小秦岭复杂地层液动锤绳索取心钻探试验研究

卢予北

(1. 河南省深部探矿工程技术研究中心，河南郑州 450053；2. 河南省地热能开发利用有限公司，河南郑州 450053)

小秦岭复杂地层液动锤绳索取心钻探试验研究

卢予北1,2

(1. 河南省深部探矿工程技术研究中心，河南郑州 450053；2. 河南省地热能开发利用有限公司，河南郑州 450053)

小秦岭地区是我国主要的矿产资源地，属于严重的破、碎、硬、漏等复杂地层，特别是岩石结构致密、颗粒细、研磨性较弱的坚硬地层，采用传统回转钻进工艺时，钻头经常出现“打滑”现象，从而导致钻头寿命低、钻探效率低、事故率高、钻探成本高等问题。针对这些问题并结合生产，本文选择了3处典型复杂地层进行了液动潜孔锤+绳索取心“二合一”和传统金刚石绳索取心钻探试验。试验结果表明：与传统金刚石绳索取心钻进工艺相比，液动锤平均回次进尺可提高44%，机械钻速提高21.34%～30.3%，平均综合钻探成本降低了21%～28%，其中钻头费用可降低66.5%。同时，由于碎岩方式的改变，液动潜孔锤钻探具有钻孔防斜效果好、事故率低、钻头使用寿命长等特点。

小秦岭 复杂地层 液动潜孔锤 绳索取心 钻探试验

Lu Yu-bei. An experiment of hydro-hammer and wire-line coring drilling in complex formations of the Xiaoqinling area[J].Geology and Exploration, 2014, 50(2):0391-0396.

0 前言

小秦岭横跨陕西与河南两省，东据崤函，西临潼关。俯视黄河，在中国的中部，有一条著名的华山山脉横跨陕西、河南两省，形成海拔2414m的险峻山峰。河南小秦岭地区是我国主要的矿产资源地，自然地理环境艰苦，地质条件恶劣。由于地质构造的原因，地层硬、脆、碎、漏极为普遍；加之近年矿山开采的影响，地层受到严重的人为破坏，使得地层更为复杂，特别在嵩县、洛宁、栾川、卢氏、灵宝大湖等地区，表现尤为突出。大部分处在变质岩、岩浆岩的破碎带中，特别是蚀变破碎带型金矿、爆发角砾岩型金矿(薛良伟等，2010)，其地层节理裂隙发育、岩石破碎、涌水漏水等，施工环境差，地层复杂在国内实属罕见，是导致该地区钻探效率低、事故频发、钻孔质量难以保障的一个重要因素；也是造成钻探技术难以突破的瓶颈。

为了解决和突破该地区钻探效率低、事故多、成本高等问题，2011年，河南省国土资源厅下达两权价款地质科研项目《豫西复杂地层快速钻探技术研究》(项目编号：2011-622-11)组织科技攻关。两年多来，通过生产与科研相结合方法在豫西选择3处典型复杂地层分别进行了液动潜孔锤+绳索取心“二合一”钻探试验，其钻孔编号/孔深分别为：ZK610/1751.08m、ZK1909/1210.70m、ZK0301/1502.80m。总计试验钻探工作量4464.58m，其中，液动潜孔锤+绳索取心“二合一”钻探新方法试验工作量1521.32m。

1 地层及岩石物理力学性质

1.1 主要地层

该区地层主要由新太古代变中基-中酸性喷发表壳岩、观音堂组，白垩系上统及第四系更新统和全新统组成。主要以花岗片麻岩、石英脉、伟晶岩、花岗岩为主(孙社良等，2013),其大地构造部位属中朝准地台(华北陆台)南缘，华山-熊耳山台隆西段。南北两侧分别以小河、太要断裂带为界。区内岩浆活动频繁，变形变质作用强烈、复杂，断裂构造发育。区内次级断裂构造非常发育，控矿断裂构造多具韧性剪切带的特征，以近东西向韧性剪切带为主，其次呈近南北向、北东向和北西向。韧性剪切带内有糜棱岩、千糜岩等构造岩。晚期沿韧性剪切带活动的压扭性断裂内有含金石英脉充填，并有热液交代构造岩或围岩成蚀变岩型金矿石(付治国等，2009)。

