紅星山北鉛鋅礦鉆孔防塌技術方案

刁長河（新疆維吾爾自治區有色地質勘查局704隊　哈密　839000）

紅星山北鉛鋅礦鉆孔防塌技術方案

刁長河
（新疆維吾爾自治區有色地質勘查局704隊哈密839000）

新疆哈密紅星山北鉛鋅礦礦區地層情況復雜，上部為第三系和第四系的風化地層，厚度達20多米，破碎、掉塊，開孔施工難度較大時間長，套管不易下到位，到200多米后的中部孔段又出現長孔段的掉塊與坍塌地層，經常出現卡鉆、斷桿、埋鉆事故以及在破碎孔段巖芯采取率不夠的情況，針對該礦區復雜地層的特點及施工難點，通過研究和在施工現場不斷的實驗，我們采用新的適合該礦區地層情況的鉆孔結構，并總結出了新的沖洗液護壁施工方案，取得了良好的效果，從而解決這一情況。

掉塊坍塌卡鉆斷桿埋鉆沖洗液護壁

1　概況

新疆哈密紅星山北鉛鋅礦，位于哈密以東210km處，該礦工鉆探施工中經常出現卡鉆、斷桿、坍塌、埋鉆事故，為解決該礦區鉆探施工困難的情況，需要不斷地從鉆孔結構和沖洗液的性能及設備選用方面做出調整，同時加強施工中的管理工作，通過實踐和總結，力爭能盡快解決該礦區鉆探施工難的處境，以求順利完成鉆探勘探任務。

2　礦區施工環境及地質情況

紅星山北鉛鋅礦礦區位于新疆哈密市東南直線距離約210km處，行政區劃隸屬哈密市星星峽鎮管轄。從哈密市至工作區依次有312國道及便道相通，礦區距星星峽鎮西約20余千米，距紅柳河車站約60km，區內主要溝谷均可通行汽車，交通較為便利。工作區屬中-低山景觀區，總的地勢北高南低。海拔一般1 800～2 030m，平均1 920m，區內地形有一定程度起伏，但一般坡度較緩。礦區屬典型大陸性氣候，干旱多風，雨水稀少，四季溫差大。有三處泉水，一處是距礦區北西約10余千米處的鉆井泉，另兩處位于礦區內，前者水量大且水質較好，可作為生活用水，后者水量小且水質差，僅可供小規模生產及牲畜飲用。其余生產及生活物資均由哈密市或甘肅省安西縣柳園鎮供應。

礦區內主要是斜長花崗質糜棱巖及大理巖：其中原生斜長石由于應力作用而被擠壓成眼球狀、碎裂狀及透鏡狀等形態，星點狀絹云母化及泥化而使其呈土黃色。原巖應為正常沉積的含泥質的細砂-粉砂級巖石，由于動力重結晶作用而發生變質，其礦物組合及結構都已發生了很大程度的改變，但隱約還可顯示原巖的某些殘留痕跡。該套地層占據了勘區西段1/2千草測區的大部分面積，巖性復雜，由施工情況來看，隱伏斷裂相對發育，在大面積分布的綠泥石石英片巖中穿插了石英片巖、黑云母斜長花崗質糜棱巖、糜棱巖化石英閃長巖等。其原巖為泥質砂巖、粉砂巖類，且含有大量的鈣質及泥質物，經變質作用鈣質物重結晶成方解石，泥質物則變為綠泥石。礦物顆粒邊緣常有裂開、撕裂現象，有絹云母化現象，在礦區中南部地勢較為平坦的地段，形成平坦的戈壁地貌，由灰色洪積礫石層、黃色洪積亞砂土組成第四系地層，產狀近于水平。這類松散破碎地層主要表現松散破碎和硬、脆、碎破碎地層。由較為典型的膠結性很差的砂石和大理巖組成，部分地區存在泥巖、砂巖和礫巖以及部分卵石。在受到鉆具振動碰撞和泥漿沖蝕作用時，鉆孔孔壁易發生掉塊、坍塌、超徑等事故。

