新疆赞坎磁铁矿冻土层钻探施工方法

2016-08-04张春江新疆地矿局第二地质大队喀什844000

新疆有色金属 2016年3期

张春江（新疆地矿局第二地质大队　喀什　844000）

新疆赞坎磁铁矿冻土层钻探施工方法

张春江
（新疆地矿局第二地质大队喀什844000）

摘要我队2010年～2011年在海拔4 600 m以上的赞坎磁铁矿矿区进行钻探施工。由于矿区海拔高，施工中所遇问题是在永冻地层孔段施工，由于受岩层冰点以下低温影响，冲洗液循环过程中逐渐结冰渣，并从孔壁结冰直至将钻孔冻实，泥浆冲洗液无法循环，钻具即被冻结在孔内，出现孔内冻结事故，扫冰芯非常困难等。施工初期由于缺乏经验，经常出现冻结事故，致使施工不能正常进行。经不断总结摸索经验，目前已基本掌握了冻土层钻进规律，并总结出相应的一套施工方法，因而后期施工的钻孔，无论在钻探质量和效率等方面都得到提高。

关键词永冻地层孔段施工冲洗液施工方法

1　矿区概况

矿区位于西昆仑山系、帕米尔高原东部，塔什库尔干塔吉克自治县东南约80 km，矿区平均海拔4 700 m，赞坎河由东向西穿过矿区，矿区及区内交通便利。由于受高山气候影响，每年7～8月大雪天气为5～8天/月，给野外钻探施工带来了相当大的施工难度。

2　矿区地质概况

2.1地层

矿区内出露地层主要为古元古界布伦阔勒群（Pt1B）及下志留统温泉沟群（S1W），地层总体呈单斜产出，总体走向为北西300°左右，倾向北东，倾角一般在43°～56°之间，局部地段倾角较陡，可达60°以上。矿区西部分布大面积第四系下更新统砂砾石层，沿河谷分布全新统砂砾石。

2.2构造

工区内大断层主要为古元古界布伦阔勒群（Pt1B）与下志留统温泉沟群（S1W）之间的达布达尔东断裂（F4），该断裂为一逆断层，呈北西-南东向延伸，工区内出露长约3 km。断层北东侧为古元古界布伦阔勒群（Pt1B），南西侧为下志留统温泉沟群（S1W）。受断层影响，地层多被挤压，小褶曲构造发育，局部地段可见小的层间错动。

2.3工程地质

矿区内岩石主体为石英片岩和铁矿层，围岩（顶、底板）较为坚硬，岩石裂隙一般不太发育，不易掉块、垮塌，工程地质类型属于较稳固型。但是在近地表处岩石发生强烈物理风化作用，在施工过程中会发生局部塌方。因此，在工程施工时要重视对稳定坡度角的探索，防止塌方和山体滑坡的发生。

3　施工中的难点

2010年我队在该矿区总共完成8 000余米钻探任务，施工效率低，并出现了大量的报废孔。该矿区主要施工难度有以下几点：

⑴上部5～20 m为覆盖层，取心困难，易垮孔、坍塌。

⑵进入矿层顶板时有大断层，漏失严重，漏失量大于2 m3/h。

⑶海拔4 500 m以上为高山冻土层，在冻土层内停钻半小时以上，孔内出现冻结，易造成孔内事故。较长时间停钻，下钻时必须花费大量时间扫孔。冻土层造成钻孔报废有以下3个方面的原因：

①孔内出现断钻事故、设备出现故障等原因造成停钻，1 h以上的停钻即会使钻杆在孔内冻死。2010年因为上述原因共有6个钻孔因钻杆冻死，造成1 400余米的报废进尺，直接经济损失约140余万元。

②9月底矿区内一钻孔钻进至孔深90余米时，夜班因下大雪，气温下降，在钻进过成中孔内泥浆边钻边冻，因现场处理不及时，最终造成该孔报废。

③出现全孔漏失后，因上部为冻土层，未解决泥浆防冻问题，又造成2个钻孔无法钻进至设计深度。

综合以上原因，我队组织技术力量，现场进行多次试验，最后提出使用盐水泥浆防冻方案，顶漏钻进等适合该地层的钻探工艺。并在2011年的施工中采用，大大的提高了效率，台月效率由以前的不到250 m提高近1倍达到480 m，最高达到700 m，并成功避免了因孔内钻杆冻结造成的报废。