1.2 岩石物理力学性质

试验区3个钻孔岩石的密度为2.6～3.1g/cm3；孔隙度为0.1%～1.5%；裂隙性为1～3级。具体岩石可钻性及物理力学性质见表1～表3。

表1 ZK610钻孔岩石可钻性及物理力学性质Table 1 Drill ability in rock and physical and mechanical properties of ZK610 borehole

表2 ZK1909钻孔岩石可钻性及物理力学性质Table 2 Drill ability in rock and physical and mechanical properties of ZK1909 borehole

表3 ZK0301钻孔岩石可钻性及物理力学性质Table 3 Drill ability in rock and physical and mechanical properties of ZK0301 borehole

2 设备机具和主要技术方法

2.1 设备及机具选择

钻机选择XY-6B型；泥浆泵选择BW-320型；试验用液动潜孔锤+绳索取心机具分别为SYZX75型和SYZX96型(苏长寿等，2010；王建华等，2011)；钻头选择热压孕镶式，其规格分别为(外径/内径)130mm/110mm、110mm/91mm、96mm/61mm、76.5mm/46mm。

2.2 主要钻探方法

现场试验中主要采用普通绳索取心与液动潜孔锤+绳索取心金刚石两种钻进方法，以进行对比研究。

工作区钻孔地层从上到下，大致可以划分3层：上部第四系覆盖层、中部基岩风化层和下部完整基岩(包括构造带)。主要钻探方法是：采用Φ130mm金刚石钻头开孔，钻穿第四系覆盖层，钻遇较完整基岩后，下入Φ127mm表层套管，然后采用Φ96mm普通绳索取心钻具或SYZX96液动潜孔锤绳索取心钻进至完整基岩面，下Φ89mm技术套管，再用Φ75mm普通绳索取心钻具或SYZX75液动潜孔锤绳索取心钻进至终孔。

2.3 钻井液体系与护壁堵漏

试验区钻探时在一个钻孔内同时遇到坍塌、缩径、水敏性地层和破碎漏失地层，针对不同地层需要及时调整钻井液性能(胡郁乐等，2011)。

2.3.1 坍塌、缩径、水敏地层

在上部覆盖层钻探时使用腐植酸类钻井液，其具体配方是(单位：1m3)：

钠土粉30～60kg+植物胶(加量为水重量的0.1～0.5%干粉)+CMC(高粘)(加量为水重量的0.1～0.6%干粉)+腐植酸钠(用于水敏地层)0.4～0.6%+PHP干粉500～1000×10-6+润滑剂。

2.3.2 破碎地层

在上部、中部比较破碎地层使用无/低固相钻井液，其具体配方是(单位：1m3)：

清水+0.5%的CMC+PHP干粉300～500×10-6。 (即：每1m3钻井液中加入300～500g水解聚丙烯酰胺)。当存在较小程度的坍塌和漏失时，可选择以下配方(单位：1m3)：

水+2～5%LBM+0.5～2%改性沥青(GLA)+ 1～3%防塌型随钻暂堵剂(GPC)+0.3～1.0%润滑剂(GLUB)。

2.3.3 综合防塌钻井液体系

当坍塌掉块较为严重时，选择以下配方(单位：1m3)：

6%基浆+2.0%DFD(改性淀粉)+2%LG植物胶+0.5%Na-CMC。

2.3.4 渗漏地层加随钻堵漏剂

钻探过程中钻遇较长孔段漏失地层时，可以在钻井液中加入随钻堵漏剂。其配方(单位：1m3)：

钠土粉30～40kg+植物胶(加量为水重量的0.1～0.5%干粉)+CMC(高粘)(加量为水重量的0.1～0.6%干粉)+PHP干粉400～800×10-6+随钻堵漏剂(孔隙和微裂隙：2～4%；严重漏失层：4～6%+3%惰性材料)+润滑剂。

