1、水口山金礦區復雜地層深孔鉆進綜合治理摘 要鉆探工程是地質勘查的重要手段，金剛石繩索取心鉆進是目前國內巖心鉆探普遍應用的施工工藝，困擾金剛石繩索取心鉆進的主要難題是遇到破碎、坍塌、漏失及斷層泥夾角礫層、綠泥石化和高嶺石化等蝕變帶，因松散、松軟水敏、破碎地層而引發的孔壁坍塌、掉塊，遇水膨脹而縮徑、遇水溶解而超徑、漏水等現象，鉆孔因缺少必要的治理技術措施或采用方法不當，易造成鉆進效率和質量降低，費用增加。特別是在深孔施工中，因地層復雜，破碎帶的層數、深度、厚度不確定，治理難度大，致使鉆孔出現孔內事故，甚至造成廢尺、廢孔等損失，影響對礦體的綜合評價。本文依據歷年來在哈達門溝金礦區復雜地層鉆進施工的經驗

2、教訓，特別是收集當前國內有關復雜地層深孔鉆進的相關資料，通過復雜地層和漏失情況判斷分析、實驗室測試調配泥漿、無固相沖洗液、巖樣浸泡實驗、現場配制調試及性能維護、堵漏方法研究、實踐探索、科學管理等方法，系統分析了礦區施工地層的復雜程度，總結了復雜地層深孔鉆進鉆孔護壁與堵漏等施工要點和綜合治理方法。根據鉆層的破碎、蝕變程度和層位深淺，采取細分散泥漿、不分散低固相泥漿、普通無固相沖洗液和優質高聚物無固相沖洗液等分層鉆進的技術措施，分述了實際施工中各沖洗液適宜的地層和各性能指標，確定了低固相泥漿、細分散泥漿是處理哈達門溝金礦區含角礫蝕變帶、清除孔內大顆粒物的有效鉆井液，PAA高聚物無固相沖洗液是處理綠

3、泥化、高嶺土化等蝕變帶最佳鉆井液。針對不同裂隙程度和漏失情況，分述了采取頂漏鉆進、沖洗液堵漏、套管護壁堵漏、惰性材料堵漏等適用的地層和方法。突出了復雜地層深孔鉆進在施工材料準備、明確預防處理措施、處理孔內事故的原則和深孔鉆進操作注意事項等施工管理和操作技術要求的重要性。總結得出復雜地層深孔鉆進要選擇適宜地層的分層鉆進技術措施是施工關鍵，施工管理是基礎，綜合治理不僅是各項技術措施的綜合，更是技術與管理的綜合。關鍵詞：復雜地層，鉆進，護壁，堵漏，管理目 錄第一章 前 言11.1 研究目的意義11.2 研究內容及方法21.3 預期目的2第二章 復雜地層及護壁堵漏綜述32.1 綜合分類32.2 不穩定

4、地層分類42.3 漏失地層的分類62.4 沖洗液的發展72.5 漏失地層的處理9第三章 研究區概況133.1 研究區概況133.2 以往鉆探工作153.3 鉆探施工表現173.4 礦區復雜程度屬類183.5 施工設備及工藝19第四章 礦區主要護壁方法214.1 無固相聚合物沖洗液214.2 泥漿護壁254.3 灌注水泥漿液護壁274.4 沖洗液的現場管理284.5 綜合護壁實例28第五章 堵漏方法305.1 801堵漏劑的應用305.2 PAM-水泥-泥漿絮凝堵漏315.3 灌注水泥漿、下套管堵漏315.4 綜合堵漏實例32第六章 施工管理346.1 施工準備充足346.2 明確施工措施346

5、.3 處理孔內事故的原則366.4 鉆進操作注意事項37第七章 結 論39致 謝41參考文獻4245中國地質大學（北京）工程碩士學位論文第一章 前 言1.1 研究目的意義鉆探工程是地質找礦的重要手段之一。隨著近年來地勘市場極劇升溫和地質工作的不斷深入，金礦地質勘探逐步由尋找埋藏淺、易發現礦轉變為埋藏深、難識別隱伏礦，施工鉆孔越來越深，鉆遇的地層越來越復雜，施工難度越來越大。金礦體賦存的巖層，多受構造及礦化蝕變影響，使其力學性質和完整性等有著很大差異。鉆孔通過這些巖層時，會發生孔壁坍塌、掉塊，遇水膨脹而縮徑、遇水溶解而超徑、漏水等現象，即通常說的復雜地層，對鉆探施工的難易程度產生重要影響。鉆進復

6、雜地層時，往往使鉆進效率和質量降低，費用增加，有些地層復雜程度嚴重的地區甚至出現報廢鉆孔和鉆孔無法施工的情況。研究復雜地層鉆進的綜合治理對金礦地質勘探具有重要的地質意義和經濟意義。哈達門溝金礦區是內蒙古中西部的一個特大型巖金礦床。該區自1986年發現以來，武警黃金二支隊先后在哈達門溝礦段和柳壩溝礦段發現8個脈群計69條金礦脈，累計探獲（333）以上金資源/儲量87.2噸。依據1992年、1994年提交的兩個勘探報告，包頭市鑫達公司已建成日處理礦石1000噸、平均年產黃金800千克的黃金礦山。2008年初自治區國土資源廳與我部二支隊簽訂了為期三年的聯合勘查協議，總投資額為6692萬元，其中巖心鉆

7、探工作量為56500米，力爭三年內使礦區達到超大型金礦規模。該項目設計鉆孔普遍較深，600米以上鉆孔31090米，占項目鉆探總工作量的55%。另外礦區地層極為復雜，鉆探施工中，因松散、松軟水敏、破碎地層、斷層角礫而引發的孔內坍塌、掉塊、漏失等難題，在每個鉆孔中均有不同程度的存在，屬典型的復雜地層。研究治理哈達門溝金礦區復雜地層鉆進難的問題，是鉆探工作能否順利完成、聯合勘查項目能否順利進行、百噸特大型金礦目標能否順利實現的關鍵。筆者自1992年以來，長期從事巖心鉆探施工技術與管理工作，曾先后進行過黑龍江省漠河縣砂寶斯礦區、吉林汪清縣杜荒嶺礦區蝕變巖層鉆進施工。2005年至今，一直從事哈達門溝礦區

