复杂地层深部找矿钻探技术研究

2021-11-29汲广帅

中国金属通报 2021年8期

汲广帅

（山东省地质矿产勘查开发局第七地质大队，山东临沂 276002）

复杂地层中进行深部岩心钻探与浅一中深部的岩心钻探工程的区别很大。应对复杂深部钻探的关键技术是选择配套的钻探设备，采用合理的孔身结构、适合地层的泥浆冲洗液、规范的钻探操作方法、孔内复杂情况正确处理措施。这些技术措施可以最大限度地降低孔内复杂情况对钻探施工的影响，优质高效地完成钻探施工[1]。

1 国内深部钻探技术现状

随着我国经济持续高速增长，尤其是进入21世纪后，我国资源需求日益加大，矿产资源的开发强度亦逐年加大，一大批经多年开采的老矿山面临着浅部资源枯竭，地质勘探工作不断向深部推进，深部钻探需求呈上升趋势，同时钻探工作量逐年增加，国内主要地勘单位近年来完成固体矿产岩心钻探工作总量见表1所示。

目前国内钻探生产深部施工钻机仍然以国产液压立轴式钻机为主。泥浆循环系统通常配BW250/BW300三缸往复泵，一般不配备固控系统设备。用于深部钻探的主流钻机型号为上世纪八十年代开始普及，之后不断升级改进的XY系列钻机，如：XY-4, XY-5, XY-6, XY-8等（图1）。立轴钻机外形大同小异，具结构紧凑、布局合理、维修方便，操作安全可靠的优点。但是，该类型钻机立轴行程短，一般只有0. 5-1. 0m，正常钻进一个回次中要倒杆4-5次，易造成岩心断裂，增加岩心堵塞、磨耗机率，岩心采取质量必然有所降低，钻进效率亦很难提高，在复杂地层深部钻进中影响尤为明显[2]。

2 复杂地层深部找矿钻探技术

2.1 绳索取心钻进技术

绳索取心钻进是指在取心钻进过程中，当岩心充满岩心管时，不需提起钻杆柱，而是以钻杆柱内通孔为通道，采用绳索和专用打捞工具，把钻进过程中贮存在内岩心管内的岩心提升到地面的取心钻进方法。由于绳索取心方法不需要将钻杆柱提升到地面，所以极大地减少了起下钻时间。在常规提钻金刚石岩心钻进过程中，升降钻具工序约占全部生产时间的30%~40%，随钻孔加深起下钻辅助比例增加，而且机械化程度低，劳动强度大。为了增加纯钻进时间，提高钻进效率，深部岩心钻探多采用绳索取心钻进。绳索取心钻进具有以下优点：钻进效率高、岩心采取率高、钻头寿命长、安全性高、劳动强度低和钻探成本低等优点。本矿区钻孔深度多超过800m，所以都采用绳索取心钻进方法。

钻探工程施工前期，密切注意所选用的钻头的使用情况，尤其注意钻头的钻进时效和寿命。然后根据使用情况进行分析总结，在此基础上，进行钻头类型优选，调整原设计采用的钻头。经该矿区长期钻头使用情况，最终优选出较好满足该矿区地层条件的钻头，针对不同地层的特点选用不同类型的钻头。绳索取心钻具配孕镶或表镶金刚石扩孔器+孕镶金刚石钻头，使用过程中，重点要注意金刚石扩孔器的使用与施工孔段的孔径一致，每次更换金刚石钻头时都必须检查扩孔器外径是否磨损，一旦出现磨损情况应立即更换扩孔器。

2.2 地层压力预测技术

2.2.1 地层压力分析

地层压力即地应力可理解为地下某深度处的岩石受到的周围岩体对它的挤压力而产生的内应力效应，地层压力变化是导致孔内情况复杂化的关键因素。形成地应力的因素极为复杂，它是随时间和空间变化的。主要产生原因为：上覆岩体的自重、板块边界的挤压、地R热对流、地质构造运动、地球旋转、岩浆侵入、地温梯度的不均匀性和地下水的压力梯度等。

