福建马坑矿区钻探技术难点与对策

彭金灶

(福建省第八地质大队，福建 龙岩 364000)

1 矿区概况

1.1 矿区交通位置

马坑矿区位于龙岩市郊，工作区位于福建省龙岩市东南120°方向，平距13 km至马坑村北东东山上，矿区南侧为319国道，至龙岩铁路货运站约13 km。至机台均修有简易公路，交通极为便利。

1.2 矿区勘查主要钻探工程开展情况

据记载本矿区开展地质工作始于1913年，1957年物探队经地面磁测发现本区磁异常后，揭开了探索本区深部隐伏磁铁矿的序幕。1958～1982年，在大量地质及其科研工作的基础上，开展了3个阶段的矿区勘查钻探工程，完成钻探工作量147406.56 m，探明铁矿储量4.79亿 t，伴生钼矿8.29万 t，是华东最大的铁矿床。

在全国开展“攻深找盲，探边摸底”的新一轮地质矿产勘查工作的同时，我局(福建省地质矿产勘查开发局)也开展了武夷山成矿带深部找矿工作。2010～2013年12月，马坑铁矿外围矿区深部找矿勘查，已完成钻孔12个，其中定向钻孔2个，完成钻探工作量10527.81 m。控制铁矿体估算资源量约1.4亿t，实现了“探边摸底”找矿工作的重大突破。

1.3 矿区地层情况(见表1)

表1 马坑矿区地层情况

2 矿区钻探主要技术难题

2.1 复杂地层特点

二叠系童子岩组(P1t)和文笔山组(P1w)地层:岩石水化作用强烈，换层频繁，层理、节理发育，岩层产状陡等;常见掉块、坍塌、缩径等造成糊、埋、卡钻及套管事故;局部孔段受构造破坏，出现中小漏失，护孔困难。

二叠系栖霞组(P1q)和晚石炭统船山组(C3c)地层:文笔山组与栖霞组接触面为成岩性裂隙，是严重的漏失层;灰岩上部岩溶发育，溶洞多、大小不一，洞内多充填泥砂、漂砾，有的溶洞成串(ZK8321孔)并与地表和地下裂隙串通，常因漏失引起上部地层和溶洞内充填物垮塌造成卡、埋钻事故，也常发生钻杆、套管折断找不到断头;下部燧石灰岩，软硬不均，存在孔斜问题。

中石炭统经畲组(C2j)地层:矿层顶板及局部矿层受构造破坏、围岩蚀变、岩脉穿插影响，岩性硬、脆、碎，钻进中易堵，取心困难等。

早石炭统林地组(C1l)地层:岩性致密，坚硬，局部孔段岩性脆，钻进效率低。

2.2 断裂、褶皱十分发育

矿区位于龙岩凹陷盆地南东缘，马坑断陷盆地内，主要构造为背斜，矿床处于马坑背斜的北西翼，总体形态为单斜构造，单斜之上发育紧密相伴幅度不一的背斜褶皱及断裂构造，区内发育Fl～F14及溪马河断层。

2.3 钻探施工的技术难点

2.3.1 地层复杂，钻进效率低

(1)上部复杂地层开孔口径大，小径钻进取心，大径扩孔，重复钻进频繁;

(2)碎、脆、地层易堵，回次进尺低;

(3)坚硬“打滑”地层，时效低。

2.3.2 护壁堵漏难

(1)浅部:炭质泥岩、砂质泥岩多为水化膨胀地层，风化粉砂岩破碎、构造破坏等引发孔壁“下漏上塌”的治理困难。

(2)中部:灰岩地层溶洞大小不一，成串，洞内含充填物(泥砂，泥包石等)，有的溶洞与地表和地下裂隙串通等构成长孔段、多特征的复杂地层，治理难度大。

(3)深部:部分断层孔段存在松散、破碎的全漏失层，特别是深部强径流、大漏失层的堵漏难度大。

(4)挤压剪切严重的孔段，岩性是软泥状存在(常称“断层泥”)，怕冲洗液冲刷，孔壁极不稳定。断层产状陡或处于钻孔深部时，孔内不良状况会加剧。

2.4 局部孔段及深部矿层取心质量问题

易发生岩心采取率不足的孔段长，主要有:风化严重的松散地层、无胶结性碎石、胶结性差的泥包石等地层;断层处岩石破碎严重;背斜褶皱轴部岩性较为破碎等。

3 主要钻探设备、机具及泥浆材料

3.1 设备

XY－5型钻机(配55 kW电动机)，XY－44型钻机(配45 kW电动机)，BW－320型泥浆泵(配22 kW电动机)，BW－250型泥浆泵(配15 kW电动机)，SG23型钻塔，SJ－1500型绞车(配5.5 kW电动机)，拧管机、泥浆搅拌机等。

