红星山北铅锌矿钻孔防塌技术方案

2016-09-01刁长河新疆维吾尔自治区有色地质勘查局704队哈密839000

新疆有色金属 2016年6期

刁长河（新疆维吾尔自治区有色地质勘查局704队　哈密　839000）

红星山北铅锌矿钻孔防塌技术方案

刁长河
（新疆维吾尔自治区有色地质勘查局704队哈密839000）

新疆哈密红星山北铅锌矿矿区地层情况复杂，上部为第三系和第四系的风化地层，厚度达20多米，破碎、掉块，开孔施工难度较大时间长，套管不易下到位，到200多米后的中部孔段又出现长孔段的掉块与坍塌地层，经常出现卡钻、断杆、埋钻事故以及在破碎孔段岩芯采取率不够的情况，针对该矿区复杂地层的特点及施工难点，通过研究和在施工现场不断的实验，我们采用新的适合该矿区地层情况的钻孔结构，并总结出了新的冲洗液护壁施工方案，取得了良好的效果，从而解决这一情况。

掉块坍塌卡钻断杆埋钻冲洗液护壁

1　概况

新疆哈密红星山北铅锌矿，位于哈密以东210km处，该矿工钻探施工中经常出现卡钻、断杆、坍塌、埋钻事故，为解决该矿区钻探施工困难的情况，需要不断地从钻孔结构和冲洗液的性能及设备选用方面做出调整，同时加强施工中的管理工作，通过实践和总结，力争能尽快解决该矿区钻探施工难的处境，以求顺利完成钻探勘探任务。

2　矿区施工环境及地质情况

红星山北铅锌矿矿区位于新疆哈密市东南直线距离约210km处，行政区划隶属哈密市星星峡镇管辖。从哈密市至工作区依次有312国道及便道相通，矿区距星星峡镇西约20余千米，距红柳河车站约60km，区内主要沟谷均可通行汽车，交通较为便利。工作区属中-低山景观区，总的地势北高南低。海拔一般1 800～2 030m，平均1 920m，区内地形有一定程度起伏，但一般坡度较缓。矿区属典型大陆性气候，干旱多风，雨水稀少，四季温差大。有三处泉水，一处是距矿区北西约10余千米处的钻井泉，另两处位于矿区内，前者水量大且水质较好，可作为生活用水，后者水量小且水质差，仅可供小规模生产及牲畜饮用。其余生产及生活物资均由哈密市或甘肃省安西县柳园镇供应。

矿区内主要是斜长花岗质糜棱岩及大理岩：其中原生斜长石由于应力作用而被挤压成眼球状、碎裂状及透镜状等形态，星点状绢云母化及泥化而使其呈土黄色。原岩应为正常沉积的含泥质的细砂-粉砂级岩石，由于动力重结晶作用而发生变质，其矿物组合及结构都已发生了很大程度的改变，但隐约还可显示原岩的某些残留痕迹。该套地层占据了勘区西段1/2千草测区的大部分面积，岩性复杂，由施工情况来看，隐伏断裂相对发育，在大面积分布的绿泥石石英片岩中穿插了石英片岩、黑云母斜长花岗质糜棱岩、糜棱岩化石英闪长岩等。其原岩为泥质砂岩、粉砂岩类，且含有大量的钙质及泥质物，经变质作用钙质物重结晶成方解石，泥质物则变为绿泥石。矿物颗粒边缘常有裂开、撕裂现象，有绢云母化现象，在矿区中南部地势较为平坦的地段，形成平坦的戈壁地貌，由灰色洪积砾石层、黄色洪积亚砂土组成第四系地层，产状近于水平。这类松散破碎地层主要表现松散破碎和硬、脆、碎破碎地层。由较为典型的胶结性很差的砂石和大理岩组成，部分地区存在泥岩、砂岩和砾岩以及部分卵石。在受到钻具振动碰撞和泥浆冲蚀作用时，钻孔孔壁易发生掉块、坍塌、超径等事故。

3　矿区施工的难点

该矿区上部第四系地层地表风化严重，蚀变强烈，遇水剥落坍塌情况严重，上部风化及破碎不稳定地层厚度在20m左右，开孔困难同时套管下入艰难。因破碎和掉块，开孔时要不停地扫孔、扩孔，处理破碎和掉块时，要采用干钻干烧的办法，频繁地提下钻，才能将套管顺利下入，增大了开孔的时间和难度，又容易出现掉块发生卡钻事故。钻孔中部200m左右地层破碎，岩石颗粒的胶结性较差，遇水剥落，岩石松散坍塌，钻孔内岩粉增多同时因钻孔孔径变大，岩粉不易及时排出，出现快速沉降造成埋钻事故。钻孔中孔壁不稳定，时常出现掉块现象，造成卡钻事故。同时因为岩石破碎，岩芯采取率也是严重不够。在该矿区前期的钻探施工中出现进度缓慢，不断出现报废孔。因此，如果不能及时采用合理的施工方案，解决这种情况，在以后的钻进过程中岩粉就会越来越多，地层不断坍塌，钻孔孔径变大，极易出现各种钻探事故，一旦不能及时处理，就会出现埋钻事故，如果断杆出现在钻孔底部，则事故就极难处理，最后就会造成报废孔。

