内蒙古格鲁其堆山矿区复杂地层钻探施工方法

高德程 沈昊林

（1.中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心；2.中国消防救援学院）

内蒙古格鲁其堆山矿区位于内蒙古额尔古纳市境内，中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心从2013年7月开始在该区进行多金属普查工作，主要是利用钻探工程对矿带进行控制，大致查明矿体的赋存状态，实现找矿目标。

1 概 述

1.1 基本情况

工作区位于内蒙古兴安地槽褶皱系，额尔古纳兴凯地槽褶皱带的中段，以得尔布干断裂为界，南东与喜桂图旗中华力西地槽褶皱带相邻，成矿条件有利。区内构造主要为NE向构造，其次为NW、EW、SN向构造，以褶皱、断层为主，呈现多期叠加特征。NE向断裂有额尔古纳大断裂、哈乌尔大断裂、地营子大断裂、627 m高地北东向正断层；NW向断裂为589 m高程点正断层；EW向断裂为616 m高程点断层；SN向断裂为628 m高地正断层。工作区出露地层依次为新元古界、志留系、石炭系、白垩系、第四系，主要岩性为变质砂岩、板岩、大理岩、白云石大理岩，岩层局部破碎强烈，为致密状硅化大理岩、硅化砂岩，特别是浅部（100 m）氧化程度高。受断裂构造影响，钻遇破碎带井壁易发生坍塌掉块；大理岩、板岩层理发育，易发生冲洗液漏失；碳酸盐地层存在溶洞，会造成冲洗液严重漏失以及孔内坍塌，施工难度极大。

几年来，几家钻探施工单位在该区域进行施工，都因水源较远（5～6 km）、钻孔漏失处理不当，造成施工缓慢或废孔，而放弃施工。中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心自施工以来，总结了前人的工作经验教训，深入分析产生问题的原因，制定了完备的应对措施，有效解决钻进难题，顺利完成了施工任务。

1.2 施工难点

工作区内地层受多期构造的叠加影响，断层、节理发育，岩石结构破碎，且碳酸盐地层发育有溶洞，钻进过程中冲洗液漏失严重，孔壁不稳定，经常发生卡钻、埋钻、烧钻及钻杆折断等孔内事故，处理事故难度极大，严重影响施工进度和工程质量。2015年施工ZK0215-3孔，曾在216-219 m段遇变质砂岩破碎带，孔壁坍塌发生卡钻事故，连续处理7 d才解决问题；2016年施工ZK1116-2孔，在258～261 m孔段，钻遇溶洞，全孔漏失，耗时11 d处理完。同时，施工用水非常紧张，离工作区最近的河流为额尔古纳河，只有个别孔位距离河流2～3 km，大部分孔位距离河流在5～8 km，有些孔位需要设立2～3级泵站才能实现供水，大部分孔位还需要用车拉水施工，成本较高。因此，解决堵漏问题是本区的施工重点和难点。

2 钻探设备及钻孔结构选择

2.1 钻机及钻具选取

鉴于矿区设计钻孔孔深在200～600 m，钻孔倾角为60°～80°，选用YDX-3L型全液压履带式地表取心钻机，该钻机的所有功能均为液压驱动，钻塔长度为9 m，最大钻进角度为45°，纵向滑移距离为1 200 mm，操作方便，控制精准，取心率高，满足施工需要。钻具采用单管薄壁金刚石钻具和金刚石绳索取心钻具［1］；选用BW-125型泥浆泵向机台泵送钻探用水。

2.2 钻杆及钻头选取

根据格鲁其堆山矿区地质概况和以往在该区工作的经验，钻杆使用镦粗钻杆，金刚石钻头选用孕镶绳索取心梯齿型钻头和平底型钻头（具体参数见表1），扩孔器选择外径78 mm（公称直径75 mm）孕镶绳索取心金刚石扩孔器。

2.3 钻孔结构选取

根据矿区钻遇岩层可钻性在7～10级、耐磨性中等至较强、大部分完整的特征，钻孔采用二级套管三级成孔工艺［2］，将钻孔钻进口径设计为三级：一级ϕ110 mm，二级ϕ95 mm，三级ϕ75 mm。采用ϕ110 mm金刚石钻进开孔，至稳定岩层后，下入ϕ108 mm套管；然后采用ϕ95 mm金刚石绳索钻进下入ϕ89 mm套管，然后采用ϕ75 mm金刚石绳索取心钻进方法直至终孔。

