九江城门山矿区钻探施工难点与对策

2020-03-29罗康杰戈良淼

中国金属通报 2020年18期

罗康杰，戈良淼

（江西有色地质勘查一队，江西鹰潭 335000）

1 矿区地质概况

城门山铜矿矿区钻遇地层岩性自上而下为：第四系表土层、灰岩、花岗闪长斑岩、大理岩化灰岩、白云质灰岩、含铜黄铁矿、石英砂岩，详见表1。主要钻遇地层为灰岩，岩石溶蚀裂隙发育，局部漏失、破碎严重，可钻性在6 ～8级；石英砂岩、含燧石结核灰岩坚硬致密，脆、碎，可钻性在10 级左右；花岗闪长斑岩等强风化带遇水极易分解，松散剥落，钻孔掉块、垮渣、坍塌频繁，可钻性在4 级左右[1]。

2 钻探施工难点

（1）灰岩地层裂隙发育，溶蚀现象明显，溶洞甚至串珠式溶洞极其常见，孔内漏失严重，施工钻孔多为不返水孔，因此堵漏是难题，且溶洞内含有充填物，导致跑斜、断钻、卡钻比较突出。

（2）钻孔超径和缩径问题同时存在。花岗闪长斑岩破碎地层遇水极易掉块坍塌形成“大肚子”，造成泥浆返速低，使岩粉不能有效地被排除，从而在孔底堆积，导致孔底回转阻力大，易造成憋泵憋钻、断钻杆事故或导致加杆困难和埋钻。钻孔缩径则直接导致卡钻[2]。

（3）本矿区地质技术要求终孔时靶区为不得偏离勘探线距10m 范围内，技术要求高，因此防斜纠斜是难题。

（4）燧石结核灰岩、石英砂岩属坚硬打滑地层，进尺慢，时效低，而且该地层软硬不均，易跑斜[3]。

3 钻探工艺

3.1 钻孔结构

根据钻孔设计深度和钻遇地层岩性设计钻孔结构。本矿区钻孔设计最深孔达1185m，采用的钻孔结构为：Φ150mm 口径开孔，钻穿第四系表土层入基岩下Φ146mm 套管,然后改Φ130mm绳索取芯钻具钻进至100m 左右，该层尽可能的穿过溶洞裂隙带，在地层完整处下Φ127mm 套管，换Φ110mm 绳索取芯钻具钻进至250m 左右，该层尽可能穿过强风化破碎带，换Φ95mm绳索取芯钻具钻进，由于灰岩地层变化性大，Φ95mm 口径能尽量施工就多施工，如无法继续施工需换径则在完整地层下Φ89mm 套管，换Φ75mm 口径钻进至终孔。

3.2 钻探设备选型

矿区根据钻孔设计孔深和地层负杂情况来合理选择钻探设备，见表2。

表2 钻探设备型

3.3 钻进技术参数

钻进技术参数的确定受到钻遇岩石的物理力学性质、钻头类型、钻孔直径、孔身结构和深度的影响，依据本矿区实际情况，使用的钻进技术参数见表3。

表3 绳索取芯钻进技术参数

3.4 钻进方法

上部第四系表土层，为保证岩芯采取率，采用无泵硬质合金钻进，入基岩下入孔口管后，换金刚石绳索取芯钻具钻进。但在钻进过程中，钻遇含燧石结核灰岩时，地层硅化不均匀，导致地层软硬不均，极易跑斜；在钻遇溶洞，且溶洞内多含有充填物时，也容易跑斜。由于地质技术要求高，通过控制钻压和大管钻进来防斜的传统方法仍不足以解决问题。在矿区施工过程中已有多个钻孔因跑斜而报废，造成了极大的经济损失。为此矿区引进绳索取心液动潜孔锤钻进方法防斜和螺杆钻具纠斜[4]。

矿区ZKJ5-1 孔施工至300m 时测斜数据显示钻孔已偏离靶区允许范围，在面临报废钻孔的情况下，机台引进螺杆钻具纠斜，在380m 时成功地使钻孔轨迹偏回靶区。纠斜后采用液动潜孔锤钻进方法防斜，与普通绳索取芯钻进，液动潜孔锤采用螺杆马达驱动，由于钻进时钻杆不回转，大大减轻了钻具磨损，降低了损耗，有利于孔壁稳定，对减少孔内事故，提高钻杆寿命都有很大帮助，而且是低钻压钻进，有利于保斜稳斜。此外液动潜孔锤钻进可克服含燧石结核灰岩等坚硬打滑地层，提高机械钻速，解决时效低的问题。

