河北长凝铁矿超厚第四系土钻探施工工艺

刘浩 彭泡 陈宇

近年来,随着一些国家的工业化进程的加快以及中国经济的高速发展,市场对矿产资源的需求也日益增大。以铁矿石为例,中国国产铁矿石产量急剧增加,但依然远不能满足需求,铁矿石供需矛盾十分突出[1]。为此,国家加大了对铁矿石的勘查力度,并取得了成效。2009年12月13日,河北省宣布在唐山滦南县境内新发现了特大型的资源量达10.44亿t的马城铁矿,并预计冀东地区还有约200亿t的铁矿石资源储量。天元五一五钻探工程公司作为主要的钻探施工方,在继马城项目之后,在临近的长凝矿区进行钻探施工,所遇到的地层情况更为复杂,特别是在超厚第四系土中钻孔孔壁极易坍塌。本文以长凝矿区的ZK0-2号孔为例,分析了主要的钻探技术方法。

1 工程及地层情况

长凝矿区位于河北省滦县,属河北省滦县管辖,交通方便。矿区位于滦河流域,地形平坦,易于搬迁。施工范围内没有天然水体,但地下水丰富,埋深为20 m,电力方便。

继完成马城铁矿勘查钻探施工之后,天元五一五钻探公司继续承担长凝矿区的钻探施工任务。文中的ZK0-2号孔设计孔深为700 m,实际孔深692.1 m。开孔时间为2009年 7月28日,终孔时间为2009年9月2日,历时一周。地层详细情况见图1。

2 钻探施工中的主要难点

1)第四系地层较厚,砂砾层,卵砾层胶结性较差,特别是卵石易随钻头转动而转动,黏土层较厚,遇水膨胀缩颈,导致卡钻等事故发生。2)矿区矿石为磁铁石英矿,上下顶底板为变质片麻岩及伟晶岩,硬度达到9级～10级,钻进效率低。3)基岩中有20 m的破碎带,此段地层漏失严重,且取芯困难[2]。4)绳索取心钻具中的内管总成投放速度较慢,磨损严重。

3 钻探施工的主要技术方法

钻机为HXY-6型,配备有BW-320型泥浆泵,BW-250型泥浆泵各一台,前者用于第四系覆盖层钻进,后者用于基岩钻进;动力为100 kW的康明斯发电机。由于地层情况比较复杂,各层段根据地层情况选择了不同的钻进方法、钻头和钻进参数。

3.1 冲洗液配制

选用萍乡产膨润土,配制比重为1.15左右的基浆;加入4‰～8‰CMC,1‰～3‰火碱,10‰～13‰腐殖酸钾,5‰～15‰磺化沥青,配制成18 s～23 s的高稠度泥浆,并根据地层情况随时调整其性能。不同地层泥浆配比及其性能分别见表1,表2。

表1 不同地层情况泥浆配比 kg

表2 不同地层情况泥浆性能指标

CMC、腐殖酸钾和磺化沥青使用前均应先水化,之后加入到基浆中。在漂卵石砂砾层等易漏失地层中钻进,应尽量将各参数调到最大,以获得高固相高粘度泥浆。

3.2 第四系卵砾砂层钻进

该层不取心。开孔采用φ 150的硬质合金钻头,上部土层、砂土层采用单管取心钻进;钻至16 m处,发现孔口返排至泥浆池中的泥浆流量明显减少,推断钻孔内出现漏失地层,但不是十分严重。因此将泥浆泵排量增加到300 L/min～400 L/min,顶漏钻进,同时将泥浆池中新配制的泥浆中的腐殖酸钾调到13‰,磺化沥青增大到14‰,以使泥浆粘度增大。同时相应增大膨润土的量以增加冲洗液的固相含量,腐殖酸钾和磺化沥青使用前要进行预水化处理。在卵砾石层采用φ 150的孕镶金刚石钻头钻进,钻压控制在6 kN～10 kN之间,转速150 r/min～300 r/min,泵量250 L/min～350 L/min。换用孕镶金刚石钻头钻进时,回次初始应慢速扫过上回次的孔段,以修整孔壁。该层钻至121.9 m处,下入φ 146的套管。套管外壁抹上黄油,以利于后续套管起拔。

