贵州省开阳矿业整装项目超深孔钻进实践

夏建湘

（湖南省地质矿产勘查开发局四〇八队，湖南 郴州 423000）

开阳磷矿拟投入钻探进尺5.8万米，设计孔深在900—2000米之间。整装勘查区位于贵州省中部，行政区划隶属于贵州省开阳县、息烽县和瓮安县。ZK309孔，孔深1830.18米，位于贵州省开阳县冯三镇四坪村瓦厂林组，属高原中山侵蚀、溶蚀地形地貌，地形切割中等，最高海拔约1713米，最低海拔约1073m，区内植被覆盖率较高。属长江流域乌江水系清水河上游，水系较发育。年平均气温12.8℃。年平均降雨量1419.51mm。

1 钻进施工过程中存在的主要困难

钻探工期紧，工作量大，大体要求在1年时间内完成5万米钻探工作量。这就要求尽可能的提高钻进效率，避免报废工作量。

地层复杂，节理、裂隙及溶蚀孔洞发育、构造断裂带发育、岩石破碎、存在钻进全过程中冲洗液漏失问题。

岩性组合复杂，风化带、蚀变带、构造破碎带、岩石软硬不匀，结构松散，局部存在断层泥，水敏性地层缩径、垮塌，施工中存在钻进困难，孔壁不稳，易发生掉块、坍塌、缩径、漏失等严重影响钻进安全的孔内事故，以往施工中发生多起因坍塌而报废钻孔的事故。

下部灰质粘土岩、砂屑磷块岩、粘土岩、白云岩断裂带易发生堵芯、憋泵、回次进尺少、钻进效率低、取芯困难等问题。

2 ZK309深孔钻探施工情况及钻进处理

2.1 开孔前准备

平整场地时为保证钻机坐稳坐牢，对塔脚地基进行了加固，避免底盘不稳导致孔斜和钻塔倾覆事故，并对施工场地进行了水泥硬化。泥浆池尺寸为3m×2m×1.5m，挖筑时严格按尺寸数字施工，并保持方正，便于在以后施工过程中计算和观察泥浆的消耗量。两个沉淀池为2m×2m×1.5m.循环槽长度15m，槽高30mm,宽32mm稍大于平头铲宽度，便于用平头铲清除岩屑。整个循环系统均搭好雨棚，方便泥浆材料的存放、保管和杜绝雨水流进循环系统。钻机安装周正、稳固，确保天车、立轴、孔口中心三点成一条直线，场内设备分布合理、适用，安全设施齐全，于2013年10月8日开孔。

2.2 上部地层（151m以浅）的钻进过程

开孔钻遇覆盖层主要为松散沉积地层，结构松散，胶结性较差。采用优质低固相泥浆护壁钻进，泥浆配比为：水1m³+低粘增效粉5%+高粘度羚甲基纤维素0.5%+广谱护壁剂0.5%+聚丙烯酸钾0.3%。该泥浆性能：粘度26s，密度1.05g/ cm³，失水量9ml/30min，使用效果好，钻进顺利，未出现漏水、孔壁不稳的情况，钻至16m开始见白云岩基岩，再继续钻进至30m位置遇完整岩心，下入第一层Ф127mm套管30m.

然后换用Ф110mm普通金刚石钻具继续钻进，钻进过程中遇白云岩、灰岩漏失，并伴有掉块现象，考虑到Ф110mm金刚石单管钻具钻进效率不高，工人劳动强度大，取芯困难，单管钻具强度有限等因素，钻至51m岩心完整时，下入第二层Ф108mm活动技术套管，考虑到技术套管有加深的可能，为确保活动套管顺利起拔，在下入活动技术套管时采用了“披衣穿袜”式的处理措施，用废机油和黄油等材料混合的自制润滑剂涂满套管表面，以便于起拔和加强密封效果，将套管最下端0.5m范围内缠绕一层干海带，外部用麻布缠紧，用来防止岩粉进入活动套管间隙内，套管底部也一同包起，防止下入套管过程中干海带和麻布向上滑动，影响底部密封效果，麻布外层也涂上自制润滑剂。经过“披衣穿袜”式的处理措施处理后，顺利的下入了Ф108mm活动技术套管51m。

