金厂矿区复杂地层钻探施工技术与认识

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[摘要]金厂矿区因地层复杂致使钻探施工困难，各类孔内问题频发，本文结合实践进行了综合探讨分析，总结制定出一套较为系统的钻探施工技术方案并应用于实际，取得了较好效果。

[关键词]复杂地层 技术措施 冲洗液 综合治理

[中图分类号] F416.1 [文献码] [文章编号] 1000-405X（2013）-7-153-2

金厂金矿区是黑龙江省东南部的特大型金矿床，我部自1994年进驻该区开展岩金普查工作以来，截止2012年，累计投入钻探工作量81604.84m，累计探获（333）以上金资源量78.843t。近年来，随着我部对该区勘探力度进一步加大，钻孔布设范围和设计深度分别向着更广、更深的方向发展，结果导致钻探工程钻遇地层越来越复杂，施工难度越来越大，矿区内岩层破碎，掉块，泥化层遇水坍塌等现象十分严重，钻进受阻、钻孔事故频发，钻探效率低下，严重影响了地质勘探工作的正常进行，针对这些问题，我们进行了认真总结分析，结合实际制定了一套比较系统的施工技术方案，并在实践取得了较好效果。

1概况

1.1矿区地质条件

矿区位于太平岭隆起与老黑山断陷交接部位，受角砾岩筒构造和环状、放射状断裂控制明显，断裂构造发育，碎裂岩化是造成矿区地层复杂的主要因素。施工中，钻孔所见主要岩层有变粒岩、斜长花岗岩、花岗闪长岩、花岗斑岩、闪长岩、闪长玢岩等，可钻性7-10级，并且刑家沟17号矿体地层多以断层泥、绿泥石化等蚀变为主，钻遇此类地层常发生钻孔超径、下钻遇阻、回转阻力大等问题。

1.2钻探技术要求

终孔孔径不小于75mm。采取全孔取心，岩矿心采取率均不小于80%，连续3个回次采取率小于80%必须采取措施或者特采，确保岩、矿心达到规范要求。

因本区层间裂隙水较丰富，为避免地下含水层之间贯通而造成采矿时期的巷道涌水，对采矿工作带来威胁，要求所有钻孔必须用325标号以上水泥进行全孔水泥封孔。

1.3施工设备及工艺

矿区投入机台2台套。钻机采用XY-44型立轴式钻机，泥浆泵采用BW-250型泥浆泵，供电采用柴油机发电。配备2套SGX-13钻塔和1套AG13-20钻塔，根据地形条件交替使用。钻杆使用接手直径为Φ73mm重索型绳索取心钻杆。

该地区上部第四纪覆盖层相对较薄，一般为3～6m，采取Φ110mm×Φ91mm×Φ75mm三级钻孔结构即可满足施工要求，同时为达到全孔取心目的，开孔采用Φ110mm金刚石复合片钻头干钻通过第四纪腐殖土层，下Φ108mm孔口管后，换用Φ91mm金刚石复合片钻头干钻至完整基岩后，下Φ89mm套管，最后换用Φ75mm钻头至终孔。

2以往钻探施工遇到的主要问题

通过对矿区以往钻探施工总结，可以发现矿区复杂地层对钻探施工的影响主要体现在以下方面：（1）地层破碎，孔内掉块、探头石多，起下钻受阻，扫孔频繁；（2）破碎地层钻进时，大颗粒岩粉增多，因矿区使用的重索钻杆接手直径较大，造成冲洗液上返环状间隙过小，大颗粒岩屑不易排出，易产生“悬桥”卡钻甚至钻杆折断事故；（3）绿泥石化蚀变带钻进时，孔壁遇水坍塌严重，如果维护不当造成孔壁失稳或孔底岩屑聚积，极易造成卡钻、埋钻等事故。