8、鉆探施工技術指導工作，對復雜地層鉆進在施工工藝、護壁、堵漏及施工組織管理進行一些資料收集和初步研究，力圖通過本次對復雜地層鉆進難題的課題研究，解決礦區鉆探施工井故率高、成本居高不下等問題，提高施工效率，確保聯合勘查任務圓滿完成。同時，也為其它鉆探工作者提供一定借鑒。1.2 研究內容及方法在以往工作和前人研究的基礎上，總結以往的施工教訓，通過理論分析的方式，判斷礦區地層復雜和漏失情況屬類，尋求可行的護壁堵漏方法。查閱近年關于復雜地層鉆進方面的期刊資料及生產單位研制的新型護壁堵漏材料、改型管材。了解相關部隊兄弟單位及同行業地勘單位復雜地層深孔施工技術管理經驗，選擇鉆井液及護壁堵漏材料，進行實驗室配

9、方及巖樣浸泡實驗，探索各種材料配方、性能及使用要點，優選適應礦區各地層的鉆井液。采用多種綜合方法進行堵漏實踐對比，對不同漏失程度的孔段進行堵漏，探索堵漏規律。同時對復雜地層深孔鉆進施工工藝、管理等進行綜合研究，尋求復雜地層深孔鉆進綜合治理的方法和有效途徑。1.3 預期目的對哈達門溝礦區復雜地層深孔鉆進進行歸納總結，優選出適合不同地層的護壁堵漏方法，采取合理的工藝，加強管理。力圖通過研究，進一步提高施工效率，減少孔內事故的發生，降低工程成本，確保內蒙古自治區聯合勘查項目如期完成，也為其他鉆探工作者提供參考。同時，提交論文一份。第二章 復雜地層及護壁堵漏綜述哈達門溝礦區屬典型的復雜地層。正確分析復

10、雜地層的存在狀態和特征，能有效地確定復雜地層的治理方案，克服鉆孔護壁堵漏工作的盲目性，增強治理的有效性，提高護壁堵漏的成功率，實現安全鉆進的目的。多年來，國內外不少學者對復雜地層的分類，從簡單到復雜，從定性到定量，由經驗上升到理性，進行了大量的研究工作，并提出了行之有效的治理方案與措施，對指導生產實踐起到了積極作用。根據胡辰光主編的鉆探工程技術及標準規范實務全書，復雜地層分類如下。2.1 綜合分類根據復雜地層的成因類型、性質和狀態，及其在鉆進過程中可能出現的復雜情況，復雜地層作如表21 所示的分類。從表21所列的復雜地層情況分類看出，在鉆進過程中出現的復雜情況，歸納起來，主要為兩種情況即：孔壁

11、不穩定或孔壁失穩的地層，稱為不穩定地層；孔內沖洗液漏失（或涌水）的地層，稱為漏失（或涌水）地層。因此，為了針對不同性狀和特征的地層采取有效的防治措施，對不穩定地層和漏失地層，還應作進一步的分類。表3 1 復雜地層綜合分類表地層分類成因類型典型地層復雜情況各種鹽類地層水溶性地層巖鹽、鉀鹽、光鹵石、芒硝、天然堿、石膏鉆孔超徑、泥漿污染、孔壁掉塊、坍塌各種粘土、泥巖、頁巖水敏性地層（溶脹分散地層、水化剝落地層）松散粘土層、各種泥巖、軟頁巖、有裂隙的硬頁巖粘土膠結及水溶礦物膠結的地層膨脹縮徑、泥漿增稠、鉆頭泥包、孔壁表面剝落、崩解垮塌、超徑流砂、砂礫松散破碎地層松散的孔隙性地層、風化裂隙發育地層、未膠

12、結的構造破碎帶流砂層、砂礫石層、基巖風化層、斷層破碎帶漏水、涌水、涌砂、孔壁垮塌、鉆孔超徑裂隙地層構造裂隙地層、成巖裂隙地層節理、斷層發育的地層漏水、涌水、掉塊、坍塌巖溶地層溶隙地層溶隙、溶洞發育的地層（石膏、石灰巖、白云巖、大理巖）漏水、涌水、坍塌高壓油、氣、水地層封閉的儲油、氣、水的孔隙型地層、裂隙及溶隙地層儲油、氣、水的背斜構造；逆掩斷層的封閉構造井噴及其帶來的一切不良后果高溫地層巖漿活動帶或與放射性礦床有關的地層地熱井、超深井所遇到的地層泥漿處理劑失效、地層不穩定、H2S 造成危害2.2 不穩定地層分類根據不穩定地層產生的原因和性狀，可將不穩定地層分為“力學不穩定地層”和“遇水不穩定地

13、層”。2.2.1 力學不穩定地層力學不穩定地層是指受地質成因或受構造運動影響造成的破碎地層，或受太陽、大氣、地表水、地下水和生物活動而遭受機械破壞與化學破壞的地層。這類地層一旦被鉆穿后，就會破壞其原來的相對穩定或平衡狀態，使孔壁在重力作用下產生坍塌掉塊等孔壁失穩現象。這類地層有些分布在地表附近，有些則可能埋藏較深。屬于淺部的力學不穩定地層包括表2 1 中的流砂、砂礫松散地層，具體如風化殘積層、沖積層和洪積層、流砂層等。這些地層的特征是：膠結差或不膠結、松散、孔隙度大、穩定性差、透水性強、鉆進時不僅孔壁易坍塌，而且還伴隨著沖洗液漏失或涌水。最不穩定的流砂層，極易坍塌，甚至無法形成鉆孔。深部的力學

14、不穩定地層主要有表2 1 中的破碎地層和裂隙地層，具體如斷層破碎帶和交叉斷裂裂隙形成的硬脆碎地層。這些地層的特征是：被破碎成顆?；虮磺懈畛纱笮〔坏鹊膲K體，顆?；驂K體間無連結、空隙大、透水性強、穩定性差。鉆進時孔壁坍塌、鉆孔超徑，同時常出現沖洗液的漏失。2.2.2 遇水不穩定地層遇水不穩定地層是指孔壁與沖洗液接觸，因而產生松散、溶脹、剝落、溶蝕等孔壁失去穩定性的地層，故亦稱水敏性地層。鉆進中遇到這類地層時，常出現鉆孔縮徑、超徑、孔壁剝落、崩塌等孔壁失穩問題。依孔壁遇水產生的情況不同，遇水不穩定地層又可分為：（1）遇水松散地層。這類地層由于受風化或蝕變的影響，巖層遇水后經浸泡，產生松散性破碎，表現

