嵩县多金属矿区复杂地层岩心钻探施工综合技术

曾石友

(河南省地矿局第四地质探矿队,河南郑州 450001）

嵩县多金属矿区复杂地层岩心钻探施工综合技术

曾石友

(河南省地矿局第四地质探矿队,河南郑州 450001）

总结了嵩县多金属矿区复杂地层岩心钻探的经验,着重介绍了处理金刚石钻头打滑的磨砂方法,在风化层中的跟管钻进方法,多级套管护孔,水泥护壁,801堵漏剂与植物胶、锯末的试用,植物胶锯末泥浆堵漏,润滑减阻等复杂地层综合治理措施。实践证明,采取这些技术措施后,降低了施工成本,提高了钻进效率。

复杂地层;岩心钻探;泥浆;护壁;堵漏

1 概况

嵩县多金属矿区是2009年全国第一个整装勘查项目。矿区位于嵩县水沟—万岭一带,由3条大致平行的断裂组成,走向10°～30°,倾向北西,倾角50°～85°。地表出露长度>5 km,波及宽度500～600 m,单条断裂宽10～20 m,长2～5 km,断裂间距100～150 m;断裂面陡而平直,每条断裂内可见多条(组）扭裂面,其断面上发育水平擦痕及镜面,显示逆时针扭动特征。断裂带内角砾岩、碎裂岩发育,热液蚀变强烈,主要发育硅化、钾化、方铅矿化、黄铁矿化及褐铁矿化等。钻孔所遇岩层为:第四系表土层、构造角砾岩、安山岩、碎裂安山岩、蚀变带安山岩、英安岩。

地质设计钻孔倾角80°～90°,要求钻孔孔斜≯1°/100 m。典型钻孔口径级配:“130、“110、“91、“77 mm。主要采用SJ77金刚石绳索取心钻进,选用优质低固相泥浆冲孔。

由于矿区地层条件特别复杂,英安岩和石英脉岩性坚硬、研磨性弱,中等胎体硬度钻头的进尺效率为0.05～0.20 m/h,局部属典型金刚石钻进“打滑”地层。断层破碎带在矿区比较密集,产状陡立,钻孔所穿越孔段长度0.3～100 m不等。钻进中遇上断层百分之百全孔漏失,接着断层泥缩径、孔壁坍塌,卡、埋钻事故跟踪而来,几个不同性质的复杂地层问题集于一个矿区,使省内外许多钻探施工队伍望而却步,有些施工单位半途而废。

为确保省局重点工程的进度和质量,我队从2009年3月陆续进驻12台XY-4型、3台XY-44型钻机进行钻探施工。大力引进新技术、新工艺及技术革新,采取多种措施综合治理,2009年底顺利完成部署的钻探任务。

我们在治理方法上,从一般措施到新型材料的应用,取得了一些新的认识和体会,尤其是尝试植物胶锯末泥浆的应用成效显著,降低了施工成本,提高了生产效率。

获取的主要钻探经济技术指标及钻孔质量指标为:钻孔15个,总进尺9023 m;平均孔深601 m,最大孔深857 m;纯钻率33.7%,时效1.42 m,台月效率238 m;岩矿心采取率平均91%,最低76%;优质孔率100%。

2 综合治理复杂地层措施

2.1 处理金刚石钻头打滑的磨砂方法

针对坚硬岩层金刚石钻进打滑问题,初次试用了几家软胎体钻头(HRC30～35,粒度80～100目）效果不明显,而且使用寿命<25 m。而后选用中等胎体硬度钻头(HRC38～40,粒度46～80目）,改进传统磨砂法取得了明显效果。

其做法是:选用“10 mm左右的石英石20～25粒投入孔内,转速为83～217 r/min,钻压比正常钻进略大,时间在30 s左右,然后不停车把钻具提离孔底,如此反复4～5次即可。钻头在孔内磨后,金刚石出刃率明显提高。在坚硬“打滑”地层中回次进尺量在1 m以上,时效为1.8～2.5 m。改进后的磨砂法避免了传统方法易导致的卡、烧钻头事故的发生,钻头平均寿命提高至35～40 m。