以2012年在金厂刑家沟17号矿体施工的ZK0102孔为例，该孔终孔孔深为690.92m，全孔岩心破碎，并且在285～342m区段内存在较严重的绿泥石化蚀变带。施工过程中，Φ108mm孔口管、Φ89mm套管分别下入4.8m和30.5m。换用绳索取心钻具钻进后，为保持孔内孔壁稳定，现场依据岩心变化使用了3种类型的冲洗液，第一种是用于蚀变带上部碎裂岩层的无固相冲洗液，由0.3%PAM+0.5%CMC组成；第二种是用于绿泥石化蚀变带的细分散泥浆，由20%粘土+火碱组成；第三种是用于蚀变带下部碎裂地层的低固相冲洗液，由1%PAM+8%粘土+火碱组成。理论上看3种冲洗液体系比较贴合地层实际，能够满足钻进需要，但是从实际钻进效果来看，其作用发挥与预期存在较大差距，主要体现在：一是使用细分散泥浆钻进时，存在转速较低，泵压较高，钻进阻力较大等问题；二是使用低固相冲洗液时，冲洗液携带岩屑上返能力不强，孔内岩屑沉积较多，致使施工中经常出现憋车、卡钻，内管与钻具间空隙被岩屑填充卡死，无法正常提拉，被迫提钻处理等问题；三是每次下钻至290～310m上下区间内均存在不同程度的下钻受阻问题，扫孔时间过长。通过总结分析，我们认为这些问题的出现主要与以下三方面有关：一是与现场使用粘土质量不高，配制出的泥浆维护孔壁性能不好有关；二是与孔内钻杆接手处环空间隙过小（仅2mm），大颗粒岩屑不易排出，易聚集形成“悬桥”有关；三是与使用的钻头寿命过短（平均每50m，最多80m更换一次），起下钻过频引起孔壁失稳有关。

3复杂地层施工技术与效果

3.1挑选使用符合矿区实际的钻头

针对施工中出现的钻杆接手处环状间隙过小，上返岩屑易聚集以及平底式钻头磨损快、寿命短，因更换钻头造成的起下钻过频问题，我们经过认真分析研究，决定在现有重索钻杆不更换的前提下，将矿区原有的Φ75mm平底式钻头更换为Φ77mm、硬度在20～35多范围内的锯齿状唇面加大钻头。

3.2正确选用膨润土，配制使用有效抑制复杂地层的冲洗液

由于在矿区以往钻探实践中，施工的大部分钻孔孔深较浅（一般为200m～450m），地层稳定，对泥浆性能要求相对较低，致使机台对膨润土使用重视程度不够，使用的膨润土存在含沙量高，消耗多但造浆率低，形成泥饼厚且粗糙等缺点，护壁性能不佳。

为应对矿区复杂地层，尤其是绿泥石化蚀变带，必须使用性能较高的膨润土配制冲洗液，为此我们为矿区重新选定了膨润土，并且针对地层实际，开展室内试验，对冲洗液配比做了进一步优化，最终制定出了3套较适合矿区使用的冲洗液方案：①细分散泥浆，腐殖酸钾泥浆。配方：8%膨润土+4%KHm+7%Na2CO3（占土量），性能指标：比重1.12，漏斗粘度22s，失水量9ml/30min，pH值9。优点：该冲洗液在使用过程中，能够有效排孔内大颗粒坍塌物，且护壁效果较好。缺点：但在绳索取心钻进过程中，投放内管速度缓慢，钻杆内易结泥皮，常存在打捞内管失败的问题，不宜高转速钻进使用。适用范围：较适用于浅孔钻进及排出孔内因坍塌造成的大颗粒岩屑。②不分散低固相冲洗液，JC-1冲洗液。配方：3%膨润土+0.4%PAM+4%KHm+6%Na2CO3（占土量），性能指标：比重1.02，漏斗粘度18.6s，pH值8.5。该冲洗液的主要处理剂为部分水解PAM起护壁和絮凝作用，腐殖酸钾期抑制孔壁分数和降失水作用。优点：粘度低，流动性好，沉砂能力强，防塌护壁效果好等优点。适用范围：可用于水敏剥落地层。JC-2冲洗液。配方：4%膨润土+1.5%植物胶+0.3%PAM+0.15%CMC +2%KHm+6% Na2CO3（占土量），性能指标：比重1.03，漏斗粘度34s，pH值8.2。③无固相冲洗液，JC-3冲洗液。配方：1%植物胶+0.1%PAM+0.15%CMC+0.08%NaOH，性能指标：比重1.01，漏斗粘度28s，pH值8.3。优点：植物胶是非离子型高分子化合物，具有增粘、护壁、减阻等特点，并且钻杆转速越高，减振的效果越明显，振动越小越平稳，在同等条件下，它比其它冲洗液钻进时钻机转速可高开1-2档。适用范围：由于植物胶胶体的吸附成膜作用，失水量较低，对软、酥、脆地层和砂卵石地层护壁效果较好，与膨润土使用配制成的低固相冲洗液体系，适合穿过绿泥石化破碎带。