15、為掉塊、塌孔、孔內渣子多等。這類巖層如風化黃鐵礦、風化大理巖、風化花崗巖、風化泥質砂巖等。（2）遇水溶脹地層。這類地層遇水后，顆粒或分子間的聯結力降低，巖層吸水后體積膨脹，甚至進而以膠體或懸浮狀態分散在水中形成懸浮體。這類巖層有粘土、泥巖、軟頁巖、綠泥石等。鉆進這類巖層時，產生因溶脹而縮徑，因分散成懸浮體而超徑。（3）遇水剝落地層。這類地層由于其結構的不均勻性，如層理、節理、片理的存在，以及其充填物和膠結物的水敏性，遇水后往往產生片狀剝落或塊狀剝落。如硬頁巖、片巖、千枚巖、滑石化高嶺石化板巖、硬煤層等。（4）遇水溶解地層。這類地層與水接觸后便溶解于水中，由于溶解的結果，使孔壁出現超徑。屬于這類

16、地層的有：巖鹽、鉀鹽、石膏、芒硝及天然堿等。造成力學不穩定的原因主要是地質因素。由于成因、構造運動、地表風化等的不同，它們產生的復雜情況及復雜程度也不相同。遇水不穩定地層除地層本身的性質、結構等決定性因素外，水的作用是促使它們發生復雜情況的主要外界因素。因此，力學不穩定與遇水不穩定是既有區別又互相聯系。地質因素是兩者的客觀原因，水的作用是造成不穩定的外界因素。同時，力學不穩定又可因水的作用而加劇。2.3 漏失地層的分類鉆孔沖洗液漏失是地質勘探鉆進中經常遇到的復雜情況。為了解決鉆進中沖洗液漏失，必須對漏失地層進行分析研究，以便有針對性地進行堵漏。關于漏失層的分類研究，從40 年代起，國內外許多學

17、者就已開始，至今已有許多分類方法，其中根據漏失層的一些主要參數的綜合對漏失層進行分類，是在總結以前的各種分類方法的基礎上比較科學而全面的一種。它是通過各種測試手段對漏失層進行測試，在取得實測資料的基礎上，利用數學方法，通過電子計算機處理，綜合分析而得出的。這一漏失層分類方法，是由我國地質礦產部湖南省地礦局提出的。2.3.1 漏失層參數分類中考慮了反映漏失層漏失通道大小和特征、漏失量大小和地下水活動情況的參數共5個，它們是：（1）主通道類型（R）。漏失層中沖洗液流失渠道的規格較大者稱為主通道。它表明漏失層的成巖與構造特征，是漏失層最嚴重的部位和堵漏的重點，是決定堵漏材料種類、規格和堵漏工藝的關鍵

18、參數。根據漏失層的孔、縫、洞特征，主通道類型分為：孔隙類（R1）通道、裂隙類（R2）通道和洞穴類（R3）通道。（2）漏失層厚度（H）。指與不漏失層上、下界面的孔段長度，可分為薄層（H1）、厚層（H2）和大厚層（H3）3 類。（3）漏失層鉆孔容量（V）。指漏失層鉆孔所揭穿的空間容量，它表征其結構的破壞程度（即垮塌程度）。鉆孔容量的大小是選擇堵漏工藝、方法和材料用量的重要因素。按容量大小可分為：小容量（V1）、中等容量（V2）和大容量（V3）3 種。（4）漏失量（Q）。它說明漏失層在一定條件下的吸收能力或吞吐能力。漏失量分為：小漏失量（Q1）、中等漏失量（Q2）和大漏失量（Q3）3個等級。（5）漏

19、失地層地下水徑流量（U）。指漏失層中含水層受推移速度影響產生的地下水流量，表明地下水的活動狀態。流經漏失層的地下水徑流量影響堵漏方法、堵漏工藝、堵漏材料性能及其配方用量等，是一個不可忽視的水力參數。徑流量分為：微弱（U1 ）、較強（U2）和強烈（U3）3個等級。2.3.2 漏失層分類經對上述5個參數的綜合統計分析，將漏失層分為11類，5個等級。漏失層分類如表22所列。此分類方法較全面地考慮了影響漏失的各種因素，是迄今為止較為全面的反映漏失層特點的一種分類方法。按此方法在礦區初步試用，取得了較好的效果。鉆孔堵漏成功率達8090，經濟效益和社會效益顯著。2.4 沖洗液的發展沖洗液在鉆探施工中占有重

20、要作用，尤其在復雜地層鉆進施工中，更是實現鉆進順利的關鍵。鉆孔沖洗液經歷了如下五個階段的發展歷程：（1）清水和自然造漿階段。約在1904 1921 年間。此時還沒認識到用專門的處理劑。（2）細分散泥漿階段。約在1921 1942 年間。開始使用粘土進行人工配漿，并使用簡單的化學處理劑（如純堿、單寧等）使粘土分散得很細，從而得到細分散泥漿。已經有了簡單的測試儀器進行泥漿性能測定。（3）粗分散泥漿階段。約在1942 1966 年間。由于細分散泥漿很容易受外界環境的影響而導致性能很快變差，這促使人們去研究粘土分散與環境對其影響的問題。在當時著名的膠體電學穩定理論指導下，已經使用鈣鹽配制粗分散泥漿，并

21、開發應用了大量有機處理劑（如降粘劑和降失水劑）和較高分子量的聚合物（如纖維素和淀粉的衍生物），以穩定和改善粗分散泥漿性能。在此階段對沖洗液性能的研究和性能測試方法都有了較快的發展。表22 漏失層分類表類型級別參數組合漏失層參數名稱檔次劃定指標孔隙類綜合型大容量型大厚度型R 1 H 1 2 Q 1 3 U 1 2 V 1 2R1 H 1 2 Q1 3 U1 3 V3R1 H 3 Q1 3 U1 2 V1 2主通道類 型孔隙R 1裂隙R2洞穴R3S 點孔狀S 條脈狀S 管洞狀裂隙類綜合型大容量型大厚度型強徑流型R 2 H 1 2 Q 1 3 U 1 2 V 1 2R2 H 1 2 Q1 3 U1

