甘肅陽山礦區(qū)復(fù)雜地層全面鉆進(jìn)技術(shù)研究

王 瑞，羅 龍，曹灶開，楊 科，樊臘生

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?？诤Ｑ蟮刭|(zhì)調(diào)查中心，海南?？?71127；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用地質(zhì)研究中心，四川成都610036；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都610036）

1 概況

礦區(qū)位于甘肅文縣縣城西北方向，屬秦嶺山系南緣，地形切割較強(qiáng)烈。大陸溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.2°C，年平均降水量425.8mm，工作區(qū)人口較為密集，以漢、藏、回族為主。礦區(qū)內(nèi)主要為卡林型金礦，伴生有輝銻礦、黃鐵礦。

礦區(qū)主要受湯普溝—觀音壩斷層控制，區(qū)內(nèi)褶皺、斷層較為發(fā)育，破碎蝕變強(qiáng)烈，主要由第四系殘坡積物、碎裂巖、鈣（炭）泥質(zhì)千枚巖、灰?guī)r、斜長(zhǎng)花崗斑巖、硅質(zhì)巖及石英砂巖脈組成。其中，第四系覆蓋層厚度較大，且發(fā)育大量滾石，滾石以灰?guī)r為主；千枚巖呈淺灰色、細(xì)粒鱗片變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，絹云母化、硅化較強(qiáng)，千枚理發(fā)育，局部碎裂；灰?guī)r呈隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，致密堅(jiān)硬；斜長(zhǎng)花崗斑巖呈淺灰色、斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，硅化較強(qiáng)，局部破碎；硅質(zhì)巖及石英砂巖硅化極強(qiáng)，分布較少。地層軟硬互層交替變化頻繁，各向異性明顯，地層傾角60°～80°。

第四系覆蓋層厚10～50m，由殘坡積物和馬蘭黃土組成。馬蘭黃土為淺黃色粉砂質(zhì)亞粘土，厚度0.8～20m，馬蘭黃土下部多為殘坡積物，主要由巖石碎塊（千枚巖、灰?guī)r、砂巖、斜長(zhǎng)花崗斑巖等碎塊）和粘土組成，巖石碎塊常為硅化灰?guī)r，大小不一，磨圓度中等，礦段漏失層約1～300m。礦區(qū)巖層可鉆性分類見表1。

表1 陽山礦區(qū)巖石可鉆性等級(jí)分類

該礦段設(shè)計(jì)ZK3024鉆孔，設(shè)計(jì)孔深970m，設(shè)計(jì)傾角90°，位于陽山礦帶安壩礦段30號(hào)勘探線上，含灰?guī)r滾石，掉塊頻繁，漏失嚴(yán)重，軟硬互層頻繁，局部孔段采芯難。針對(duì)該礦段的鉆探技術(shù)難點(diǎn)，我們收集了已施工鉆孔資料，積極聘請(qǐng)專家進(jìn)行指導(dǎo)，開展鉆探技術(shù)研究，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，取得了一定效果。安壩礦段鉆孔施工情況如圖1所示。

圖1 安壩礦段鉆孔施工情況圖

2 鉆探施工的技術(shù)難點(diǎn)

該礦段由于地層較為復(fù)雜，給鉆探施工帶來較大困難，主要表現(xiàn)為：①燒鉆事故易發(fā)。由于孔內(nèi)漏失嚴(yán)重，孔內(nèi)水位較低，對(duì)鉆具不能起到很好的冷卻作用，容易造成燒鉆事故；②鉆進(jìn)時(shí)阻力大。由于沖洗液的漏失，在井內(nèi)無沖洗液循環(huán)，在鉆桿與孔壁之間加大了摩擦阻力，鉆進(jìn)較為困難；③巖粉難以排除。由于無沖洗液攜帶巖粉排出井外，許多巖粉粒在井內(nèi)反復(fù)破碎，加大了孔底阻力，降低了鉆井效率，且容易造成埋鉆、卡鉆事故；④孔壁易坍塌。由于沖洗液漏失，鉆桿與孔壁摩擦阻力大，加之沒有沖洗液平衡地層應(yīng)力，孔壁易坍塌，護(hù)壁較為困難。⑤巖芯管投放困難。由于孔內(nèi)沖洗液的漏失，不能直接將內(nèi)管投放到位，只有采取相關(guān)措施才能投放到孔底，增加了輔助時(shí)間，嚴(yán)重影響了施工效率。