2.2 在风化层中的跟管钻进方法

该矿区有部分钻孔无法避开风化层而就位施工。在风化层中施工斜孔,孔口管容易插偏,孔内易坍塌,钻进难度大,遇到硬石块更是难上加难。

针对上述难题,我们采取了以下几点措施。

(1）将孔口凿成“600 mm×800 mm井筒,用水泥砂浆灌注的办法解决孔口管容易开偏和孔口塌陷问题。

(2）跟管钻进中,首先用高粘度或固相含量高的泥浆钻进,然后以反复提动钻具方式冲击回转钻进,钻进至一定深度时下入第一级护孔管。

(3）当钻进到基岩时,第二级护孔管必须坐入孔底,然后用金刚石钻头钻进至完整基岩后再下人第三级护孔管。在ZK5204孔等3个钻孔中使用此法,顺利穿过风化层,最大厚度为27.8 m,无丢失护孔管现象。

2.3 多级套管护孔

多级套管护孔以其成本低、见效快的优点,适宜在钻孔穿越有多条断层破碎带地层的钻孔中采用,成为我队长期以来用于复杂地层钻进的常用方法与措施。深孔施工在无法预知深部地层变化的情况下,不宜过早地使用终孔口径,否则,一旦遇到新的断层破碎带,就会带来更大的风险,或造成重大经济损失。多级套管护孔应注意以下几个事项。

(1）认真作好钻孔设计,明确各级套管的下入目的与深度;

(2）周全考虑套管的起拔难度,制定套管事故的处理方法;

(3）仔细检查套管丝扣的完好性和拧紧程度,把丝扣较差的套管调整到上部;

(4）准确判断坐管条件,如岩面风化程度、沉渣厚度和残留岩心长度等,要求套管坐稳坐实;

(5）下管隔离断层破碎带时,如孔内有大量坍塌物不便清除,不应将套管作为钻具使用,强行开车扫孔到底,否则会发生卡埋套管事故,清理孔底的正确方法是:从未坐稳的套管内下钻具扫孔,当钻具进尺数米后,不论套管是否到位坐实,都应提升钻具提动套管,使管外坍塌物掉入钻孔内,确保套管到位;

(6）切实做好套管上端管口的密封工作,采用海带、麻布及纤维素等缠绕密塞措施,防止钻渣沉积在套管与孔壁之间,增加拔管阻力。

本矿区施工中优先采用多级套管护孔措施,取得了较好的经济效果。总计下入套管7368.50 m。其中“127 mm套管404.05 m,“108 mm套管1137195 m,“89 mm套管5826.50 m,遗留孔内套管1006.27 m,取出率达86.34%。

2.4 水泥护壁

水泥浆灌注也是我队常用的护孔措施之一,据历年数据资料显示,护孔成功率达87.4%。

ZK8805孔为构造角砾岩、安山岩蚀变带、碎裂安山岩等地层,在333.40～375.80 m孔段(“77 mm口径）遇上F11大断层,其倾角为58°～79°。该孔因孔壁坍塌发生了多起断杆、埋钻事故,采用灌注水泥浆进行护壁。

选用42.5普通硅酸盐早强水泥,水灰比0.50。48 h后取出最长水泥灰心1.62 m,注浆效果较为理想。但是,当扫孔钻具穿过注浆层后,再次发生了孔壁坍塌。

分析水泥护壁失败的原因是,孔壁坍塌范围小,在孔壁上形成的水泥层较薄易被钻杆击碎,从而使裸露的安山岩蚀变带在冲洗液的冲刷下再次涌入孔内。找出失败的原因后,使用稀泥浆冲刷破碎带和蚀变带,使孔壁坍塌范围加大,将孔底坍塌物清理干净后,选用42.5普通硅酸盐早强水泥、水灰比0.50的水泥浆。48 h后取出最长水泥灰心2.12 m,注浆效果较为理想。钻具穿过注浆层后,没有发生孔壁坍塌,该孔终孔深度为711.33 m。