3 钻探施工方法

3.1 钻进及护壁方法

3.1.1 不同孔段钻进技术要求

（1）采用ϕ110 mm普通金刚石钻头开孔，选用钻头壁厚10 mm，满足开孔需要。开孔时采用细分散泥浆进行护壁［3］，由于第四系覆盖层不稳定，采用细分散泥浆可以形成较好的一层膜。细分散泥浆是由白泥和火碱配置而成，配备1 m3的细分散泥浆需要125～150 kg白泥，4～5 kg火碱，用搅拌机充分进行搅拌，通常提前24 h搅拌，在开孔时再次搅拌均匀才能开始使用。

在开孔钻进时，第四系土层选用3～5 kN钻压进行钻进，钻进到基岩时通常选用5～7 kN钻压进行正常钻进，遇到裂隙或破碎带时应降低压力至正常压力的20%～30%。当钻头在土层中钻进时，可选用2速或3速进行钻进，当钻进到破碎带或基岩时，通常选用1速钻进，在第四系地层中钻进时不能采用过大的泵量，以免对孔壁造成冲刷，防止钻孔坍塌。当钻进速度快，岩粉颗粒粗，应适当增加泵量，在松软、破碎岩层钻进，应减少泵量。开孔时泵量选用见表2。

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（2）金刚石钻进钻压通常选取在8～15 kN，初磨阶段要轻压慢转，待钻头与孔底以及内径同岩心之间磨合后，再提高到正常的钻压和转速值。在正常钻进中，切勿随意变更压力，在确认切削具磨钝后，方可加大钻压。由于是单管钻进取心，基岩地层比较破碎，钻速不易过高，通常选取150～300 rpm，完整地层可以适当加大转速。

（3）在选取泵量时，钻进坚硬、颗粒细的岩层，泵量可小些；钻进软、中硬、颗粒粗的岩层，泵量应该大些。钻进有轻微漏失的岩层，泵量要稍大于正常情况；在转速较高、钻进速度较快、岩层研磨性较强、岩石颗粒较粗时，应选用较大泵量，反之泵量应减小。泵量以冲洗液上返速度计算，金刚石钻进上返速度应大于0.3～0.5 m/s。泵量选用通常在50～70 L/min。

3.1.2 泥浆选取及配方

在钻进的过程中，根据实际经验，较完整地层中钻进时采用无固相冲洗液，其功用是携带岩粉、冷却钻头、保护井壁。由完整地层钻进到漏失地层时，应及时更换冲洗液，采用PAB无固相冲洗液或植物胶无固相冲洗液进行护壁。各种护壁堵漏方法选择及使用管理方法见表3。

注：比重为物质质量与同体积的水质量之比。

3.1.3 注意事项

（1）采用ϕ75 mm孕镶绳索取心金刚石钻头钻进时，钻压应保证相对稳定。根据计算得知，在施工过程中，孔深0～270 m采用加压钻进，加压范围在0～5 mPa，视进尺情况而选定；270 m之后，孔内钻具重量增大，超过岩石抗压强度值，所以采用减压钻进，减压值依据钻具质量和孔内情况，对应理论数据值而确定。钻头压力通常选定在6～11 kN。

（2）钻进中，当遇到中硬完整岩层，宜采用高转速；岩层破碎、裂隙发育、软硬不均，钻进时振动大，则应视破碎程度，适当降低转速；在软岩层中钻进效率很高时，应适当限制转速。孕镶金刚石钻头底唇面的线速度范围是1.5～3.0 m/s，转速通常在400～850 rpm。

（3）当钻进坚硬、颗粒细的岩层，泵量可小些；钻进软、中硬、颗粒粗的岩层，泵量应该大些。钻进裂隙，有轻微漏失的岩层，泵量要稍大于正常情况；在转速较高、钻进速度较快、岩层研磨性较强、岩石颗粒较粗时，应选用较大泵量，反之泵量应减小。泵量以冲洗液上返速度计算，金刚石钻进上返速度应大于0.3～0.5 m/s。泵量通常选定在45～60 L/min。

3.2 堵漏措施

3.2.1 开孔段堵漏

开孔用套管进行隔离，以达到堵漏的效果。下套管时要明确钻孔深度和使用套管的长度，预留出孔口套管高度；先向孔内投入500～700 mm高的白泥球，然后再下入套管，按要求对套管外壁进行润滑和密封，防止施工结束后套管起拔困难。