3 鉆探技術(shù)對(duì)策

為了能更好地解決葛條灣—安壩礦段覆蓋層鉆探技術(shù)難題，減少覆蓋層鉆探施工的井內(nèi)事故，降低鉆探施工成本，提高施工效率，我們主要從設(shè)備、鉆進(jìn)方法、鉆具組合、沖洗液等方面著手，針對(duì)性地采取相關(guān)措施。

3.1 設(shè)備選擇

葛條灣—安壩礦段ZK3024設(shè)計(jì)孔深在800～1000m，地層條件復(fù)雜，鉆進(jìn)難度大。從生產(chǎn)能力、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面考慮，采用HXY-6B型巖芯鉆機(jī)、BW-250型泥漿泵、HCX-18型直斜兩用塔、SQ114/8型液壓動(dòng)力鉗、1.2m3泥漿攪拌桶等設(shè)備進(jìn)行施工，電網(wǎng)供電。

3.2 鉆進(jìn)方法

由于該礦段覆蓋層較厚，地層復(fù)雜，在征得地質(zhì)同意的情況下，為了快速穿過漏失層，提高鉆進(jìn)效率，采用三級(jí)套管進(jìn)行封隔（?168mm→?146mm→?114mm），全面鉆進(jìn)工藝快速穿過漏失層。

3.3 鉆具組合

（1）?172mm開孔，穿過馬蘭黃土，下入?168mm孔口管。

（2）?152.4mm牙輪鉆頭（?152.4mm復(fù)合片全面鉆頭）+雙母變絲接頭+?149mm穩(wěn)定器+?120.7mm×?50.8mm石油鉆鋌1～2根（單根長(zhǎng)度9.15m、單根重量720kg，單位重量約79kg/m）+變絲接頭+PQ鉆桿，全面鉆進(jìn)至120～150m左右，下入?146mm套管封隔坍塌、掉塊。

（3）?133mm牙輪鉆頭+雙母變絲接頭+?130mm穩(wěn)定器+?104.8mm×?50.8mm石油鉆鋌1～2根（單根長(zhǎng)度9.15m、單根重量475kg，單位重量約52kg/m）+變絲接頭+PQ鉆桿，全面鉆進(jìn)至300m左右（進(jìn)入基巖），下入?114mm套管。鉆具級(jí)配如表2所示。

表2 鉆具級(jí)配

3.4 鉆具組合使用分析說明

（1）?152.4mm口徑準(zhǔn)備?120.7mm鉆鋌（310mm母扣×311mm公扣，螺紋為NC38）更好，不用鉆鋌也可施工，只是鉆孔頂角偏大一些。

(2)?133mm口徑需要準(zhǔn)備?133mm鑲齒牙輪鉆頭，采用“?133mm牙輪鉆頭（331mm公扣）+雙母變絲接頭（310mm母扣×330mm母扣）+變絲接頭（PQ母扣×311mm公扣）+PQ鉆桿”的鉆具組合，鉆機(jī)加壓全面鉆進(jìn)。

（3）在?122mm口徑全面鉆進(jìn)困難的情況下，可以轉(zhuǎn)換為PQ鉆進(jìn)。

(4)?133mm裸眼段下入?114mm套管，間隙大了一些，在后續(xù)HQ鉆進(jìn)時(shí)存在斷、脫?114mm套管的風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 沖洗液選擇

由于該礦段覆蓋層較厚，且嚴(yán)重漏失，坍塌、破碎，地層較為復(fù)雜，沖洗液的選擇尤為重要，總結(jié)以往鉆孔的施工經(jīng)驗(yàn)，為了能更好地潤(rùn)滑鉆具、降低鉆探成本，在孔內(nèi)漏失情況下，全面鉆進(jìn)時(shí)，300m以內(nèi)主要采用PHP(水解聚丙烯酰胺)+清水鉆進(jìn)，有效地降低了成本，又能較好地保證了孔壁的穩(wěn)定。