2.5 801 堵漏剂与植物胶、锯末的试用

ZK2804孔从230 m开始钻遇破碎带,冲洗液大部分漏失。当SJ77绳索取心钻具顶漏钻进至342.73 m时,孔内冲洗液突然全部漏失。我们试用了江西萍乡光辉钻井助剂材料厂生产的801堵漏剂、植物胶和锯末,采用混合使用的护堵方法。

配制方法:在泥浆中添加801堵漏剂(3%）、植物胶(6%）和锯末(7%）,在高速泥浆搅拌机中搅拌30 min,使用前用大泵量循环浆液。

使用情况:在钻进过程中泵压较高,消耗该混合浆液约5 m3后,孔口返水量约1/3;消耗用该混合浆液10～12 m3后,孔口返水量几乎能达到100%。

2.6 植物胶锯末泥浆堵漏

2.6.1 配制方法

(1）发生小漏失(孔口返浆2/3）,可在基浆中加入3%锯末;发生中等漏失(孔口返浆1/2～1/ 3）,可在基浆中加入5%锯末。

(2）将土粉、植物胶、锯末加入高速泥浆搅拌机中搅拌30 min。

2.6.2 使用方法及效果

预先将钻具置于孔底漏失层位,开泵将浆液送至孔底后开始钻进。当浆液到达孔底时泵压会突然升高,此时应打开回水管调节泵压,使泵压比正常钻进高出1～2 MPa。在钻进一段时间后,孔口返浆量加大。不能流入裂隙通道的粗锯末被钻具研碎后排出孔外。该堵漏方法在ZK2804等6个孔中应用取得了明显效果。

2.7 润滑减阻

在泥浆中加入1%洗衣粉,可以起到润滑减阻、泵压降低、转速提高的作用,不破坏泥浆性能,提高钻进效率。

3 结语

(1）由于地层复杂多变,若对于复杂地层认识不够、工艺措施传统单一,难以取得较好的效果,应采取“辨证论治”、灵活运用的思路方法,才能最大限度地降低施工成本,提高钻进效率。

(2）一般孔壁岩石没有经过水化,其结构状态是相对稳定的。植物胶低固相冲洗液之所以对稳定孔壁效果显著,其根本原因在于水溶液中的植物胶分子,在岩石颗粒表面有很好的吸附成膜性,对岩石颗粒具有很强的胶结作用,起到了抑制岩石颗粒进一步水化的作用。

(3）使用植物胶锯末堵漏取得了明显效果。

(4）植物胶锯末泥浆应用于中深孔绳索取心钻进,成效明显,对于解决孔壁稳定和泥浆漏失将有更大的应用前景。

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Comprehensive Technology of CoringDrilling in Complex Formation of Poly-metallicDeposit in Song County

ZENG Shi-you(Forth Geological Prospecting Team of Henan Geology andMineralBureau,Zhengzhou Henan 450001,China）

The paper summed up the coring drilling experience in complex for mation of poly-metallic miming area in Song County and emphatically introduced the comprehensive treatmentmeasures of quartz grinding method for diamond bit slip-ping;drillingwith s imultaneous casing in weathered layer;different size casing for hole protection;wall cementing;801 LCM,plant gum and sawdust for leaking stoppage.The construction costwas lowered and drilling efficiencywas improved by these technicalmeasures.

complex formation;coring drilling;mud;wall protection;leaking stoppage

P634.5

:A

:1672-7428(2010）11-0016-03

2010-04-14;

2010-05-25

曾石友(1973-）,男(汉族）,河南卢氏人,河南省地矿局第四地质探矿队钻探公司副总经理、工程师,探矿工程专业,从事岩心钻探、水文水井钻探等工作,河南省郑州市高新区科学大道81号,z.s.y.1018@163.com。