3　礦區施工的難點

該礦區上部第四系地層地表風化嚴重，蝕變強烈，遇水剝落坍塌情況嚴重，上部風化及破碎不穩定地層厚度在20m左右，開孔困難同時套管下入艱難。因破碎和掉塊，開孔時要不停地掃孔、擴孔，處理破碎和掉塊時，要采用干鉆干燒的辦法，頻繁地提下鉆，才能將套管順利下入，增大了開孔的時間和難度，又容易出現掉塊發生卡鉆事故。鉆孔中部200m左右地層破碎，巖石顆粒的膠結性較差，遇水剝落，巖石松散坍塌，鉆孔內巖粉增多同時因鉆孔孔徑變大，巖粉不易及時排出，出現快速沉降造成埋鉆事故。鉆孔中孔壁不穩定，時常出現掉塊現象，造成卡鉆事故。同時因為巖石破碎，巖芯采取率也是嚴重不夠。在該礦區前期的鉆探施工中出現進度緩慢，不斷出現報廢孔。因此，如果不能及時采用合理的施工方案，解決這種情況，在以后的鉆進過程中巖粉就會越來越多，地層不斷坍塌，鉆孔孔徑變大，極易出現各種鉆探事故，一旦不能及時處理，就會出現埋鉆事故，如果斷桿出現在鉆孔底部，則事故就極難處理，最后就會造成報廢孔。

該礦區施工過程中的不利因素較多，施工到200多米后，地層情況比較復雜，首先要求沖洗液的配比要合理，沖洗液的性能要穩定、更換要及時，要能保證及時的將巖粉排出，不能產生大量的巖粉；同時要求設備性能穩定，不能出現設備故障，增大停鉆時間也就增大了事故的發生率；還要求鉆進參數合理，要能快速通過該孔段，以減少鉆進時間及鉆進中沖洗液對孔內壁的壓力和破壞，避免鉆孔的坍塌；在操作方面又要求提鉆速度合理，減少孔內沖洗液的抽吸作用；當孔內阻力增大時，鉆桿扭力增大，還要求鉆桿的使用情況良好，避免發生脫扣事故。這些因素一環扣一環，一旦一個環節出現不順利就會造成鉆探事故的發生。

4　鉆孔結構的設計

鉆孔結構設計和選擇直接影響到鉆探效率的提高和施工成本的降低，尤其是在復雜地層區的巖心機械鉆探施工。因此，應充分考慮地質條件、鉆孔深度、終孔直徑、鉆進方法、護孔措施和設備情況，并合理選擇開孔直徑、換徑次數與深度、下套管程序等。根據該礦區的地層特點，設計采用多級成孔的結構方式，主要目地是通過下入不同孔徑的套管，減小下套管的難度，減少開孔時間，提高成孔率。同時通過套管能更好地起到護壁作用。如圖1所示，首先用Ф 110mm開孔，盡可能使鉆進深度超過5 m以上，為后期下一孔徑鉆孔的下套管工作提供有利條件。當鉆進超過5 m左右，掃孔后干燒好，確保Ф108mm的套管能順利下到孔底后，才能下入Ф108mm套管，并做好井口套管的加固工作與套管在孔底的封閉工作，防止套管在后期施工中脫落及沖洗液的漏失，避免再次出現次生事故；然后用Ф91mm的口徑繼續往下施工到有完整巖石硬層的20m左右處，在確認地層能座穩套管后，才能下入Ф89mm的套管，并同樣要做好套管的牢固連接及井口的穩固工作與孔底封閉工作。處理好套管工作后，才使用Ф75mm的口徑施工繼續到鉆孔設計孔位。這種多級孔徑的方案，既是為下入套管方便和起護壁作用，也是為當后續的鉆進中如果出現事故時，可以使用擴孔的方法來處理，將Ф91mm的套管拔出后進行擴孔，多了一級備用孔徑。采用該類套管隔離破碎地層的鉆孔結構方案，有利于開孔工作的順利進行，也同時預防鉆孔卡鉆事故及套管跑鉆事故的發生，為后期鉆探施工的順利進行打下基礎。

