河北省乐亭县滦河古河道深覆盖层钻探施工工艺

2015-01-01任晓顺刘建福王建兴高婷婷李培林刘莎莎孙秀梅

钻探工程 2015年1期

任晓顺，太武，刘建福，王建兴，高婷婷，李培林，刘莎莎，孙秀梅

(河北省地矿局探矿技术研究院，河北三河065201)

1 施工目的及要求

该孔为河北省乐亭县境内鲁家坨矿区ZK23－3钻孔，目的是查明地表矿(化)体的产状、形态、厚度及品位等地质特征向深部变化情况，进一步了解探矿地质条件及成矿远景，并为含量计算提供依据。施工钻孔位于滦河改道前老河床上，施工场地地形条件较好，易于搬迁，但是覆盖层较深，平均900 m左右，稳定性差，施工难度较大。

1．1 地层概况

该矿区原是滦河改道前的古河床，覆盖层较深，700 m以浅为第四系地层，700～900 m为第三系地层，900 m以深为基岩层。地下水丰富，地层易坍塌、掉块，不稳定。具体地层情况见表1。

表1 地层岩性分层情况

1．2 施工质量要求

图1 泥包卵地层

图2 钻出卵砾石地层大漂石岩心

图3 第三系紫砂岩

图4 基岩破碎带岩心

(1)设计孔深1300 m，直孔，终孔直径≮75 mm;

(2)钻孔弯曲度每百米≯2°;

(3)初步要求全孔取心，取心率覆盖层≥60%，基岩≥75%，矿层≥85%。

2 设备与工艺方法的选择

2．1 设备

根据钻孔设计要求及地层情况，选用了黄海机械厂生产的HXY－6B型钻机，配23 m四角钻塔，BW－320型泥浆泵。考虑到砂、卵石地层容易影响泥浆质量，为保证泥浆质量，降低含砂量，配备了振动筛净化泥浆。

2．2 工艺方法

为满足甲方要求(全孔取心)，针对覆盖层既厚又松散易坍塌和基岩地层既易缩径又破碎且漏涌结合等难题，本施工钻孔采取全孔正循环回转钻进方法，覆盖层选用可靠的普通单管钻具及新型土层专用取心钻具配合常规钻头及特殊金刚石钻头进行单管钻进，避免双管钻进易糊钻和堵塞问题;基岩钻进采用加大孔径至77.8 mm、优质化学浆液护壁及护孔堵漏相结合等措施进行金刚石绳索取心钻进，同时全孔强化泥浆性能调节和维护，根据所采岩心分析地层岩性，随时调配好相适应的泥浆，控制好泥浆质量，确保钻孔孔壁完整，并加强钻压、转速、大泵量的调节控制等管理措施，提高操作水平，保证岩心采取率和预防事故发生。

3 孔身结构

根据地层特点及以往钻探工作经验，经研究决定覆盖层采用四级口径施工，下入三级套管护壁，即150 mm口径开孔，跟管钻进至一定深度后，分别采用114、94 mm钻头钻进，分别下入108、89 mm两级套管护住上部覆盖层，进入基岩后，改用77 mm绳索取心钻进方法进行施工至终孔，实际终孔直径77.8 mm。ZK23－3钻孔孔身结构见图5。

4 施工工艺

全孔采用泥浆护壁，根据地层变化情况，随时调整泥浆性能。

4．1 一开施工

图5 ZK23－3钻孔孔身结构

4．2 二开施工

图6 防糊梯齿金刚石钻头

4．3 三开施工

4．4 终孔孔径绳索取心钻进施工

绳索取心钻进第三系玄武岩段时，有微掉块及漏水现象，扩孔时重新调整泥浆粘度，增加固相含量，下89 mm套管时，为便于终孔后起拔，最底层套管外部150 m涂抹上了黄油，孔口处密封好，防止岩粉进入套管间隙，抱死套管。89 mm套管下入后，调整冲洗液，进行75 mm绳索取心钻进。

5 钻进过程中冲洗液的配制与应用

针对本钻孔超厚覆盖层及大部分基岩缩径、破碎、漏涌结合的不稳定性，配制了几种不同性能的冲洗液，并在施工过程中，严格控制泥浆的失水量、粘度、密度、含砂量等，每班都有专人负责监测，达不到要求，立即调整;同时使用振动筛除砂，并增加循环槽长度和沉淀坑数量，保证冲洗液具备低的含砂量。

