青海大柴旦細晶溝金礦復雜地層鉆探施工技術

莫玉桂

(四川省冶金地質勘查局成都地質調查所，成都 610203)

1 工程概況

本次鉆探工程位于青海省海西州大柴旦鎮北西80 km的灘間山金礦細晶溝礦區，屬銀泰黃金集團下屬的青海大柴旦礦業有限公司勘探項目。我單位承擔本年度該區域鉆探任務，鉆孔54個，設計鉆孔傾角20°～75°，孔深100～500 m，工期為4.5個月，設計總進尺15 451 m。礦區地處海西州大柴旦鎮西北部戈壁灘內，大柴旦鎮至礦山作業區有公路相通，高速公路約65 km，礦山簡易道路約15 km，交通便利，礦山上由駐地至各機臺均有簡易便道連通，值班皮卡車可達到項目上運輸的基本要求。嗷嘮河穿過礦區，施工用水采用罐車運輸，基本滿足要求。施工海拔3300～3400 m，全年少雨，幾乎無植被。九月下旬開始氣候寒冷，晝夜溫差較大，最低溫度達到-12℃，為施工進度帶來了較嚴重的影響，對施工人員身體素質是極大的考驗。

2 地質概況

本區地處柴達木盆地北緣，根據青海省三輪區劃成果資料，工作區大地構造位置隸屬秦祁昆晚加里東造山系東昆侖造山帶賽什騰山—阿爾茨托山造山亞帶，北接歐龍布魯克—烏蘭元古宙古陸塊體，南鄰柴達木晚中生代—新生代斷坳盆地。地層主體為奧陶—志留紀地層，元古代次之，山體邊緣、山間凹地及溝谷地帶為新生代第三系、第四系陸相沉積，區域構造線呈北西西向，巖漿活動頻繁，超基性—酸性侵入巖均有出露。

礦區鉆遇巖石主要是石英閃長玢巖與碳質千枚巖。石英閃長玢巖風化蝕變較強，巖石可鉆性Ⅴ～Ⅵ級為主，巖石結構類型以塊狀結構、碎裂為主。碳質千枚巖蝕變較強層理破壞嚴重，巖石可鉆性Ⅲ～Ⅳ級為主，遇水易泥化、軟化，工程地質性質不好，變形量大，對鉆探施工影響較為嚴重。

3 設備與管材選用

鑒于礦區交通較為便利，但地質條件復雜，且設計終孔孔徑≥89 mm(小角度鉆孔除外，特殊情況可協商≥75 mm)。結合實際情況和設計要求，選用了3臺套阿特拉斯科普柯C6C全液壓動力頭鉆機與1臺套英格爾EP600Plus全液壓便攜式鉆機作為該項目的施工設備。為了防止施工過程中發生不可預料的情況影響工期，還備有1臺套阿特拉斯科普柯C6C全液壓動力頭鉆機與1臺套滿地寶MP1000全液壓便攜式鉆機，設備性能參數見表1。

表1 使用設備性能參數Table 1 Performance parameters of equipment used

其中給C6C全液壓動力頭鉆機配備無錫中地的Q系列繩索取心鉆具，分別為PQ(114 mm)、HQ(89 mm)，以PW(140 mm做開孔套管)，另配NQ(71 mm)備用。便攜式鉆機配備無錫中地的T系列繩索取心鉆具，分別是HTW(91 mm)、NTW(73 mm)，另配BTW(56 mm)備用。

