松散性厚覆盖层钻进实践与体会

刘建福，王建兴，孙秀梅，刘莎莎，侯林

（河北省地矿局探矿技术研究所，河北 三河 065201）

2008年，我院承揽了山西灵丘唐之洼铁矿区铁矿预查单孔施工任务，设计孔深为700m、倾角为82°的斜孔，要求全孔取心，过矿层30m即可终孔。第四纪覆盖层约320m，松散，易坍塌。

1 地层概况

该孔自上而下地层为第四纪砂土、砂砾层、卵砾层，泥土层、泥页岩地层；片麻状混合岩、铁矿层等。0～319.46m 为第四纪地层；319.46～675.42m 主要为片麻状混合岩；675.42～713.48m为铁矿层，铁矿层下部均以片麻状混合岩为主。

2 技术质量要求

（1）岩心要求：非矿层采取率在70%以上，矿层及顶、底板岩矿心采取率不低于80%。

（2）钻具丈量：每100m丈量一次，误差在0.1m以内。

（3）孔斜要求：每50m测孔斜一次，每100m孔斜≤2°。

（4）简易水文地质观测：每班提钻后，下钻前测量孔内水位，并记录。

（5）封孔：全孔水泥封孔，孔口做好标记。

3 本钻孔施工存在的难点问题

（1）第四纪覆盖层较厚，达320m，砂土层、砂砾层、卵砾石层等胶结性较差，易坍塌。

（2）全孔取心，第四纪地层取心率较难以保证。

（3）没有以往钻孔施工资料可以参考借鉴。

4 钻探设备及工艺方法

根据钻孔设计要求和以往钻探施工经验，对该孔施工从设备到工艺进行了认真的研究和论证，制定了切实可行的施工工艺方法，最终达到了设计要求，保证了施工任务的顺利完成。

4.1 设备的选择

4.1.1 钻机

按照钻孔设计要求，采用性能稳定，工人操作熟悉的XY－4型钻机，配以13米A字型液压起降钻塔，动力选用4105柴油机，以满足钻探施工要求。

4.1.2 水泵

根据地层特点和钻孔深度，选用BW250型泥浆泵，该类型泥浆泵性能稳定，维修方便，易损件购置、更换容易。

4.1.3 其余设备

为解决机场照明及施工需要，配备一台20kW发电机，一台搅拌机，一台绳索绞车，一台我院自行研制的多功能夹持器，此夹持器除用于绳索钻进外还可用于起下套管，替代夹板，安全省时，可提高下套管速度，减轻工人劳动强度。

4.2 工艺方法

根据该矿区覆盖层厚、地层破碎复杂特点，为确保顺利完成，确定用四开钻进，以φ150mm口径开孔，进行φ131，φ111，φ77钻进按施工顺序分别下入φ146、φ127、φ108三级套管进行护壁，φ93mm 口径钻进和φ89mm作为备用，确保孔壁稳定；见基岩后改用φ77mm绳索取心钻进方法进行钻进。为减小泵压，增大钻孔环状间隙，将普通绳索75mm口径增大为φ77mm。以泥浆为主要护壁手段，加强泥浆维护测试，下套管前遇坍塌漏失泥浆无效时用水泥浆护壁。

第四纪松散地层采用回转钻进工艺，砂土层、泥土层、砂砾层采用合金钻头，卵砾石层采用金刚石钢丝钻头；取心，采用普通单管钻具干钻取心、钢丝钻头取心和我院自行研制的“松软土层钻进取心专用钻具”。并准备φ91mm单动双管钻具作为备用。

4.2.1 冲洗液

开孔采用泥浆做为冲洗液，基岩钻进采用乳化液、润滑液作为冲洗液。

泥浆选用山东潍坊产优质钠—膨润土，加入2‰羧甲基纤维素钠，聚丙烯酰胺，2‰火碱，作为造浆材料，造浆率在10m3／t以上，基浆失水量小于20mL／30min。性能指标为：密度1.045kg／L，漏斗黏度24～30s，失水量15mL／30min，含砂量＜4%，泥饼厚度：0.7mm，pH 值8.5。

4.2.2 钻进参数

合金钻进：钻压8～15kN

转速150～180r／min

泵量60～90L／min

金刚石钻进：钻压9～14kN

转速400～850r／min

泵量35～52L／min

5 施工过程与工艺措施

5.1 一开钻进

采用φ150mm硬质合金钻头，φ146mm岩心管普通单管取心钻进，泥浆护壁，低钻压，低转速，90L／min泵量。

43.75m时进入卵砾石层，改用金刚石钻头钻进，减小泵量（52L／min），取出卵砾石岩心长度达450mm，随即下入φ146mm套管。

由于泥浆增稠较快，现场又无泥浆净化设备，将泥浆槽加长了1.5倍，同时又挖一同规格泥浆池，保证了入孔泥浆达到了性能要求。

5.2 二开钻进

采用φ130mm特制金刚石钻头钻进卵砾石层以提高效率和钻头寿命，通过增大增厚胎块，适当加大水口尺寸，减少水口数量，增强了钻头胎体抗冲击强度，保证了钻头寿命在20～30m，通过制成钢丝钻头使用普通单管钻具保证了取心率达到了70%～75%。

