石岩矿区ZK7529孔复杂地层取心与护壁技术的探讨

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[摘要]重点介绍石岩坑矿区zk7529钻进施工技术，分析解决断层带、流动水地层的护壁难题，复杂地层的取心，研究高压旋喷水泥固浆法护壁。

[关键字]流动水地层护壁 复杂地层取心 高压旋喷

[中图分类号] P5 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-3-81-2

1地质情况及岩石可钻性

ZK7529孔岩性如下：

0-64.69m：第四纪坡积物、浮土。

64.69-570.55m：泥岩、石英砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、构造角砾岩、泥质砂岩等，层位属早二迭世童子岩组。

570.55-781.53m：泥质粉砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩、石英砂岩等，层位属早二迭世文笔山组。

781.53-1288.41m：辉绿岩、构造角砾岩、硅质灰岩、透辉石矽卡岩、含燧石灰岩、泥质碎裂灰岩、中细粒花岗岩、花岗斑岩、石英脉等，层位属晚石炭世经畲组—早二迭世栖霞组。

1288.41-1253.60m：中粗粒砂质砾岩，层位属早石炭世林地组。

1253.60-1296.68m：构造角砾岩。

1296.68-1299.19m：中细粒黑云母花岗岩，为燕山早期黑云母花岗岩。

机械岩心钻探岩石级别 “Ⅳ～Ⅷ”级，部分岩石硬度达“Ⅹ”级，跨度大。

2施工难点

本孔地层结构复杂，软硬变化频繁，破碎带、断层发育，埋藏深，受口径限制，护孔难，具体如下：

（1）第一断层带：969.20～970.50m（倾角75°），且为含水层，为流动水，有充填物，钻进阻力大，提钻后充填物下滑，充塞孔内，易出现埋钻事故。

（2）第二断层带：1015.69～1051.60m，地层风化破碎，胶结性差，全孔漏失，取心与护壁难度大。

（3）第三断层带：1135.50～1138.50m， 为风化严重的松散地层、“断层泥”，怕水冲刷，易坍塌缩径，护壁难度大。

3施工设备选择

3.1主要设备

钻机：XY-5（配55KW电动机）；泥浆泵：BW-250（配15KW电动机）；钻塔：SG23型钻塔；绞车：SJ-1500。

3.2主要机具

Φ150和Φ130单管钻具，Φ130和Φ110扩孔钻具，SJ95绳索取心单动双管钻具，SJ75 绳索取心单动双管钻具，Φ50外丝钻杆，Φ89钻杆，Φ75钻杆等。

4钻进技术措施

4.1钻孔结构

依据钻孔地质技术设计书、地层分布情况及前期施工经验，结合当前先进钻进工艺及优质泥浆护壁堵漏技术，钻孔结构如图1：

钻进至孔深1056.60m时，因孔壁坍塌严重，全孔漏失，泥浆护孔难度大，把Φ89套管与Φ73套管取上，自748.41m用Φ95扩孔，故形成新的钻孔结构如图2。

4.2取心方法

本孔对于普通孔段采用的取心方法在此不予探讨，只针对第二断层带、地层破碎胶结性差，难以取心孔段，见图3。

采取措施：

（1）取心钻头的选择：采用阶梯式底喷状钻头，避免冲洗液冲刷松散岩心，钻头结构如图4，要增加8个较大的侧（底）喷水口，保证60L/min的泵量（一速）不憋泵，循环通畅。

（2）取心钻具的选择：采用多功能单动双管（自制）。

要求卡簧座加工成水口状，调节内管长度，使卡簧座与钻头内台阶距离为3～5mm；内管总成回水部位加大，保证回水畅通。

（3）取心钻进技术参数：低压力、中小转速、小泵量。

低压力：压力大，易产生岩心堵塞；中小转速：高转速，冲洗液不足易引发烧钻；小泵量：泵量过大，易冲毁软弱结构面，以能冷却钻头，有保证不烧钻，能清楚岩粉，又不冲毁岩心为宜。

4.3护壁堵漏措施

（1）0～248.77m，使用优质泥浆起护壁作用。泥浆配方为：1m3清水+100～150kg钠膨润土+3～6kg烧碱+5～6kg纤维素+5～6kg植物胶。

（2）248.77m～348.09m，采用无固相PAM冲洗液，301～304m地层较破碎、易掉块，于324.40m灌水泥8包。

（3）348.09～748.41m，采用低固相泥浆。

泥浆配方：1m3水+60～100kg钠膨润土+2～3kg烧碱+3～5kg植物胶+3～5kg纤维素。其中：337～342m、354.80～355.25m易坍塌，灌水泥9包；483.71m全孔漏失，用惰性材料堵漏成功（PAM+803堵漏剂+锯末+海带）；584.50～591.27m灌水泥7包；613.12～615.09m灌水泥4包。

