宁夏正义关石英岩状砂岩钻探工艺探讨

巫建彰，高金平，刘 雷

（中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队，宁夏 银川 750021）

宁夏硅石矿资源分布广泛，资源量丰富，是宁夏的优势矿种之一。宁夏区内尚有大量的硅石矿资源可进一步勘查开发利用。

宁夏石嘴山市正义关鄂博梁硅石矿详查项目①“宁夏石嘴山市正义关鄂博梁硅石矿详查项目”(文件编号：宁国土字发[2010]209号)。是由中国建筑材料工业地质勘查中心宁夏总队于2010～2011年承担并实施的宁夏第二批地质勘查基金项目，矿区位于贺兰山北段正义关沟南侧，行政区划隶属宁夏石嘴山市惠农区管辖。该项目设计钻探工作量为1 296m/6孔，工作量虽然不大，但是宁夏地区首次在硅石矿区实施钻探工作，矿区矿石中的主要化学成分为SiO2，最高含量为99.66%，最低含量为95.79%，属典型的石英岩状砂岩矿床。

1 矿区地质概述

矿区地层呈单斜层状产出，总体走向为北东—南西向，倾向北西，倾角15～38°。矿区构造简单，次一级褶皱构造不发育，属褶皱构造简单类型；断裂构造较发育，主要有北东向和南北向两组断裂构造构成矿区断裂构造体系，这些断裂构造对矿体产生了程度不同的破坏作用。硅石矿层赋存于元古界长城系黄旗口组上岩性段(Pth2)，岩性以白、浅灰白色中细粒石英岩状砂岩为主，矿石质量稳定，矿层连续性较好，矿石类型简单。

矿区内石英岩状砂岩属沉积性矿床，受区域地质构造作用，裂隙较为发育，应属裂隙性岩石。从岩石力学基本性质来看，石英岩状砂岩属高强度、坚硬、弹脆性岩石，具中等研磨性，在回转钻进条件下可钻性分级为Ⅺ-Ⅻ级。

2 钻探设备、泥浆及堵漏材料

本矿区内所使用的钻机为XY-4型和XY-44型两种，泥浆泵型号为BW150和BW250。

泥浆及堵漏材料为钠土粉、植物胶CT、火碱、腐植酸钾(KHA)、803大裂隙堵漏剂、锯末、石膏粉、黄油等。

3 钻探工程完成情况

本矿区施工条件较差，钻孔所在位置与大型车辆可达位置地形高差100～250m，供水管线长1～2km，钻探用水使用附近煤矿矿坑水。矿区岩层裂隙较发育，所有孔位地层均漏水严重，钻探岩心采取和护壁较为困难，施工和地层条件的恶劣导致本矿区的钻探工程施工进展缓慢。

3.1 前期施工难点和施工情况

矿区内石英岩状砂岩具有坚硬、打滑、破碎三大特点，这些钻探难题给钻探工作造成了极大的困扰。2010年完成钻孔3个，总进尺约490m，平均钻探工作日效率仅为5.35m/d。

针对坚硬、打滑这两个矿区基岩本身力学性质所具钻探难点，钻探队伍最初按照常识简单选用低胎体硬度、粗颗粒金刚石钻头，使用中发现易损坏、易磨损、寿命短。后期使用钻头生产厂家根据矿区岩石选配的钻头，钻进效率和使用寿命有了较大的提高。

本矿区钻探难解决的是因地层破碎产生的相关问题，几乎全部钻孔在使用清水及低固相泥浆钻进时均不返浆，岩心采取率不易保证，钻孔护壁的难度较大。钻孔内掉块和探头石频频出现，由于岩石本身非常坚硬，这些掉块和探头石极难处理。小的掉块掉落在钻杆与孔壁之间，常造成别车或卡钻事故；大的掉块常卡在钻孔半空，致使下钻困难，往往需要用钻具低压慢转进行扫孔，一旦被推至孔底，钻头在上面压不住时掉块会跟随钻头一起转动，难以进尺。探头石多呈活石状态，在钻探施工过程中经常造成下钻困难上钻也困难的情况，下钻时遇阻，钻头将其切掉一部分，提钻时它可能从另一个角度又探出，造成提钻困难或卡钻事故。掉块和探头石反复出现，造成钻探效率很低，严重影响了钻探进度。针对硬岩地层只能用金刚石钻头反复扫孔，造成了大量的人力、时间、钻头和泥浆材料的消耗。据统计，ZK-02号钻孔完成孔深161.14m，仅钻头消耗就达55只。

3.2 后期钻探完成情况

根据前期施工情况，本矿区钻探需解决的问题：一是矿区地层坚硬、打滑，钻头易损；二是钻进钻孔护壁。第一个问题已经有了比较好的解决方案，即：选用适应矿区坚硬、打滑地层的钻头，保证钻进效率；第二个问题的解决就是针对本矿区石英岩状砂岩地层的破碎情况，因其属裂隙较为发育，岩石保持了大岩块状的特点，因此护壁的核心在于防止钻孔漏水和岩块掉落，而不是防止孔壁塌落，基于这样的认识，钻探队伍综合运用套管、泥浆和泥球护壁这几个手段对钻孔进行时时维护，达到了钻探施工顺利有序进行的目的。2011年完成钻孔3个，总进尺约667m，平均钻探工作日效率为11.38m/d；虽然效率仍较低，但基本顺利完成了工作任务。

