甘肃金昌龙首矿坑道钻探冲洗液对策

李晓东，柯玉军

(1.北京探矿工程研究所，北京 102405；2.西北有色地质勘查局，西安 710054)

1 钻孔概况

1.1 工区概况

龙首矿是隶属于金川集团公司的国有大型铜镍矿山，是金川公司最早的矿山生产单位。矿区位于甘肃省河西走廊中部金昌市，地理坐标：东经102°13′，北纬38°30′，距省城兰州372 km。矿区内有专线铁路与兰新铁路金昌站接轨，河(河西堡镇)—雅(雅布赖)公路从矿区通过，向南48 km至永昌县城处与312国道相接，交通十分方便。金川铜镍矿是世界著名的多金属共生的大型硫化铜镍矿床之一。镍和铂族金属储量居全国第一位，铜、钴储量居全国第二位，矿床中伴生的多金属种类之多，在国内外迄今尚属罕见。金川铜镍矿的发现与开发，从根本上结束了我国缺镍少铂的历史。

1.2 地质概况

1.2.1 区域地质概况

金川铜镍矿床大地构造位置位于华北地台阿拉善地块西南缘的龙首山隆起中，属于典型的中生代以来水平挤压隆起的构造背景。矿床南邻活动强烈的祁连板块，再以南为柴达木地块，北接相对稳定的阿拉善地块，再以北为晚古生代准噶尔褶皱带，西靠塔里木地块，东部为鄂尔多斯地块(与阿拉善块体同属中朝准地台)。自北而南，对矿区有重要影响的构造块体依次为潮水拗陷(盆地)带、龙首山断褶(隆)带、河西走廊过渡带和祁连山加里东褶皱带，它们均以深大断裂为界，其中前两者属中朝准地台，后两者属欧亚板块。可见金川岩体所处的大地构造环境在地质历史中有过重大变动。

1.2.2 矿区地层情况

由于大地构造的叠加与改造，使得金川地区在沉积建造上出现过多次大的变化，形成不同岩相的地层，花岗岩类最为发育，分布面积大，多呈岩基产出，断续散布于龙首山区，伴随侵入活动，岩浆喷发作用亦较发育，以基性火山岩为主，主要发育于前寒武纪，多已变质。岩石具有不同程度的蚀变，相对新鲜的岩石以及几乎完全蚀变仅残留尖晶石的岩石都存在。主要的蚀变作用是绿泥石化、蛇纹石化，透闪石化等，但蚀变程度不等，而且在岩体中的分布也不均匀。

1.3 钻孔基本情况

在该矿区施工钻孔3个，均位于地表600 m以下的坑道内，孔位海拔1100 m。钻孔设计孔深、设计倾角及终孔深度如表1所示。

表1 施工钻孔概况

1.4 钻孔所用设备、循环系统、施工工艺及孔身结构

1.4.1 现场主要设备及检测仪器

现场施工钻机共3台，泥浆性能检测仪器均为机台配套箱。具体情况如表2所示。

表2 现场主要设备

1.4.2 冲洗液循环系统

施工的3个钻孔的循环系统均由1个5 m3泥浆池、1个0.5 m3沉淀池、1个0.3 m3沉淀池及约10 m长的循环槽组成。

1.4.3 钻进工艺与钻具组合

采用绳索取心钻进工艺。开孔采用∅95 mm金刚石钻头，下入∅91 mm套管后，换∅75 mm金刚石钻头钻进至终孔。

1.4.4 孔身结构

以CKI22- 2孔为例，其孔身结构如图1所示。

图1 CKI22-2孔孔身结构图

2 现场施工存在的问题与分析

2.1 蚀变地层遇水分散剥落

该矿区地层复杂，蚀变严重，如绿泥石化、蛇纹石化和透闪石化等，蚀变程度不等，且分布也不均匀。蚀变地层水敏性极强，岩层破碎，强度低，遇水极易分散剥落(见图2)经常发生孔壁坍塌、孔内掉块现象，造成钻杆、套管折断、脱扣等孔内事故，成孔率极低。

通过对现场所取得的岩心样品进行XRD矿物成分分析，结果见表3，从分析结果中可以看到岩心中含有大量绿泥石、伊利石、高岭石等黏土矿物，易吸水分散或膨胀，尤其是绿泥石水敏性极强。

图2 现场取出的岩心

孔深/m岩心矿物成分含量/%绿泥石伊利石高岭石石英长石滑石白云石铁铝角闪石菱铁矿1731020102025510——19150220——25—3—21010—5355———40303580—105————

2.2 地层涌水

地层内含水丰富，有多个含水层，地层涌水时不但破坏冲洗液性能，大幅度削弱了冲洗液对孔壁的保护作用，而且加剧了水敏性地层吸水分散，给护壁带来了极大的困难。

2.3 绳索取心钻进抽汲作用强

绳索取心钻进环空间隙小，提钻过程中若冲洗液黏度和切力较高、提钻速度过快，会产生很强的抽汲作用，冲洗液对孔壁的支撑作用骤减，从而导致孔壁坍塌。蚀变地层本身强度低，经过水浸泡后强度进一步下降，在抽汲作用下极易坍塌剥落，导致施工无法进行。

