青海省都兰县五龙沟矿区坑道钻探工艺研究

2015-01-01徐国辉万道含杨树强高元宏

钻探工程 2015年11期

徐国辉，万道含，杨树强，高元宏

(1．青海省第二地质矿产勘查院，青海西宁810000;2．中国地质大学〈武汉〉工程学院，湖北武汉430074)

东昆仑造山带是一个经历多期构造活动的复杂造山带，是青藏高原北部重要的成矿地质构造单元，蕴藏着非常丰富的矿产资源［1－2］。五龙沟金矿位于青海省柴达木盆地南缘、青藏高原北部东昆仑山中段北缘五龙沟地区，行政区划隶属青海省海西州都兰县，是青海省地质矿产调查工作中发现的一个具有潜力的中大型矿床，被认为是青海省最具资源潜力的金矿集中区之一。

五龙沟矿区地形复杂，山势陡峭险要，地貌属深切割高山区，海拔在3000～4500 m之间，相对高差在800 m以上［3］。由于矿区地形切割大，许多在地表布设的钻孔因修路难度大、修路工期长、施工难度大等因素而选择布置在矿区坑道内。

本文针对五龙沟矿区3320平硐89线中段布设的SZZK8905钻孔特点，开展坑道钻探工艺研究，对该地区的地质找矿工作具有十分重要的意义。

1 区域地质概况

1．1 地层概况

五龙沟矿区出露的地层主要有:下元古界金水口群(Pt1j)、中元古界小庙群(Pt2)、上元古界丘吉东沟群(Pt3q)、下古生界奥陶系祁曼塔格群变火山岩组(Oqb)和第四系(Q)［4］，地层岩性见表 1。

表1 地层岩性

1．2 构造特征

区内断裂构造极为发育，褶皱变形强烈，按断裂走向可划分为NWW向、NW向、NNW向以及SN向、NE向和近 EW 向等6组［5］。其中，NWW －EW向断裂，具有切割深、延伸长、长期活动的深断裂特征，控制了区域地质构造演化及地层、岩浆岩、矿产的形成和分布，是构造单元的分界。主要有昆北断裂带、昆中断裂带和昆南断裂带［3，6］，见图 1。

图1 东昆仑断裂带及构造分区略图

1．3 岩浆活动

矿区内岩浆活动强烈，岩浆岩广布，以晚元古代、古生代的中酸性侵入岩为主。矿区发育外滩超基性—中性岩浆岩，呈岩株和岩枝(脉)两种产态，为本区金成矿提供了物质及动热来源［7］。

2 矿区钻进难点

矿区地层受东昆仑断裂构造带的影响，地层条件极其复杂，在钻进过程中存在的钻进难点主要有:

(1)孔壁岩石破碎，易掉块，甚至产生坍塌现象，孔壁不稳定;

(2)地层中含有断层泥，易造成孔壁缩径，憋泵现象严重;

(3)钻进水敏性地层时，钻头糊钻现象严重，易造成烧钻事故;

(4)由于地层破碎，回次进尺少，常规取心难度大，岩心采取率低。

3 坑道钻探施工工艺

3．1 钻孔参数设计

2010年，在五龙沟矿区3320平硐89线中段内布设了SZZK8905钻孔，由于矿区地层条件复杂，施工难度较大，该孔在外协单位施工过程中遭遇钻偏、取心不足等问题并先后挪孔3次，皆以钻孔报废而终止。至2012年，五龙沟矿区进入详查阶段，为达到地质找矿目的，进一步探明矿产储量，重新启动该孔的钻探施工任务，钻孔参数设计如下:孔号SZZK8905、设计孔深650 m、钻孔倾角88°、方位角206°43'。

3．2 钻机选择

在坑道中实施钻探工作，由于坑道空间狭小，不易布设钻孔，决定了坑道钻探不能使用大型钻探设备。另外，若机场面积太大，坑道四周的围岩就需要特殊支护，并且考虑到钻机在运行过程中振动对周围岩体产生不利影响，易带来一系列安全隐患问题。五龙沟矿区3320平硐89线横截面尺寸为:高1.8 m×宽2.0 m，开辟出的钻机机场空间大小为:高6.7 m×宽6.0 m×长6.0 m(见图2)。

图2 机场断面布置图

综合考虑坑道机场大小与钻孔深度等因素，结合青海省第二地质矿产勘查院钻探设备尺寸大小及施工能力，最终选用宝长年LM－75型坑道钻机来完成此次钻探任务。该钻机主要性能参数见表2。

表2 LM－75型钻机性能参数

3．3 钻孔结构

由于坑道内地表岩石为完整基岩，无第四系覆盖层，故SZZK8905钻孔全孔段采用绳索取心工艺钻进，采用三开式孔身结构:

(1)开孔使用HQ金刚石绳索取心钻进，钻进9 m后，下入HQ系列孔口管;

(2)换用NQ金刚石绳索取心钻进，直至达到钻机的最大实际钻深能力;

(3)最后使用BQ金刚石绳索取心钻进至终孔。

若使用NQ钻进可以达到终孔设计目的，则尽量不用BQ钻进，因为BQ系列钻杆与内管总成之间的环状间隙较小，回次取心后内管投放速度慢，耗费的时间较长［8－9］。若钻杆内壁结垢，则内管在投放跟提拉的过程中更易受阻，往往造成内管投放不到位打单管、副卷扬钢丝绳被拉断等现象。

