四川平武银厂金矿勘探复杂地层钻进技术

杨福全， 龙海涛

(云南冶金资源股份有限公司，云南 昆明 650000)

四川平武银厂金矿区由于地质构造复杂，褶皱与断裂发育，岩石十分破碎，钻探施工中出现漏失严重、缩径、垮孔、岩心采取率低等一系列难题，导致钻探效率低、成本高、事故频发、钻孔质量差。针对施工难题，通过在生产实践中的不断摸索，结合矿区地层条件，总结了在矿区施工行之有效的施工工艺方法，即使用绳索取心液动锤钻进、高密度低失水泥浆体系、跟管钻进等工艺技术方法，在钻探施工中取得了良好的效果。

1　矿区地质概况

四川银厂金矿区位于后龙门山中段，大地构造上处于扬子准地台西北缘，秦岭褶皱系西段南缘和松潘-甘孜褶皱系东南端的3个一级构造单元的交接地带[1]。由于所处大地构造位置比较复杂，矿区内褶皱、断裂、揉皱、层理、破劈理、节理、断层和断层接触带十分发育。矿区围岩蚀变十分强烈，且泥页岩十分发育，覆盖层岩层主要为强风化的泥质灰岩和板岩，矿体围岩主要有薄层状泥质灰岩、页岩、厚层状泥质灰岩、长石石英杂砂岩、板岩、白云岩及薄、厚层灰岩。

2　钻探施工质量要求

钻孔设计深度200～500 m，倾角54°～71°。终孔口径≮75 mm，方位和倾角每50 m测量一次，且允许弯曲度均为每100 m不大于1°，平均岩心采取率≥90%，近矿围岩和矿心采取率≥95%。岩心采取率要求高。

3　钻探工艺

3.1　钻探设备和机具[2]

根据设计钻孔倾角小的特点，采用适合施工小角度的阿特拉斯C6型全液压动力头钻机和XY-44T塔机一体岩心钻机(见图1)，BW-250型泥浆泵；主要使用无锡中钻地质装备有限公司生产的Q系列钻杆和钻具，其主要规格参数如表1所示。根据技术要求，矿区统一采用BZM-R单点照像测斜仪进行测斜，其主要技术参数：(1)倾角测量范围0°～90°，精度0°～0.25°；(2)方位测量范围0°～360°，精度±0.5°；(3)外径27～35 mm；(4)适用钻孔深度≤4000 m。

图1　施工钻机

3.2　钻孔结构和套管程序

根据矿区地层条件和施工经验，钻孔采用Ø139.7 mm单管开孔，并下入Ø139.7 mm作为孔口管；接着换PQ绳索钻穿覆盖层至基岩后下Ø108 mm套管；换用HQ绳索钻进穿过复杂垮孔、缩径、漏失地层，下入Ø89 mm套管；最后用NQ绳索取心液动锤钻进至终孔。

3.3　护壁与堵漏

3.3.1泥浆工艺

表1　Q系列钻具主要规格参数

岩石完整孔段泥浆配方：采用低固相泥浆，0.5%钠基膨润土+0.015%火碱+0.3%改性泥浆稳定剂+0.4%硝基铁钾泥页岩抑制剂+0.5%羧甲基纤维素+0.4%防卡护壁C型润滑剂+0.05%聚丙烯酰胺。泥浆性能：pH值保持9，密度1.03 g/cm3，漏斗粘度24～26 s。主要考虑泥浆的润滑和保护孔壁稳定性的性能，低固相泥浆有利于绳索取心液动锤的工作，且能够保证钻头的使用寿命。

泥页岩发育、地层不稳定的复杂地层孔段的泥浆工艺在下文做详细介绍。

3.3.2堵漏

由于矿区地层裂隙十分发育，所施工的钻孔均存在不同程度的漏失，现场采用锯末堵漏的方法，具体操作步骤：把锯末和聚丙烯酰胺搅拌成稠糊状，从孔口钻杆投入孔内(图2)，开泵送冲洗液，使锯末随冲洗液的流动充填于裂隙中，顺利返浆液后钻进(图3)，达到堵漏的目的[4]。

图2　现场投入锯末堵漏

4　复杂地层钻进技术

4.1　绳索取心液动锤钻进技术

受地质构造影响，矿区地层岩石极其破碎，施工中岩心易堵塞，回次进尺少，打捞频繁，导致纯钻进时间低，台钻效率低，地层各向异性强，孔斜偏差大。对此，使用了中国地质科学院勘探技术研究所研制的SYZX75型绳索取心式液动锤，在矿区施工中克服了破碎地层岩心堵塞严重、内管打捞频繁的现象，提高了回次进尺和钻进效率，减轻了劳动强度，降低了孔斜[5]。SYZX75型绳索取心式液动锤性能参数[6]为：S75配套绳索钻具，冲锤行程15～25 mm，自由行程5～8 mm，工作泵量60～90 L/min，工作泵压0.5～2.0 MPa，冲击频率25～40 Hz，冲击功10～50 J，长度5200 mm。