3.2.2 轻微及中度漏失孔段堵漏

（1）细分散泥浆+PAM堵漏［4］。配制15%左右的膨润土细分散泥浆和1%左右的PAM（非水解聚丙烯酰胺）水溶液，将2种溶液同时或交替倒入孔口，保持孔内液面在孔口位置。两液在孔内发生絮凝反应，絮凝物下落至漏失层位对裂隙进行封堵，当孔口水位稳定时，漏失孔段堵漏成功。

（2）细 分 散 泥 浆+PAM+水 泥 堵 漏［5］。配 制PAM-水泥浆液（水灰比0.8∶1或1∶1）和膨润土水泥浆液，要求PAM（非水解聚丙烯酰胺）的分子量在400～500万，水泥为早强水泥；膨润土水泥浆液中加碱量为土质量的4%～6%。漏失层位较浅时，将两液从孔口按1∶1的比例同时倒入孔内，液面至孔口；漏失层位较深时，将两液分别从钻杆内和孔壁间隙倒入孔内，持续加入直至液面稳定。然后主动钻杆接孔口管，向孔内泵入少量泥浆，将絮凝物压入裂隙中。等待一段时间后下钻透孔，冲洗液不再漏失，堵漏成功。

（3）使用专门配置的堵漏剂。在工作当中，除使用上述2种堵漏剂外，还经常采用803堵漏剂+惰性材料进行堵漏。803堵漏剂是一种比较成熟堵漏材料，在业内被广泛使用。该堵漏剂不受泥浆体系限制，不影响泥浆的流变性能，具有优异的耐温性和防污染性；其改性天然植物高分子具有良好的黏附性，到达漏失层位后能够迅速封堵轻微及中度裂隙，降低冲洗液的滤失量。对于轻微裂隙，其用量为2%左右；对于中度裂隙，其用量为4%左右。使用时在含有803堵漏剂的冲洗液中加入惰性材料（过筛的锯末、麻绳、牛粪）搅拌成黏度相对较大的混合体，通过钻杆倒入孔内，效果更佳。

3.2.3 宽大裂隙的封堵措施

钻进过程中如果遇到宽大裂隙或溶洞，冲洗液会迅速漏失，随钻堵漏的方法已起不到堵漏的作用。可采用泥球堵漏，将50 mm大小的泥球从孔口投入，夯实后扫孔钻进。

3.2.3.1 膨润土球封堵法

将膨润土粉、少量PAM粉加水混拌，制作成50 cm大小的黏土球，防止风干。

将备好的膨润土球投入孔底，高出漏失部位2 m左右即可。制作一个四周焊有小翼片的小径短钻杆，连接在钻杆下面下到黏土球处，低速回转搅拌。一段时间后，黏土球分散于孔内水中，其中的PAM溶解后与黏土形成絮凝物，黏附在孔壁上的裂隙中，起到封堵裂隙的作用。堵漏成功正常钻进后，每次提钻时，一定要保持孔口水位，防止提钻时的抽吸作用破坏裂隙内絮凝物，出现再次漏失。

3.2.3.2 水泥球固结堵漏

膨润土—PAM球由于强度不够，长时间容易被破坏，重新出现漏失，此时可采用水泥球固结堵漏法。

水泥与白泥的比例为1∶1，泥球的大小要均匀，以直径5 cm为宜，风干3 h，使表面硬化。

钻具下入到距孔底1～1.5 m，每次投放水泥球80～100个，每个间隔5 s，每投送2次钻具上提1 m，直至高出漏失层2～3 m停止投放。

下入封闭好的钻具，旋转挤压，将水泥球挤压入裂隙中，起到封堵裂隙的作用。将立轴对准孔口，向孔内灌送冲洗液，如果能够灌满，说明堵漏成功，可继续扫孔钻进。

4 结 语

（1）对于浅部（200 m）以内的漏失地层，可边堵边钻进或顶漏强行通过，用套管隔离，套管下部要进行封堵，做到一劳永逸。

（2）轻微漏失或中等漏失，可用随钻堵漏剂进行堵漏，为了提高堵漏效果，可往浆液中加入惰性充填材料。严重漏失地层可采用水泥球固结法堵漏。

（3）在钻进过程中，应严格控制好泵压、转速、钻压，避免由于冲洗液冲刷和机械振动导致井壁失稳，出现漏失。