3.3 第四系泥页层钻进

继续钻进,发现进尺明显加快,推断已经穿过卵砾石层,进入到泥页岩层。该层主要为泥岩和泥质粉砂岩。考虑到泥层极易发生缩颈,直接采用φ 110的硬质合金肋骨钻头进行钻进。钻压控制在8 kN～12 kN之间,转速150 r/min～300 r/min,泵量200 L/min～250 L/min。钻至402 m处时,该层部分孔壁发生坍塌,钻杆难以起拔。尝试用绞车配合钢丝绳起拔,但仍然困难。最终采用吊车进行强力起拔。之后换用φ 108的套管进行跟管钻进。

对此次卡钻事故分析认为,泥浆固相含量偏低,形成泥皮质量较差,导致了地层中大量失水,钻孔孔壁吸水后向孔内膨胀而发生缩颈;另外泥页岩吸水膨胀后极不稳定,易发生掉块而落入孔中卡住钻头。对此,在此段地层后续钻进中,将基浆比重调至1.20,并增加火碱和CMC的量。

3.4 基岩钻进

钻至504.7 m处进入基岩,换用冶标系列φ 91绳索取心钻具进行钻进。钻头外径为93,内径为68;钻杆外径为89,内径为80;内管外径为77,内径为70。由于钻头底唇面积增大,且基岩可钻性达到8级～9级,故将钻压控制在10 kN～13 kN,钻遇较破碎地层时,应适当降低钻压,避免岩心堵塞而引起烧钻。金刚石钻进冲洗液量应保证将孔底岩粉清除并使高转速的钻头充分冷却[4]。绳索取心钻进由于钻头唇面较大,岩粉较多,故泵量较一般金刚石钻进大,但由于孔径较上两地层小,泵量比钻进上层所控制泵量又要小,钻进中泵量控制在150 L/min～200 L/min。

4 施工中所需要说明的几个问题

1)泥浆配制。在施工场地上布置两个泥浆池,尺寸为4 m×4 m×1.5 m(长×宽×高),循环槽长度15 m,坡度1/100,并在循环槽中段设沉淀池两个。配制泥浆前应进行小样试验,以确定最优配比及程序。聚丙烯酰胺、腐殖酸钾、磺化沥青应在水中浸泡待其完全溶解后,才可加入到泥浆池中。2)泥浆净化。金刚石在漂卵砾石层中钻进产生大量岩粉,进入泥浆中容易使泥浆性能发生改变。在钻孔环状空隙中高速旋转上升,易使泥皮脱落。岩粉进入泥浆池中则可能使水泵发生事故[3]。对此问题,我们在循环槽中增加筛网,在泥浆池中沉淀砂体,并勤换浆体,实现了泥浆净化。3)在详细勘察阶段,对先期的地层资料的了解帮助我们节省了大量的钻进时间以及节约了工程成本。4)提钻时要回灌泥浆,以平衡孔内压力。要控制下钻速度,减弱抽吸力对孔壁稳定性的影响。5)在该孔破碎地层段用绳索钻进取心时,在开始时每进尺0.3 m～0.6 m就出现堵塞现象,泵压表显示明显憋泵。对此,处理方法是调整卡簧座与钻头内台阶间隙,出现堵塞后立即提捞内管,保证岩心不被磨损和不烧钻。6)矿层岩石硬度达到9级～10级,钻进时出现打滑现象。对此往孔底投磨料。磨料选用碎至1 cm～2 cm的石英小颗粒,每次往内管内投入10粒左右。低转速,孔底压力10 kN左右,钻进中不给水,转10 r～20 r后将钻头提离孔底,反复10次左右后再正常给水钻进。实际应用效果良好。

5 结语

在深度达500 m的超厚第四系覆盖层以及硬岩和破碎地层中钻进,是一项具有挑战性的工作。通过选用行之有效的钻进工艺和钻进参数,配合好适应该地层的冲洗液,我们成功地完成了任务。实践表明,深厚第四系中选好泥浆,硬岩中考虑钻头和岩石硬度的关系,破碎带中考虑到孔底的压力问题[5],这些就能保证工程的顺利完工。

[1]骆华宝.我国铁矿资源状况[J].地质评论,2009,55(6):885-891.

[2]朱景萍.皖煤田超厚度第四系钻进与护壁技术[J].探矿工程,2007(sup):104-106.

[3]陈 军.第四系大厚度漂卵石砂砾石层供水井裸眼钻进及护孔[J].西部探矿工程,2008(11):99-101.

[4]闫文军.河北省滦县司家营铁矿南矿区钻探施工工艺[J].探矿工程,2009(10):31-33.

[5]鄢泰宁.岩土钻掘工程[M].武汉:中国地质大学出版社,2001.