对于钻探工程，所涉及的地应力研究属于局部性的地应力，其应力来源可归结为岩体的自重和地质构造运动产生的构造应力，主要以两种形式存在于岩石中：一部分是弹性能形式，二是在地层中处于自我平衡以冻结形式保存。

2.2.2 地层压力预测

预测地层结构和地层压力分部情况有助于采用合适的钻探工艺和泥浆工艺以有效维持孔内压力平衡，提高钻探作业效率并防范孔壁坍塌等钻孔事故发生。多年来，地层压力预测在石油钻探行业得到了较为广泛的应用，而在小口径岩心勘探领域，由于泥浆泵性能及岩心钻探操作规程等原因，一直没有得到普遍使用地层压力即地应力可理解为地下某深度处的岩石受到的周围岩体对它的挤压力而产生的内应力效应，地层压力变化是导致孔内情况复杂化的关键因素。形成地应力的因素极为复杂，它是随时间和空间变化的。

地层压力预测由钻前预测、随钻预测和钻后预测。岩心钻探压力预测与石油钻井相比较更为复杂，钻前预测只能参考临井资料，石油钻进的Dc指数法、岩石强度法等在岩心钻探中无法采用;钻后预测主要是通过测井数据进行评价，在岩心钻探中无法实施。所以岩心钻探压力预测主要是随钻预测。根据钻探施工实践，在有条件的时候，可进行破裂压力试验进行压力预测，包括：漏失试验法和密度变化法。

2.3 深部复杂地层泥浆技术

2.3.1 泥浆制备

泥浆配制工艺按照分散、增稠、增粘的顺序，膨润土、Pac R和Pac L必须预水解处理另外存放备用。预水解时间：膨润土>3}-5h,PAC类材料预水解时间>8h0加料使用固定的计量器具，加量必须准确执行泥浆设计方案。

泥浆配制应专人负责。新泥浆搅拌顺序：水一纯碱，氯化钾搅拌lOmin一PACR搅拌20 ^-30min（视气温、水温而定）一预水解的膨润土（需要时加入）一缓慢加入CR650或者Quick Trol（视需要加入）一测量泥浆性能一根据泥浆测定结果微调泥浆性能达到设计指标一放入泥浆池备用。

2.3.2 泥浆维护

定时测量并纪录泥浆性能，孔深超过1000m后，每h纪录一次泥浆的密度和粘度（入口和出口），每班纪录一次失水量、泥饼质量和含砂量。失水泥饼应保留备查。孔内返回的泥浆应排入沉淀池，根据性能测定经固控处理后，达到设计泥浆指标的才能排入泥浆池重新使用。达不到性能指标的泥浆泵入搅拌桶重新调配后使用。

2.3.3 泥浆操作

钻进中遇阻、扭矩急剧升高或扭矩表指针跳动大、钻机负荷突然增大等非正常情况发生时加密测量泥浆性能。当班班长发现因泥浆性能不适而引起的非正常现象，首先将钻头起至安全位置，保持循环，及时报告上级，得到指令后按照指令决定进行泥浆性能的调整。如果非正常现象情况紧急，当班班长可自行决定先起钻，然后汇报。钻进中随时观察地层变化情况，如果认为需要采取预防性调整泥浆时，应立即报告情况，并按决定尽快进行处理。

2.3.4 钻进过程泥浆监测

在世界很多地方，矿产勘探绳索取心的钻孔深度已经超过了4000m。深部和超深部钻探情况下，钻井液的选配和控制尤其需要得到重视。在南非，超深部钻探配置钻井液经常用的一个方法就是在水基钻井液中添加化学配方，以调整流变性、失水性、酸碱可控性等，同时有效应对一些复杂的问题，如：循环断流、坍塌、缩径等。对于膨胀性地层引起的缩颈问题，可以在钻井液中添加膨胀抑制剂进行解决。