新疆烏拉根礦區(qū)復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)

喬彥斌

(北京中資環(huán)鉆探有限公司，北京 100012)

新疆烏拉根礦區(qū)復(fù)雜地層繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)

喬彥斌

(北京中資環(huán)鉆探有限公司，北京 100012)

在分析了新疆烏拉根礦區(qū)繩索取心鉆探技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了在調(diào)整鉆頭、鉆具級(jí)配，泥漿應(yīng)用，操作技術(shù)等方面采取的技術(shù)方法，并對(duì)比了鉆探技術(shù)效果。

復(fù)雜地層;繩索取心鉆進(jìn);燒鉆;卡鉆;鉆孔漏失;烏拉根礦區(qū)

1 概述

1.1 烏拉根礦區(qū)地質(zhì)情況

新疆烏拉根礦區(qū)位于塔里木盆地西端、天山南麓與昆侖山北麓兩大山系的結(jié)合部位，屬高山區(qū)，海拔最低處2000 m，最高2547 m。烏拉根盆地北以鹽廠北斷裂為界，南以克孜勒蘇斷裂為界，西至吉根斷裂，東至烏恰縣西15 km處。由于擠壓作用，東西向拉長(zhǎng)，南北向壓縮，東西長(zhǎng)近100 km，南北寬15～30 km，面積大于2000 km2。區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富，主要有銅、鉛鋅、鐵礦、鍶、石油、天然氣、煤和石膏等礦產(chǎn)。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育，主要表現(xiàn)為復(fù)式背向斜構(gòu)造，區(qū)域上斷裂極為發(fā)育，地層復(fù)雜。烏拉根礦區(qū)就位于烏拉根盆地的核心部位，該礦為中新生代典型的淺成低溫?zé)嵋盒豌U鋅礦。

1.2 區(qū)域地質(zhì)勘探情況

該區(qū)域地質(zhì)工作最初始于1941年，20世紀(jì)50年代初，蘇聯(lián)專家在該區(qū)進(jìn)行大規(guī)模地質(zhì)調(diào)查、重磁力普查工作，并對(duì)喀什構(gòu)造進(jìn)行了詳查。后來(lái)國(guó)內(nèi)地質(zhì)人員陸續(xù)做了些基礎(chǔ)地質(zhì)工作。21世紀(jì)初，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展帶來(lái)的對(duì)原材料的迫切需求，該區(qū)域的地質(zhì)勘探工作量逐年增加。但由于2008年的全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)，導(dǎo)致有色金屬產(chǎn)品價(jià)格大跌，地質(zhì)勘探工作大幅減少，隨著2009年下半年金屬礦產(chǎn)品價(jià)格的回升，又掀起了一波地質(zhì)勘探熱潮。該礦區(qū)2011年設(shè)計(jì)鉆探任務(wù)為12000 m，現(xiàn)有6臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工。

2 施工設(shè)備及鉆探工藝概況

施工設(shè)備:我公司使用2臺(tái)YDX－3G型全液壓動(dòng)力頭履帶鉆機(jī);另一公司使用XY－44、XY－5、XY－6型鉆機(jī)等共4臺(tái)，配套BW－250型泥漿泵和6135柴油發(fā)電機(jī)組。鉆機(jī)施工能力:Φ75 mm口徑的鉆進(jìn)深度＞1000 m，而該礦區(qū)設(shè)計(jì)最深孔為570 m，要求Φ75 mm口徑終孔，滿足要求。

鉆探工藝:采用繩索取心鉆進(jìn)工藝:繩索取心鉆具采用國(guó)際通用的Q系列標(biāo)準(zhǔn)鉆具，鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、間隙配合良好，可以較好地保證巖心采取率。根據(jù)項(xiàng)目情況，我們選用了3種口徑的繩索取心鉆具:PQ、HQ和NQ。采用Φ146 mm套管+Φ152 mm合金鉆頭開(kāi)孔，下好Φ146 mm井口管。然后使用PQ鉆具進(jìn)行繩索取心鉆進(jìn)，并根據(jù)地層和孔深設(shè)計(jì)適時(shí)更換下一級(jí)口徑，同時(shí)采用多層套管護(hù)壁。套管采用Φ146、114、89和71 mm口徑，環(huán)狀間隙配合緊密，較好的預(yù)防孔斜和保證鉆孔質(zhì)量。

