荡坪钨矿宝山矿区复杂地层钻进工艺

2015-01-01廖长生卓廉明

钻探工程 2015年9期

廖长生，卓廉明

(江西有色地质勘查二队，江西赣州341000)

1 工程概况

江西荡坪钨矿是自1954年建矿以来有着60年开采历史的国有中型矿山，其中宝山矿区位于崇义县铅厂镇，矿体产于宝山岩体与古生代地层接触带，为白钨、银、铅、锌、铜夕卡岩型多金属矿床，其钨矿资源属于地区重点矿山资源储量接替勘查点。80年代前人在该矿区进行地质钻探施工，由于该矿区地层和构造较为复杂，岩石硬度高，破碎松散，研磨性变化大，在钻进过程中，存在事故多、成井难、效率低、周期长、耗材大等问题，且钻孔深度均＜400 m。近年，由我队承担该矿区深部普查工作，主要目标是查明钨多金属矿体(脉)的形态、产状、规模及矿石质量、品位变化情况，探求(333)资源量。施工期间共完成钻孔13个，总进尺6842.38 m，最大孔深756.42 m，平均孔深526.34 m，解决了前人在钻进过程中遇到的技术难题与瓶颈，大致查明了矿体(脉)的赋存情况，为后续普查工作提供依据。

本文根据宝山矿区复杂地层的特点，对钻孔结构设计、设备选择、钻头选用、冲洗液及护壁堵漏、钻进工艺等进行了探讨，总结了一套适合于该矿区的施工技术与对策，从而为同类复杂地层钻探勘查工作提供重要的理论和实践指导。

1．1 地质特征

宝山矿区ZK3092钻孔最具代表性，其岩性分布情况见表1。

表1 ZK3092钻孔地层特点

1．2 可钻性分析

(1)中粒黑云母花岗岩。该类岩石结构致密，硬度高且差异变化大，强度高，属于中弱研磨，可钻性级别为7～10级。

(2)变质石英砂岩。该类岩石硅化程度高，结构致密，硬度高，强度高，研磨性不稳定，金刚石钻头钻进常会出现打滑、不进尺现象。可钻性级别为7～9级。

1．3 钻进难点

宝山矿区复杂地层主要包括中粗粒黑云母花岗岩、灰岩溶洞、变质石英、砂岩以及穿插众多的石英脉矿体等，结合本次勘查施工，存在以下技术难点。

(1)地层岩石风化较强，软硬不均、松散破碎(见图1)，大大地降低了岩石的强度及稳定性，常出现坍塌、缩径、卡钻、埋钻等事故，岩心采取困难，完整性低，降低了钻进效率和质量。

图1 ZK3092钻孔代表性地层岩心

(2)在前期施工过程中，选用普通冲洗液+单一护壁堵漏材料进行辅助钻进，由于整个地层岩石破碎、松散、多样性、吸水膨胀、遇水溶解等，仍不能解决孔内严重掉块、漏水，成孔难等问题，从而导致多次提前终孔。这对冲洗液设计及护壁堵漏技术提出了更高的要求。

(3)在钻进灰岩地层时，由于溶洞和充填杂物较多，孔内岩粉不易排除，造成加压困难，严重憋水，多次采用膨润土造浆及灌注水泥等措施，孔内钻渣仍不能排出，造成无法钻进。

(4)根据以往矿区的施工经验，主要采用简单的钻孔结构设计，且较短的换径间距，这为钻进换径造成极大的困难，从而阻碍钻进的顺利进行。因此，钻孔结构设计应考虑该复杂地层的特点，如坍塌、溶洞、破碎等，这增加了钻孔设计和施工的难度。

2 钻孔结构设计

根据矿区地质特征，ZK3092孔采用多级成孔结构方式，如图2所示，首先130 mm开孔钻进70 m，下入127 mm套管，改110 mm单管钻进160 m，下入108 mm套管，再改91 mm单管钻进210 m，下入89 mm套管，最后改75 mm绳索取心钻进310 m，下入71 mm套管。采用该类钻孔设计有利于隔离强风化层、破碎带等，预防钻孔坍塌等事故，保证钻孔的顺利进行。