4 后期钻探工艺及钻探方法

4.1 钻孔结构

优化钻孔结构，避免复杂的钻孔结构带来复杂的孔内事故。钻孔结构基本上是以φ110mm或φ91mm钻头开孔，钻穿第四系或风化层，进入完整基岩2～5m下入孔口套管，用水泥固封；再换φ75mm钻头钻进至终孔。

4.2 钻具

矿区内各钻孔主要使用φ75～φ110绳索取心金刚石单动双管钻具。在本矿区的钻进中，平均岩心采取率在85%以上。

4.3 钻头

在施工过程中，根据本矿区硅石的物理力学特征，参考2010年度的施工经验，主要选用了与该矿区岩性相适配的人造孕镶金刚石钻头，其特点如下：

(1) 金刚石钻头唇面形式：根据岩石坚硬、打滑的特性，主要采用掏槽式、同心圆尖齿形，可以在适当钻压下保证较高的压入力，增加钻头底部与基岩的摩擦阻力，减少打滑造成的切削力损失。

(2) 金刚石品级、粒度、浓度：依据本矿区硅石的硬度和研磨性，选用金刚石品级为D70和D80、粒度30～40目、浓度75%～100%。

(3) 胎体硬度：经过矿区钻探队伍在实践中多次使用比较，在硅石地层使用的金刚石钻头胎体硬度在15～25之间是比较合适的。

4.4 钻进技术参数

绳索取心金刚石钻进：钻压9～12kN，转速400～800r/min，泵量40～90L/min。

钻压过低，金刚石出刃不易切入岩石，会产生打滑；钻压过高，金刚石出刃容易被压碎，使钻头过早报废；孕镶金刚石钻头切削岩石，以磨削为主，在设备能力允许的情况下，尽可能用较高转速，转速太低进尺缓慢，若转速过高容易对孔壁造成破坏；泵量太小排岩粉不利，泵量太大冲刷孔壁，易造成孔壁失稳，选择适当的钻进参数对钻探施工效率至关重要。

4.5 钻孔护壁

鉴于本矿区基岩的特殊性，为防止经常出现的掉块和探头石对钻进工作的影响，必须边钻边护。在后期的钻探施工中，将堵漏及护壁当作钻探的一个工序来做，有效地防止了孔壁掉块和探头石，保障了钻探工作的顺利进行。主要用投泥球法，其具体做法是：每钻进一个回次(一般进尺3m左右)，在停钻取心时，从孔口向钻杆内投入已经制备好的泥球(由优质膨润土+锯末+堵漏剂+聚丙烯酰氨组成，用熬过的黄油与前述干粉材料进行充分搅拌后抟成，直径＜30mm)，投入孔内后合车，不送水，让钻机带动钻具慢速回转并上下反复攒动，每次搅动大约10min，然后开始正常钻进。这种做法能达到两个目的，一是将稠泥挤入孔壁裂隙，堵漏、防止掉块和探头石产出；另一个是将稠泥“糊”在孔壁上起到护壁的作用。加了黄油的泥球具有良好的润滑性，能有效降低钻杆与孔壁的摩擦力。

在钻进中使用了优质膨润土及其他泥浆材料配制的优质较低固相泥浆，有效的维护了孔壁稳定性，这也是本矿区后期钻孔护壁的关键措施。

本矿区后期钻进的另外一项行之有效的措施就是在钻杆外壁涂抹黄油，以减小钻杆和孔壁的摩擦阻力，有效减小孔壁岩石对钻具的磨损，减少了钻具回转对孔壁碎块的扰动，降低了钻机动力损耗，提高了生产效率。

4.6 前后期钻探施工效果比较

针对本矿区地层坚硬、打滑、漏水的特点，前期的钻探施工没有采取有效的钻探工艺和方法，浪费了大量的时间和人力物力，辅助时间占比太高，钻进效率较低。后期，钻探队伍根据地层特点，制定了比较系统的施工方案，从钻探材料准备、钻探工艺、钻孔堵漏护壁几个方面做了比较充分的准备，有效地减少了辅助时间，工作时间得到合理的利用，取得了较高的钻进效率和良好的施工效果。现选择本矿区前、后期施工的各2个钻孔进行钻探效率统计，比较前、后期钻探施工效果(见下表)。

前、后期钻探施工效果比较

5 结语

(1) 选择合理的钻进参数。在岩心钻探施工过程中，应该根据转速调整钻压、泵量等钻进参数。中—坚硬岩石地层主要以磨削为主，在地层条件容许和机械动力足够的情况下，尽可能开比较高的转速，配合适当的钻压、泵量，可以产生较高的生产效率。

(2) 根据地层的物理力学特性选择合适的钻头。因为矿区地层的物理力学特性在深度和钻孔所处位置上会有一定的变化，因此，尽量与地质技术人员沟通，向厂家提供几件比较有代表性的岩石样品，钻头生产厂家会根据客户提供的岩石样品设计生产出适宜矿区地层的钻头，以便能适时调换钻头，这也是保证生产进度的关键因素。

(3) 采取有效的手段解决钻孔护壁的问题。钻孔的稳定性是钻探施工能否正常有序进行的重要因素，选用优质的泥浆材料、配制高性能的泥浆、采用合理的综合堵漏护壁措施，是实现地质勘查岩心钻探安全高效的必要条件。

(4) 据资料及业内人士实践经验，对于坚硬打滑地层，使用液动冲击锤技术可以大幅提高钻进效率，建议试用。