泥漿:繩索取心鉆進(jìn)時(shí)采用無(wú)固相泥漿，主要添加成分為聚丙烯酰胺、切削膏。其主要性能參數(shù):粘度為20～30 s，密度為1.02～1.08 kg/L，失水量為8～20 mL/30 min，pH值為8～10，固相含量為0。根據(jù)不同地層層位巖性特點(diǎn)，適時(shí)適當(dāng)?shù)馗淖兡酀{性能參數(shù)。

3 鉆探施工中的主要困難和解決方法

3.1 施工中存在的主要問(wèn)題

我方鉆機(jī)于2010年5月25日進(jìn)駐該礦區(qū)，由于礦區(qū)地形陡峭，局部切割劇烈，鉆場(chǎng)道路和鉆場(chǎng)修建困難，耗時(shí)長(zhǎng)，礦區(qū)前期準(zhǔn)備工作不足，停機(jī)待孔至6月12日。在待孔期間，我們?cè)敿?xì)了解了礦區(qū)地層特點(diǎn)，巖石物理特性，前些年鉆探存在的困難及注意事項(xiàng)，并觀察了部分巖心樣品。據(jù)此，我們?cè)谠袦?zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)了相應(yīng)的技術(shù)措施。在3個(gè)多月的鉆探施工中發(fā)現(xiàn)的主要問(wèn)題和預(yù)想基本一致，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下。

3.1.1 泥巖層和石膏層縮徑、燒鉆問(wèn)題

在烏拉根礦區(qū)地層中，含有厚大的泥巖和石膏層位，根據(jù)鉆孔巖心情況，泥巖層0.3～20 m不等，石膏層0.5～26 m不等。該地區(qū)泥巖與石膏的共同特點(diǎn)是遇水膨脹(見(jiàn)圖1)，引起鉆孔縮徑，縮徑后導(dǎo)致鉆桿在孔內(nèi)阻力增大，嚴(yán)重時(shí)卡鉆，縮徑層以下的鉆桿、鉆具無(wú)法提出，造成鉆孔報(bào)廢、管材報(bào)廢等巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于施工用鉆頭主要為孕鑲金剛石鉆頭，鉆遇泥巖時(shí)，泥巴容易將鉆頭水口糊死，以致鉆頭得不到循環(huán)泥漿的冷卻而燒鉆，尤其是在高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)時(shí)，短短十幾秒就能造成嚴(yán)重?zé)@。

圖1 膨脹的泥巖巖心

3.1.2 含礫砂巖和砂礫巖取心困難、掉塊卡鉆問(wèn)題

烏拉根鉛鋅礦的主要含礦層位為一套古新統(tǒng)(以烏拉根組〈E1w〉為代表)，以砂巖、含礫砂巖、砂礫巖、膏鹽層和介殼灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖等巖層為主。其中含礫砂巖、砂礫巖巖層的巖石特點(diǎn)是:膠結(jié)松散，稍遇水就散，而且在取心后放入巖心箱內(nèi)，其本身含的水分喪失后也會(huì)散開(kāi)(見(jiàn)圖2、圖3)。故而對(duì)泥漿性能參數(shù)具有較高的要求，如果泥漿失水量大，則會(huì)將巖心泡散，導(dǎo)致卡簧無(wú)法卡取巖心或者巖心丟失嚴(yán)重。

圖2 散開(kāi)的砂礫巖

圖3 膠結(jié)松散的砂礫巖斷面

同時(shí)，在全孔漏失無(wú)法堵漏，鉆進(jìn)至含礫砂巖、砂礫巖層以下時(shí)，由于泥漿不能上返無(wú)法進(jìn)行護(hù)壁，鉆桿柱轉(zhuǎn)動(dòng)后與孔壁產(chǎn)生摩擦和碰撞，勢(shì)必要使孔壁上松散的碎屑、顆粒等脫落，脫落較多或者有大顆粒，就很容易造成卡鉆事故。