4 孔內(nèi)事故預(yù)防及處理原則

4.1 鉆桿折斷脫扣事故預(yù)防

在該礦區(qū)復(fù)雜地層鉆進(jìn)過程中，主要的井故就是鉆桿折斷脫扣，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在采用繩索取芯鉆進(jìn)時(shí)，有的孔發(fā)生鉆桿折斷脫扣事故達(dá)十多次，如果頻繁的發(fā)生鉆桿折斷脫扣，將會(huì)嚴(yán)重地影響施工進(jìn)度，甚至導(dǎo)致鉆探施工中斷，導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢，造成較大損失。所以防止鉆桿斷脫扣，在中深孔鉆進(jìn)中選得尤為重要。在該孔施工過程中主要采取以下措施防止鉆桿折斷和脫扣。

（1）各種管材、接頭、接箍均須按新舊程度分類存放和使用，磨損嚴(yán)重時(shí)要及時(shí)更換。提升下降鉆具時(shí)，隨時(shí)留心觀察鉆具磨損程度，發(fā)現(xiàn)不合格要及時(shí)更換。管材的彎曲和磨損應(yīng)符合規(guī)定。

（2）鉆桿、巖芯管有裂紋、嚴(yán)重磨損和明顯變形、連接晃動(dòng)等現(xiàn)象，均不得下入孔內(nèi)使用。對(duì)已長(zhǎng)期處理過井故的鉆桿由于容易出現(xiàn)疲勞破壞，在深孔鉆進(jìn)時(shí)，不得采用。

（3）鉆進(jìn)遇阻力過大，鉆具發(fā)生急劇反轉(zhuǎn)時(shí)，不要急劇提動(dòng)鉆具和強(qiáng)行開車。應(yīng)先將鉆具慢擰上扣，再做處理。

4.2 井內(nèi)事故的處理原則

由于該礦段地層較復(fù)雜，鉆孔較深，地層漏失，采用全面鉆進(jìn)時(shí)巖粉不容易排除，且在孔底重復(fù)破碎，鉆桿阻力較大，斷鉆、脫扣風(fēng)險(xiǎn)較大。為有效預(yù)防處理事故、避免事故的復(fù)雜化，制定了鉆桿折斷、脫扣處理的原則：

（1）發(fā)生事故后，要冷靜處理，準(zhǔn)確計(jì)算孔深、機(jī)上余尺、井內(nèi)鉆桿數(shù)量等相關(guān)數(shù)據(jù)，不得在不明原因情況下強(qiáng)拉、硬拽，主要是為了防止在不明井下情況的條件下處理可能導(dǎo)致二次井故的發(fā)生，造成井故加井故的局面，使事故復(fù)雜化，處理困難或難以處理。

（2）打撈事故鉆桿時(shí)，要選用鉆桿性能較好的鉆桿進(jìn)行打撈，打撈前要正確計(jì)算好事故位置，提高打撈成功率。

（3）要制定好事故的處理方案，既要保證方案的可行性、安全性，又要保證方案的連續(xù)性，為處理事故爭(zhēng)取時(shí)間，防止再生事故。

5 結(jié)論

(1)在該礦段，為了能快速地穿過該失返性漏失層（覆蓋層），提高鉆進(jìn)效率，采用“全面鉆進(jìn)+多級(jí)套管”的方法較為有效。

(2)在覆蓋層采用全面鉆進(jìn)速度較快，為了防止孔斜，盡可能采用鉆鋌加壓，保持鉆具穩(wěn)定性和安全性。

(3)在嚴(yán)重漏失地層鉆進(jìn)，如果漏失速度較快，全面鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的冷卻速度慢，孔內(nèi)巖渣、碎塊不能排出孔外，容易造成巖屑重復(fù)破碎，影響鉆進(jìn)效率。