黑石砬子铁矿区复杂岩层的综合治理
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【摘要】本文着重分析了石砬子矿区的地质地层特性，施工中存在的问题及治理措施，使之在复杂岩层钻进中施行综合治理，便于发挥金刚石钻进工艺的优越性，提高钻探的经济效益。
1. 黑石砬子矿区的地质地层特定
1.1该区为变质岩地层，矿区构造复杂，该区地层经历了多次构造运动和混合岩化作用，构造形态极其复杂，主要是断裂构造。由于裂隙发育，伴之花岗岩伟晶岩脉的充填，使矿体遭到严重破坏，给钻探施工造成严重困难，使孔内事故的予见性较差。
1.2另外是前期褶曲和后期断裂构造非常发育，破坏了矿体形态和边界，断裂层多、岩性破碎，尤其是伟晶岩脉和花岗岩、石英岩、白云母石英岩“硬、脆、碎”现象明显，不同程度地表现为钻头“打滑”更为严重地是深部岩层坍塌掉块，冲洗液严重漏失，护堵困难。
1.3岩层产状陡，岩层倾角60～80°，使得钻孔倾角小，施工困难，深孔防弯任务重。
1.4总之，黑石砬子矿区在施工中存在的主要技术问题是：
（1）钻头“打滑”，提高硬岩钻进效率问题，绳索取心钻进，表现更为突出。
（2）钻孔弯曲的防治问题，主要是顶角。
（3）钻孔的护堵问题。
2. 黑石砬子矿区复杂岩层综合治理的措施
坚持综合治理的方针，就是在采用具体的施工措施时，首先考虑综合经济效益，以较短的施工期，同时能保证施工安全、可靠地进行。
2.1克服硬岩钻进“钻头打滑”的措施。
（1）在钻进鞍山式铁矿层时，尤其是铁矿夹层中的伟晶岩脉，由于石英含量高、硬度大，研磨性低，可钻进差，使机械钻速很低，单位时间内产生的岩屑少，影响了钻头胎体的磨蚀，金刚石不能有效地出露，已出露部分由于比压过高或冷却不好而被抛光，造成疲劳破碎，严重地影响着钻头使用寿命的提高和机械钻速的提高，造成频繁的起下钻，容易诱发孔内事故，更为严重地是绳索取心钻进的优点，得不到充分体现。
（2）为了有效地克服这一困难，解决时效较低的问题，主要是通过两个途径。一是改善切削具钻头的质量和工作条件，以利于碎岩；二是变普通回转工艺为回转冲击工艺。
（3）为能找出适合黑石砬子矿区鞍山式铁矿床钻进的较为理想的钻头，先后试验阶梯式、锯齿式钻头，确认了主要厂家。
（4）在钻头的具体使用当中，现场工人通过绳索取心钻杆，往孔底投石块，能有效地克服钻头“打滑”，提高时效和钻头寿命。这一方法应用效果显著。时效提高20～40%。后来，我们总结并肯定了这一经验，在全队全面推广，受到了工人的普遍欢迎，收到了较好的经济效益，减少了因钻头“打滑”引起的起下钻次数，提高了实钻时间，基本改变了砂轮磨钻头使金刚石出露的方法，避免了人为地胎体过度损耗，从而也就提高了钻头寿命。
（5）我们分析这一方法时，认为它有其科学道理，当一定量（不能过多，过多则引起重复破碎）的碎石块到达井底时，使得被抛光的孔底呈现人为凹凸不平的不规则形状，当钻头破碎这些碎块时，能在短时间内产生较多的岩屑，磨蚀钻头胎体，使金刚石自然合理地出露，从而有效地破碎岩石，避免了钻头“打滑”现象的发生。
（6）另外，我们还在特殊坚硬地层，试验了普通双管冲击回转和绳索取心冲击回转工艺，由于钻具本身加工制造的缺陷，推广受到了限制。如普通双管冲击器，大范围存在着密封间隙过大或过小等其他问题，表现为下入孔底不起动或间隙式冲击。绳索取心冲击器表现为某些零件强度不够，如卡板等，尤其是卡簧座容易打墩，造成打捞失败。后来在有关厂家的帮助下，做了改进，情况有所好转。
2.2钻孔弯曲的防治措施。
（1）就黑石砬子矿区总体而言，钻孔弯曲问题并不特别突出，但就某一局部矿段而言，钻孔弯曲却直接影响着钻孔的“寿命”。尤其是采用绳索取心工艺施工北部地区时，由于准备不足，造成101钻机由于孔斜超差报废进尺300米。针对这一情况，我们确定了以予防为主，防治结合的施工原则，顺利解决了这一难关。