4　设备及钻机工艺的选择

4.1设备

选用XY-44型钻机，BW250型泥浆泵。

4.2钻进工艺

上部覆土层采用Φ130合金钻头开孔，干烧取心，穿过覆土层后下入Φ127套管，再用Φ110单管金刚石钻头钻进至稳定层，下入Φ108套管，改用Φ77金刚石绳索取心钻进至终孔。

导管下入时，有可能进入冻土层，要求在套管外壁涂抹融化后的沥青，并做好底部止水。防止导管在孔内冻结。

5　施工工艺

5.1泥浆方案

在海拔4 500 m以上的钻孔都会穿过冻土层，一般需要穿过厚度在100～300 m之间，泥浆主要性能必须满足三个方面的要求：低凝固点（防冻）、增粘、降失水。我队根据现场的多次试验，选择以下两种泥浆配方方案：

方案A:1 000 mL（H2O）+8‰（SW）+5‰（PAC-141）+ 0.5‰（NaOH）+5%（NaCl）+1%（TRH）。

方案B:1 000 mL（H2O）+8‰（SW）+5‰（PAC-141）+ 0.5‰（NaOH）+10%（NaCl）+1%（TRH）。

表1　泥浆性能一览表

以上两种泥浆配方根据不同的时间段使用。7～8月份地表气温较高，选择A配方；6月、9月地表气温较低选择B配方。根据不同的地表气温适当的调整NaCl含量。钻进时观察孔内返回泥浆，有无冰渣出现，测量泥浆温度，根据以上结果适当的调整NaCl含量。

5.2钻进技术参数

Φ130合金钻头干烧取心：钻压1～3 kN，转速50～150 r/min；Φ110单管金刚石钻头钻进:钻压2～8 kN，转速150～350 r/min，泵量30～60 L/min，工作泵压0.2～0.6 MPa；Φ77金刚石绳索取心钻进：钻压9～15 kN，转速280～700 r/min，泵量40～70 L/min。

5.3堵漏与顶漏钻进

穿过冻土层钻进至矿层顶板时，出现断层。一般厚度为5～20 m，该层漏失严重，漏失量大于2 m3/ h。根据实际情况采用了以下两种方式：

5.3.1堵漏

漏失量小于3 m3/h的钻孔采用堵漏钻进。根据以往在该矿区的钻探经验，整个钻孔只存在这样一个大漏失层。堵漏采用803大裂隙随钻堵漏剂。因上部有冻土层，堵漏泥浆必须按配方要求配置。如果长时间泥浆返不出空口，必须提出大钻，防止孔内钻杆冻结。再从孔口倒入一定量堵漏材料，堵漏材料由803、植物胶、棉籽壳、膨润土、锯末、麻绳、NaCl加水搅拌成稠糊状，并用盐水泥浆压入孔底，静置3～5 h，下入钻杆用小泵量扫孔，当泵压上升时开正常泵量低速钻进，直至孔口返回泥浆。

5.3.2顶漏钻进

漏失量过大，漏失量大于3 m3/h，根据以往的经验，堵漏效果不好，一是时间长，需反复按堵漏钻进方式处理，而且泥浆漏失仍然严重；二是成本高，工人劳动强度增加。分析以上原因，我们采取顶漏钻进方式。顶漏钻进时上部钻杆外部涂抹黄油、废机油做润滑剂，减小钻杆与孔壁之间的摩擦。因顶漏钻进容易出现糊钻、烧钻等事故，在实际施工过程中特别强调以下几点：⑴确定漏失层位置，计算泥浆到达孔底需求量。必须保证泥浆到达钻头底部才能开钻；⑵上部钻杆的润滑必须做到位；⑶当孔内负荷增大时，必须提钻进行检查，是上部润滑问题，还是孔底盐粉过重等造成孔内负荷加大，并分别解决，保证孔内稳定的负荷。