3.3采取综合治理措施

①上下钻时慢上慢下，同时回灌冲洗液，保持孔内液柱压力平衡，防止孔壁坍塌；②冲洗液循环过程中，定期测定入口和出口的冲洗液性能，定期补充新冲洗液和处理剂，确保冲洗液性能稳定；③定期检查水泵工作情况，定期清除循环系统中的沉淀岩屑，保持冲洗液的含沙量和固相含量合乎要求；④在预钻进复杂地层前，首先更换新钻头，力求一个钻头穿过复杂地层，减少因起下钻具造成对孔壁的破坏；⑤对孔内容易坍塌段应及时捞排岩粉，保持孔底干净，防止埋钻；⑥钻杆使用前认真检查钻杆丝扣使用情况，避免不符合要求的钻杆下入孔内，防止因疏忽造成的钻杆折断事故。

通过采取上述措施后，矿区以往复杂地层钻进出现的问题基本得以解决，钻进效率显著提升。以2013年在矿区刑家沟17号矿体施工的另一钻孔ZK0101孔为例，该孔与上述ZK0102孔孔位相距20m，终孔孔深为729.00m，岩心全孔破碎，绿泥石化蚀变带位于290m～328m左右。施工过程中，Φ108mm孔口管、Φ89mm套管分别下入3.5m和25.3m。绳索取心钻具钻进后，同样以绿泥石化蚀变带为界，分层使用了3种冲洗液方案，依次为：JC-3—JC-2—JC-3-1（加入了2%～3%的膨润土），从施工效果来看，当使用JC-2通过绿泥石化破碎带时，钻进泵压有所提升但增幅不大，转速正常，没有出现明显憋车现象，冲洗液排粉性能良好，尤其是大颗粒岩屑上返顺畅，遏制了孔内“悬桥”的产生，有效预防了卡钻事故。穿过绿泥蚀变带后，换用JC-3-1直至钻进终孔，期间机台每班坚持冲洗液维护，及时添加新浆，孔内排粉效果明显，孔底干净，施工中没有再发生过ZK0102孔出现的内管卡死问题。在钻头使用上，全孔累计使用Φ77mm锯齿状唇面钻头6个，平均每个钻头钻进121.5m，较以前Φ75mm平底式钻头平均使用寿命增加近72m。钻头使用寿命的提高一方面直接降低了因起下钻产生的辅助时间，提高了机械钻速；另一方面有效避免了因起下造成的孔壁破坏，确保了孔壁的稳定性。该孔从开孔施工至终孔结束累计耗用34天，真正达到了优质、高效。表1为钻孔ZK0101、ZK0102各项经济指标对比情况。

4小结

通过对金厂矿区复杂地层钻进技术的研究与实践，我们取得了较为明显的效果，从中我们深切的体会到：

（1）冲洗液的使用与维护是应对复杂地层的关键因素，腐殖酸钾泥浆、低固相冲洗液以及无固相冲洗液都有其各自的适用特点。施工时，应根据实验室测试、实践总结等方法进行分层钻进灵活使用。其中加有植物胶的低固相冲洗液护壁、效果好，携带大颗粒岩屑能力强，适合在通过泥化破碎带时使用。

（2）复杂地层岩石结构比较松散，钻具的震动、敲击、孔内液柱高低的变化，上下钻的抽吸和压力激增都有可能破坏冲洗液对井壁的保护，故在复杂地层钻进中要特别强调综合治理。

（3）对于个别地层特别破碎，而且破碎层厚度大的孔段，护壁性能再好的冲洗液也不能保证绝对不出现孔壁坍塌现象，如果坍塌孔段较浅，最好的处理方法是扩孔下套管，对于较深孔段的硬、碎坍塌，则采用灌注水泥浆封堵。

参考文献

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