3.2 主要器具

3.3 主要泥浆材料

膨润土、片碱、植物胶、纤维素、防塌剂、堵漏剂等。

4 钻进工艺技术措施

4.1 钻孔结构(见表2)

实际工作表明，本矿区的钻孔结构基本合理，基本能满足施工要求，确保钻孔顺利完工，但仍存在如下问题。

(1)ZK7521孔186～193.07 m孔段地层复杂，严重坍塌，多次灌水泥护孔，浪费了大量时间及财力，若能在110 mm口径钻穿该孔段后，下入108 mm套管，将使钻孔结构更趋于合理。

(2)存在钻孔结构复杂，重复施工现象。如ZK7529孔因深部出现3个断层带(孔深分别为969.20～970.50、1015.69 ～1051.60、1135.50 ～1138.50 m)，造成钻孔结构复杂，该孔施工至孔深1056.60 m后，继续施工困难，拔起89 mm和73 mm套管，于748.41 m处重新扩孔，采取多种措施，得以穿过复杂孔段，因而钻孔结构比较复杂。

(3)ZK8321钻孔结构的特殊性，在离该孔15 m左右已施工一个水文观测孔(观8孔)，地层分层清楚，为了加快勘探步伐，采用牙轮不取心钻进，由于人为操作原因，造成孔内事故，使钻孔结构无法按设计方案进行。

4.2 钻进方法

上部第四系覆盖层，采用无泵硬质合金钻进或小一径单动双管硬质合金或金刚石钻进，大一径硬质合金或金刚石扩孔。

中部泥岩、砂岩、辉绿岩等地层采用绳索取心液动锤金刚石钻进。

表2 马坑矿区钻孔结构

破碎、完整及“打滑”地层(砂岩、泥岩、灰岩等)，采用绳索取心金刚石钻进或绳索取心液动锤金刚石钻进。

无胶结性破碎地层或胶结性差风化砂岩，用多功能孔底反循环金刚石单动双管钻进。

断层充填物或断层泥及塑性地层，采用硬质合金无泵钻进。

4.3 钻进技术参数

钻进技术参数优化组合的确定受到钻遇岩石的物理力学性质、钻头类型及结构参数、钻孔直径、孔身结构和深度、钻探设备的性能、冲洗液类型、工人技术水平等约束，鉴于制约因素较多，各种组合较多。依据本矿区实际情况，使用的钻进技术参数见表 3、表 4。

4.4 绳索取心液动锤的推广应用

相对于绳索取心钻探工艺，SYZX(75、95)系列

表3 绳索取心钻进技术参数

表4 SYZX75绳索取心液动锤钻进技术参数

绳索取心液动锤钻探工艺不但有钻进效率高、岩矿心质量好、钻头寿命长、劳动强度低等优点，而且具有广泛的适应性，能适用于钻进6～9级的中硬岩层，尤其适应10～12级组织致密、颗粒细小、弱研磨性的极坚硬岩石或研磨性强的硬、脆、碎岩石。

4.4.1 SYZX系列绳索取心液动锤应用效果(见表5)

表5 马坑矿区SYZX系列绳索取心液动锤使用情况

4.4.2 绳索取心液动锤钻进与普通绳索取心钻进使用效果对比(见表6)

使用结果表明，同口径的绳索取心液动锤与普通绳索取心钻进相比具有如下突出特点:针对弱研磨性坚硬“打滑”地层，台月效率提高1.89倍;对强研磨性的硬、脆、碎地层，可提高岩心采取率，延长回次进尺，由0.86 m/回次提高至1.91 m/回次。

表6 马坑矿区绳索取心液动锤钻进与普通绳索取心钻进使用效果对比

4.5 复杂地层护壁与堵漏技术

正常钻孔施工，针对矿区地层条件的复杂性，护壁堵漏的对策为:适宜的套管层次(一般需4～5层)+优质泥浆护壁+水泥护壁堵漏+其它堵漏措施。具体如表7所示。

表7 马坑矿区护壁堵漏对策选择

4.5.1 长孔段、多特征复杂地层护壁堵漏——优质泥浆

马坑矿区ZK7924孔顺着断层施工，全孔地层较复杂，孔深342～721.47 m(孔段长379.47 m)，ZK7529孔于孔深1015.69～1051.60 m(孔段长35.91 m)，ZK7929孔于孔深759～806 m(孔段长47 m)，地层为碎石、砂、泥包石(见图1～3)，胶结性差，孔壁坍塌厉害，全漏失。