22、2 V3R2 H 3 Q1 3 U1 3 V1 2R 2 H 1 2 Q 1 3 U 3 V 1 2厚度薄層H 1厚層H 2大厚層H31m1 10m10m容量小量V1中量V2大量V 33V T3 10V T10V T洞穴類綜合型大容型大厚度型強徑流型R3 H 1 2 Q1 3 U1 2 V1 2R3 H 1 2 Q 1 3 U 1 2 V3R3 H 3 Q1 2 U1 2 V1 2R3 H 1 2 Q1 3 U3 V1 2漏失量小漏Q1中漏Q 2大漏Q305R P051.0QP1.0Q P徑流量微弱U 1較強U2強烈U31lmin(110)lmin10lmin注：VT 理論容量；QP 泵量（4

23、）不分散低固相泥漿階段。由于泥漿的性能主要由高分子聚合物來控制，其中的粘土含量很少，所以它既有較好的流變性，又有較好的護壁性能，可得到較高的鉆速。泥漿處理劑已發展到16大類，200多個品種，1500余種商品。對流變學的研究更加深入，形成若干理論。已經使用整套的泥漿性能測試儀器。泥漿的固相控制設備已較完善。（5）無固相聚合物沖洗液階段。聚合物在沖洗液中的應用，就使得沖洗液中不含粘土固相成為可能。這不但極大地提高了鉆速，而且能獲得很好的膠結護壁效果，因而，無固相沖洗液非常適合鉆進深孔和鉆進復雜地層。近十年來，無固相聚合物沖洗液發展很快，如本文提到的PAA等。其它類型的沖孔流體，如空氣、空氣泡沫、霧

24、氣、充氣液體等也隨著鉆進方法的發展有了不同程度的發展。鉆孔沖洗液每一種新類型的出現，都是鉆孔工程技術發展的需要，由于每一種沖洗液都有其適用條件。因此，它們之間不是新類型完全淘汰舊類型的關系，而是性能的差異和適應條件不同而已。2.5 漏失地層的處理根據對鉆孔漏失原因的分析，得知鉆孔漏失是在下列條件下發生的：巖層具有裂隙和孔洞，為沖洗液漏失提供了天然通道；孔內液柱壓力大于地層壓力，在壓力差作用下迫使沖洗液沿裂隙和孔洞流失。因此，解決漏失的方法應從：調整孔內液柱壓力；堵塞沖洗液漏失的通道；將漏失層與鉆孔隔離等幾個方面著手。1.泥漿堵漏泥漿堵漏是最基本最常用的方法，也是在輕微漏失地層堵漏的行之有效的方

25、法。在漏失地層中使用的泥漿，其性能應符合：比重小、粘度和切力大的要求。比重小可降低液柱壓力，減小液柱壓力與地層壓力間的壓力差，削弱或消除壓力差對漏失的影響。粘度和切力大的泥漿，當滲入漏失層的裂隙或孔洞后，因流速變慢，容易形成結構。同時泥漿在孔壁上形成泥皮，達到堵塞漏失通道的目的。當漏失層的裂隙或孔洞較大時，可在泥漿中加入一定量的惰性填充物，以提高堵塞漏失通道能力達到堵漏的目的。一些常用的泥漿堵漏的方法大致如下。（1）采用高粘度，高切力，低比重的泥漿在輕微漏失層中預防及處理漏失。其具體方法是選用造漿率高的膨潤土，適當加大粘土含量并加碳酸鈉處理，使泥漿比重控制在1.1以下，粘度在3040s以上和切

26、力較大而失水量較小。如泥漿性能達不到上述要求，可采用有機增稠劑處理，如采用香葉粉等處理以提高泥漿粘度和切力。（2）采用泡沫泥漿預防及處理漏失：在泥漿中加入發泡劑和穩泡劑，使泥漿通過攪拌混入空氣，達到配制成充氣泡沫泥漿。充氣泡沫泥漿所使用的發泡劑有陰離子型和非離子型兩類。雖然陰離子型發泡劑有較強的發泡能力，但當遇鹽、鈣浸時會失效或減效，另外巖粉也會大量吸附陰離子型發泡劑，因此采用非離子型發泡劑比較適合。充氣泡沫泥漿對原漿的要求是：泥漿比重不大于1.081.1，粘度2530s，失水量一般不超過20mL30min。鉆進過程中，巖粉會吸附發泡劑，會逐漸消泡，必須補充發泡劑并利用泥漿噴槍進行充氣工作。（

27、3）采用石灰乳泥漿處理漏失：在泥漿中加入濃度為1020的石灰乳，其加量根據具體情況決定，使泥漿粘度和切力提高到要求的數值，并由泵送入或由孔口注入，以堵塞漏失通道達到堵漏的目的。（4）采用凍膠泥漿處理漏失：在泥漿中加入水泥、氯化鈣、水玻璃等結構劑，使泥漿形成高粘度的凍膠狀。從孔口灌注到鉆孔中，使高粘度的凍膠物在漏失通道中凝固，堵塞漏失通道，以達到堵漏的目的。（5）采用填充材料架橋及泥漿相配合的方法處理漏失：在普通泥漿（或高粘度和高切力泥漿）中加入惰性填充材料（如棉籽殼、云母片等）經攪拌均勻后作沖洗液，泥漿中的填充物進入漏失后的裂隙中，填充堵塞裂隙達到堵漏的目的。填充材料的規格應適應漏失通道的大小

28、。填充材料的加量應根據具體情況來決定。2.粘泥和泥漿配合處理漏失將粘結性強的粘土加適量的水調合成可塑狀的軟泥，為了提高堵塞能力，可在軟泥中加入鋸末、麻刀等填充物，根據孔徑大小做成不同規格的泥球，待表面稍微風干后，由孔口投入（或送入）。投入時要防止泥球中途卡塞，投入泥球后用粗徑鉆具將粘土擠入巖層的漏失通道中，然后用泥漿作為沖洗液緩慢掃孔，使粘泥封閉漏失通道達到處理漏失的目的。3.水泥漿堵漏利用水泥漿來處理鉆孔漏失是一種常用而有效的方法，它是利用鉆桿泵送或灌注器注入水泥漿來填充、膠結、封閉漏失通道的方法。在處理漏失時，要求水泥漿有一定的流動性能，以便流入漏失通道中并在其中凝結、封閉漏失通道，同時要