3.1.3 裂隙和溶洞發(fā)育以致泥漿漏失嚴(yán)重問(wèn)題

由于烏拉根礦區(qū)構(gòu)造屬于海相沉積型，生物介殼灰?guī)r、灰?guī)r、白云巖等較為發(fā)育，加之后期地質(zhì)作用改造劇烈，褶皺和斷裂極為發(fā)育，淺層低溫?zé)嵋焊脑欤约暗叵滤挠绊懀诨規(guī)r層中巖石裂隙發(fā)育，裂隙的寬度從1～15 mm不等，取上的巖心自然兩半，裂隙面布滿黃褐色的水銹，并有數(shù)量較多的小溶洞(見(jiàn)圖4、圖5)。裂隙與溶洞的大量存在導(dǎo)致鉆孔泥漿漏失嚴(yán)重。

圖4 寬大的巖石裂隙

圖5 發(fā)育的小溶洞

3.2 施工過(guò)程及所采取的解決方法

3.2.1 解決縮徑、燒鉆問(wèn)題

采用加大鉆頭直徑，并配備加大擴(kuò)孔器，同時(shí)在鉆具外管上增加加大的扶正器。以Φ75 mm口徑為例，正常鉆頭外徑尺寸為75 mm，通過(guò)加大鉆頭外徑，使得外徑達(dá)到Φ76或77 mm，從而預(yù)留出縮徑間隙，延長(zhǎng)縮徑時(shí)間，確保了套管下入孔內(nèi)后與孔壁之間的環(huán)狀間隙，不會(huì)導(dǎo)致套管由于鉆孔縮徑被夾死的情況。同時(shí)，由于有套管作為護(hù)壁支撐，采用下一級(jí)口徑則可以繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。但在縮徑特別嚴(yán)重的地層，難免有套管被夾死不能提出而被遺棄，只能用反絲鉆桿將縮徑層上部沒(méi)有夾死的套管提出。

對(duì)于燒鉆問(wèn)題，主要原因在操作人員的技術(shù)水平上。因此，要求操作班長(zhǎng)在鉆進(jìn)時(shí)一定要集中注意力，時(shí)刻注意鉆機(jī)各儀表盤數(shù)據(jù)、泥漿泵泵壓、鉆探標(biāo)尺反應(yīng)的進(jìn)尺速度，以及鉆柱在孔內(nèi)的聲音變化。出現(xiàn)任何異常現(xiàn)象，包括但不限于儀表盤異常波動(dòng)、泵壓表壓力突然升高、鉆探標(biāo)尺反應(yīng)的進(jìn)尺速度突然加快、鉆柱在孔內(nèi)的聲音發(fā)生突變，都應(yīng)該迅速上拉鉆柱，然后再觀察異常現(xiàn)象是否消失。等各種情況正常后，再緩慢向下鉆進(jìn)。

3.2.2 解決含礫砂巖和砂礫巖層取心問(wèn)題以及掉塊卡鉆問(wèn)題

調(diào)整泥漿性能參數(shù)，主要是增加泥漿粘度和密度，以充分地將巖粉攜帶出孔外，同時(shí)平衡地層壓力，保持孔壁的穩(wěn)定。降低泥漿失水量，防止巖心在鉆進(jìn)時(shí)間內(nèi)被自由水泡散，保持巖心的完整性。同時(shí)，采用較大口徑進(jìn)行鉆進(jìn)，由于巖心直徑較粗，巖心的整體物理力學(xué)性能會(huì)較為穩(wěn)固，也能保持巖心的完整性。

在全孔漏失頂漏鉆進(jìn)的情況下，為防止上部的含礫砂巖、砂礫巖巖層掉塊卡鉆，需要下套管護(hù)壁，或者實(shí)施跟管鉆進(jìn)，以確保孔壁的穩(wěn)定性，保證鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