图3　堵漏后返浆

4.2　绳索取心液动锤应用效果

4.2.1提高回次进尺

为使试验数据具有对比性，在矿区同一钻孔ZK1905孔进行了普通绳索取心与绳索取心液动锤取心钻进的对比试验，其钻进效果见表2。通过表2的统计数据可以看出，绳索取心液动锤取心钻进平均回次进尺明显高于普通绳索取心钻进，其原因是液动锤工作时产生振动产生解卡作用，防止了钻进破碎地层时岩心堵塞的现象，达到了提高回次进尺的目的[7]。

表2　平武金矿区破碎地层钻进效果对比

4.2.2降低孔内事故

高校作为高等教育基地，作为最高学术火花交流碰撞产生之地，每一个有价值的、具有创新意识的结果都应该被认可和尊重，在这一方面不应分学术科研教师和行政工作者，每个人因岗位不同而创造的价值不同，但是每一个成果都该被尊重，只有这样才能让员工感觉到自身的价值，调动工作的积极性，提高工作效率，从而消除职业倦怠[3]。

平武矿区ZK1905孔采用普通绳索取心钻进时，因地层岩石非常破碎，钻进中钻杆回转阻力极大，出现“憋车”现象，卡钻现场时常发生，导致钻杆折断。使用绳索液动锤后，此种现象得到了较好解决。绳索液动锤采用小规程参数钻进，避免了孔内钻具对不稳定地层的扰动和破坏。此外，绳索液动锤工作产生的振动起到了一定的解卡作用，卡钻事故明显减少。

4.3　高密度低失水泥浆体系的应用

矿区地层构造应力强，泥页岩和断层泥发育(图4)，泥页岩水化膨胀造成钻孔垮塌、缩径，究其原因是地层失稳压力释放，因此必须采用密度较高、低失水泥浆平衡地层压力，实现压力平衡钻进。

图4　泥页岩和断层泥岩心照片

泥浆配方：2.5%钠基膨润土+0.015%火碱+0.5%改性泥浆稳定剂+0.8%硝基铁钾泥页岩抑制剂+0.5%羧甲基纤维素+0.4%防卡C型润滑剂+0.02%聚丙烯酰胺(图5)。

图5　现场搅拌的泥浆

泥浆性能：pH值保持9,密度1.1～1.15 g/cm3,漏斗粘度35～50 s，滤失量<8 mL。该泥浆体系因密度高、失水量低的特点，既能较好地抑制泥页岩的水化膨胀，又能很好地平衡地层压力，实现压力平衡钻进。施工现场可根据地层情况灵活调节改性泥浆稳定剂的加量，调节密度。使用该泥浆体系后，减少了扫孔工作量，降低了劳动强度，减少了垮塌、缩径导致的孔内事故。

4.4　跟管钻进技术

4.4.1跟管原理

针对矿区地层破碎、漏失、掉块、钻孔缩径等施工难题，经过反复研究，采用跟管钻进技术施工。其钻进原理实质上是钻进→扩孔→钻进→扩孔的一个循环过程，在扩孔过程中，不起出孔内的钻杆。能够实现跟管的原理主要如下[8]：(1)采用绳索取心与跟管结合，解决岩心采取问题；(2)套管前端安装跟管钻头，套管柱在钻机的驱动下实现扩孔；(3)采用多层套管跟管，能够解决跟管钻头寿命短的问题。

4.4.2跟管工艺

选择Ø110 mm跟管钻具(Ø108 mm套管、Ø110 mm金刚石跟管钻头)和Ø91 mm跟管钻具(Ø89 mm套管、Ø91 mm跟管钻头)各一套，配合HQ、NQ绳索取心钻具使用，施工流程如下。

(1)使用Ø139.7 mm开孔并作孔口管。

(2)使用PQ钻进施工结束后，下入Ø110 mm跟管钻具。

(3)使用HQ绳索取心钻具正常钻进，当孔内垮塌、缩径等复杂情况出现造成负荷增大时，取出HQ绳索取心钻具，用主动钻杆接上Ø108 mm套管扩孔至HQ钻具施工孔深，换用HQ继续钻进取心，一直重复该过程，直到跟管钻头磨损不进尺或套管扩孔扭矩过大无法继续进行时停止该过程。

(4)NQ绳索取心钻具与Ø91 mm跟管钻具配合使用钻进，与(3)方法相同。

(5)进入孔壁稳定地层采用NQ绳索取心钻具钻进至终孔。

5　经验和体会

针对平武银厂金矿区复杂特殊的地质条件，经过在施工中的不断实践与探索，得到如下复杂地层施工的经验和体会。

(1)采用绳索取心液动锤，能够有效解决破碎取心难、自然造斜强且为上漂的地层施工难题，但必须做好液动锤的维护和泥浆的使用。

(2)对于泥页岩发育、钻孔缩径地层，利用泥浆的高密度平衡地层压力，实现压力平衡钻进。低失水泥浆减轻泥页岩遇水水化作用，保持地层的稳定性，有利于钻进施工。

(3)针对垮塌、破碎、缩径地层，采用跟管钻进使套管实时跟进达到护壁作用。跟管钻进宜采用全液压钻机，因全液压钻机行程长，扩孔过程中相对于立轴钻机倒杆次数少，能够减少对地层的扰动，有助于保持孔壁的稳定。

(4)漏失地层可采用惰性材料(锯末、核桃壳等)堵漏、结合跟管钻进套管护壁，能够达到较好的堵漏效果。