29、求水泥漿的凝固時間要適當，以減少水泥漿液的漏失或被地下水稀釋，提高堵漏的效果。堵漏時應選用硫鋁酸鹽地質勘探專用水泥，如選用普通硅酸鹽水泥時，應在水泥漿中加入速凝劑，以加快水泥漿液的凝固速度。水泥漿液的配方應根據實際情況通過試驗的方法確定。如為孔壁漏失，則應在漏失孔段的下部選孔壁規則完整的地方進行架橋，然后再進行灌注水泥漿，以取得用最少的水泥漿即可達到堵漏的目的。4.化學漿液堵漏化學漿液用于防止滲漏的歷史雖然不太長，但已收到不同程度的效果，還有待于進一步研究完善。從堵漏的觀點來看，化學漿液的性質應以能填充漏失通道并迅速凝固膠結封閉為主，其次再考慮漿液固結物的強度。目前使用的化學漿液有：脲醛樹脂、

30、氰凝、301聚脂、丙凝、鉻木素漿液等。堵漏時應根據鉆孔漏失的強度和漏失層的特點來選擇化學漿液的類型。如在地下水活動劇烈的漏失層中，必須考慮漿液的凝固速度和地下水位活動的影響問題。5.填充法（架橋法）與其它堵塞膠結法聯合堵漏此種方法是先往孔內送入填充材料堵塞大裂隙或空洞，減弱其漏失能力，再用其它堵塞膠結的方法，以減少堵塞膠結物的漏失，提高堵漏效果。常用的填充物有：鋸末、稻殼、榛子殼、橡子殼、核桃殼、云母屑、棉子殼、玉米棒等。如漏失通道較大且地下水活動劇烈時，可采用砂、礫做填充材料。生產實踐證實砂子充填的部位有較大的抗壓強度，具有沖不垮、壓不開的特點。砂、礫可采用天然的河砂礫，其規格視漏失通道的大

31、小而定，投入的速度要慢，以防中途卡塞，投入后應開泵送水將砂礫送入漏失通道，當投入的砂礫超過漏失孔段頂部0.51m左右，即可用粘度為30s左右的泥漿沖孔，用專門鉆具掃孔并撈出多余的砂礫，然后續繼用泥漿護壁正常鉆進。如漏失孔段的孔壁不穩定而易坍塌時，在用砂礫填充后可灌注水泥漿，待水泥漿固結后可掃孔鉆進。6.套管隔離法對嚴重坍塌超徑、老窿、大裂隙、大溶洞等嚴重漏失層，當用其它方法仍無法控制時，則可下入套管（或暗管）將漏失帶與鉆孔隔離。對套管的底端和暗管的頂底端部，必須嚴密封閉止水，否則達不到堵漏的目的。第三章 研究區概況3.1 研究區概況哈達門溝金礦區位于包頭市九原區阿嘎如泰蘇木和烏拉特前旗沙德蓋蘇

32、木境內（交通位置圖見圖2-1），地處陰山山脈烏拉山中東段，其范圍西起烏蘭不浪溝，東至平方溝，南鄰河套平原，北鄰沙德蓋盆地，東西長約12km，南北寬約15km，實際工作區面積約100km2。分為哈達門溝礦段和柳壩溝礦段。圖3-1內蒙古自治區包頭市哈達門溝礦區交通位置圖地理坐標（極值坐標）：哈達門溝：東經：109°3000109°3630北緯：40°393040°4400柳壩溝： 東經：109°3000109°3500 北緯：40°440040°4530區內山勢陡峭，海拔1768-2255m，冰凍期從10月下旬至次年4

33、月，無霜期約158天。礦區大地構造位置位于華北地臺北緣()內蒙臺隆()的烏拉山復背斜()南翼。礦區內出露的地層是晚太古界烏拉山群第三巖組的一部分，按巖性劃分為五個巖性段，從老到新分別為黑云角閃斜長變粒巖、黑云角閃二長片麻巖、含榴石黑云斜長片麻巖、黑云角閃斜長片麻巖及黑云二長片麻巖，是一套原巖為火山碎屑巖建造的中高級變質巖。其中第二、第三、第四巖性段是金礦體的主要賦存層位。區域內構造非常復雜，褶皺、斷裂構造十分發育，哈達門溝金礦賦存于復背斜南翼近核部的斷裂內，礦化類型以含金石英脈網脈的鉀長石蝕變巖型為主，是哈達門溝式金礦比較典型的礦脈，礦區長期受南北向的擠壓應力影響，從南向北在工作范圍內形成一個

34、逐漸減弱的動力變質帶，不僅發育一系列斷裂破碎帶，而且形成了各種動力變質的巖石。按其破碎程度和巖石性質，可分為斷層角礫巖、糜棱巖及碎裂質巖石。圖3-2 哈達門溝金礦區綜合地質圖斷層角礫巖主要分布在斷裂破碎帶之內，礦區南側的鉀長石化蝕變巖兩側，經?？梢砸姷綆酌讛凳椎慕堑[巖帶，硅質膠結，有時為碳酸鹽膠結。碎裂巖在礦區內非常普遍，特別是在礦體及其頂底板圍巖中非常發育，呈碎裂結構，壓碎構造，巖塊多呈尖棱角狀不規則狀。圖3-3 礦區典型破碎帶糜棱巖化巖石主要分布在構造破碎帶附近，在礦區西部的大壩溝兩側發育，在礦體的局部地段有出露。由于受動力變質作用，多數長石、石英已成較細的碎粒，并沿一定方向分布，少數石

35、英呈粒斑出現。在構造有利部位尋找蝕變帶，蝕變類型主要為鉀長石化、硅化、綠泥石化、高嶺土化、絹云母化、碳酸鹽化。本區的圍巖蝕變主要有鉀長石化、硅化、其次是絹云母化、綠泥石化、高嶺土化。 圖3-4 礦區典型破碎蝕變帶巖心3.2 以往鉆探工作該礦區分為哈達門溝礦段和柳壩溝礦段。1986年初，原武警黃金十一支隊在該區進行巖金普查時，發現了哈達門溝金礦，之后相繼開展了地質普查、詳查、勘探及地質科研工作，1999年，發現了柳壩溝礦段。截止2007年底，礦區累計完成鉆探實物工作量74000米，2008年又施工鉆探工程量18000米，其中我部自營7500米。哈達門溝礦段：1987年開始對13號礦脈開展深部鉆探