3.2.3 解決泥漿漏失問(wèn)題

由于裂隙與溶洞的大量存在導(dǎo)致鉆孔泥漿漏失嚴(yán)重。在該礦區(qū)，我們針對(duì)鉆孔漏失問(wèn)題的原則是:小漏則堵，大漏則護(hù)，堵不住并沒(méi)法護(hù)就頂漏鉆進(jìn)。具體為:針對(duì)較小的漏失情況，使用鋸末、橡膠粒、棉籽殼、駱駝等牲畜糞等與高分子量的聚丙烯酰胺攪拌粘稠，進(jìn)行堵漏，效果非常明顯。針對(duì)較大的漏失情況，則采用套管護(hù)壁，在熟悉了礦區(qū)地層后，一般都在穿過(guò)漏失層后10 m左右，下入套管，然后換下一級(jí)口徑進(jìn)行鉆進(jìn)。嚴(yán)重的時(shí)候采用跟管鉆進(jìn)方法，但跟管鉆進(jìn)較為繁瑣，而且耽誤時(shí)間，一般不采用。由于使用水泥封閉方法耗時(shí)太長(zhǎng)，而且容易出事故，故沒(méi)有考慮使用。在堵漏沒(méi)有效果、套管又無(wú)法跟進(jìn)的情況下，只能進(jìn)行頂漏鉆進(jìn)。由于該礦區(qū)巖石總體較軟，巖石可鉆性超過(guò)6級(jí)的巖層并不多，故花時(shí)間和財(cái)力進(jìn)行堵漏不如直接頂漏快速鉆進(jìn)效果好。

頂漏鉆進(jìn)中，就要求操作班長(zhǎng)要有豐富的經(jīng)驗(yàn)，在施工中要嚴(yán)格控制操作程序，否則會(huì)造成井內(nèi)事故。

4 鉆探技術(shù)效果

通過(guò)采取以上方法和措施，在我方已經(jīng)鉆進(jìn)完成的6個(gè)鉆孔中取得了明顯效果:臺(tái)月效率556.23～898.33 m，平均730.43 m;小時(shí)效率1.02～1.78 m，平均1.42 m;純鉆時(shí)間利用率57.67%～84.54%，平均70.82%。詳細(xì)鉆孔情況及效果見(jiàn)表1。

表1 新疆烏拉根礦區(qū)鉆探技術(shù)效果

另一公司4臺(tái)鉆機(jī)鉆進(jìn)情況:1號(hào)鉆機(jī)在SZK24－2鉆孔于240 m處燒鉆，處理40余天未果，移孔重新開(kāi)鉆;2號(hào)機(jī)在SZK5－3鉆孔于近300 m處燒鉆，處理事故過(guò)程中埋鉆，造成“鐵眼”，處理10余日未果，移孔重新開(kāi)鉆;3號(hào)機(jī)鉆進(jìn)基本順利，歷時(shí)42天完成SZK40－2鉆孔，孔深427 m，但時(shí)效僅0.42 m;4號(hào)機(jī)鉆進(jìn)水文鉆孔，不在此做對(duì)比。

通過(guò)對(duì)比，說(shuō)明我們采用的技術(shù)措施收到了良好的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

在新疆烏拉根地區(qū)的繩索取心鉆探中，采用常規(guī)規(guī)格的鉆頭、常規(guī)材料的泥漿，孔內(nèi)事故率高、風(fēng)險(xiǎn)高、成本高，而用目前的這套技術(shù)參數(shù)和工藝方法，效果非常顯著。大大降低了孔內(nèi)事故率，保證了很高的巖礦心采取率，降低了堵漏成本，同時(shí)縮短了堵漏時(shí)間，從而大大提高了鉆進(jìn)效率，使得施工成本和風(fēng)險(xiǎn)大大減少。因此該方法是很值得在類似地區(qū)進(jìn)行推廣的一種有效方法。

［1］彭一江，祁永生，趙讓乾，等.新疆北部煤田勘探低成本堵漏技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006，33(4):53－54.

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［5］湯鳳林.巖心鉆探學(xué)［M］.湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1991.

Wire-line Coring Drilling Technology in Complex Formation in Xinjiang Wulagen Mining Area

QIAO Yan-bin (Beijing Sinodrill Co.，Ltd.，Beijing 100012，China)

Based on the analysis on technical difficulties in wire-line coring drilling in Xinjiang Wulagen mining area，the paper introduced the technical methods in bit adjusting，drilling tool grading，mud application and operation technique，and the drilling effects were compared.

complex formation;wire-line core drilling;bit burnt;drill rod sticking;loss of circulation;Wulagen mining area

P634.5

A

1672－7428(2011)11－0018－03

2011－07－22;

2011－11－08

喬彥斌(1984－)，男(漢族)，陜西人，北京中資環(huán)鉆探有限公司工程師，勘查技術(shù)與工程專業(yè)，從事探礦工程技術(shù)和相關(guān)管理工作，北京市朝陽(yáng)區(qū)安外北苑五號(hào)院四區(qū)北地大廈一層，sinoeric@126.com。