宁夏固原市原州区硝口—上店子南部岩盐勘探施工技术

杨凌雪

（宁夏回族自治区地质工程院，宁夏 银川 750001）

进一步查明本地区岩盐成矿规律，推进岩盐矿勘查开发进程，使本区资源尽早转化为经济效益，根据相关规定要求，结合矿区地质概况，进行本次详细勘查工作。

通过此次详查工作，主要查明：①详细查明勘探区地层层序、时代、构造和成盐地质特征；②详细的查明勘探区的矿层相关的具体情况，包括其深度、层数、规模、形态与形状、位置等等；③详细查明勘探区所产的矿化石的内部特征以及结构特点，包括其化学成分、有害以及有益的组分等等；④详细查明勘探区矿区地质情况，包括含水层以及隔水层的分布、产状、岩性以及埋藏条件等等。同时，查明含水层富水性、水层水质情况、渗透系数、孔隙度以及隔水层的可靠度、连续性和稳定性；⑤详细查明勘探区的矿体顶底板、夹层稳定性、物理学性质、矿物成分、固结程度、矿物成分等等，按照相关的结果，进行地质岩组的有效划分，由此评估地面塌陷、开裂现象的预防措施（包括工程措施和生物措施等等）；⑥详细查明勘探区的地下水、岩石以及矿石的情况，了解其可能尽的放射性、有害性元素，同时，检测其有害成分的额含量以及随着地表、低下温度的具体的变化情况；⑦详细查明勘探区的矿床情况，对矿山建设的可信性进行研究，并设计矿山的布局、规划，预估出所产生的经济效益等。

1 矿区基本情况

固原市原州区中河乡硝口—上店子村一带，因其地质形态复杂，矿产类资源丰富，故而备受关注。固原硝口岩盐矿区便位于这一区域内。矿区范围较大，面积达到30.55 平方千米，是该市较为知名的矿区。其具体情况如下。

（1）地层。根据矿区的地质结构进行探测，可以发现，其出露地层的部分为白垩系下统六盘山群乃家河与马东山组，古近系清水营组；第四系上更新统和全新统。

（2）构造。从矿区的位置看，其整个矿区，均位于六盘山背部，叶家河—硝口大断层东北，在矿区核心区域，为中新生代断陷盆地。根据相关部门的地震以及钻探资料进行分析，可以发现，矿区的含盐层，主要为北西以及北东走向，构造为单邪构造。在矿区的外围，存在大量的北西方向的断裂结构以及一些褶曲。

（3）含矿层位。乃家河组的上段区域，为盐岩系，其厚度在227.37m 到985.81m 之间，整体的平均厚度为524.50m。这些盐层当中，多部分的为工业盐层，所以，从厚度看，变化较大。根据地域分布，其从西南向东北方向的厚度逐渐增加，与此同时，相应的盐城埋藏深度也逐渐加深。地层主要是按照旋廻发育，单一的盐层透镜状产出，该区域的盐层矿，其具有较大的倾斜角，一般在30°到40°之间，此外在一些受到地质构造影响较为严重的区域，倾斜角的角度则更大。

（4）工程地质特征。在乃家河的上段，覆盖着大部分的矿体，这些矿体的顶板分布厚度相对较大，且十分的稳定。但是不适合使用对接井或者是单井水溶进行盐群的开采，如果采用这两种方式，就会到影响顶板的稳定性。此外，矿体顶板以上，覆盖着大量的古近系泥岩以及一些第四系松散层，厚度较大。这些覆盖物，均属于软岩石，在开采的过程中，需要格外注意。其工程地质条件与其他区域的盐矿相比较差。当进行水采的时候，由于作用力的原因，可能导致顶板、矿层以及夹层，出现部分或者大部分的溶解以及软化等的现象，进而引起顶板岩层失去平衡，造成垮塌。

2 钻探施工技术

（1）钻井钻探。本次针对这一盐矿的开采钻探取芯，主要使用的是绳索取芯的方法。这一方法当中，最为常用的工具是金刚石钻头。当然，在一些较软的地层当中，也会使用硬度相对较低的PDC 和硬质合金钻头。具体的钻头型号以及相关的参数标准，主要根据实际的钻探条件进行调整。根据调查，在固原硝口一寺口子矿区，区域内的地层，一般以泥岩为主，矿层主要以石膏矿层和夹岩岩矿层为核心。按照相关的系数计算，其可钻性级别一般在4 级左右，部分区域为6 级。在矿区的一些孔段，主要是一些软硬互层，这些孔段中的孔，其孔壁的稳定性并不强，由此使得该处的岩层，十分容易发生破碎的现象，所以，钻头的选择，需要结合地层制定方案。同时，为了最大限度的减少下钻的次数以及钻孔的裸露时间，避免因为外部因素所导致的抽吸破坏，维持孔壁稳定，所以选择的钻头，应当具有长寿、高时效性的特点。针对这一问题，在进行钻探的时候，本文主要选择多台阶或者是高台阶的PDC、金刚石等钻头进行取芯。PDC 钻头的硬度较为适中，可以对一些钻性级别在6 以下的地层进行钻探，十分适用于抗压强度低、胶结性差、含有薄夹层或者是具有较差研磨性的地层使用。这类钻头上，有硬质合金层，可以用于抗击外部冲击，同时，含有的金刚石部分，十分耐磨，开采效率也较高。