实践表明，LM－75型钻机使用NQ系列钻具钻进至535.20 m时，在钻杆柱的自重作用下，卡瓦已经不能对钻杆形成有效夹持力(高原环境下，钻机损耗部分动力)，不得已情况下只能换用BQ系列钻具继续钻进，并将NQ系列钻杆作为套管使用。在钻进达到设计孔深650.0 m后，由于未达到预期找矿目的，继续钻进至700.20 m终孔。SZZK8905钻孔结构见图3。

图3 SZZK8905钻孔结构示意

3．4 破碎带取心技术

SZZK8905孔全孔段使用Q系列金刚石绳索取心技术的方法，在钻进过程中钻遇破碎带地层时易产生憋泵、回次进尺少、岩心采取率低、钻进效率低等问题，无法发挥绳索取心钻进的优越性。

因此，在施工中优先考虑了针对破碎地层使用的绳索取心液动冲击器，以期解决岩心采取率低及钻进效率低等问题。现场实践证明，绳索取心液动冲击器对冲洗液的固相含量及颗粒大小要求较高，当固相含量＞2%或固相颗粒＞74 μm时，冲击器易受卡导致不工作。在金刚石小口径钻探中常采用自然沉淀法去除岩粉，此方法无法及时有效地除去钻井液体系中的大颗粒等无用固相，不能满足液动冲击器实际工作的需要，最终未采用液动冲击器。

分析发现，破碎地层钻进回次进尺少、憋泵、岩心采取率低等问题与钻进参数(钻压、转速、泵量)有很大关系。钻压过大，在钻头压入地层的同时，产生的岩石碎屑易堵入卡簧座与钻头内台阶之间的间隙，从而造成憋泵、回次进尺少。泵量太大，加大对破碎岩心的冲刷作用，降低了岩心采取率。

为了提高岩心采取率、提高钻探效率，减少冲洗液对破碎岩心的直接冲刷，通过改变钻头的水路结构来达到预期目的，特委托厂家加工了底喷式绳索取心钻头(见图4)。

图4 底喷式钻头

钻头特点:钻进时将内管卡簧座(卡簧座不带水口)与钻头内台阶的距离缩短甚至顶死，钻井液从卡簧座与钻头内壁之间的10个水眼直接流入孔底，减少了对岩心的直接冲蚀，同时也解决了憋泵问题(见图5)。

图5 底喷式钻头剖面

实践表明，底喷式钻头结合相应的钻进参数(破碎地层钻进、NQ绳索取心段):钻压5～8 kN、转速500～700 r/min、泵量30～50 L/min，有效地解决了破碎带钻进效率低与岩心采取率低的问题。需注意的是在钻进过程中不进尺的情况下应立即捞取岩心，防止岩心被磨损。钻进工艺改变前后破碎地层的取心效果对比见表3。

表3 工艺改变前后破碎地层取心比较(NQ绳索取心段)

3．5 钻井液体系研究

3．5．1 无固相防塌钻井液

SZZK8905钻孔先后经过3次施工均报废，施工队伍主要采用单一的无固相聚丙烯酰胺钻井液，钻井液性能及钻进效果很不理想。鉴于前期施工中遇到的地层情况及钻进难点，兼顾金刚石绳索取心钻进特点，在总结以往经验基础上，本次施工采用无固相防塌钻井液体系。

钻井液配方:1 m3水+0.05%聚丙烯酰胺(PHP)+0.5%高粘羧钾基纤维素钠(HV－CMC)+2%植物胶+1%无荧光润滑防塌剂+0.1%烧碱。

通过室内实验测得该配方钻井液性能参数如下:漏斗粘度23.4 s，表观粘度9.5 mPa·s，塑性粘度7.5 mPa·s，动切力2 Pa，动塑比0.27，失水量11.6 mL/30 min，密度1.015 g/cm3，pH 值10.5。

现场应用发现，该配方钻井液具有较好的流变性能，并且对破碎地层起到一定的防塌效果，同时对弱水敏地层具有一定的抑制作用，能保证金刚石绳索取心钻进充分发挥其优越性，实现高转速钻进。在0～613.20 m孔段钻进中，顺利穿过了遇到的复杂地层。

3．5．2 低固相钾基钻井液

SZZK8905孔在613.20 m后钻遇灰黑色断层泥(见图6)，最厚处达25.20 m，之后断层泥与灰白色糜棱岩化斜长花岗岩交替出现，钻进过程中憋泵、缩径现象严重，并伴有坍塌现象，成为613.20～700.20 m孔段最大的技术难题，严重影响了钻进效率。

因此，根据地层情况及时调整了钻井液配方，采用低固相钾基钻井液体系。要求钻井液具有低滤失量、低渗透性、抑制性好、防塌效果好等性能，同时又要满足BQ金刚石绳索取心钻进要求的固相含量低、避免钻杆内壁结垢的特点。通过实验研究分析，确定了低固相钾基钻井液配方:1 m3水+3%钠基膨润土+2%KCl+1%磺化沥青+0.5%高粘羧甲基纤维素钠(HV－CMC)+0.02%聚阴离子纤维素(PAC－141)+0.1%烧碱。