然后换Ф95mm绳索取芯钻进工艺继续钻进，钻进过程中遇白云岩、砂岩、灰岩破碎、漏水，随钻堵漏无效，至150m深位置时钻孔全漏失，穿过该破碎、漏水层至151m位置时，起拔活动套管，起拔过程十分顺利，证明采用的“披衣穿袜”式处理措施有效，接着换用Ф110mm钻具带导向扩孔至151m后，重新下入第二层Ф108mm技术套管共计151m。

2.3 Ф95mm孔径绳索取芯钻进工艺及处理措施

（1）护壁堵漏技术措施

该孔由于存在构造断裂带发育，岩层存在裂隙发育，岩石破碎等复杂情况，钻孔漏水一直是施工过程中重大问题之一，在钻进140—150m孔深段过程中，由于岩心破碎，漏水严重等问题采用水泥封堵过一次，耗时6天，刚开始孔口返水还正常，然后又逐步失返，随着钻杆回转敲打孔壁，掉块、卡钻现象仍有发生，证明这次水泥封堵周期长，效果不理想，造出的水泥孔壁不牢固，不得不在151m位置拔出Ф108mm活动套管，再扩孔至151m后，重新下Ф108mm套管151m。

根据该孔的地质条件和地层特点，经过现场分析漏失现象，总结施工经验，分析认为漏失通道为微裂隙或者裂隙，且裂隙直径不会太大，漏失类型属于渗透性漏失，针对漏失情况研究出一套适合该孔复杂地层钻进的护壁堵漏技术，有效地解决了该孔的护壁堵漏问题。

第一种：观察孔口返浆减少量在1/3内，发生轻微漏失，可在上面泥浆配制方案基础配方另外再加入随钻堵漏剂，具体加量视漏失程度而定（5—15kg/m³）.

绳索取芯液动潜孔锤钻进与传统钻进技术施工效果指标对比表：

第二种：明显观察到孔口返浆迅速减少，减少量在1/2左右，属中等漏失，需添加惰性堵漏材料，具体配方：水1m³+低粘增效粉4%+高粘度羚甲基纤维素0.8%+广谱护壁剂0.3%+聚丙烯酸钾0.2%+高效润滑剂（GLUB）0.5%+锯末、棉絮、纤维类惰性材料2—3%。

第三种：全漏失，该孔共出现全漏失5次，Ф95mm孔径段3次，Ф75mm孔径段2次，采用“高粘堵漏剂压差法”专程堵漏方案均取得明显的堵漏效果。

（2）钻进过程

顺利下入Ф108mm技术套管后，下部岩层仍存在断裂破碎带较多，岩石破碎、裂隙发育、水敏性地层缩径、扩径、坍塌等严重影响孔内安全的施工隐患，为了保证钻进效率，岩心采取率和钻孔垂直度，采用Ф95mm绳索取芯钻进工艺，选用高胎体长寿命的薄壁孕镶金刚石绳索取芯钻头（46/60的HRC30—35的钻头）钻进，采用上面所述的泥浆配比方案和护壁堵漏技术，钻进中虽然还存在漏失和轻微掉块现象，但总体上保持进尺稳定，孔壁稳定，孔底干净。钻进至540m岩心完整，下入第三层Ф89mm活动技术套管540m，所下入的套管采用上面所述的“披衣穿袜”法进行处理后，下入过程安全顺利。

再换用Ф75mm绳索取芯钻进工艺继续钻进。钻进至孔深700m后，开始出现岩粉增多，堵芯憋泵，回次进尺减少，回转阻力增大，钻进效率降低等诸多问题，现场分析认为在砂岩夹粘土岩，钙质粘土岩夹粘土质砂岩断裂带出现坍塌，针对该问题调整泥浆配比方案，具体配比：水1m³+低粘增效粉3%+高粘度羚甲基纤维素0.5%+广谱护壁剂1.5%+聚丙烯酸钾0.5%+高效润滑剂1%。泥浆性能：密度1.03g/ cm³，粘度28s，失水量5ml/30min。调整后的泥浆有效地抑制滤水量，快速稳定造壁，增加破碎地层碎块的胶结能力，对掉块、坍塌现象起到了较好的抑制效果，同时降低摩阻力，提高转速，转速可用650r/min，钻压控制在15KN左右，泵量50—70L/min，在该段钻进过程中孔外出现一次BW—250型泥浆泵轴承损坏的机械故障和孔内连续发生三次断钻杆事故，下入公锥都较顺利捞出段落钻杆，分析认为该处出现垮孔产生“大肚子”，钻穿该层至750m，孔深位置出现完整岩心后，重新起拔Ф89mm活动套管，由于下套管时处理措施有效，540m套管全部顺利拔出。