图1 ZK7924孔342～721.47 m部分岩心

图2 ZK7529孔1015.69～1051.60 m岩心

图3 ZK7929孔759～806 m部分岩心

采用优质泥浆护壁，其配方为:1 m3清水+62.5 kg钠膨润土+2～3 kg烧碱+3～5 kg纤维素+3～5 kg植物胶，实现长孔段裸眼钻进的堵漏技术(采用50 mm外丝钻杆，77 mm多功能孔底反循环单动双管钻具)。

4.5.2 孔深较大，强径流，大漏失地层的堵漏——扩孔下套管

浅部的强漏、强涌孔段通常采取扩孔后套管隔离。深孔段一般采用水泥封闭和调整冲洗液性能。目前对孔深较大、强径流、大漏失地层钻进仍为世界性难题，我队采用各种方法(包括灌注桩剪球法)，均未能取得成功，只好采用扩孔下套管的最原始的办法。如ZK7259孔，原89 mm套管下至748.41 m，后施工至 1056.60 m，断层(孔深 969.20～970.50 m)有股流动水，断层内有砂石充填物，起上89 mm套管，扩孔隔离该断层。

4.5.3 深部松散、破碎、易塌层——旋喷水泥浆固结护壁

中、深部孔段钻遇松散、破碎、易水化分散坍塌等复杂夹层，由于钻孔漏失泥浆护壁难，且无法采用套管隔离情况下，使用水泥浆高压旋喷固结护壁法。

ZK7529孔孔深1135.50～1138.50 m，ZK8321孔818.57～819.78 m等孔段，出现“断层泥”，该地层特点是风化破碎、怕水冲刷、含泥成分高、易坍塌、埋藏深度大，钻进时阻力大，提出后孔段即被细砂、石充填。采用泥浆护壁、普通方法灌注水泥浆均无效，受口径限制也无法下入套管隔离复杂孔段的情况下，采用水泥浆高压旋喷灌注法，解决了护壁难题。

4.5.4 流塑性地层

流塑性“断层泥”在强的应力作用下，由于塑性变形引起径向流动，造成钻孔缩径。ZK7922孔，孔深376.53～388.84 m，采用低效增粘剂LMB+膨润土+CMC。

另一方面，“断层泥”中富含伊利石和绿泥石等吸水性较强的粘土矿物，遇水即水化膨胀，一胀即垮，导致钻孔缩径垮塌。

4.6 复杂地层取心方法

复杂地层取心方法选择见表8，采用多功能孔底反循环与普通绳索取心钻进复杂地层岩心采取率对比见表9。

5 技术经济指标

马坑矿区代表性钻孔的技术经济指标见表10。

表8 复杂地层取心方法选择

表9 多功能孔底反循环与普通绳索取心钻进取心效果对比

表10 马坑矿区钻孔综合经济技术指标

由表10可知，本矿区总体钻探效率较低，究其原因主要有以下几个方面。

(1)大口径施工孔段长，非常规钻进工艺所占比例大，上部为小径双管钻进取心，大口径多级扩孔。

(2)地层复杂，裂隙带地层破碎、胶结性差，易坍塌、掉块等，采取多种护孔措施，所占用时间长。

(3)部分钻孔灰岩地层溶洞发育，且大多数溶洞内有充填物，治理难度大，无法高速钻进，且易断钻杆。

6 几点认识

(1)合理的钻孔结构是保障钻孔顺利施工的关键。

(2)实践证明，针对长孔段、复杂地层，采用普通单动双管金刚石钻进可以大大地提高钻进效率，同时提高护壁效果。

(3)针对坚硬“打滑”地层，使用绳索取心液动锤钻进，可提高钻进效率;对强研磨性的硬、脆、碎等破碎地层，可减少岩心堵塞，延长回次进尺。

(4)中、深部孔段钻遇松散、破碎、易水化分散坍塌等复杂夹层，采用泥浆护壁难且无法采用套管隔离情况下，采用高压旋喷水泥浆固结护壁，可有效解决护壁难题。

(5)破碎无胶结性的碎石层或无胶结性的流砂层、“泥包石”等，岩(矿)心采取率低，采用多功能孔底反循环单动双管取心效果较好。

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