武山矿区复杂地层钻进综合治理分析总结

秦品光,金杰明

（1.浙江省有色金属地质勘查局，浙江绍兴312000;2.甘肃省有色矿勘院，甘肃天水830011）

武山矿区复杂地层钻进综合治理分析总结

秦品光*1,金杰明2

（1.浙江省有色金属地质勘查局，浙江绍兴312000;2.甘肃省有色矿勘院，甘肃天水830011）

武山钼矿矿区位于秦岭褶皱带北缘，祁、吕、贺山字形构造前弧西翼和六盘山带状构造西侧3大构造体系的复合部位，断裂构造特别发育，地层复杂，钻进时，孔壁坍塌掉块、缩径、憋泵、涌水、漏水现象时有发生。随着孔深的增加，对复杂地层钻进的综合治理显得尤其重要。针对武山钼矿复杂地层的特点上，深入分析探矿施工中出现的各种孔内事故，总结归纳出钻进台效低、岩芯采取率低、孔漏及孔壁坍塌等3大主要问题，并针对这些主要问题，介绍适应本地层特点所采取的钻探技术措施、相应对策及施工管理对策。

复杂地层；泥浆；钻探工艺；半合管；射流式取芯钻具

武山钼矿位于武山县温泉乡陈家大湾村，自2000年开始钻探施工工作，逐年投入钻探工作，并逐年加大工作量，随着地质工作的不断深入，矿体勘查逐步由寻找埋藏浅、易发现的浅表矿向埋藏深、识别难的隐伏矿体转变，施工钻孔越来越深，由于武山钼矿地层复杂，钻进时，孔壁坍塌掉块、缩径、憋泵、涌水、漏水现象时有发生，因此，随着孔深的增加，钻孔过程中对复杂地层的综合治理显得尤其重要。

1 概述

1.1 工程概况

矿区为花岗岩地貌，中高山区地形，自1958年开始地表地质工作，2000年开始钻探施工，在16线施工1个钻孔，深 299m。2003～2004年，施工钻探进尺1851.18m，2005年施工钻探进尺1675.59m，2006年施工钻探进尺1800m，2008年完成钻探进尺3190.41m，2009年完成钻探进尺11664.47m，钻探工作量逐年增加，且多为中深孔钻探施工。但因对该地层的复杂性对中深孔钻探施工的不利影响认识不足，在技术和管理上没有引起足够的重视，因此，在起初的中深孔施工时造成了较大的经济损失。

1.2 矿区地质条件

矿区位于天水市境内，大地构造位于秦岭褶皱带北缘，祁、吕、贺山字形构造前弧西翼和六盘山带状构造西侧3大构造体系的复合部位，断裂构造特别发育，以近南北向的断裂构造为主，矿区内地层主要为浅部的印支期似斑状黑云母二长花岗岩和深部的燕山期花岗斑岩，由于受强烈的地质构造作用，断裂及节理裂隙十分发育，岩层十分破碎，施工困难。

1.3 施工设备及工艺

钻机选用XY-4和XY-44型立轴钻机，BW-250泥浆泵，14.5m四脚斜塔，S75重型绳索取芯钻杆。这些设备能较好地满足复杂地层、特别是武山复杂地层中深孔施工钻进，S75重型绳索取芯钻杆抗拉、抗扭强度大，能有效防止钻杆脱扣、折断事故的发生。

1.4 钻孔结构及施工工艺

考虑到地层复杂，坍塌、漏失不可避免，须用多级口径。所以，开孔用Ø150mm合金钻头钻进，钻进到穿过地面覆盖层和强风化地层后，下人Ø146mm套管，换Ø110mm钻具钻进，换径位置可在30～50m之间。Ø110mm钻具钻进到150m左右时，可换Ø91mm金刚石钻具钻进。如有Ø114mm套管，下Ø114mm套管，换Ø91mm钻具钻进，Ø91mm钻头可自由上下。Ø91mm钻具钻进到300m左右时，可下Ø89mm套管，换S75金刚石绳索取芯钻具钻进。Ø59mm作为备用口径。

如下Ø108mm套管后，直接换S75金刚石钻头钻进，可采用Ø76mm加大钻头，解决冲洗液环流间隙小、遇软层憋泵、泵压高、压力漏失等问题。

2 施工中遇到的主要问题及其原因分析

由于本矿区断层较为发育，地层较为破碎，同时断层中存在“高岭土化”层，软硬不均，使得钻孔壁较易出现漏水、缩径、坍塌等自然现象发生，导致钻探岩芯采取率低、塌孔甚至钻杆折断等孔内事故的出现，结果造成矿区的钻探台效大大下降。经分析总结认为，本矿区探矿施工中出现的主要问题可归结为：钻进台效低、岩芯采取率低、孔漏及孔壁坍塌等方面。其原因分析如下：