圖1　鉆孔結構柱狀圖

5　鉆進沖洗液的作用

鉆探沖洗液的作用是冷卻鉆頭、排除巖粉、保護孔壁（部分沖洗液）和潤滑鉆具（潤滑沖洗液）四大功能。在紅星山北鉛鋅礦的地層鉆進中使用合適配方的沖洗液，不但能夠冷卻鉆頭，沖洗孔內巖粉，還能利用沖洗液懸浮巖粉，使停鉆、停泵時巖粉不致于很快沉入孔底。沖洗液在循環過程中還能在孔壁形成一層薄而韌的泥皮，減少鉆具與孔壁磨擦力，延長鉆具使用壽命。利用孔內泥漿沖洗液所產生的水靜壓力和造壁性能，在有裂隙、破碎掉塊、縮徑、坍塌、砂層、漏失等地層鉆進時，對保護孔壁起到很大作用，有利于防止孔內事故，減少輔助時間，提高鉆進效率。因而沖洗液是巖芯鉆探工作中關鍵的一個環節，尤其是在復雜地層的鉆探施工中。

根據不同地區各種地層的實際情況，使用不同配方的沖冼液通過在施工實踐中不斷地找規律，總結經驗，尋找施工中的錯誤，及時改正和總結，及時地調整沖洗液的參數及配方，才能有效避免鉆孔的坍塌及鉆孔中巖粉過多的情況，才能及時避免鉆探事故的發生，將事故消滅在萌芽狀態。在紅星山北鉛鋅礦的鉆孔施工中，在開孔階段，我們只需要使用常規配比的粘土泥漿即可。而當鉆孔施工到200m以后，對沖冼液的要求開始增高，需要嚴格按照沖洗液操作規程進行操作。

該礦區中部從200m左右開始，地層情況相對比較復雜，根據地層巖石的易坍塌特征，考慮巖石的水敏特性和破碎情況，首先考慮使用增大膠結性和增大粘度同時又要降低巖粉含量的方案。針對孔內坍塌的同時，巖粉過多容易沉淀，易發生埋鉆事故的情況，按沖洗液使用要求，主要考慮要使沖洗液中的含砂量越少越好。先從地面上，在鉆孔泥漿循環系統中間設置數個沉淀坑槽，不斷將沉淀巖粉撈出，來保持沖洗液中含砂量的性能穩定。同時由于沖洗液的粘度增大后，巖粉懸浮在沖洗液中不易沉降，含砂量不易降低，要求設備方面配備振動篩，使鉆進過程中產生的巖粉及砂粒在循環過程中通過振動篩的作用逐漸減少，沖液中砂粒的含量才會不斷減少，才能更好地維護住沖洗液的性能。

從鉆孔護壁方面，首先要增大沖洗液膠聯能力和增大沖洗液粘度，即能在孔壁上形成穩定的泥皮，護住孔壁，避免鉆孔孔壁坍塌及掉塊，又要能保證巖粉快速通過沖洗液沖出鉆孔，并且能在孔內沖洗液中懸浮，不出現快速沉降的現象，又能在孔外通過循環系統被快速沉淀，減少沖洗液中的含砂量，這樣才能穩定住沖洗液的粘度和失水量等參數，確保沖洗液的膠體率上升，從而避免因巖粉在孔內快速沉降而發生的埋鉆事故。在沖洗液材料的選材方面，首先考慮沖洗液的降失水與護壁機理，在護住壁的同時，要求保證泥皮的厚度穩定并合適，我們選用了植物膠和廣譜護壁劑及磺化瀝青配合使用。植物膠是粘彈性鉆井液材料，具有保護巖心（護膠作用），粘彈性減振作用和降摩阻效應三大特殊功能。由于膠體的吸附成膜作用，失水量較低，在鉆孔中，尤其是軟、酥、脆破碎地層和砂卵石地層護壁效果較好；使用中因為配制的表觀粘度比較高，即使采用較小的泵量，排粉的能力也很強，可以排除3mm以上的砂礫；它本身具有一定的潤滑性，可降低水的潤滑系數1/4，起到潤滑鉆具的作用。這些特殊功能起到了普通鉆探沖洗液不能起到的作用，因而解決了巖心鉆探中這些較難解決的難題。磺化瀝青的作用是能減少剝蝕掉塊，有效阻止自由水滲入巖層，幫助造壁，改進泥餅質量，使其變薄，可壓縮性增大，濾失量也會隨之下降，可起到抑制破碎巖層分散的作用。還可增加潤滑性，降低鉆具的阻力和扭力，減小鉆孔中沖洗液的應激壓力對孔壁的破壞作用。

