河南灵宝小秦岭金矿区复杂地层钻探施工中冲洗液的研制与应用

李茂军

（河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南郑州450001）

河南灵宝小秦岭金矿区复杂地层钻探施工中冲洗液的研制与应用

李茂军*

（河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南郑州450001）

因地层形成条件的差异，在金矿区的地质钻探中，常常会遇到坍塌、掉块、涌水、漏水等复杂情况。如果处理不好，常常会造成钻孔事故，严重时可能报废钻孔。在河南省灵宝市南山矿区崟鑫金矿普查的地质钻探施工过程中，前期就遇到了上述情况，致使钻孔事故频发，根据地层特点，研制了2种钻井冲洗液进行护壁，有效地解决了施工中遇到的钻孔坍塌、掉块、涌、漏水的难题，顺利地完成了施工任务。

金矿区；复杂地层；冲洗液；研制；应用

1 工程概况

1.1 自然地理概况

南山矿区崟鑫金矿位于河南省灵宝市朱阳镇，东起杨寨峪，西至藏珠峪，矿区面积为58.14m2，矿区距灵宝市65km，有柏油公路相通。

矿区位于小秦岭分水岭南侧，地势北高南低。小秦岭最高峰老鸦岔脑，海拔2413.8m,为河南省最高峰，位于矿区西北部。矿区范围内最高海拔2300m，最低800m，相对高差达1500m，属切割强烈的中山区。

1.2 简要地质特征

从上至下地层的岩性依次为：变质砂岩、钙质千枚岩、粉砂质板岩、石英岩（中部夹大理岩）、花岗片麻岩、黑云母斜长片麻岩、斜长角闪片麻岩、斜长角闪岩等。

区内褶皱及断裂构造较发育，尤以断裂构造最为发育。

1.3 含矿层

（1）含金石英脉：主要赋存在主成矿构造派生的近南：北向压扭性断裂中，多在地表下100～200m范围内。脉石矿物主要是石英，次为长石，绢云母及围岩捕掳块：（2）含金破碎硅钾蚀变岩：主要赋存在地表下200m以下，致密块状、条带状、斑杂状，主要矿物为石英、正长石、方解石、绿泥石、绢云母。

1.4 水文情况

该矿区的水文情况分为2类：（1）第四系孔隙潜水：岩性为亚粘土、中粗砂、少量卵石，层厚10～50m，水位埋深约20m，单井出水量300～500t/d。（2）基岩裂隙水：赋存于基岩裂隙中，深度200～600m不等，水量变化大，流量0.1～2.6L/s。

1.5 钻孔及钻探工作量

2013年布设钻孔4个，直孔，孔深分别为1575m、1515m、410m和330m，2014年度布设3个钻孔，直孔，孔深分别为1360m、570m和370m。钻探工作量合计6130m。

2 钻孔质量技术要求

钻探工程必须按照钻探施工通知书要求进行施工，现场进行定点，开孔位置应于设计位置相符，偏差不得超过5m，钻探方位与设计方位一致。钻孔回次记录、岩矿芯的采取与顺序摆放工作，钻进过程中要详细做好台账记录，回次循环时间，岩芯采取长度，岩芯采取率不低于80%，矿芯采取率不低于85%。岩芯取出后，要规范进行编号、放置，并标记岩芯段号、深度，并按顺序排放，必须确定钻孔截穿矿脉矿体底板，终孔前必须经地质人员确认达到设计要求方可终孔。

终孔孔径不小于Ø75mm。

3 施工概况

3.1 施工机械设备的选择

根据钻孔设计及甲方要求，2013年我方进场3台钻机，分别为HXY-6B型2台、XY-42型1台，泥浆泵分别为BW250型2台和BW150型1台，钻塔分别为23.5m四角塔2套和18.5m管子塔1台，Ø73mm绳索取芯钻具配备Ø76mm绳索取芯金刚石钻头。