（4）748.41～977.78m，。无固相PAM冲洗液+CMC冲洗液。

其中： 761.20～761.50为突降，全孔漏失，堵漏失效后堵漏钻进；969.20～970.50m为断层带，有流动水且有充填物，采取如下措施：优质泥浆护孔无效；采用惰性材料（PAM+801堵漏剂+锯末+海带）自钻杆内注入无效；采用水泥浆（泵送法）灌注护孔，水泥被流动水冲失；采用孔口投水泥球（制成直径为Φ40mm球形，有一定硬度）；借鉴灌注桩，采用剪球法，注入一定量水泥后，剪球灌入也无效；最终采用最原始的也最有效的办法为套管护孔。

（5）自977.78m之后采用Φ59单动双管钻进，穿过第二断层带后，因孔壁掉块，坍塌厉害，把Φ73及Φ89套管取上，用Φ95自748.41m孔，并用Φ89套管隔离第一断层带。

（6）用Φ77双管钻进穿过第二断层带，下入Φ73套管做“飞管”120m，换Φ59双管钻进。

（7）Φ59钻具（钻杆为Φ50外丝+Φ50内丝）钻进穿过第三断层带后，出现坍塌、缩径现象，有效方法为高压旋喷注浆法：

高压旋喷注浆技术是在静压注浆（包括水泥注浆法和化学注浆法）的理论与实践基础上引入高压水流技术而发展起来的新技术。高压旋喷注浆的实质是将带有特殊喷嘴的注浆管（钻杆），通过钻杆到加固土层的预定孔深，然后从喷嘴喷出高压水，压气和水泥浆等物质，把土层切削使之崩落与水泥浆混合，最后形成一种水泥与土的混合体。固结体强度可达2～12兆帕，为加固前得几十到百倍。

钻具结构：由钻头+钻具+无泵接头+喷具+钻杆（Φ42内丝）36m+钻杆（Φ50外丝）。

材料：采用425（R）普通硅酸盐水泥，水灰比在0.35～0.45之间，浆液密度控制在1.6g/cm3；灌注时加入适量促凝早强剂（NaCl）及速凝剂（三乙醇胺）。

注浆旋喷工艺流程如下：

孔深：1135.50～1138.50，口径为Φ59

地层：风化严重的松散地层、“断层泥”，见图5

特点：怕水冲刷、缩径、坍塌

水泥用量：15包

配制水泥浆量：600L

替水量：900L

具体操作流程：浆液的配制，按水灰比0.35～0.45配制，配制方法与配制水泥浆方法相同；在孔口试喷，检查合格后下入孔内（钻具要求小于钻孔一个口径）；下入孔内预定位置后，先扫孔，扫至孔底后，送水畅通后，替入一定清水后开始送浆；计算送浆量及替水量，当浆液自喷嘴喷射时，开动钻机，采用慢转（一速）扫孔并上下窜动，同时泥浆泵用3速送浆，2速喷射，直至浆液抽吸完成，并替水量替好提钻（注：开始送浆时，无泵压或泵压较低，待浆液出喷嘴时，泵压升至4～5MPa）；注浆完毕，把钻杆提起一立根后，清洗钻杆，提钻；待水泥凝结24小时后探水泥面，凝结48小时后扫孔；由ZK7529高压旋喷注浆实践表明：灌注15包，自孔深1100m碰到水泥面，第二天扫孔；用二速水泵送水扫至孔深1136m时，泵压升高4～5MPa，改由一速水泵送水扫孔，泵压正常，降至2MPa（随着水泥凝结强度增加，孔壁更稳定），当钻具穿过易坍塌孔段后，泵压趋于正常，水泵转为二速，后来一直施工至终孔。

5取得成效

（1）地质对孔内复杂情况的前期预告及合理的钻孔结构是保证正常施工的重要条件。

（2）实践证明：对于有流动水且有充填物的断裂带，目前只有采用套管隔离是最有效的方法之一，建议使用膨胀套管为小口径护壁开拓一条新路。

（3）针对石岩坑矿区，遇无胶结性、松散地层的取心难题，采用多功能孔底反循环钻具取心取得显著效果。

（4）创造性的研究高压旋喷水泥固结法，为小口径复杂地层的护壁开辟一条新路。

参考文献

[1]刘广志主编，金刚石钻探手册，地质出版社，1991.12.

[2]地质岩心钻探规程 DZ/T 0227-2010 .

[3]乌效鸣等编著，钻井液与岩土工程浆液，中国地质大学出版社：2007.8.

[4] 刘广志主编，金刚石钻探手册【M】，地质出版社，1989.12.