廣譜護壁劑是一種防塌降失水劑，它具有很好的吸附充填作用，能夠很好地加固井壁。對水敏性地層和破碎地層，在適度的增粘前提下，能顯著的降低失水量，同時對巖粉還能起到一定的絮凝作用，對井壁有一定的潤滑作用。根據上述沖洗液材料的特性，通過不同的配比方案進行實踐，調整出一套適合該礦區地層的性能參數，控制住了沖洗液的降失水量和泥皮厚度及泥漿的密度。其次在巖粉的沉降和降低固相含量方面，我們選用了腐植酸鉀和PHP。腐植酸鉀的作用是抑制劑，有降粘、降失水、防塌毀作用。PHP具有很好的絮凝和粘合作用，有很強的減阻潤滑效果。再配合地面的操作規程管理措施，有效地控制住沖洗液的固相含量，使孔內的沖洗液中的含砂量穩定，不再出現巖粉快速沉降的現象，有效避免了埋鉆事故的發生。經過不斷地實踐總結后，在該礦區采用的沖洗液配方及參數性能見表1。

表1　沖洗液主要性能參數表

5％～8％膨潤土+1％腐植酸鉀+0.2％CMC+0.3％ PHP+0.2％燒堿+1％植物膠+1％磺化瀝青+3％廣譜護壁劑在復雜地層鉆探施工過程中，不僅要求配好合適的沖洗液，同時要求對沖洗液的性能及參數要保持穩定與合理。施工現場應配備必要的沖洗液性能測試儀器和專業技術人員，定時對沖洗液的性能進行監控和維護，當沖洗液在循環過程中參數發生變化，要及時地更換，保證進入鉆孔內的沖冼液的參數的穩定與合理，才能確保對孔內巖粉的控制和對井壁形成良好的護壁性能。只有堅持不懈地確保沖洗液性能穩定合理后，鉆探事故才能得到預防，鉆探施工才能得以順利的進行。

6　鉆進技術效果

在該礦區，通過幾個鉆孔的施工和調整，不斷地優化總結，形成了一套穩定的施工方案，通過加強對鉆機現場的施工操作管理，嚴格執行制定好的沖洗液配比及維護方案，順利完成該礦區的鉆探施工任務。在后期的每個鉆孔的施工中，每次到達預定孔深前，機臺就會重新調整沖洗液的參數，嚴格按照設計方案執行，使得鉆孔中孔壁穩定不再出現掉塊、坍塌現象，同時因地面循環系統的改進和振動篩的使用，從孔外開始減少沖洗液中的含砂量，使得孔內巖粉的快速沉降現象也得到了有效地預防，避免了埋鉆事故的發生，施工得以順利完成。

7　總結

通過對紅星山北鉛鋅礦礦區鉆孔施工技術的研究和總結，將該礦區鉆孔中每個不同的難點及不利的因素通過施工現場的實驗一一解決，最終解決該礦區鉆孔施工難點，提前預防了卡鉆、埋鉆及采取率不夠的情況，并順利將該礦區的鉆孔施工完成，為以后的勘查工作提供很好的施工方案和經驗。主要的經驗和體會如下：

（1）根據紅星山北鉛鋅礦礦區的地層分布情況，合理地采用了三級成孔的鉆孔結構，從而保證了鉆孔的順利開孔及套管的順利下入，節省了開孔時間，也為后面的鉆孔施工提供了足夠的孔徑，保證以后施工中遇到事故時，還有足夠的孔徑來確保解決。

（2）通過對復雜地層的了解和總結，只有針對性地采用合理的沖洗液配比方案及護壁措施，并堅持不懈地做好沖洗液的性能維護工作，做好鉆探施工中的每一個操作環節，嚴格按照規程來操作，才能有效地防止孔內事故的多發，才能順利解決破碎地層的掉塊及坍塌事故，才能有效地避免卡鉆和埋鉆事故，從而提高鉆進效率及成孔率。

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收稿：2016-06-20

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.06.010