2014年我方使用2台钻机进行施工，型号分别为HXY-6B、XY-42，泥浆泵分别为BW250型和BW150型，钻塔分别为23.5m四角塔和18.5m管子塔。

3.2 钻孔结构

上部10～50m第四系地层用中130mm合金钻头施工，至完整基岩后，下入Ø127mm和Ø108mm双层套管，Ø76mm绳索取芯钻具施工至终孔。

3.3 施工概况

在2013年的前期钻探工程施工中，由于3条主矿体部位多为破碎带，地下水活动明显，因此钻孔屡次发生漏水、涌水现象，坍塌、掉块现象极为严重，致使钻孔事故频发。特别是含绿泥石和绢云母的矿段，遇水膨胀较为严重，如果预防措施不及时，处理不当，极易造成塌孔事故。2013年施工时，就曾经因为该孔段发生塌孔而出现移动孔位重新开孔的现象，严重影响了施工效率和钻孔质量。

针对出现的问题，我们组织探矿技术人员和有经验的老工人，成立了复杂岩层综合治理专题小组，通过对矿区复杂地层的分析研究，决定主要从钻井冲洗液方面下手，配制出一种适合本矿区地层的冲洗液，再从钻进技术参数上加以改进，制定出一整套的综合治理措施，指导该矿区的施工。通过试验并不断进行改进，终于取得了成功，在2013年后期及2014年的施工中，虽然也遇到了坍塌、掉块、漏水等现象，但没有出现较为严重的钻孔事故，更没有报废进尺，圆满地完成了施工任务。

4 钻孔冲洗液的配制

4.1 配制冲洗液的指导思想

根据2013年前期施工中出现的问题，发现钻孔坍塌、掉块严重是造成钻孔事故的主要原因，同时涌水、漏水现象也时有发生，因此决定配制一种冲洗液，使其具有防坍、低比重、携粉能力强、沉砂性能好，且凝结时间和粘度可调，可以随钻堵轻微漏失。为了防止绳索取芯内管结垢，要求该种冲洗液的固相含量要小，甚至无固相含量。

对于特别严重的坍塌、掉块和涌水、漏失现象，辅以其他的技术方法，如：灌注水泥浆、炼胶泥浆，甚至扩孔后下套管封隔等。

4.2 冲洗液在试验室中的配制

（1）冲洗液添加剂的选择：根据已经确定的指导思想，我们配制了2种冲洗液，其配方中的添加剂如表1所示。

表l冲洗液添加剂加量

水解聚丙稀酰胺(PHP)：其分子量大，分子链很长，水溶液的粘度较大，剪切稀释作用好。PHP通过多点吸咐，吸咐在井壁上起保护作用。在实际应用中，加入适量的交联剂(FeCl3)等，可提高粘度、切力和携砂能力，有较好的护壁效应。PHP还有一定的润滑作用。

聚乙烯醇(PVA)：PVA也属于高分子化合物，溶于水后可增加粘度，它同样具有剪切稀释的特性。PVA成膜性很强。其水溶液中加入少量硼砂，用人工激烈搅动，静置2min后胶化的PVA成冻胶状，对护壁堵漏十分有效。

FeCl3：提供Fe3+，可与PHP交联成不溶性凝胶物，以利于护壁堵漏。

KCl：能提供K+。矿区复杂地层中已发现有溶胀、溶坍的地段，特别是断裂破碎带水敏性较严重，K+进入粘土晶格后可以防止水分子进入，从而防止了地层遇水溶胀现象的发生，根据地层不同，可以调整KCl的用量。

硼砂：可与PVA交联成冻胶，构成双二醇型的键。

（2）配制试验：选择好添加剂后，用正交试验法进行冲洗液配制的试验，选用Lg（34)正交表，见表2。

表2中，PHP：水解度20%～40%，分子量300～500万，将干粉配成1%浓度的水溶液待用；PVA：聚合度1750，醇解度88%，配成1%浓度待用；FeCl3：配成19%浓度水溶液；KCl：配成1%浓度水溶液(最好用KHM)；硼砂：配成1%浓度水溶液。