该矿区施工过程中的不利因素较多，施工到200多米后，地层情况比较复杂，首先要求冲洗液的配比要合理，冲洗液的性能要稳定、更换要及时，要能保证及时的将岩粉排出，不能产生大量的岩粉；同时要求设备性能稳定，不能出现设备故障，增大停钻时间也就增大了事故的发生率；还要求钻进参数合理，要能快速通过该孔段，以减少钻进时间及钻进中冲洗液对孔内壁的压力和破坏，避免钻孔的坍塌；在操作方面又要求提钻速度合理，减少孔内冲洗液的抽吸作用；当孔内阻力增大时，钻杆扭力增大，还要求钻杆的使用情况良好，避免发生脱扣事故。这些因素一环扣一环，一旦一个环节出现不顺利就会造成钻探事故的发生。

4　钻孔结构的设计

钻孔结构设计和选择直接影响到钻探效率的提高和施工成本的降低，尤其是在复杂地层区的岩心机械钻探施工。因此，应充分考虑地质条件、钻孔深度、终孔直径、钻进方法、护孔措施和设备情况，并合理选择开孔直径、换径次数与深度、下套管程序等。根据该矿区的地层特点，设计采用多级成孔的结构方式，主要目地是通过下入不同孔径的套管，减小下套管的难度，减少开孔时间，提高成孔率。同时通过套管能更好地起到护壁作用。如图1所示，首先用Ф 110mm开孔，尽可能使钻进深度超过5 m以上，为后期下一孔径钻孔的下套管工作提供有利条件。当钻进超过5 m左右，扫孔后干烧好，确保Ф108mm的套管能顺利下到孔底后，才能下入Ф108mm套管，并做好井口套管的加固工作与套管在孔底的封闭工作，防止套管在后期施工中脱落及冲洗液的漏失，避免再次出现次生事故；然后用Ф91mm的口径继续往下施工到有完整岩石硬层的20m左右处，在确认地层能座稳套管后，才能下入Ф89mm的套管，并同样要做好套管的牢固连接及井口的稳固工作与孔底封闭工作。处理好套管工作后，才使用Ф75mm的口径施工继续到钻孔设计孔位。这种多级孔径的方案，既是为下入套管方便和起护壁作用，也是为当后续的钻进中如果出现事故时，可以使用扩孔的方法来处理，将Ф91mm的套管拔出后进行扩孔，多了一级备用孔径。采用该类套管隔离破碎地层的钻孔结构方案，有利于开孔工作的顺利进行，也同时预防钻孔卡钻事故及套管跑钻事故的发生，为后期钻探施工的顺利进行打下基础。

图1　钻孔结构柱状图

5　钻进冲洗液的作用

钻探冲洗液的作用是冷却钻头、排除岩粉、保护孔壁（部分冲洗液）和润滑钻具（润滑冲洗液）四大功能。在红星山北铅锌矿的地层钻进中使用合适配方的冲洗液，不但能够冷却钻头，冲洗孔内岩粉，还能利用冲洗液悬浮岩粉，使停钻、停泵时岩粉不致于很快沉入孔底。冲洗液在循环过程中还能在孔壁形成一层薄而韧的泥皮，减少钻具与孔壁磨擦力，延长钻具使用寿命。利用孔内泥浆冲洗液所产生的水静压力和造壁性能，在有裂隙、破碎掉块、缩径、坍塌、砂层、漏失等地层钻进时，对保护孔壁起到很大作用，有利于防止孔内事故，减少辅助时间，提高钻进效率。因而冲洗液是岩芯钻探工作中关键的一个环节，尤其是在复杂地层的钻探施工中。

根据不同地区各种地层的实际情况，使用不同配方的冲冼液通过在施工实践中不断地找规律，总结经验，寻找施工中的错误，及时改正和总结，及时地调整冲洗液的参数及配方，才能有效避免钻孔的坍塌及钻孔中岩粉过多的情况，才能及时避免钻探事故的发生，将事故消灭在萌芽状态。在红星山北铅锌矿的钻孔施工中，在开孔阶段，我们只需要使用常规配比的粘土泥浆即可。而当钻孔施工到200m以后，对冲冼液的要求开始增高，需要严格按照冲洗液操作规程进行操作。