5．1 覆盖层钻进冲洗液基本配方

冲洗液配制比例:8% ～10%白纳土+1‰～2‰磺化沥青+2‰～3‰高粘CMC+0.5% ～1%腐植酸钾。泥浆性能参数:失水量≯10 mL/30 min;粘度，砂层30～50 s，卵砾石层50～70 s，第三系泥岩地层25～30 s;pH值9～12;含砂量＜1%。

5．2 绳索取心钻进用冲洗液材料及配方

配方:0.5‰～1‰磺化沥青+0.5‰～1‰腐植酸钾+0.5‰～1‰护壁剂+0.5‰～2‰聚丙烯酸铵(2300万分子量)。粘度25～30 s。

基岩钻进时部分孔段出现漏水、涌水、掉块、井温过高，注水泥难度大等情况时，调整泥浆粘度，调整至25～35 s。

6 钻进参数的选择

为满足钻孔施工需求，保证钻孔垂直度，第四系地层采用轻压慢转，在保证正常进尺的情况下，孔底钻压≯1.5 kN，转速为102 r/min;钻进第三系地层时，孔底压力控制在1.5 kN左右，转速提高至177 r/min;基岩钻进时，为充分发挥绳索取心钻进优越性，在确保安全的情况下，将转速提高到492 r/min，钻压控制在1.5～3.0 kN。

7 施工难点问题及解决办法

7．1 覆盖层厚度大且地层胶结性差，易坍塌卡钻

覆盖层厚度大，砂层、砂砾石、卵砾石等地层胶结性较差，易坍塌，钻进时加杆困难

针对此类地层，在控制好泥浆性能的前提下，对砂、卵砾石等不稳定地层采取小一级口径钻进取心，大一级口径跟管钻进方法进行施工。即在将150 mm跟管钻具放入孔内钻进前，先用114 mm钻具进行取心钻进，钻探超出150 mm钻具底部2 m左右，这样进行跟管钻进，一是减少跟管钻进阻力，二是保证岩心采取率。如此反复交替进行，直到跟管完毕。

7．2 提钻拧卸钻杆时易掉岩心，同时发生喷浆等现象，工作环境污染大，工人劳动强度高

图7 新型土层钻进取心专用钻具工作原理

7．3 泥包卵石地层糊钻，有轻微缩径

通过改变钻头形状，加大钻头外径来加以解决。施工前即考虑到会有缩径地层，即将钻头外径110 mm加工成114 mm，91 mm加工成94 mm，保证在钻孔缩径情况下也不影响正常起下钻和下套管。此外严格控制泥浆失水量，使之保证在10 mL/30 min以内，以有效防止孔壁岩层过度膨胀引起坍塌。

7．4 第三系地层漏水、掉块

绳索钻进取心完成后，调整泥浆，破碎孔段提高粘度，并加入部分惰性材料。

7．5 基岩破碎，缩径、涌漏水严重

基岩钻进时，也出现了缩径、破碎、漏水，对钻探施工造成了影响，由于孔底温度高达40℃，注水泥有危险。

(1)840～960 m孔段，有较大裂隙，破碎，钻进时漏水严重。采用锯末+砂子+CMC直接注入，堵漏效果明显。停钻时漏水改为涌水，涌水高度自孔口可高达7 m左右，针对此现状，钻进时适当加大冲洗液粘度，停钻后提下大钻时，搅拌大密度泥浆注入孔内，注满全孔，泥浆密度调到1.14～1.16 g/cm3，抑制涌水，重新钻进时，调整冲洗液首先进行冲孔。

(2)980 m左右孔段，夹杂有高岭土化泥岩，遇水膨胀，将基岩用冲洗液配方材料调至配方的最大值，控制失水量，加大钻头外径(75 mm钻头增至77 mm)。

8 钻进技术效果

施工过程中，通过上述技术手段和方法，超额完成了钻探施工任务(原设计孔深1300 m，实际终孔深度1408 m)，钻孔弯曲度2.9°，全孔岩心采取率覆盖层平均高达80%，岩层100%，矿层100%，圆满完成了设计任务书要求，被评为优质孔。由于技术工艺恰当，本钻孔综合钻探效率较高，取得了较显著的效果。从开孔至封孔共用75天，而同矿区相邻钻孔钻进较顺利的105～120天不等，施工工艺处理不当的甚至一年都未完工。