陕西秦岭银洞湾—张子坪矿区复杂地层钻进工艺探讨

郭保铎，张 波，张 涛

(西安地质矿产勘查开发院，陕西西安710100)

预查区位于秦岭山脉南部中段，行政区划属于陕西省商洛市镇安县东川镇及安康市宁陕县金川镇管辖。地处秦岭南麓，临近分水岭地段，区内沟溪发育，切割较深，地形陡直且高差大。石灰岩地貌区在山坡及山顶基岩裸露程度良好，基岩上形成厚5～25cm的地表腐殖质层；而在沟谷两侧至山脚基岩裸露程度较差，腐殖层厚10～30cm。花岗岩地貌区整体基岩裸露程度较差，岩石露头仅在山坡、山顶和局部冲沟可见，残坡积层厚10～50cm。岩石风化以化学风化、生物风化为主，物理风化较弱。主要山脊为八盘山，近北东—南西展布，形成北高难低的驼背状斜坡地形。区内海拔高程一般在800～1900m，最高处九龙顶，海拔标高1994.4m，最低处东川处东川河，海拔标高775m，比高400～500m。

矿区地层复杂，地层破碎、裂隙或溶洞发育、漏失严重，钻孔坍塌时有发生，长期以来一直存在效率低、钻探施工困难、事故率高的困扰。

1 本矿区钻探常见问题

本矿区钻探施工主要采取金刚石绳索取芯钻进，以清水或聚合物泥浆护壁，堵漏通常采用灌锯末压浆堵漏，但由于地层裂隙发育，岩石破碎，导致钻孔漏失非常严重，粘土消耗量非常大，纯钻时间少、效率低；施工中钻孔经常发生坍塌、掉块，孔壁很不稳定，既影响施工进度，又使钻探成本增加。地层石英脉常见，常出现钻头难以很好出刃，钻头打滑严重，进尺缓慢。

2 本区设备选型

本矿区的孔深一般700m以浅，故选用XY-44型岩芯钻机，泥浆泵选用BW 250型泥浆泵，钻塔选用13.5m四角钻塔，JS-1000绳索取芯绞车，测斜仪器选用XP-2A。

3 钻探工艺

本矿区采取回转钻进，单管取芯与金刚石绳索取芯相结合的工艺。

3.1 钻具选择及组合

3.1.1 单管取芯钻具

开孔：Ø130mm口径：主动钻杆+转换接头+Ø60mm钻杆+单管钻具+Ø130mm孕镶金刚石钻头；

Ø110mm口径：主动钻杆+转换接头+Ø60mm钻杆+单管钻具+Ø110mm孕镶金刚石钻头。

3.1.2 绳索取芯钻具

备用口径选择S95绳索钻具组合：主动钻杆+变径接头+Ø89mm绳索取芯钻杆+Ø89mm绳索取芯钻具+Ø95mm孕镶金刚石钻头；

岩矿层取芯用S75绳索钻具组合：主动钻杆+变径接头+Ø73mm绳索取芯钻杆+Ø73mm绳索取芯钻具+Ø75mm孕镶金刚石钻头。

3.2 孔身及套管结构

根据该区地质设计要求，对于设计深度较浅的钻孔，采用Ø110mm口径开孔并下好Ø108mm套管，用Ø75mm口径钻进至终孔。

深孔或地层复杂时，应该考虑加大一级开孔直径，采用Ø130mm口径开孔并下好Ø127mm的孔口管。后采用Ø110m口径钻进至完整地层并下Ø108mm套管。预留Ø95mm口径，用Ø75mm口径钻进至终孔。

3.3 金刚石钻头

绳索取芯金刚石钻头外径选择范围为：75～77mm，唇面为阶梯或平面型，胎体硬度范围HRC5～42，粒度范围：46～60目，浓度 100%，胎体高度9～11mm，金刚石扩孔器的直径比钻头直径大0.5mm，仅使用下扩孔器，起扩孔、修孔作用。

根据钻孔所遇地层岩石的可钻性、研磨性和破碎程度等情况，参照有关规程推荐的金刚石钻头选用标准，确定使用孕镶金刚石钻头，其主要技术参数应符合如下要求：

（1）粒度。孕镶钻头使用人造金刚石粒度取决于所钻岩性。由于钻孔普遍为中硬地层，可钻性在7～9级左右，粒度选取在50目左右。

（2）金刚石的浓度。选择金刚石的浓度要依据所钻岩性、金刚石的品级和粒度。即岩石越坚硬，岩石质量越好，金刚石粒度越细，浓度宜低，对于该段地层金刚石合适浓度选取为100%，即金刚石体积占胎体工作层体积的1/4。

（3）钻头的唇面形状。孕镶金刚石钻头的唇面形状比较简单，多选择为平底形。但在钻进特殊地层时要选择有针对性的唇面形式。

（4）钻头的水口与水路。对孕镶金刚石钻头而言，因为它的金刚石出刃非常小，故它的主水路不是钻头唇面与孔低间隙，而是水口。用于冷却与排粉的水流主要通过水口与水槽。因此，孕镶钻头往往选择成多水口、小水口，这样对于防止烧钻有利。