2.1 钻进台效低

主要原因为：（1）地层十分破碎，软硬不均，回次进尺低，常常是钻进十几公分，岩芯被卡死，不再进尺，不得不打捞岩芯。同时，每次打捞岩芯后，孔壁上的碎块石落入井内，这些碎块石都是花岗岩地层中风化残余的角砾块，硬度高，研磨性强，和裂隙中的砂粒混合在一起，包围在钻头周围，钻头转动时，反复研磨钻头，因此，钻头要扫到孔底，十分吃力，除非把这些碎块磨细，随泥浆排出空外，否则，即使强行扫到孔底，一旦提钻，这些砂粒和碎石块又回落到原来的位置，致使钻进过程中，扫孔时间多，钻进时间少，情况严重时，一个新的钻头扫到孔底，钻头已经严重磨损，无法正常使用。（2）地层缩径、垮塌。部分软层钻进时，受冲洗液中的水的浸泡，造成缩径，导致泵压升高，受高压冲洗液的冲洗，加上钻杆在井内震动，软层坍塌，钻孔超径，钻进过程中，钻杆在此部分弯曲度增加，诱发钻杆折断、脱扣事故，增加了钻进时间，加大了工人劳动强度，降低了生产效率。（3）本矿区断裂层中，岩石蚀变后高岭土化，形成“断层泥”，钻进过程中，断层泥质物经冲洗液的冲刷，易和泥浆一起变成糊状物，增加了泥浆的固相含量，钻杆内壁易结泥皮，钻探水泵损坏率高，加大设备维修时间，影响正常的钻进工作。

2.2 岩芯采取率低

武山矿区地层断裂十分发育，岩石松散、破碎，遇到钻探扰动及一般泥浆冲刷极易散落开来，难以保证岩芯采取率；同时在断裂层中，岩石蚀变后高岭土化，多数细粉随泥浆排出孔外，粗颗粒或悬浮于泥浆液中，或沉淀于井底，岩芯采取率低。

2.3 孔漏及孔壁坍塌

由于地层破碎，断裂裂隙发育，且连通性好，几乎每个钻孔都出现泥浆漏失。部分地段，泥浆比重增加时，发生漏失，泥浆比重减小时，井内出现涌水。孔内涌水，造成孔壁坍塌，且将裂隙中的砂粒、碎石一起带入井内，井内沉淀物越积越多，造成蹩泵，钻杆折断，甚至卡埋钻事故。同时部分软软层受冲洗液浸泡出现缩径现象，使该处环状过流面缩小，流速加大，冲蚀孔壁，加上回转钻杆产生激振的影响，造成该处孔壁坍塌超径。

3 技术措施及相应对策

3.1 泥浆选型

（1）无固相冲洗液。刚进入武山矿区钻探施工时，使用无固相聚丙烯酰胺冲洗液，该冲洗液润滑性能好，固相含量低，钻杆不结泥皮，宜于绳索取芯钻进。但对于坍塌、漏失层，因其失水量较大，护壁及防漏失性能均不好，只能采用套管护壁，因此需反复扩孔，起下套管，不适宜深孔钻进中处理深部破碎、坍塌、漏失层。

（2）高固相泥浆。为解决频繁扩孔、起下管套问题，改用膨润土泥浆，用优质膨润土粉+CMC+纯碱，这种泥浆较好地改善了破碎地层中坍塌、漏失问题，但泥浆粘度过高，泥浆比重较大，岩粉无法沉淀，常出现井内憋泵，钻杆结泥皮，内管投放不到位，打捞不起以及粘钻、卡钻、水泵事故频繁等问题。

（3）接枝淀粉共聚物泥浆。采用北京市探矿研究所研制生产的接枝淀粉共聚物配制泥浆，配方为2%～5%钠膨润土+0.2%～0.4%接枝淀粉共聚物。该泥浆的特点是水溶后形成体型网状结构，在岩芯表面吸附形成胶膜，浓度越高，形成的胶膜也越厚、越密实。因此，护芯护壁效果好，且该泥浆表观粘度也较高，排粉能力较强，能较好地排除井底岩粉。并解决了泥浆岩粉不沉淀，钻杆内结泥皮问题。2009年，该矿区ZK16-7孔用此泥浆液完成设计孔深800m、倾角87°钻孔。施工深度811.9m，用时2个月零3d，创造了该工区S75金刚石绳索取芯钻进深孔最好成绩。

3.2 钻头选择

针对武山地质条件及地层情况，邀请了数十家钻头生产厂家，带各自产品到矿区进行实验，并取有代表性的岩样到部分钻头生产厂家做专门的试验，通过现场实验发现：唇面形状为同心圆或大锯齿状，金刚石颗粒较大者（粒度为60～80目），浓度为100%，胎体硬度HRC为30～35的钻头适宜于武山矿区钻进。

