深大型溶洞钻进处理技术研究

2016-04-141南京大学地球科学与工程学院江苏南京2100002赣中南地质矿产勘查研究院江西南昌3300003江西省地质工程集团公司江西南昌3300004江西省地质矿产勘查开发局物化探大队江西南昌330000

地球 2016年10期

（1南京大学地球科学与工程学院江苏南京210000；2赣中南地质矿产勘查研究院江西南昌330000；3江西省地质工程（集团）公司江西南昌330000；4江西省地质矿产勘查开发局物化探大队江西南昌330000）

九瑞(九江和瑞昌)矿集区是长江中下游成矿带的5个重点勘查区之一,是我国重要的铜(金)多金属成矿带。坳下矿区位于九瑞矿集区内,具有良好的成矿地质条件,主攻矿种为铜、兼顾金和多金属。在固体岩心钻探基础施工中发现浅层萤石矿以下仍存在地热及其他金属矿层，但萤石矿顶板底板大都遇到溶洞，其中不乏深大型溶洞，作为地下隐蔽工程，给施工造成很大困难。本文分析了矿区钻通深大型溶洞的处理情况，对九瑞地区深部找矿提供帮助。

坳下矿区钻探工艺深大型溶洞处理

1 瑞昌坳下矿区深孔钻探概况

1.1 瑞昌坳下矿区概况

坳下矿区位于江西省九瑞地区坳下村铁索桥向西500M，山腰上。矿区内有国道从九瑞直通湖北。地理坐标经纬度是：115.376057～29.620757。附近村镇众多。坳下矿区主要萤石矿脉深度在300米至800米，地热资源深度达1200米。而裂隙溶洞发育区就分布在期间，不论是萤石或地热的勘探开发都必须克服溶洞问题钻通这段地层。

2 瑞昌坳下矿区zk15-1钻孔施工情况

2.1 第一次钻遇溶洞

在孔深763米，钻遇溶洞，全孔不反水，孔漏达Ⅳ级，漏速约为30~60m3/h，初步判断为多裂隙延伸的溶洞，钻杆探溶洞深度大约为2.2米。采用锯木屑加聚苯酰胺调配浓泥浆连续进行循环，成功将裂隙堵住，孔漏减少为小漏，漏速约为5~15m3/h。然后在钻杆中将高标水泥连续灌入孔底填实空洞，静置两天后钻通该溶洞。

2.2 第二次钻遇溶洞

在孔深774.88米，钻遇第二个溶洞，钻具下坠，砸入孔底爆裂，钻进中止，经抢救损失了底部钻具强行提起其他钻杆。经钻杆探测及物探探测溶洞高度大约为8米，这种下部溶洞紧跟着上部溶洞的情况被称之为串珠型溶洞，在这么深的位置碰到这么高的溶洞是九瑞地区钻探过程中十分罕见的情况。

2.3 孔内情况分析

（1）本钻孔溶洞所在深度达774.88米，一般钻孔深部钻遇溶洞的几率低，但一旦遇到很难处理，其原因主要表现在：

①溶洞所在位置比较深，溶洞内情况难以摸清，用物探方法显然不现实，只能用钻杆试探推测溶洞高度，对溶洞的空间大小无法判断。

②如果需要下大一级口径套管至溶洞内，则需要全孔扩孔至溶洞位置，溶洞位置越深成本越高，同时扩孔风险也越高，容易造成二次事故，如造成掉钻、卡锤、埋钻、梅花孔、漏浆、塌孔等事故的发生，一个不当孔就报废，将直接造成经济损失。