本次绳索取芯钻的选择，其具体的技术参数为：①3 层套管、3 层口径，其中，φ150mm、φ130mm、φ110mm口径分别对应φ146mm、φ127mm 和φ108mm 套管。②采用的绳索主要为S89。③钻孔结构环选择使用一些空隙较小的，其主要目的是为了最大限度的保护开采时所使用的绳索钻杆，同时，确保在高速运行情况下的钻杆柱的稳定。

为了改善钻杆柱和孔壁之间存在的间隙，本文在钻探的时候，对钻头的外径进行了改良。通过将S89 调增为S89+(≥3mm)，最大限度的保证了空隙的最小化，同时，也有效的降低了钻井液循环过程中所遇到的阻力，减少了因为钻井液问题所导致的孔壁冲刷。此外，当进行钻径改良后，基于现有绳索取芯钻，为了解决上部孔段不完整的问题，本文进行了技术套隔离，如使用φ127mm 管套执行S89+(≥3mm)钻进。

经过确认，认定外管以及钻杆内已经没有岩心的时候，通过孔口，投入内管总成，然后使其进入到钻杆，上机上钻杆，开泵进行压送，在压送的过程中，主义观察泵压的具体情况，如果出现十分显著的升高或者是超出范围的降低，则说明内管总成已经达到了其所要到达的制定位置。如果在钻探当中，出现了地层漏失或者是地下水位较深以及孔内冲洗液匮乏的情况，不能够直接将内管总成投入其中，应当使用打捞器，将所需要的内管总成，有序的放入到孔内，或者是使用机上钻杆，对准孔口，加入适当的符合要求的冲洗液后，迅速的将内管总成投入其中。

（2）钻井液配置。清水营组存在大量的黏土矿物，当期被钻穿后，会出现溶胀、缩径、分散、剥落甚至是坍塌等现象。而且，当环空上返速度过快的时候，容易形成紊流，这一紊流，对于孔壁往往造成十分严重的冲刷，因此，为了维持孔壁稳定，防止坍塌以及缩径等相关的现象，必须对钻井液进行有效配置。经过综合衡量，本文主要使用较为优质的无固相钻井液，这一钻井液具体配方为：1m3 水+1kg～2kg PHP+2kg～3kg 固体润滑剂。

在进行钻探的过程中，需要充分的考虑地层缩径以及遇水膨胀等相关的问题，所以，本文选择使用GPC、GLA 和CMC 等高分子，对这类问题进行处理，以最大限度的提升地层的水敏性，同时控制失水量。

当钻探进入到岩盐矿层的时候，因为无固相钻井液具有较强的腐蚀性，容易侵蚀岩心或者是地层内部的岩盐，所以，为了题还是能岩心采取率，同时保证采取过程中的孔壁稳定，本文在下部岩矿层的钻探当中，使用了MBM 和盐水钻井液进程处理。其中，盐水钻井液的基础性配方为：35%NaCl+4%MBM+:1m3 水。此外，为有限的保证钻井液能够和绳索取芯钻相配合，本文基于基础配方，进行了改进，添加了一些GPC、GLA、GTQ 等相关的处理剂，以求能够改善钻井液的流变性能，保持钻井的稳定，同时降低失水量。与其他钻井液相比，盐水钻井液具有抗盐侵、耐高温、高矿化度等特点，同时，可以抑制盐的水溶性、泥页岩水敏感度等，维护孔壁稳定。但是，这一钻井液的成本相对较高，且腐蚀设备，所以，需要适当的使用。

（3）采芯。当金刚石进入到内部采取岩芯的时候，要避免通过投放卡料的方式进行取芯，而是要采用卡簧进行取芯。取芯开始，停钻回转，缓慢提钻，使其距离孔底部5cm～7cm 之间，卡簧与岩心抱紧，缓慢转圈扭断岩心，后起钻。避免随意的上下活动钻孔工具，同时避免猛地提钻。此外，为防止在倒杆的时候由于冲洗液压力所导致的钻具上浮现象，要降低泵压。节理发育或者是一些倾角较小的区域，使用半合管以及镀铬内管取芯。同时，在内管涂抹润滑油，保护岩芯。

图1 使用卡簧进行取芯图

（4）封孔。在取芯完成后，需要根据实际情况，经过地质部门综合考察后，按照图纸以及技术封孔要求进行封孔工作，并编写封孔设计。随后将设计教给机台，机台在根据实际的要求，进行封孔。封孔完成，在其封孔位置处，使用水泥进行标记，将封孔记录以及设计移交设计部门和施工部门，存档处理。同时，进行透孔取样，检验质量。

3 结语

本次钻探共完成五个钻孔进尺6000m，在施工工作开展前，认真分析了岩盐矿深部地质勘探的困难，预测能力不足、探测理论和技术的局限性以及干扰是有很多因素的，故针对本区域盐岩矿地层特点，采取金刚石钻头绳索取芯技术，并在不同地层中结合使用聚晶金刚石复合片(PDC)绳索取心钻头、使用MBM 饱和盐水钻井液等方法，对钻井过程中可能遇到的系列问题，比如坍塌、缩径等进行处理，以避免产生事故，提高取芯效率，这一做法，显著增加了经济效益。