图2 ZK3092钻孔结构设计示意图

3 钻进设备选择

根据钻孔设计及相关的地质条件，选用了XY－4型钻机，主要技术参数:转速135～1588 r/min，钻进深度为700～1000 m，立轴最大起重力80 kN，最大加压力为60 kN，单绳最大提升力为30 kN。该钻机布局合理、结构紧凑、操作灵活、坚固耐用、可拆性好、便于搬迁、修理方便。

选用BW－150型泥浆泵，该泵为卧式三缸往复单作用活塞泵，最大流量为150 L/min，最大压力为70 kg/cm2。可用于冲洗液、水泥浆灌注等。

钻塔为SGX－13型钻塔，是四角金属管子斜钻塔，高度13 m，钻塔内部具有较大的空间，承载能力和稳定性均较好，结构简单，安装方便，钻探效率高，取心质量好，适于野外作业使用。

4 钻头选用

目前，国内用于地质勘探孔、探水孔等工程孔的钻头主要有硬质合金钻头、PDC复合片钻头和孕镶型金刚石取心钻头。硬质合金钻头和PDC钻头是利用刮削方式破碎岩石，主要适用于软—中硬岩层，孕镶型金刚石取心钻头以磨削的破岩方式能够担负起硬—坚硬岩层的钻进工作，其寿命长，技术指标和经济效果优越等。

孕镶型金刚石取心钻头唇面结构有平底形、圆弧形、同心圆尖齿形、阶梯形等多种，合适的底唇形状能提高钻速和钻具的稳定性，延长钻头寿命。对于坚硬弱研磨性“打滑”地层、破碎或软硬不均地层，一般采用唇面形状为同心圆尖齿形金刚石取心钻头(见图3)，其唇面具有较多的自由面，钻头唇面单位面积钻压大，能够进行有效地钻进，并有防斜效果，有利于提高钻进效率。

图3 同心圆尖齿型孕镶型金刚石取心钻头

5 冲洗液及护壁堵漏

冲洗液是地质钻探的关键技术之一，尤其是在深孔和复杂地层钻探中，冲洗液体系设计、优选以及钻探过程中冲洗液的性能维护与处理对钻探施工顺利的完成起着关键性的作用。

冲洗液设计主要取决于地质特征和钻进技术两大因素。不同的地层，不同钻进技术，对冲洗液要求不同，所以必须综合各因素，正确地选择适合具体要求的冲洗液体系类型。由于该矿区地层复杂，并且拟采用金刚石取心钻进技术，这就大大提高了对冲洗液性能的要求，因此冲洗设计首先需要考虑到绳索取心钻进对冲洗液的要求，然后针对复杂地层的特点，设计合适的泥浆体系进行护壁。

该矿区属于“硬、脆、碎”不稳定地层，采用金刚石绳索取心钻探时，钻具内外管及环空间隙小，冲洗液应满足“三低一好”:固相低、粘度低、失水量低，润滑性好，从而减小流动阻力和泥皮厚度，防止泥浆固相污染、自然增稠及堵水憋泵。因此，为适应该地层和钻进技术的需要，根据冲洗液相关理论知识及现场实践经验，选用聚丙烯酰胺低固相冲洗液，其配方为:3%～8%膨润土+0.5%磺化沥青+0.2%～0.5%羧甲基纤维素+0.3% ～0.5%聚丙烯酰胺+0.2%～0.6%烧碱;该冲洗液的性能指标为:密度1.05～1.10 g/cm3，粘度18～20 s，pH 值7.1 ～7.5。该冲洗液适用于硬岩地层，具有选择性絮凝悬渣功能，维持钻井液低固相含量，流动性、润滑性较好，有助于提高钻进效率及减少钻具磨损。同时，除了加入磺化沥青作为防塌剂外，利用聚丙烯酰胺高分子在孔壁上的网膜多点吸附性，也能够起到护壁堵漏作用。通过现场应用，该冲洗液配方性能良好，携带岩屑能力较强，排粉效果好，基本满足钻探需求，能够有效地解决钻进过程中遇到的问题，钻进效率得到大大提高。