3 SYZX75/96液动潜孔锤+绳索取心试验

3.1 液动潜孔锤工艺特点

液动潜孔锤是利用泥浆泵输出的高压冲洗介质，并在一定流量作用下驱动潜孔锤内冲锤，使冲锤产生一定的频率和冲击功，在轴向往复运动，对钻头形成冲击荷载，在回转冲击作用下，达到碎岩目的，属于井下动力驱动。液动潜孔锤回转冲击钻进与传统回转钻进方式相比，在碎岩方式上有着本质的区别。回转钻进时，钻头上金刚石或PDC复合片在轴向静压下，钻入岩石一定深度，在连续回转作用下连续切削岩石。而回转冲击钻进时，钻头上金刚石或PDC复合片在冲击作用下，对孔底岩石产生体积破碎坑，从而使岩石产生裂纹断裂，同时在回转作用下使其产生体积破碎(杨甘生，2013；杭程等，2013；谭松成等，2013)，特别适用于“破、碎、脆、硬”和“打滑”地层。

3.2 试验情况及分析

3.2.1 主要问题

小秦岭地区属于严重的破、碎、硬、漏等复杂地层，多数岩石可钻性超过9级(杨宽才等，2013)，特别是岩石结构致密、颗粒细、研磨性较弱的坚硬地层，采用传统回转钻进工艺时，钻头经常出现“打滑”现象，从而导致钻头寿命低、钻探效率低、成本高问题(李冬霜等，2009；冯玉国，1993)；在构造破碎漏失地层时，常常出现岩心堵塞、石英颗粒卡钻、钻具折断等事故(罗永贵，2013；侯识荣，2009)，从而导致纯钻时间低、辅助时间高等问题。

3.2.2 试验情况

为解决上述主要问题，选择了3个具有代表性的钻孔进行液动潜孔锤+绳索取心“二合一”和传统金刚石普通绳索取心2种钻进工艺的对比性试验。表4～表6为2种钻进工艺在3个钻孔的对比性试验数据统计，表7是在同一矿区2种钻进工艺钻孔防斜效果对比(罗永贵，2013)。

3.2.3 试验数据分析

(1) SYZX95液动潜孔锤试验数据分析

ZK610钻孔10～550.05m孔段采用Φ96mm钻孔结构。从表4可以看出：Φ96mm普通绳索取心钻进208.21m、回次数110次、回次进尺1.85m，纯钻时间135h，时效1.54m；Φ96mm液动锤+绳索取心钻进331.84m回次数144次、回次进尺2.40m，纯钻时间176h，时效1.89m，钻探效率提高了23%。

表4 ZK610孔SYZX95液动潜孔锤+绳索取心钻探试验数据统计Table 4 Test data statistics of SYZX95 hydro-hammer+wire-line coring drilling in ZK610 borehole

表5 ZK1909孔SYZX75液动潜孔锤+绳索取心钻探试验数据统计Table 5 Test data statistics of SYZX75 hydro-hammer+wire-line coring drilling in ZK1909 borehole

表6 ZK0301孔SYZX75液动潜孔锤+绳索取心钻探试验数据统计Table 6 Test data statistics of SYZX75 Hydro-hammer+wire-line coring drilling in ZK0301 borehole

表7 小秦岭金矿深部钻探2种工艺防斜钻进效果对比Table 7 Comparison of two technologies of anti-deviation drilling effects at depth in Xiaoqinling gold mine

(2) SYZX75液动潜孔锤试验数据分析

从表5和表6可以看出：ZK1909钻孔中，普通绳索取心钻进228.08m、回次数161次、回次进尺1.42m，纯钻时间173h，时效1.32m；液动锤+绳索取心钻进392.15m、回次数153次、回次进尺2.56m，纯钻时间228h，时效1.72m。钻探效率提高了30.3%。