再换用Ф95mm绳索取芯钻具扩孔至750m孔深位置后，重新下入第三层Ф89mm活动技术套管750m，隔离该破碎坍塌带。

2.4 下部地层（750m以深至终孔）的钻进

在上段钻孔施工中，钻进比较困难，钻屑多且钻渣颗粒粗大，而金刚石绳索取芯钻进钻孔与钻具的环状间隙小，泥浆粘度增大后泵压迅速升高，泵压高造成孔内激动压差大，对孔壁稳定破坏严重，为此，在重新下入Ф89mm套管后，采用将Ф75mm绳索取芯钻头加大到Ф77mm，由于环状间隙的增大，改善了环空流态，降低了泵压，有利于复杂地层钻进保持孔壁稳定，提高钻进效率。同时BW—250型泥浆泵已不能满足要求，更换使用BW—320型泥浆泵。

以往我队曾经多次使用过液动潜孔锤钻进技术，但因对泥浆体系的配制和管理使用未能满足液动潜孔锤使用要求，当时液动潜孔锤质量本身也有不足等原因，在深孔钻进中未能发挥出明显的技术优势。通过对低粘增效粉配制泥浆体系的成功有效运用，对泥浆性能的控制日益成熟，最后决定采用中国地质科学院勘探技术研究所研制的SYZX75型绳索取芯液动潜孔锤钻具钻进下部地层。

液动潜孔锤钻进在碎岩过程中，既有回转方向的回转力，又有轴向方向的冲击力，而这种向下作用的冲击力，强化了钻进规程，加大了钻头破岩速度，有效清除破碎地层岩心的自行卡堵，延长了回次进尺，攻克坚硬致密地层的打滑和防止钻孔弯曲，提高了岩（矿）的采取率，具有钻孔质量好，钻进效率高的巨大优势。

SYZX75型绳索取芯液动锤是由双喷嘴复合液动锤与绳索取芯钻具结合而成的。液动锤采用了容积式冲击工作原理，大幅度地减少了冲程阻力，冲锤行程15—25mm，自由行程5—8mm，工作泵压0.5—2mpa，冲击频率25—40Hz，冲击力10—50J。冲洗液最好使用无固相冲洗液，但因该孔地层复杂，裂隙较多，岩心破碎与软硬互层时常交替出现，为保证钻进顺利，仍采用优质低固相泥浆。同时，采用液动潜孔锤钻进时，泥浆润滑性能也非常关键，对失水量和含砂量的要求更高，泥浆配方：水1m³+低粘增效粉3%+高粘度羚甲基纤维素0.3%+广谱护壁剂1%+聚丙烯酸钾0.3%+高效润滑剂0.5%。泥浆性能：密度1.02g/ cm³，粘度25s，失水量6ml/30min。

绳索取芯液动锤钻进使用的钻压和转速略低于普通绳索取芯金刚石钻进，初压8—10KN，正常钻压控制在10—13KN，转速316—970r/min，由于绳索取芯液动锤钻进时液动锤是靠泥浆泵产生的高压流驱动，工作范围内可根据地层的可钻性调节相应的泵量，在所钻地层条件允许的情况下，采用较大的泵量，一般为50—90L/min，正常泵压在3—4mpa范围内。

使用绳索取芯液动锤钻进以后，加大了对泥浆性能维护力度，更换了更细一级的振动筛筛网，增加了清除岩屑的频率，，每班至少测定一次泥浆性能，根据泥浆使用情况及时调整维护，由于措施得力，液动锤仅小型维修过三次，实现了深部复杂破碎地层钻探生产效率明显提高的效果，于2013年12月26日顺利终孔，终孔孔深1830.18米。

3 总结

ZK309深孔地层复杂，构造断裂带发育、岩层破碎、漏失严重，通过使用低粘增效粉配制的低固相泥浆体系的综合治理实践，顺利解决该孔深部复杂破碎地层的钻进难题。该孔采用的护壁堵漏技术措施工艺简单，实用有效，有力保障了钻孔的顺利施工。绳索取芯液动潜孔锤钻进应用成功，台月效率788.32m，岩心采取率95.16%，实现了钻进效率高，钻孔质量好，岩心采取率高，钻头时效高、寿命长，钻孔垂直度高等技术优势，为今后的深孔复杂地层施工提供了快捷、安全的钻进处理技术，为今后推广使用奠定了坚实的技术支撑。