在钻进过程中，冲洗液性能的维护对钻进效果也具有重要的影响。施工现场应配备必要的冲洗液性能测试仪器，定时测量并记录出入口冲洗液性能指标。孔内返回的冲洗液应排入沉淀池，根据性能测定并经固控设备进行相关的处理，从而达到冲洗液的设计要求，保证整个钻孔的顺利实施。

6 钻进技术措施

根据宝山矿区ZK3092孔地层的特点，选择合适的钻进工艺组合对高效钻进施工至关重要。

(1)由于开孔地层岩石全面风化，松散但夹有硬层，为了避免钻孔浅部大裂隙或破碎层的坍塌等，采用大口径130 mm金刚石钻头单管钻进。在开孔过程中，虽然采用了优质冲洗液及灌注水泥护壁，但是转速过快钻杆易产生公转破坏孔壁，进而引起一系列的孔内事故，故采用低钻压慢转速钻进方式，钻压控制在10～12 kN，转速控制在220～280 r/min，泵量控制在40～50 L/min。同时平直提升钻具，减少对孔壁的抽吸作用，当遇地层风化较严重时，无泵钻进，保证钻孔岩心采取率。

(2)ZK3092孔自71.10～232.40 m孔段地层溶洞较多，前期使用膨润土造浆及灌注水泥等措施均不能有效地排渣，直接采用跟管钻进下入108 mm套管进行隔离。根据排渣情况，适当地调整泥浆泵的泵量，提高冲洗液排渣能力。

(3)当钻至232.40～445.40 m孔段时遇花岗岩地层，属于致密、坚硬“打滑”地层，针对该类地层，通过投砂短时间断水干磨加压法，加快金刚石钻头出刃，减少提钻次数，大大提高了工作效率和降低了劳动强度。由于该地层较为破碎，故在采用91 mm金刚石钻头单管钻进213 m后，下入89 mm套管防止孔内事故。

(4)中深部445.40～756.42 m孔段遇大破碎带，改用75 mm金刚石绳索取心钻进，避免冲洗液直接冲刷和破坏岩心，提高岩心采取率和钻进效率。同时调低聚丙烯酰胺冲洗液中膨润土的含量，增加其流动性和润滑性，从而减少钻具磨损，最后下入71 mm套管。

(5)在整个金刚石单管钻进过程中，为了提高其采取率，在钻头内设置卡簧和卡簧座取心工具，并根据岩性的完整程度来控制回次进尺量，一般完整岩层回次进尺量控制在2.5 m以内，松散破碎层控制在1.2 m以内，如果钻进发生堵水不进尺，及时提钻取心。

(6)在钻进过程中同时要进行钻孔防斜，开孔前首先将钻机基础安装牢固，进行准确的钻孔定位，合理设计开孔角度，并采用初级定向钻进。开孔时主杆不得有偏差，轴心压力要均匀并及时加长粗径。在遇到促斜地层、软硬互层、岩层倾角大、断层破碎地层等时，采用长、直、重刚性大的钻具，钻进时要适当地减压减速，除此之外，注意合理选择粗径长度，以避免钻孔角度变化过大和过快。

(7)在钻进促斜地层时加强钻孔测斜，及时作钻孔弯曲图，了解钻孔趋势和钻孔空间角，以便控制钻孔弯曲。一般纠斜选择在可钻性7级以下地层，91 mm口径采取定向套管楔变径纠斜，75 mm口径采取楔卡式导斜器纠斜，楔子角度以1.5°～2°为宜，扭转角度修正值为1°～15°，同时对纠斜效果进行及时反馈。

7 钻进效果

通过钻探技术的优化组合应用，解决了宝山矿区复杂地层钻进困难的问题，顺利地完成了荡坪钨矿宝山矿区接替资源勘查任务，其中宝山矿区ZK3092孔属于该矿区钻进效果最好的钻孔，施工历时48天，终孔深度756.42 m，平均时效1.68 m，台月效率达566 m，取心效果好，采取率达99%，代表性地层岩心见图1。总之，本次钻孔施工特点是施工质量好，钻进效率高，成本较低，孔内事故少，达到了设计要求，为后期的勘查施工提供了重要的技术指导。