（2）众所周知，满眼钻具是目前在回转钻进中广泛使用的防斜钻具。满眼钻具至少应该有三个扶正器，下扶正器一般和钻头直接联结。其防斜原理是利用钻具的导直性产生的纠斜力来克服地层造斜力，使地层造斜力和满眼钻具纠斜力达到动态平衡，从而对钻孔弯曲率有一抑制作用，在相同的弯曲孔道中，满眼钻具产生的纠斜反力愈大，其防斜保直效果越好。据现场的实际条件和钻具的特点，上、中扶正器均用扩孔器代替。中扶正器安在岩心管上端，上扶正器又接联在-1.5～2米左右的短岩心管上，收到了较好的防斜效果，大部钻孔弯曲率受到了抑制。
（3）另外利用冲击回转钻进抑制钻孔上漂效果也很显著。102机在施工2801号孔时，头100米上漂超差，并呈发展趋势，为了解决这一问题，采用绳索冲击回转，使弯曲率得到抑制，孔斜满足了地质要求。
（4）尽管采用了上述特殊措施。但由于北台地层特别复杂，在某些孔还存在着孔斜超差的情况，需要进行特别治理。
（5）103机施工的3403号孔（设计井深520米，倾角77°，方位233°，在1～200米段只许上漂1°）据该孔前后已施工钻孔，在开孔所遇的角闪岩地层中，顶角均较为严重地上漂，所以在钻孔安装时，把设计的倾角77°改为78°，但是在实际施工中，却没有上漂而是下垂，在钻进到井深220米时，倾角已为80.5°，方位为213°，为了解决钻孔继续下垂的问题，采用大脑袋钻具，强力上漂，从226.49米～240.72米进尺14.23米，倾角经陀螺侧斜为76°，方位为209°，为了能保持住倾角的弯曲趋势和改变方位的跑斜方向，还加工了楔顶角为2°17′的73套管楔子，利用铜棒定向。主要纠顶角，稍带一点方位。换60径钻进，在238米处进入导斜回次，顺利实现了小口径金刚石偏斜，使得有报废危险的孔起死回生，顶角和方位角均满足了地质要求，而顺利终孔。
2.3钻孔的护堵措施。
（1）在钻探施工中，对坍塌掉块钻孔的护壁堵漏，更应贯彻综合治理的方针，在高效、安全、优质、迅速的前提下，统筹兼顾，选择合理地予防和治理措施。
（2）在黑石砬子矿区大范围使用的冲洗介质是清水+皂化油配成的乳化冲洗液，这主要为满足金刚石钻具的需要，一般在完整稳定孔段使用。在塌掉孔段提前使用优质的PHP低固相甚至适度交联的无固相泥浆，在大部施工中的孔段能有效地抑制孔壁塌坍，顺利通过，从而能在套管的有力配合下，达到安全钻进，顺利终孔。但是在个别孔段PHP系列泥浆也很难通过，而不得不采取其他措施。
（3）如105机施工的2802号孔设计井深390米，在钻进到299米时，遇到破碎带，所用泥浆全部漏失，泥浆不能满足供应，擅自换用清水，造成孔壁坍塌坚持钻进到308米时，由于堆积物块大，换用泥浆后也不能排除，反复套扫后，造成钻具折断，由于钻具是上部被堆积物掩埋天锥拿不着，后下钻具套扫堆积物，操作不当，致使扩孔器和钻头脱落，造成报废308米。后重新开孔，吸取上次的教训，提前使用泥浆（普通泥浆）当施工到孔深281.10米时，孔内有2米多堆积物，反复套扫不能到底，钻具一接触堆积物就严重挤夹，泵压急剧升高，但堆积物不减少。我们分析认为主要是堆积物颗粒较大，上排困难，并且胶结性差，在钻具敲打下，很易坍掉，想捞尽很困难。后决定采用水泥灌注护壁，胶结破碎物，实验效果很好。
（4）现场灌注水泥一定要控制好水泥的实际水灰比，各组分丈量要精确，水泥粉最好要过筛，替浆量的计算要和实际情况相结合，进行必要的修正。水泥浆的理论灌注高度要大于实际要封堵胶结高度，这样能保证水泥的胶结强度，同时也能保证替浆正确。在2802号孔先后灌注普通硅酸盐水泥（地勘水泥无货）三次，共20袋，水灰比均取0.5，48～72小时后透灰，水泥强度较好，突破了厚达10余米的严重破碎带，到完整岩层后下套管，使该孔顺利钻到420余米终孔。但此工艺候凝周期较长，有待于以后克服。
（5）对于孔壁 比较完整的全漏失钻孔，可采用二硫化钼涂抹钻杆，较小泵量顶漏钻进，辅之于在孔口极小泵量冷却，效果良好。
3. 结语
在复杂岩层钻进中施行综合治理，便于发挥金刚石钻进工艺的优越性，提高钻探的经济效益。
[文章编号]1006-7619（2013）03-15-176
[作者简介] 乔金奎（1962-），男（汉），籍贯：山东省沾化县人，职称：探矿高级工程师，辽宁省冶金地质勘查局四0一队钻探工程公司经理