③孔内钻杆长度越长，底部钻具受离心力影响甩动范围越大，对溶洞底板钻进效果也越差，更难穿通溶洞。

（2）本钻孔溶洞高度达8米，溶洞内高度越高，洞内套管或钻具的接头越多，强度和韧性都受很大影响，处理过程中很容易甩断或折断钻杆。

2.4 常规处理结果

2.4.1 填充法

采用钻杆中压入锯木屑加聚苯酰胺调配浓泥浆连续灌入孔底，灌入约五吨后孔口仍没有任何返水，孔漏程度达Ⅴ级，漏速≥60m3/h，没能将裂隙堵住；改用钻杆中压入大量高标水泥至孔底，灌入三吨水泥，静置两天后，放入钻杆探测溶洞高度仍为近八米，显然仍无效果，判断此溶洞连接地下暗河，填充材料顺着地下暗河流走，这种类型溶洞是极难处理的，不可能用填充法解决问题。

2.4.2 护筒跟进法

用φ95绳索钻杆扩孔钻进至溶洞底部位置，轻压慢转钻，但始终无法在底板上钻出洞眼来，由于钻杆一般长度为三米一根中间以丝扣连接，相对松弛，在溶洞高度高于三米的时候，丝扣受钻头离心力影响容易脱扣，中间不受孔壁保护的丝扣越多脱扣几率越高，现在溶洞高八米，没有孔壁保护的丝扣有三个之多，增压增速只会造成新的事故，只能强行下φ89套管，但套管没有洞眼可以固定底座，难以固定位置，只好将套管底部削尖，压至孔底，套管放下后继续换φ75钻杆轻压慢转钻，仍无法向下钻进，显然套管并没有坐实，另一方面通过因为套管一般也是三米一根，中间是用丝扣连接，相对松弛，很难承受钻杆高频率撞击，中间不受孔壁保护的丝扣越多承受能力越差，担心增压增速会甩断钻杆造成新的事故，只好停机待命。判断由于溶洞太深高度太高，钻头无法固定在一个位置旋转，所以这种方法在深大型溶洞面前也无效。

3 瑞昌坳下矿区zk15-1钻孔事故分析

（1）钻杆突然下坠。深大型溶洞中有的没有填充物，有的填充物极软，钻进遇深大型溶洞时会突然下坠。

（2）孔口不返水。深大型溶洞中的裂隙发育，造成大量钻进液大量流走，孔口只有少量返水；有的深大型溶洞连接地下暗河，所有钻进液都顺着地下暗河流走，孔口完全不返水。

（3）孔底钻杆折断。深大型溶洞有的呈斜插向下，弯度较大，会使孔底钻杆弯曲折断；有的横向空间较大，钻杆离心力会将底部钻杆甩断。

经过几次的测井和物探分析，断定这个钻孔碰到的是一个深度达774.88米，高度达八米的深大型溶洞，想要填实这个溶洞的可能性几乎为零，要钻通这个溶洞有以下几个难点，采取倒推方式，推导如下：想要钻通这个溶洞，最终一定要在φ75口径钻杆外形成护筒，一方面这个护筒的底部要相对固定，另一方面这个护筒的中部要足以承受φ75钻杆中压中速转动撞击力。那么，一方面要在溶洞底板钻出一个高约三十公分的洞眼用以固定护壁套管护筒，另一方面要造出一个中部足够结实的护筒放下到溶洞中去。

鉴于以上特点，采取双绳索钻杆交替钻进法。方案要点如下：

首先，将φ95绳索钻杆底部三根的丝扣采取无氧焊接的方法焊死，增加其强度，将φ95绳索钻杆下至溶洞底部。

其次，将φ75绳索钻杆放入φ95绳索钻杆中，下至溶洞底部，使用高浓稠度的钠土泥浆循环开低压慢转钻进φ75绳索钻杆，φ75钻杆在φ95的保护下钻出高五公分的底座洞眼后停下。

然后，φ95绳索钻杆受φ75绳索钻杆的牵制力在φ75钻杆的外部轻压慢转钻下至十公分处停下，接着使用φ75绳索钻杆在φ95绳索钻杆的固定下轻压慢转至十五公分处停下，以此顺序依次循环至φ95钻杆钻至三十公分处，坐稳停住。

最后，坐稳的无氧焊接的三根φ95绳索钻杆，φ75钻杆在他的保护下钻通这个深大型溶洞。