ZK0301钻孔中，普通绳索取心钻进1429.46m、回次数667次、回次进尺2.14m，纯钻时间800h，时效1.78m；液动锤+绳索取心钻进73.34m、回次数26次、回次进尺2.82m，纯钻时间34h，时效2.16m，钻探效率提高了21.34%。

(3) 钻孔防斜效果对比分析

从表7中试验结果可知：ZK1909孔81.00～591.47m孔段采用金刚石普通绳索取心钻进，终孔顶角为8.5°；ZK915孔65.74～523.16m孔段采用液动潜孔锤+绳索取心钻进，终孔顶角为2.7°；ZK610孔25.00～550.05m孔段采用液动潜孔锤+绳索取心钻进，终孔顶角为4.0°。所以，采用液动锤+绳索取心“二合一”钻进工艺可以有效防止孔斜，较短纠斜时间，从而保证钻孔质量和钻孔安全。

按1500m钻孔计算，在小秦岭地区采用传统金刚石绳索取心一般情况下120天完成1500m钻孔。当采用金刚石绳索取心+液动潜孔锤“二合一”钻探新工艺情况下其效率提高21%～30.3%，即：同样地层条件下完成1500m钻孔需要时间为86.4天～94.8天，提前25.2天～33.6天。按照豫西钻孔钻头费、油料费、电费、人员工资、各种补贴、设备折旧、管材摊销、套管等直接费用，平均每天支出为4000元。平均每个钻孔可节约10.08～13.44万元，平均综合成本降低了21%～28%。

同时，由于钻探时间的缩短、效率提高，减少了油料和电能源消耗和污染物的排放；同时，也减少了钻井液对地层的污染和植被的破坏。具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。

3.2.4 钻头寿命及岩心采取率对比分析

(1) 钻头使用寿命

普通绳索钻进在坚硬致密的低研磨性“打滑”地层中钻进，常采取用向孔底投坚硬碎岩块研磨钻头，加速金刚石出露的方法来提高钻进速度，这种方法虽能提高小时效率，但由于碎石对钻头的研磨加剧了对金刚石钻头胎体磨损，导致钻头寿命缩短(刘晓春，2010)。

采用液动锤钻进，因其碎岩方式的改变，所以，不必研磨钻头亦能获得较高的小时效率，同样地层中钻头寿命可延长至30～35m，提高3倍左右。

小秦岭地区钻探工程中，钻头是一项主要的消耗材料。传统金刚石绳索取心工艺下，钻头的平均使用寿命为15～30m，采用金刚石绳索取心+液动潜孔锤“二合一”钻探新工艺由于改变了碎岩方式，减少了岩石对钻头的研磨时间，其钻头平均使用寿命为45～90m。每只钻头的平均费用为400元，则1500m钻孔在传统工艺情况下需要钻头50～100只，费用是2～4万元，平均钻头费用为13.33元/m～26.67元/m；金刚石绳索取心+液动潜孔锤“二合一”钻探新工艺情况下则需要钻头16.7～33.3只，费用是0.67～1.33万元,平均钻头费用4.47元/m～8.87元/m。仅钻头费用则可降低了66.5%左右。

(2) 岩心采取率

在小秦岭相对稳定完整的地层中取心钻进，传统金刚石绳索取心和试验用金刚石绳索取心+液动潜孔锤“二合一”钻探取心效果基本一致，其岩心采取率大于等于98%；在破碎地层中，传统工艺取心率平均达84%，新工艺平均取心率高达93%。图1为试验钻孔岩心实物图。

图1 小秦岭金矿ZK1909孔(a)、ZK610(b)硬脆碎岩心Fig.1 Hard and brittle broken cores from ZK1909 (a) and ZK610 (b) boreholes in Xiaoqinling gold mine

3.2.5 钻井液使用情况分析

对于一般渗漏孔段PHP无固相钻井液可以较好的满足钻进要求(黄卫东，2011；廖远苏等，2010)；实际使用表明，LBM钻井液体系现场配制简单，维护方便，可通过改变其加量任意调节其性能，钻遇破碎和漏失地层时，其表现出较好的综合性能，在保证正常钻进的情况下，其钻进效率较PHP无固相钻井液有所提高(李振学，2010；乔彦斌，2011)。