4 施工中出現的問題

(1)部分鉆孔處于松散的剝落堆積層上，開孔階段存在垮塌、掉塊、漏失，部分出現成孔困難。

(2)上部采用PQ(114 mm)鉆具施工時，鉆桿內壁結垢現象突出，尤其是地表附近兩根鉆桿內壁結垢嚴重，影響正常的內管打撈取心。

(3)因地層較復雜的斷裂構造、軟硬互層較多，部分孔段鉆頭磨損嚴重，幾乎達到每班消耗一個鉆頭，使用壽命不足20 m。

(4)下部主要為蝕變嚴重的水敏性千枚巖地層，吸水后孔壁易失穩分散剝落導致埋鉆，嚴重的膨脹誘發包鉆事故，終孔后部分鉆孔套管起拔困難[1]。在施工過程中，由于鉆遇水敏性的千枚巖地層過多過厚，導致后期進尺效率不高、耗時過久，泥漿性能失效后誘發包鉆事故[2]。鉆進中時有出現提鉆打撈后下不到原孔深，掃孔泵壓高、憋車甚至“開不動車”現象。因泥漿性能不達標，第一批次施工的四個鉆孔有三個鉆孔發生包鉆事故。其中ZK1201在達到設計進深335 m時發生包鉆，終孔后經處理效果不理想，最終割管；ZK2301在礦層底部300 m處發生包鉆，處理成功后再進尺不足一個整班的時間再次包死在井底306 m處，因已穿過礦層底板，協議終孔后采取割管；ZK302在進入礦層后鉆進至310 m發生包鉆，經處理成功后施工至339 m達到技術要求終孔。該年度本礦區施工中遇到困難最多的是ZK2301的前排鉆孔ZK2302，該孔鉆遇的強水敏性地層多且厚，多次誘發包鉆，因包死井底割管后移孔重開三次，四十天無進尺，嚴重影響了工程進度，部分巖心如圖1。

圖1 ZK2302鉆孔巖心Fig.1 Cores from phyllite strata

5 鉆進工藝及施工措施

5.1 問題分析總結及解決方法

5.1.1 結垢現象分析及解決措施

因采用的PQ鉆具取心管內徑較大，巖心易進入，在鉆進中上部破碎地層時進尺較快，單位時間內產生的巖粉多，使泥漿中的固相含量急劇升高，在高轉速的離心作用下使鉆桿內壁產生結垢現象[3]。

針對此類現象，決定在鉆進中盡量選擇低固相或者超低固相泥漿，配置泥漿時選用分散性好的材料并充分浸泡、攪拌[4]。在采用PQ鉆具鉆進時，使用大的泵量，并及時對泥漿進行維護，保證較低的固相含量。

5.1.2 水敏性地層施工難點分析

該礦區水敏性千枚巖地層的鉆遇頻率較高，對泥漿性能的要求高，在施工中一旦泥漿性能與地層不匹配極易誘發事故。當鉆遇大段連續復雜的水敏性地層時，傳統的降濾失抑制性泥漿有其局限性，不能很好且較長時間地抑制地層水化，導致孔壁失穩，誘發埋鉆、包鉆事故，處理事故過程中又易引發連環事故，嚴重影響施工效率[5]。

該礦區鉆遇的碳質千枚巖大多蝕變強，多呈塑性，為較強的水敏性地層，也是鉆探施工中的一大難題。項目開工前，施工人員、材料等方面的準備不夠充分，對施工中的困難和問題準備不足，出現問題后反應不夠迅速、有效。對復雜地層的施工不夠重視，存在一定的僥幸心理，沒有意識到發生事故后的嚴重性；生產過程中有時盲目追求進尺，出現事故征兆后未能及時有效地采取相應措施，錯過了最佳處理時機；處理事故時存在急躁盲目的情況，導致走入“死胡同”，嚴重影響了施工效率。

針對該礦區的地層情況，需要解決的主要問題有地層的水化失穩、鉆頭的過快磨損與施工管理中的職責落實。

5.2 泥漿體系的選擇

5.2.1 孔壁穩定的對策

配用合理的泥漿體系，抑制地層的水化或水化效果，保持孔壁力學穩定，合理的泥漿密度可以平衡地層的坍塌或者破裂壓力，防止孔壁坍塌與變形。主要措施包括：①合理利用泥漿的泥皮護壁特性，控制泥皮的厚度；②保持合理的黏度，降低濾失量，尤其是水敏地層；③根據地層特點，降低起下鉆速度，起下鉆具平穩，避免抽汲壓力引起孔壁失穩[6]；④及時沖刷或掃除縮徑孔段變形部分，使孔徑不小于鉆頭直徑，可以有效地防止鉆孔縮徑卡鉆；⑤鉆頭在孔內工作時間不宜過長，最多不超過2 h(具體時間根據膨脹孔段的膨脹速率調整)；⑥鉆進軟、極軟地層(泥巖等)時，應根據鉆孔口徑與環空返速來控制轉速，起鉆過程中及時回灌泥漿。