数据处理：按有关公式计算表2中的表观粘度T1表、塑性粘度T1塑、动切力Td和动塑比Td/T1塑列入表3中。

对各因素表观粘度、塑性粘度、动切力和动塑比的数据进行回归处理，结果见表4。

由表2分析可以得到：PHP对泥浆性能影响最大，其次是PHP与FeCl3交联，最佳配方应为PHP(K3)、 PVA(K3)、KCl(K3)。但考虑到复杂地层的护壁堵漏效果，应加大PVA的加量，最后确定的配方即为I号配方。冲洗液配方的性能为：

表2 正交试验结果

表3 数据处理结果

表4 数据回处理结果

（3）岩样浸泡试验：将所取到的3个孔6个孔段的5种典型岩样：变质砂岩、千枚岩、片麻岩、含矿破碎带和普通构造破碎带，砸碎后不加任何介质做成直径为25m的小圆球，放在阴凉干燥处阴干后待用。

把5种岩性的样球分别放置在盛放Ⅰ号冲洗液的烧杯中，每个烧杯放2～3个，浸泡24h后，含矿破碎带和普通构造破碎带的样球有裂纹、分瓣现象，其它3个样球无变化。

将发生变化的2个样品拿出，其它几个样品继续浸泡，数日不坍，此冲洗液可作为常规冲洗液。

对于破碎带应重新设计配方，在其它药品加量不变的基础上，把KCl加量调到2‰～3‰，再浸泡破碎带岩样，数日不坍，此配方可作为破碎带层冲洗液。

（4）Ⅱ号冲洗液配方的选定：微漏—中等漏失地层中，应使用PVA加硼砂交联配成冻胶来堵漏，经正交试验，回归处理得到的配方如表5所示。

表5 回处理得到的配方

经试验，该冲洗液激烈搅拌静置15min后即成冻胶状，再激烈搅拌又变稀。变稀液时的漏斗粘度为27～30s。

5 冲洗液在施工中的应用及效果

5.1 在坍塌、掉块地层中的应用及效果

（1）全孔使用Ⅰ号冲洗液配方，遇水敏性破碎带将KCl加量调到2‰～3‰，提高冲洗液的结膜性及提高膜的强度。使用该冲洗液后，钻孔的坍塌、掉块、地层膨胀情况得到极大改善，虽然还有此类现象发生，但是未造成较严重的钻孔事故；

（2）遇长孔段严重破碎带时，该冲洗液护孔效果较差，此时可用灌注水泥和套管护壁的方法进行治理。

5.2 在漏失、涌水地层中的应用及效果

（1）对于微漏至中等漏失地层，可在Ⅰ号冲洗液中加入添加剂配制成Ⅱ号冲洗液，除能够护壁外，还可以随钻堵漏，效果良好，大大提高了施工效率；

（2）如果出现中等至严重漏失，则Ⅱ号冲洗液的作用有限，此时可采用粘土絮凝堵漏、化学堵漏、水泥堵漏、套管封隔等方法进行治理；

(3)对于涌水地层可以配制大比重冲洗液，采用平衡钻进方法治理。

6 结论

经过实验室的各种试验，并经现场施工应用的检验，得到以下结论：

（1）在不同的地质条件下，分别使用2种冲洗液，能够起到护壁、堵漏、预防钻孔事故的目的，减少了钻孔事故，提高了施工效率，同时保证了工程质量。

（2）Ⅰ号冲洗液（KCl加量调整至2‰～3‰）可有效保护孔壁，预防钻孔坍塌、掉块、岩层膨胀，为本矿区钻探施工常用冲洗液。

（3）Ⅱ号冲洗液配合在Ⅰ号冲洗液中，可作为微漏至中等漏失地层的随钻堵漏剂，能够有效提高施工效率。

（4）对于长孔段严重破碎带地层、严重漏失地层以及涌水地层，这两种冲洗液的护壁作用有限，需要使用其它方法进行治理。

（5）在实际施工中，一方面要严格按照冲洗液配方进行配制泥浆，使其达到预定的冲洗液性能；另一方面，又要根据施工中所遇到的不同情况，在技术人员的指导下，随时对冲洗液的性能加以改进，以达到更好的护壁堵漏效果。

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1004-5716(2015)10-0013-04

2015-04-13

李茂军（1977-），男（汉族），河南潢川人，工程师，现从事钻探技术及管理方面的工作。