆盖层钻进。

（2）低固相聚合物泥浆抑制性强，性能易于调控，成本可控，适用于高岭石化严重的蚀变地层取心钻进。

（3）蚀变地层冲洗液配置时除应考虑增强抑制性外，还应适当增加沥青等封堵材料，通过物理性封堵提高孔壁的胶结。