试验结果表明，植物胶类钻井液体系粘度高，又具有较好的弹性粘度，再加入少量的磺化沥青等处理剂，润滑、减震、抗渗漏的效果都好，适合在相对稳定但渗漏性较大的地层中使用。

对于漏失较为严重的孔段采用水泥封堵耗费时间、增加成本，不利于实现快速钻进，在此情况下进行了加有溶胀型随钻堵漏材料的钻井液体系的性能试验。结果表明，该种随钻堵漏材料具有良好的堵漏性能。

4 结论

通过在小秦岭复杂地层中钻探试验对比，可以得出以下结论：

(1) 无论是破碎地层还是较为完整地层，液动潜孔锤+绳索取心工艺的机械钻速均高于传统金刚石绳索取心工艺，机械钻速可提高21.34%～30.3%。

(2) 液动潜孔锤+绳索取心平均回次进尺2.56m，金刚石绳索取心平均回次进尺1.78m，回次进尺提高了44%。

(3) 液动潜孔锤属于回转-冲击碎岩方式，改变了传统的单一回转切削岩石方式，所以，在钻进时不必研磨钻头亦能获得较高的小时效率。同时，钻头寿命可延长35～45m，提高3倍左右，钻头费用降低了66.5%左右，钻探平均综合成本可降低21%～28%。

(4) 绳索取心液动锤钻进属于孔底动力驱动，采用相对低的钻压和转速钻进，避免了钻具对不稳定地层的扰动，减少了设备和机具的磨损，较大幅度降低了断钻杆等孔内事故。同时，具有钻孔防斜效果和钻孔质量好、岩心采取率高且不堵塞等特点。

(5) 在保证正常钻进的情况下，钻遇破碎和漏失地层时，LBM钻井液体系钻进效率较PHP无固相钻井液有所提高；植物胶类钻井液体系适合在相对稳定但渗漏性较大的地层中使用；对于漏失较为严重孔段一味采用水泥封堵耗费时间、增加成本，使用溶胀型随钻堵漏材料的钻井液体系具有良好的堵漏性能。

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An Experiment of Hydro-hammer and Wire-line Coring Drilling in Complex Formations of the Xiaoqinling Area

LU Yu-bei1,2

(1. Henan Engineering Research Center of Deep Exploration, Zhengzhou, Henan 450053；2. Henan Geothermal Energy Development and Utilization Ltd., Zhengzhou, Henan 450053)

The Xiaoqinling (Less Qinling Mountains) area is one of the main mineral resources in China, which is characterized by highly broken, fragmental, hard, leak and complex formations. Especially in the compact, fine particle and weakly abrasive beds, using the traditional of rotary drilling technology, often appear the "slip" phenomenon on drill bits, leading to short service life of drill bits, low drilling efficiency, high accident rates, and higher drilling costs. In order to solve these problems, this work chose 3 typical complex formations related with production to conduct an experiment of the hydro-hammer + wire-line coring, "two combining into one" drilling method. The results shows that compared to the traditional diamond wire-line coring drilling technology, the average back footage of the hydro-hammer can be increased by 44%, and ROP increased by 21.34%～30.3%, The average cost of comprehensive drilling is reduced by 21% ～ 28%, of which the drill bit cost is lowered by 66.5%. At the same time, because of change of the rock broken mode, hydro-hammer is capable of inclining prevention, and has low accident rates and longer service life of drill bits.

Xiaoqinling, complex formations, hydro-hammer, wire-line coring, drilling experiment

2013-07-29；

2013-12-20；[责任编辑]郝情情。

河南省地质科技攻关项目(编号：2011-622-11)资助。

卢予北(1964年-)，男，博士研究生，教授级高级工程师，河南省学术技术带头人，从事深部钻探工程、地质能源资源勘查技术研究与管理工作。E-mail：lu-yubei@263.net。

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0495-5331(2014)02-0391-6