该矿区中部从200m左右开始，地层情况相对比较复杂，根据地层岩石的易坍塌特征，考虑岩石的水敏特性和破碎情况，首先考虑使用增大胶结性和增大粘度同时又要降低岩粉含量的方案。针对孔内坍塌的同时，岩粉过多容易沉淀，易发生埋钻事故的情况，按冲洗液使用要求，主要考虑要使冲洗液中的含砂量越少越好。先从地面上，在钻孔泥浆循环系统中间设置数个沉淀坑槽，不断将沉淀岩粉捞出，来保持冲洗液中含砂量的性能稳定。同时由于冲洗液的粘度增大后，岩粉悬浮在冲洗液中不易沉降，含砂量不易降低，要求设备方面配备振动筛，使钻进过程中产生的岩粉及砂粒在循环过程中通过振动筛的作用逐渐减少，冲液中砂粒的含量才会不断减少，才能更好地维护住冲洗液的性能。

从钻孔护壁方面，首先要增大冲洗液胶联能力和增大冲洗液粘度，即能在孔壁上形成稳定的泥皮，护住孔壁，避免钻孔孔壁坍塌及掉块，又要能保证岩粉快速通过冲洗液冲出钻孔，并且能在孔内冲洗液中悬浮，不出现快速沉降的现象，又能在孔外通过循环系统被快速沉淀，减少冲洗液中的含砂量，这样才能稳定住冲洗液的粘度和失水量等参数，确保冲洗液的胶体率上升，从而避免因岩粉在孔内快速沉降而发生的埋钻事故。在冲洗液材料的选材方面，首先考虑冲洗液的降失水与护壁机理，在护住壁的同时，要求保证泥皮的厚度稳定并合适，我们选用了植物胶和广谱护壁剂及磺化沥青配合使用。植物胶是粘弹性钻井液材料，具有保护岩心（护胶作用），粘弹性减振作用和降摩阻效应三大特殊功能。由于胶体的吸附成膜作用，失水量较低，在钻孔中，尤其是软、酥、脆破碎地层和砂卵石地层护壁效果较好；使用中因为配制的表观粘度比较高，即使采用较小的泵量，排粉的能力也很强，可以排除3mm以上的砂砾；它本身具有一定的润滑性，可降低水的润滑系数1/4，起到润滑钻具的作用。这些特殊功能起到了普通钻探冲洗液不能起到的作用，因而解决了岩心钻探中这些较难解决的难题。磺化沥青的作用是能减少剥蚀掉块，有效阻止自由水渗入岩层，帮助造壁，改进泥饼质量，使其变薄，可压缩性增大，滤失量也会随之下降，可起到抑制破碎岩层分散的作用。还可增加润滑性，降低钻具的阻力和扭力，减小钻孔中冲洗液的应激压力对孔壁的破坏作用。

广谱护壁剂是一种防塌降失水剂，它具有很好的吸附充填作用，能够很好地加固井壁。对水敏性地层和破碎地层，在适度的增粘前提下，能显著的降低失水量，同时对岩粉还能起到一定的絮凝作用，对井壁有一定的润滑作用。根据上述冲洗液材料的特性，通过不同的配比方案进行实践，调整出一套适合该矿区地层的性能参数，控制住了冲洗液的降失水量和泥皮厚度及泥浆的密度。其次在岩粉的沉降和降低固相含量方面，我们选用了腐植酸钾和PHP。腐植酸钾的作用是抑制剂，有降粘、降失水、防塌毁作用。PHP具有很好的絮凝和粘合作用，有很强的减阻润滑效果。再配合地面的操作规程管理措施，有效地控制住冲洗液的固相含量，使孔内的冲洗液中的含砂量稳定，不再出现岩粉快速沉降的现象，有效避免了埋钻事故的发生。经过不断地实践总结后，在该矿区采用的冲洗液配方及参数性能见表1。

表1　冲洗液主要性能参数表

5％～8％膨润土+1％腐植酸钾+0.2％CMC+0.3％ PHP+0.2％烧碱+1％植物胶+1％磺化沥青+3％广谱护壁剂在复杂地层钻探施工过程中，不仅要求配好合适的冲洗液，同时要求对冲洗液的性能及参数要保持稳定与合理。施工现场应配备必要的冲洗液性能测试仪器和专业技术人员，定时对冲洗液的性能进行监控和维护，当冲洗液在循环过程中参数发生变化，要及时地更换，保证进入钻孔内的冲冼液的参数的稳定与合理，才能确保对孔内岩粉的控制和对井壁形成良好的护壁性能。只有坚持不懈地确保冲洗液性能稳定合理后，钻探事故才能得到预防，钻探施工才能得以顺利的进行。

6　钻进技术效果

在该矿区，通过几个钻孔的施工和调整，不断地优化总结，形成了一套稳定的施工方案，通过加强对钻机现场的施工操作管理，严格执行制定好的冲洗液配比及维护方案，顺利完成该矿区的钻探施工任务。在后期的每个钻孔的施工中，每次到达预定孔深前，机台就会重新调整冲洗液的参数，严格按照设计方案执行，使得钻孔中孔壁稳定不再出现掉块、坍塌现象，同时因地面循环系统的改进和振动筛的使用，从孔外开始减少冲洗液中的含砂量，使得孔内岩粉的快速沉降现象也得到了有效地预防，避免了埋钻事故的发生，施工得以顺利完成。