3 冲洗液对策

对于水敏性地层，需要严格控制冲洗液滤失量，同时提高泥皮的隔水作用，保证冲洗液具有良好的护壁效果。对于涌水层，一方面应提高密度，通过液柱压力将地层水控制在钻孔外，另一方面应当在被涌水破坏的冲洗液中及时补充处理剂，保证冲洗液性能在合理的范围内。钻进中应时刻观察地层涌水情况，通过提高密度、增大液柱压力的方式防止地层水侵入冲洗液，同时还应提高冲洗液性能监测频率，保证冲洗液性能不被地层涌水破坏。针对上述情况，我们选用了成膜护壁低固相冲洗液体系，通过在现场应用，对防止水敏性地层分散剥落、坍塌起到了显著效果。

3.1 冲洗液组成及加量

成膜护壁低固相冲洗液所用材料、常用加量及其作用如表4所示，另外因涌水层较多，还需预备足够量重晶石，以备加重时使用。

表4 配制1m3成膜护壁低固相冲洗液所需要的材料及加量

3.2 冲洗液配制方法

配制冲洗液时，先在配浆罐中放入清水，加纯碱处理，配浆水呈弱碱性；加入膨润土，搅拌20～30 min，使其充分水化；接着加入成膜体系A剂和成膜体系B剂，搅拌5 min；然后依次加入防塌减阻剂、封堵剂及随钻堵漏剂，搅拌5～10 min；再加入3～5 kg增黏剂，搅拌10～15 min，以分散均匀且不成团为宜；最后加入包被剂，搅拌20～30 min后即可使用。

3.3 冲洗液性能

现场配制的冲洗液性能为：苏式漏斗黏度35～50 s，密度1.05～1.20 g/cm3，API滤失量5～8 mL/30 min，泥皮厚度0.2 mm，pH 9～10，泥皮质量致密、薄韧。

从现场配制的冲洗液性能可以看出，成膜护壁冲洗液性能稳定，黏度根据实际情况调整，滤失量较低且泥皮致密薄韧，从而减少水分进入地层造成孔壁破坏，一旦钻遇涌水层，则需提高密度，及时压住涌水。

3.4 冲洗液维护

现场使用和维护应注意以下几方面：

(1)在配制冲洗液时，按配方的顺序依次加入，每一种材料搅匀后再加入下一种材料，其中增黏剂和包被剂在加入时应缓慢加入，防止因搅不均形成团块状，造成材料浪费或堵塞莲蓬头。

(2)根据取出岩心状态判断成膜体系B剂加量是否充足，若岩心表面比较粗糙、有剥蚀现象，则说明加量不足；如果岩心表面光滑完整，则说明加量充足。

(3)冲洗液黏度保持在35～45 s，若黏度过高则会影响钻进效率，过低则不利于携带岩粉，通过增加或较少增黏剂的加量可灵活调整黏度。

(4)包被剂是高分子聚合物，消耗较快，需要每个班在循环系统中加入0.5～1.0 kg包被剂，预溶成适量的溶液加入冲洗液效果更好。

(5)若遇到裂隙渗漏地层，需增加封堵剂和随钻堵漏剂加量，降低冲洗液漏失量。

(6)因地层内含水量高，经常遇到涌水，对冲洗液性能造成较大影响，应根据冲洗液性能变化及时补充各处理剂，以保证冲洗液性能维持在合适的范围内。

(7)经常清理循环槽及沉淀池中的岩粉，从而降低冲洗液中的固相含量，减少有害固相对冲洗液的侵害。

(8)搅拌罐内应始终保持有搅拌好的冲洗液，以备补充使用，冲洗液搅拌时间越长，其中的高分子材料溶解越充分，冲洗液性能越好。

3.5 应用效果

3.5.1 护壁效果

该孔地层含有大段蚀变地层，水敏性强、松散破碎较多、强度较低。在施工过程中使用成膜护壁低固相冲洗液，孔壁稳定，坍塌掉块现象明显减少，起下钻较通畅。另外，从现场取出的岩心情况也进一步证明了成膜护壁冲洗液优良的护壁效果。

3.5.2 取心质量

使用成膜护壁冲洗液取出的岩心完整，表面光滑(如图3所示)，而且取心率明显提高。

图3 采用成膜护壁冲洗液取出的岩心

3.5.3 流变性好

冲洗液具有良好的流变性，既能满足携砂要求，同时冲洗液中的岩屑又能在地表较好地沉降，冲洗液使用周期长，有效减少了冲洗液排放，解决了坑道内钻探施工废弃冲洗液难排放的问题。

3.5.4 有效抑制涌水

由于涌水层较多，冲洗液经常会被破坏，导致黏度和密度降低，滤失量增加，通过现场调整性能，提高密度，有效抑制了涌水对冲洗液性能的影响。

3.5.5 钻进效率高

采用成膜护壁冲洗液钻进时，由于该冲洗液黏度适中且润滑性能好，钻机可以开高转速，钻进效率明显高于同矿区其他机台。

4 结论

龙首矿坑道钻探施工中钻遇水敏性极强的蚀变地层，采用成膜护壁低固相冲洗液体系，有效解决了孔壁分散剥落、坍塌问题，保证了取心质量和取心率，提高了钻进效率，使钻探施工得以顺利实施。