3.4 各地层的钻进参数

开孔采用Ø110mm或Ø130mm金刚石单管钻进，钻遇较为完整岩石，实际钻进参数基本按设计中的进行。详见表1。

表1 钻进参数表

钻进坚硬、强研磨性地层，裂隙破碎地层及软硬差别大互层地层，产状陡易孔斜地层时，应降低转速，以减少钻具振动，延长钻头寿命，提高岩矿芯的采取率，防止孔斜。

4 冲洗液设计

根据现场实际情况，将第四纪地层上部与基岩地层区别对待，冲洗液技术如下：

（1）第四纪地层，部分钻孔覆盖层为大块坡积物，施工该类地层时，成孔是关键，可用水泥凝结的方法将坡积物固结起来然后再钻进。对于既漏又塌的地层，可用水泥加速凝剂搓球，捣实后再注浆固结，然再透孔成孔。

配方：水+膨润土3%～5%+0.2%纯碱+CMC0.2%～0.5%；

性能指标：漏斗粘度28s，比重1.1g/cm3，pH值9～11。

（2）基岩地层，在孔壁稳定无坍塌、掉块的情况下，尽量采用无固相冲洗液钻进；当孔壁坍塌、掉块时，采用PAM低固相泥浆钻进；加长泥浆循环系统长度和沉淀池数量，经常清除岩粉；控制泥浆中粘度粉加量，尽量使用化学处理剂。

无固相冲洗液配方：清水+0.2%CMC+50～150ppm聚丙烯酰胺+润滑剂。其性能指标为：粘度24s，比重1.05g/cm3，pH值9～11。

5 堵漏

5.1 泥浆护壁堵漏

对于轻微渗漏地层，我们选用聚合物泥浆护壁堵漏；大裂隙漏失地层加入大颗粒堵漏剂+惰性材料，从孔口倒入孔底，再使用泥浆泵压入漏失地层；孔内无水位可用黄泥球或水泥球投入孔内、捣实，然后钻开的方式堵漏。

5.2 水泥封堵

对于孔深较为严重漏失地层。我们采用水泥封堵，水灰比0.5，通过现场试验，添加了1.5%～2%速凝剂，将候凝时间控制在8～10h，泥浆泵泵入，通过治理，孔内掉块、漏水得到彻底根治。

6 弱研磨性地层钻进

弱研磨性地层即胶结物与岩石颗粒的硬度差小，多为石英脉、硅质岩一类，这类岩石的特点是石英和长石的含量较高，颗粒小且均匀度好，硅质胶结。

6.1 弱研磨性地层钻进的表现及原因

在此类地层钻进时，常表现为钻进速度急速下降，甚至完全不进尺，这时钻头底唇出刃的金刚石被磨钝，其与岩石表面接触部位形成了光滑的平面，此时胎体中的金刚石无法自锐导致不能及时出刃，使金刚石产生崩刃、脱落和抛光。这是常规钻头在打滑地层中造成打滑的原因。

6.2 解决措施

（1）合理的选择金刚石钻头及钻进工艺参数；对于硬岩打滑地层，我们尽量选择金刚石胎体硬度合适的钻头。

（2）使用浓盐酸对金刚石钻头的胎体进行浸泡软化。

（3）增大金刚石钻进压力和转速。

（4）孔底投砂使钻头出刃。

（5）上述措施对部分硬岩有效，但效果不明显，并且钻头消耗很大，成本较高，小时效率只能提高0.2～0.3m/h。

（6）使用特殊形状胎面的金刚石钻头，如同心环钻头、齿轮钻头等。

7 环保措施

7.1 固体废弃物污染

施工现场的设备设施及物资材料必须规范存放管理。场地设置垃圾池（垃圾桶）及废料堆放区，严禁乱丢乱放垃圾和废物废料。施工废料、生活垃圾等固体废物必须分类管理，回收利用，及时清理，并按相关规定现场处置或外运处理，保持现场干净整洁。

7.2 液体污染控制

施工操作场地、材料物资堆放地等处地面铺设防渗土工布隔离。油料存放地、循环沟、浆液池、垃圾池及厕所坑、槽等易发生渗漏污染的表面必须采用防渗土工布铺垫或采用水泥砂浆进行防渗处理，预防渗漏污染。

钻探施工中出现孔内浆液较严重漏失或涌水现象，必须及时采用环保堵漏材料或下入套管等方法进行封堵，防止钻井液对地下水环境造成污染破坏。钻孔终孔后按照地质设计做好封孔工作，确保封孔质量，以恢复地下水环境或减轻钻孔施工对地下水环境造成的扰动影响。

7.3 气体污染控制

使用符合国家环保要求的汽油、柴油；以汽、柴油为燃料的动力设备必须安装净化装置，尾气达到环保要求方可排放。施工现场严禁燃烧秸秆、衣物等产生烟尘、废气污染的农作物及其他物品。施工现场生活用燃煤必须采用低含硫的优质无烟煤，使用的炉具必须安放排烟管。

8 结论

本区域内的施工除开孔段用单管取芯之外，其他孔段均使用绳索取芯工艺，因此要严格钻具级配，配好钻具间隙，同时要注重冲洗液的现场维护，保证冲洗液的优良性能，采用合理的钻进参数；同时由于本区域位置的独特性，在施工过程中一定要注重环境保护，贯彻既要绿水青山又要金山银山的绿色发展目标。