36、工作，少部分在24號脈，在此階段共投入鉆探12513m，13號脈群已基本完成了普查，局部達到詳查程度。1989年地質工作轉入詳查階段。1990年原十一支隊與國家黃金管理部門前定了“892規劃”項目合同，詳查與勘查工作穿插進行，礦區的勘探工作進入高峰期?！?92規劃”項目于1992年底提交勘探報告，提交的儲量已達到大型礦床的儲量規模。該階段共投入鉆探28675米。1993年原武警黃金第十一支隊提交了24號脈的地質勘探報告，項目共投入鉆探6513.83米，通過工作發現該脈地表礦化較強，金品位較高，深部礦化較弱，金品位較低。上述13、24號脈地層相對完整，鉆探工作采取普通金剛石單動雙管鉆進，沖洗液采

37、用細分散泥漿和低固相泥漿，且鉆孔較淺（多為400米以內），鉆探施工相對較順利，但效率不高（臺月效率僅350米/臺月），采取率也僅達80%左右。1999、2005、2006年武警黃金二支隊對25、28、55號脈開展地質普查工作，累計施工鉆探2800米，由于該礦脈北傾，地層南傾，為順層鉆進，坍塌、掉塊、漏失十分嚴重，孔內水位極低，加之脈體較為破碎，個別地段脈體呈爐灰狀，采取率嚴重不足，施工效率低。因此，影響了對該礦脈深部的評價。柳壩溝礦段：1999年2001年武警黃金二支隊對柳壩溝礦段313號脈、307號脈開展地質普查工作。2005年在313號脈西段開展工作，2006年在313號脈東段、中段、西段

38、開展工作，累計施工鉆探3500米。2007年對313、314號脈開展全面勘探工作，313號脈深部東段、中段、西段進行鉆探施工，該礦段累計鉆探鉆探12319米。期間，由于施工鉆孔越來越深，加之西段地層較復雜，施工效率較低，影響礦體的評價進度。過去由于對礦區地層的復雜性認識不足，采用的工藝技術不合理，加之管理不善，嚴重影響鉆進效率甚至導致多個鉆孔報廢。如2005年施工的zk10002號孔，在施工至160米處，出現4米厚的綠泥石化破碎帶，由于預防工作沒有做好，導致孔內坍塌，采用沖孔、撈沙、灌注水泥等方法，共處理19天，無法通過，不得不報廢。2006年施工zk10804號孔時，在450米處出現坍塌，長

39、約5米，先后采取泥漿沖孔、干鉆、灌注水泥漿等多種辦法，都無法通過，共處理22天。最后不得不下套管，換用59繩索取心鉆具終孔。2007年以前，雖然我們一直在研究礦區復雜地層鉆進難的問題，但始終沒有形成一套行之有效的處理方法，導致孔內事故不斷，鉆進效率低下，成本連年超支。由于該區一直由我部進行地質勘探及鉆探施工，除進行過地質科研工作外，只有二支隊鉆探工程師李維貞在淺談復雜地層鉆進中護壁與堵漏一文（ 探礦工程，2004期）中，就該區和干斯陶勒蓋礦區鉆探難題有過初步的治理方法論述。但由于當時礦區施工鉆孔較淺，且均在哈達門溝礦段施工，地層尚不復雜，僅有局部坍塌、掉塊和漏失，未發現綠泥石化等破碎蝕變帶，故

40、論述較為簡單。其它各類文獻沒有該區與鉆探相關的著述。3.3 鉆探施工表現加快勘查的礦段主要在柳壩溝礦段，部分在哈達門溝礦段。區內巖石為中等研磨性，可鉆性79級，個別地層達到10級。柳壩溝礦區地層一般漏失較少，其復雜性主要表現在:每個鉆孔都有24層破碎蝕變帶，厚度在幾米至幾百米不等，不返水?？變忍⒌魤K嚴重，并伴有縮徑現象，造成下不去鉆、斷鉆等事故，無法正常施工，個別鉆孔因無法處理而報廢,嚴重影響鉆進效率。特別是每個鉆孔都在見礦前存在1-2層綠泥石化蝕變帶，該蝕變帶厚度2-16m不等，埋深各異，主要由綠泥石、高嶺土、蒙脫石組成，該層遇水即散，坍塌、縮徑隨之發生，掃孔相當困難，掃孔過程中，孔內阻

41、力大、泵壓高，坍塌物難以排出孔外，即便能掃到孔底，一提鉆，鉆具還在掃孔前的位置。由于孔內阻力大，時常造成斷鉆、脫扣事故，掃孔過程中只要一停泵，必定造成埋鉆事故。由于坍塌物堵塞孔壁間隙，泵壓快速增高，壓裂地層造成嚴重漏失、不返水。坍塌后，無論是泥漿沖孔、干鉆都無法排除坍塌物。而該層的深度是跟著礦體走的，隨著孔深的增加，綠泥石化蝕變帶的位置也在加深。通常，在200米以內，擴孔下套管最簡單有效，但200米以后擴孔下套管的辦法難度較大，而且破碎帶的層數、深度均不確定，可供換徑的選擇余地有限，只能采用多種護壁堵漏相結合的方法，才能有效地解決復雜地層鉆進難的問題。哈達門溝礦段突出表現為：25、28、55號

42、脈礦脈北傾，地層南傾，為順層鉆進，坍塌、掉塊、漏失比較嚴重，孔內水位極低，加之脈體較為破碎，個別地段脈體呈爐灰狀，采取率嚴重不足，施工效率低。3.4 礦區復雜程度屬類通過鉆進施工復雜情況的表現、所采巖礦心的觀察，結合復雜地層分類情況，礦區柳壩溝礦段為典型的砂礫松散破碎地層和水敏性地層，屬斷層破碎、蝕變帶，其中的綠泥石化、高嶺土化蝕變較強，內含大量角礫，一旦因沖洗液性能不良、不能有效保護孔壁穩定，鉆具回轉呈現阻力很大甚至蹩車，泥漿粘度、比重、含砂量升高，循環槽內有大量上部的地層碎屑，泵壓升高甚至蹩泵，提鉆開始時阻力很大，下鉆不到底必須掃孔才能到底。同時，當有泵壓時，沖洗液將壓入地層微小裂隙中，造