3.3 使用半合管钻具及射流式取芯钻具

根据本矿区地层分布情况及其岩性特征，为确保各层钻探取芯采取率，经过实践确定：在土质全风化岩层采用半合取芯管钻具取芯，在岩质类地层采用射流式取芯钻具取芯。

半合取芯管为单动双管钻具，其取芯管为可分离的2个半开管，钻进时，2个半管合为一个完整的圆管做取芯管，钻机后获取岩芯时，将其中的一半拿开，岩芯原状不动地放在另一个半管内，避免破碎岩芯在退芯时被人为破坏，保持岩芯的原状结构。

射流式钻具为单动双管钻具，是用于硬、脆、碎地层及软硬互层地层钻进的特殊取芯钻具，其原理为冲洗液经水道喷嘴射入承喷室后，在取芯管上部形成负压，给内管中的岩芯一个上浮力，使岩芯悬浮在冲洗液中，岩芯之间不发生自磨，有效提高岩芯采取率。

3.4 钻进工艺参数

对于完整地层地段采取常规的钻压、转速、泵量等钻进工艺参数钻进，一般能保证钻进台效。但对于复杂地层钻进，钻进工艺参数要根据相应的地层进行调整。在本矿区的复杂地层钻进时，钻进参数基本控制在中低压、低转速、小泵量（采用射流式取芯钻具时采取中等泵量）进行。因为在破碎复杂断裂地层中钻进时，如果钻压太大，容易发生钻杆弯折，造成钻杆折断事故，同时也易因切岩不均匀接触而损坏金刚石钻头，导致金刚石过度的损耗，降低钻进效率；在高转速下，钻具会因孔底破碎不均而发生强烈振动，发生孔内事故，同时钻头底部出露的金刚石很快被地层损耗或抛光，同样降低钻进效率；在破碎复杂断裂地层中钻进，地层会因泵量的加大而受到冲刷发生坍塌，泥浆更易出现漏失。同时，钻头破碎岩石所产生的岩屑数量较少，也没必要使用大泵量，因此，在破碎复杂断裂地层中选用小泵量钻进，既保证孔壁不发生坍塌，又确保达到泥浆冷却金刚石钻头的目的。通过的摸索、实践，优选钻进参数为：钻压在4～7kN之间，转速控制在150～250r/min，泵量控制在55L/min左右（漏失时75L/min）。

4 钻探生产管理主要对策

4.1 做好施工组织设计，坚持先入为主

施工前，要根据钻孔理想柱状图及以往施工经验，对施工中所出现的问题做全面分析、判断，制定相应的施工方案，采取必要的预防措施和处理措施，并对机组人员做明确的交待，引起大家思想上足够的重视，精心准备，细心操作，沉着应对。

4.2 充分调动广大职工的积极性

人是生产力中最活跃、最主要的因素，充分调动人的积极性和能动性，将会极大地提高劳动生产效率。积极采取各种有效途径，加强管理，提高职工待遇，实行职工工资和钻进施工效益挂钩，较好地调动了职工的积极性。

4.3 加强机班长总结交流工作

复杂地层钻进是一个探索性工作，要求施工人员要不断总结操作经验，彼此间交流可以最大程度地减少错误及不必要损失的再次发生，以提高钻进效率。其中，提高钻进小时效率的主要途径是合理控制钻进参数，即压力、转速、冲洗液量。施工技术人员和机班长要结合地层情况，精心操作，总结施工经验。通过不断总结和提高钻进技术，熟练地采用最佳钻进施工技术参数，以不断提高生产效率，提高经济效益。

4.4 做好交接班工作

钻进施工时，各班除了做好本班的工作之外，要确实做好班与班之间的交接工作，当班钻进的井内情况，地层类型，井内钻杆的数量、钻具的长度及使用情况，机械运转情况以及需要注意的事项，要向下一班详细交代清楚，特别是处理事故时，要把本班处理的情况、采用的方法、下步的打算确切地交代清楚，避免走弯路。

5 结语

复杂地层钻进是一项细致而艰巨系统的工作，不仅要处理好地质与探矿、护壁与钻进、钻进台效与岩芯采取率的关系，还要解决好钻探经验与钻探新技术、新工艺、新材料的作用关系、眼前问题与长期发展的关系，遇到问题需要我们冷静地、系统地分析、解决，需要我们不断总结，探索经验，综合运用每项技术技能，唯有如此，才能不断克服难关，使钻探技术日臻完善。

[1]高森.钻探工艺学[M].地质出版社，1980.

[2]曾毓荣.复杂地层钻进中钻孔的护壁与堵漏技术[J].江西煤炭科技1994（4）：11-12.

[3] 陶士先.钻探冲洗液讲义[E].甘肃有色地勘局钻探培训，2010.

[4]赵尔信.精细、原位、保真取样技术的进展[E].甘肃有色地勘局钻探培训，2010.

P634.5

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1004-5716(2015)02-0036-03

2014-03-20

2014-03-25

秦品光（1965-），男（汉族），安徽淮北人，高级工程师，现从事探矿工程工作。