3.5 钻孔冲洗液

矿区钻遇的地层主要是灰岩和强风化的花岗闪长斑岩，岩层的产状陡，部分孔段粘土矿物含量高，水敏性强，强度低，受机械振动影响易碎裂，怕冲蚀。因此矿区采用的钻井液体系主要为无固相和低固相钻井液两类。无固相钻井液体系中主要以聚丙烯酰胺、植物胶、Na-CMC、皂化油为添加剂，低固相泥浆体系主要以优质钠土、纯碱、磺化类产品为添加剂。在取芯完整地层采用无固相钻井液体系即可，在强风化、破碎易坍塌地层则须采用低固相泥浆体系护壁。常规条件下的泥浆性能要求如下：密度1.02g/cm3～1.03g/cm3，滤失量≤15mL/30min，漏斗粘度15s ～20s，含砂量≤0.5%，pH 值8 ～9。

矿区ZKJ6-4 孔开始采用无固相钻井液体系，但在315m 至401m 孔段为极其风化的花岗闪长斑岩。钻孔超径和缩径问题同时存在。斑岩破碎地层遇水掉块坍塌形成“大肚子”，造成泥浆返速低，使岩粉不能有效地被排除，从而在孔底堆积，导致孔底回转阻力大，易造成憋泵憋钻以及加杆困难。在无法继续施工的情况下（孔深为384m）强行变径为Φ75mm，由于未完好封隔斑岩，最终导致钻孔报废。ZKJ6-4 孔重新开孔后吸取教训，改用低固相泥浆体系护壁，配方为：5%钠土+0.5%纯碱+0.5%Na-CMC+0.5%聚丙烯酰胺+2%磺化沥青+2%防塌润滑剂，这种钻井液具有良好的防塌性，强封堵性，强抑制，良好的润滑性。

3.6 护壁堵漏

矿区灰岩地层溶蚀、裂隙发育，每个钻孔均存在严重漏失现象，甚至溶洞性漏失。对于裂隙漏失，常规堵漏方法即可解决，但对于溶洞性漏失，特别是大溶洞和串珠式溶洞，灌水泥等常规堵漏方法就捉襟见肘了。如矿区ZKJ6-6 孔和ZKJ4-6 孔每个孔都有近10 个溶洞，其中3m 以上溶洞达5 个，如若不进行封隔，将存在跑斜、断钻、卡钻等事故的隐患。在此推荐使用中国地质科学院探矿工艺研究所研制的新型堵漏工具—拦截式堵漏工具，它有效的解决了堵漏材料无法在溶洞性漏失通道中堆积、架桥形成有效封堵的难题。拦截式堵漏工艺是将颗粒型或凝固型堵漏材料放入拦截袋中，再将拦截袋送入孔中，颗粒堵漏材料因拦截袋可以有效集结，从而在大裂隙或溶洞中形成架桥进行堵漏；而凝固型材料因拦截袋可以减少孔内水稀释、置换，可有效快速凝结实现封堵[5]。

当然最有效最简单的封堵溶洞的方法是下入套管隔离，但灰岩地层复杂多变，每多下一级套管，钻孔直径就要减小一级，为了保证终孔钻进取心直径能满足地质要求，就须加大孔径级数，其结果是既增加了钻探成本，又增加了施工时间，膨胀套管护壁技术可避免此类情况发生。膨胀管护壁技术是从石油钻井领域的引进的前沿技术，现已研发了地质钻探膨胀波纹管护壁器具及工艺，并已投入应用。通过液控扩孔、送入波纹管、切割和规圆，波纹管膨胀工艺可以彻底解决钻孔内漏失、坍塌、溶洞、缩径等复杂地层钻进的难题，而在裸孔内护壁不损失钻孔直径的特点，可以大大简化井身结构，解决因地层复杂套管层次不足时导致钻孔报废的问题[6,7]。