43、成短暫漏失，一旦鉆頭提離孔底、泵壓降低，沖洗液將快速涌回孔內，發生涌砂、孔壁垮塌、鉆孔超徑或縮徑等現象。同時，有大量角礫被沖洗液帶出，并沉淀于孔底，形成“群礫封門”，且難以排出孔外。因此類地層深度較深、厚度不定，難以穿過，下套管、水泥灌注等均難以達到預期效果，必須在提高鉆井液的護壁性能上作文章。通過鉆進施工復雜情況的表現及地表出露巖石裂隙、所采巖礦心的觀察，根據漏失層的分類，哈達門溝礦段25、28、55號脈為順層鉆進，自淺表的相對完整逐漸到漏失比較嚴重，直到全孔漏失，一般自80米深以后為全孔破碎，孔內水位極低幾近孔底，轉動困難，為大厚度、大徑流量、大漏失量的裂隙型漏失，必須采取有效的堵漏和潤滑

44、相結合的措施，方可實現正常鉆進。3.5 施工設備及工藝我部在該礦區共開動兩個機臺（其它8臺為外部施工方），為XY-44。XY-44鉆機為XY-4型鉆機的改型產品，其施工深孔的能力進一步增強，適合礦區深孔施工需要。我部七支隊在山東大磨曲家礦區曾施工終孔口徑59鉆孔深達1045米。其技術參數為：立軸轉速：正 83，152，217，316，254，468，667，970 r/min 反 67，206r/min立軸行程：600mm立軸最大起重能力：120KN立軸最大加壓能力：90KN卷揚機最大提升能力（單繩）：45KN卷筒容繩量（5層）：70米卷揚機提升速度（單繩3層）：0.7, 1.29, 1.84

45、, 2.68m/s鋼繩直徑：17.5mm動力機功率：37kW動力機轉速：1500r/min質量（kg）：2450生產廠家：連云港黃海機械廠同時，為滿足深孔施工泵量、和沖洗液上返流速的需要，泥漿泵選用BW-250型泥漿泵。其技術參數為：泵速（1/min）： 200 116 72 42缸徑80mm時流量（l/min）： 250 145 90 52壓力（MPa）： 2.5 4.5 6 6缸徑60mm時流量（l/min）： 166 96 60 35壓力（MPa）： 4 6 7 7質量（kg）：500功率（kW）：15.44生產廠家：衡陽探礦機械廠采取的鉆進工藝為S75金剛石繩索取心鉆進工藝，其中一個機

46、臺鉆桿為71普通繩索取心鉆桿，另一機臺為新購置的XS75新型繩索取心蹾粗鉆桿，其抗拉、抗扭強度大，不易發生鉆桿脫扣、折斷等事故。因該地區地表覆蓋層較薄，通常開孔即為基巖，且巖石硬度較大，大徑開孔或頻繁擴孔、下套管、換徑效率較低，故鉆孔結構比較簡單。一般采用130或110開孔，下入孔口管后，換用91金剛石鉆進至完整基巖后，下入89套管，然后改用75鉆頭鉆進至終孔。當施工鉆孔大于600米以上、破碎蝕變帶埋藏較深時，在600米左右下入73套管，改為59鉆進至終孔。同時，在野外建立簡易泥漿實驗室，進行各種沖洗液配方的巖樣浸泡試驗和性能測試，從中選出合適的沖洗液。巖樣為從鉆孔中取出的蝕變層巖心，事先制成

47、19mm柱狀，晾干待用。機臺配備了簡易泥漿測試儀器，定期對現場泥漿性能進行測試，控制固相含量，及時性能維護。圖3-5 礦區簡易實驗室第四章 礦區主要護壁方法孔壁的坍塌或縮徑主要是由于巖石破碎、松散無膠結或膠結程度很差，易被溶蝕，水化膨脹，是在外界條件（孔壁巖石受力的變化，沖洗液的性能，沖洗液的浸泡與沖刷，鉆具的震動與敲擊，升降鉆具時的壓力激動，鉆進技術參數與操作等）的作用下而發生的。因此，在預防或處理孔壁坍塌或縮徑時，應根據巖性正確地選擇沖洗液類型和配方，采用人為的膠結方法增強松散破碎巖層的穩定性，減少或消除外界條件的影響，采用隔離坍塌的孔段等技術措施。由于哈達門溝礦區破碎帶的層數、深度、厚度

48、不確定，單純采用任何一種護壁措施都很難取得最佳的護壁效果，必須靈活運用多種護壁措施，才能有效治理礦區的復雜地層。通過沖洗液配制和巖樣浸泡實驗，柳壩溝礦區施工中，除在鉆進完整和微漏失地層時，采用乳狀液；在輕微漏失和中等破碎地層時，使用普通PHP無固相沖洗液外，復雜地層主要采取以下措施。4.1 無固相聚合物沖洗液無固相聚合物沖洗液（簡稱無固相沖洗液），也叫無粘土沖洗液。它由水、高分子聚合物和無機鹽組成。與泥漿相比，它具有鉆速高、護壁性能強、流變特性可調范圍大、紊流減阻作用好、有較強的預防沖洗液漏失能力和較好的潤滑性等優點，適用于小口徑巖心鉆探鉆進復雜地層。4.1.1 聚丙烯酰胺漿液護壁聚丙烯酰胺(

49、PHP)是一種高分子聚合物，能與孔壁巖石吸附形成網狀結構從而起到護壁作用。巖心鉆探選用的PHP為分子量在300萬以上，水解度為30%。該沖洗液的配方一般為：PHP：0.10.4FeCl3：0300ppm （交聯、絡合作用）乳化油：0.20.5（潤滑減阻）沖洗液性能為：PH=7，漏斗粘度18-25秒，全失水，浸泡巖樣時間可達24h。當發現含粘土類礦物的巖層時，為防止遇水膨脹的，可加入KCl：0.30.5%。為有效潤滑鉆具，實現高轉速金剛石鉆進，故加入一定的乳化油。配制前，應提前兩天預泡PHP干粉,濃度為1%。泡制攪拌時,慢慢分散地加入PHP干粉,以防PHP成塊狀。隨著漿液濃度的提高，護壁作用加強