钻至79.37m 处、102.53m 处123.53m 冲洗液漏失增加，立刻提钻，向孔内投入适量的黏土球墩实后，下钻继续钻进，循环正常，堵漏效果明显。

钻进至137.51m时钻孔出现坍塌掉块，为防止钻孔坍塌扩大，马上向孔内注入快干水泥浆液，等待24h水泥凝固后，下钻正常钻进。

钻进至孔深150.40m进入黏土层，钻孔相对较为稳定，但为防止上部不稳定，地层受钻具扰动再次出现坍塌，掉块等事故，下入φ127mm套管（为降低成本该套管采用焊接），下入孔后，为防长时间泥砂沉淀挤夹造成起拔困难决定立即起出φ146mm套管。

5.3 三开钻进

用φ110mm加厚钻头（内径φ79mm）底喷型和金刚石斜锯齿型钻头（如图1）和专用取心钻具进行黏土层钻进，防止黏土层糊钻和提高取心率。“松软土层钻进取心专用钻具”（以后简称“专用取心钻具”），钻进时冲洗液顺岩心管内壁向下流动，对岩心冲刷力小，提钻取心时，钻杆柱内液体在钻杆岩心管接头处排泄到岩心管外，对岩心不产生冲压作用。（见图2）。使用底喷型合金钻头时，有糊现象，换锯齿型金刚石钻头后，钻进较顺利，取心率达80%以上。

图1 金刚石斜锯齿型钻头

213.27m时，孔壁出现严重坍塌，冲洗液全部漏失，钻具提出后就下不到原孔位。若仍采用常规灌注水泥浆液的方法根本注不到位，起不到稳固孔壁的作用。研究决定，采用旋喷法压注水泥浆。

旋喷钻具为φ50mm内丝钻杆连接φ60mm单管钻具，配用专用注浆钻头。专用注浆钻头由旧φ60mm金刚石钻头改制，封堵钻头底部保留两个小通水孔，在胎体上端的钢体上对称地打两个φ5mm小孔作为喷浆口即可。

连接旋喷钻具正常钻进方法穿过坍塌地段后，即刻用泵压入快干水泥浆液。压入时使用低转速旋转并缓慢提升钻具。具体参数为：转速30～40r／min，提升速度200mm／min。压浆孔段要超过坍塌地段3～5m，压浆完毕等待24h后，钻进取心，达到了预期效果，护壁成功。

276.5 8m时孔壁又出现严重坍塌，且出现地下水位，不做处理无法钻进，向孔内压入快干水泥浆液，结果水泥浆液全部被稀释流失，起不到护壁作用。

考虑到快接近基岩，决定采用薄壁金刚石钻头（内径φ97mm）跟管钻进。钻至298.39m钻头磨损不进尺，孔内保留φ108mm钻具作为套管，换备用孔径钻进。

5.4 四开钻进

换φ89mm钻具φ93mm金刚石钻头进行钻进，钻至320.10m提钻取心，见完整基岩长达6.4m，随即下入φ89mm套管。鉴于该层次套管较深，为防止岩粉进入套管间隙，防止抱死套管造成套管起拔问题，所有套管外壁全部涂上黄油，孔口处进行了可靠的密封。

5.5 终孔口径钻进

基岩采用φ77mm绳索取心钻进工艺进行施工，钻杆选用φ71mm镦粗钻杆。冲洗液采用清水加入4‰乳化油，钻至675.42m见矿层。校正钻孔无偏差，到713.48m出矿层，继续钻进30m后再无见矿，最后以孔深745.28m终孔。

最终岩心采取率平均达到了80%，矿心采取率在85%以上，丈量孔深无偏差，钻孔顶角偏斜4°，在地质要求范围内。封孔采用全孔水泥封孔，水灰比为0.5。按要求用专用水泥砖做好标记。经地质人员检收合格。

图2 HF－89型松软土层钻进和取心专用钻具

6 经验与体会

通过该钻孔的施工证明，在坍塌、掉块、漏失地层中钻进，只要针对其实际情况，认真分析研究，技术措施得当，就能收到较好效果。通过本孔施工有一些体会总结如下：

（1）第四纪钻进泥浆性能要随时监护，黏度和失水量务必保证，严格控制固相含量，根据需要加长循环槽和增加泥浆坑。

（2）根据地层特点选取适当钻具取心，即保证了取心率，又使孔底干净。本院研制“专用取心钻具”相比普通单管取心钻具干钻取心效果明显，不仅取心率高，而且钻杆没有喷浆，取出岩心容易。

（3）对漏失出现要重视，有加大倾向即采取措施，堵漏材料常备以随时用。

（4）跟管钻进能快速突破复杂地层，有条件时尽量采用。

（5）旋喷法压注水泥浆对于松散坍塌孔段有较好的效果。