50、。我們根據巖石的破碎程度來加大聚丙烯酰胺的濃度，即巖石越破碎，所加濃度越大，最大濃度達到4000ppm(相當于千分之四)。PHP漿液在哈達門溝礦區313號脈ZK002號孔施工中，9298米、211217米孔段為蝕變破碎帶，絹云母化、高嶺土化發育，我們及時將聚丙烯酰胺的濃度由1500ppm調至3500ppm，保護了孔壁，防止了坍塌、掉塊現象發生。用這種方法護壁必須在鉆進破碎層一開始，孔壁尚未發生坍塌時開始提高漿液濃度，如果已發生坍塌，孔壁巖石失去平衡，再加大濃度將難以達到護壁效果。在哈達門溝礦區313號脈ZK20302號孔施工中，7685米孔段的構造破碎帶，因沒有及時提高漿液濃度，井壁發生坍塌、

51、超徑，加大濃度后效果仍然不好，最后只能采用水泥漿灌注。采用這種方法護壁在鉆進破碎層中不能隨意中途降低漿液濃度。為了快速通過破碎層，應避免在破碎層中起下鉆。因繩鉆鉆桿與孔壁間隙小（2.25毫米），鉆桿對破碎層如套管一樣起著隔離和穩定作用，但提鉆后破碎巖石失去支持，同時提鉆時鉆桿對孔壁有抽吸作用，坍塌就隨之發生，而且坍塌后，因孔壁間隙小，掃孔特別困難，占用大量輔助時間。實際工作中，在鉆進破碎層前就提鉆換新鉆頭，力求一個鉆頭穿過破碎層。該沖洗液因其中主要成分為PHP，故其防塌性能不強，但因配制簡便，成本低，向機臺運送的材料少，通?？捎糜谳^完整巖層、遇水不會很快塌散的薄松散性巖層和輕微破碎巖層。4.1

52、.2 PAA沖洗液護壁對于地層特別松散，易發生坍塌、掉塊等水敏性嚴重的孔段，聚丙烯酰胺漿液失效時，需使用護壁性能高的PAA沖洗液護壁。PAA沖洗液是在DWY-沖洗液的基礎上改進而來的，由長春工程學院研制生產。該沖洗液具有極強的膠結巖石性能，分子間的作用力很大，分子聚合能形成晶態結構，在巖石表面形成吸附膜，膠結作用較強，是目前我部治理厚大蝕變破碎帶常用的高聚物沖洗液。該沖洗液的特點是：遇破碎帶時立即使用，過破碎帶后，可逐漸降低濃度，后改用一般沖洗液，如果孔壁已經出現坍塌、掉塊，使用效果會明顯降低。4.1.2.1 PAA配方PAA粉0.52%助劑A 0.025%助劑B 0.080.1性能：漏斗粘度

53、23-27秒，比重1.03，失水量7-12L30min。經過巖樣浸泡試驗，極為松散的綠泥石層等巖心置入其中可保持長時間不散。濃度越高，護壁效果越好。4.1.2.2 PAA粉配制方法（1）PAA粉要配成事先溶解4%左右的溶液（即每100升中含PAA4公斤），如200升廢油桶溶解時應向桶內加入8公斤（濃度為4%），桶底下用大電爐子加熱，使水溫達到600C左右，向桶內撒面慢加PAA粉。要慢加快攪，避免PAA結塊，有結塊的盡可能撈出弄散，PAA加完后，水溫50600C條件下保持5-6小時，此間經常攪拌，把落桶底和掛桶壁PAA粉攪起，對大粘團要將其撕開，水溫降至常溫時，用一張濾紙或衛生紙滴幾滴4%PAA

54、溶液，待水從濾紙上溶下后，觀察紙上有沒有透明的小圓球，如有說明還沒有溶好，需要繼續溶解和攪拌，直到沒有未溶解的小球為止。（2）確實溶好的4%PAA溶液，加入水中配制1%濃度沖洗液，如果配沖洗液的水桶1M3需4%溶液250升，含PAA10公斤，需水750升，其中留出50升準備溶解助劑A、留出50升準備溶解助劑B。1M3水箱中加水650升，再加250升4%PAA溶液，向水中加4%PAA溶液時，一定要邊加邊攪拌，加完后要繼續攪拌，再用濾紙試驗有沒有粘團，要確定攪拌分散均勻。（3）用小水桶溶解助劑A，稱取助劑A0.25公斤，分兩或三次溶解，每次溶解助劑A的濃度要不大于1%，溶解后呈細流緩慢加入水箱中，

55、一定要細流慢加快攪拌，避免出現不溶物，將0.25公斤助劑A分批溶解并加入水箱后再攪拌均勻。（4）用小水桶溶解助劑B，稱取助劑B1公斤，倒入桶內加清水溶解，將溶解液加入水箱中邊加邊攪拌，小桶未溶解的助劑B再加入溶解，直到全部溶解完并加入為止。（5）配完后，水箱中總的沖洗液體積1M3，如果不足1M3可加水到1M3，但不要超過1M3，配好的沖洗液為均勻透明液體，表面沒有起泡的粘泡層，只有配出合格的沖洗液才有好的護壁層，否則浪費，起不到護壁作用。4.1.2.3 使用注意事項（1）使用PAA沖洗液應把握提前配制、及時使用的原則。（2）PAA粉必須事先充分水化溶解好。（3）在往水中加入時要細流、慢加、快攪

56、，在加入助劑-A和助劑-B時，也一定要掌握這一原則。（4）一定要將孔內的水壓出直到發現配制的沖洗液出現后才能鉆進。（5）當發現沖洗液量不足以替換出孔內原有沖洗液時，不得隨意加水降低漿液濃度，應補充符合性能指標的PAA漿液。（6）加溫溶解PAA時，最好將油桶置于有水的水箱中，依靠水溫加熱，以免PAA掛在桶壁結塊、燒糊，造成浪費。在哈達門溝區施工313號脈ZK26702號鉆孔時，我們對該孔的418米（風化破碎帶）、101104米（沙質層）、150153米（沙質、泥質混合層）、161167米（構造破碎帶）孔段的四層破碎帶，分四次及時使用PAA沖洗液，僅用50公斤PAA粉，使該孔在相對前兩個孔更復雜的地層條件下得到及時治理，臺效達610米/臺月，井故率3%，材料費成本僅為118元/米。4.2 泥漿護壁在礦區多年的施工經驗證明，在孔壁已經坍塌，聚丙烯酰胺和PAA無法實現護壁的情況下，尤其是坍塌的大顆粒無法排出孔外時，使用不分散低固相泥漿或細分散泥漿是最佳的選擇。因其粘度大，能夠排除孔內無固相沖洗液所無法排除的大顆粒坍