5.2.2 泥漿體系的確定

經多方考察研究后，我們決定推廣使用特效降濾失防塌防縮泥漿，經過初步試驗該體系有較低的濾失量，能很好地降低強水敏性千枚巖地層的水化，同時有很好的膠粘作用強化穩定孔壁，且其配料多是濃縮材料，能保持泥漿體系相對較低的密度和黏度，有效改善鉆桿內壁結垢情況，保持較好的鉆進效率[7]。

特效降濾失防塌防縮泥漿材料及其作用如下：①特效A劑，濾失低、流變性好，良好的抑制性防縮徑效果突出，②特效B劑，良好的強膠結作用，能較快的在孔壁上形成封堵，低的濾失量能有效地抑制地層的水化，良好的防塌性保持孔壁的穩定；③特效潤滑液，水溶性好的潤滑液與表面活性劑的混合物，具有較高的潤滑減阻性能，提高鉆進效率[8]。

5.3 泥漿體系的應用

參考配方：1.0 m3水+10 kg鈉土+4 kg特效劑A+4 kg特效劑B+500 g特效潤滑液?，F場施工時根據巖心情況適當微調特效劑A與B的加量，當巖心呈塑性的條柱狀不易掰斷、手按留印增加A劑減少B劑；當巖心易斷、易裂，指尖搓動呈渣則增加B劑減少A劑。

在配置好的鈉土基漿中視地層情況加入特效A、B劑，中速(300～500 r/min)攪拌10 min，再加入特效潤滑液繼續攪拌5 min，pH 8～9。泥漿性能：密度1.01～1.03 g/cm3，漏斗黏度30～40 s，濾失量4～8 mL/30 min，潤滑系數0.15。

在移孔重開的ZK2302中，上部采用低固相分散系泥漿，鉆遇水敏性千枚巖地層后選用特效降濾失防塌防縮泥漿。專人負責泥漿性能測試、添料、更換，在鉆進中泵壓或井底負荷異常時立即提升鉆具掃孔，恢復正常后再繼續鉆進。順利穿過含礦層后于475 m終孔，歷時17 d。

特效降濾失防塌防縮泥漿在本礦區鉆孔的應用中護壁效果顯著，孔壁穩定性好，能很好地防塌防縮，包鉆、埋鉆事故明顯減少；流變性好，鉆進效率較高；巖心采取率高，取心質量好，鉆取的巖心見圖2。

圖2 更換泥漿后所得千枚巖地層巖心Fig.2 Cores of phyllite stratum after mud replacement

5.4 操作規程

統一思想認識，專人帶頭攻堅，各崗位盡職履責，特別是當班班長，掃孔要及時、有耐心。施工中控制起下鉆速度，勤掃孔劃眼，打撈提升時要慢，提升到位后再停泵關水。下入套管時應在外壁干燥后均勻涂抹上一層薄的潤滑油并做好井口的密封，一旦松動應及時處理。要注意設備的維修保養，保證其正常運轉，特別是在復雜地層中不能因設備故障引發生產事故。如遇故障需停機維修時，應盡快掃孔將鉆具提升至安全孔段。

5.5 鉆孔結構

施工中以礦區的地質特點為前提，結合設備的性能和設計孔深，合理選擇換徑深度。原則上應穿過復雜易掉塊、坍塌、縮徑等地層后再進行換徑，但部分鉆孔由于地質條件過于復雜出現嚴重孔內事故，或根據孔壁穩定性情況，提前或者延后下入套管。

5.5.1 全液壓動力頭鉆機施工鉆孔結構

一開。0～20 m，采用PW(直徑140 mm)開孔，隔開覆蓋層后換上套管鞋下入PW套管。

二開。20～180 m，采用PQ(直徑114 mm)鉆具穿過破碎層，鉆進至完整基巖后換上套管鞋坐管。

三開。180～450 m，采用HQ(直徑89 mm)鉆具繼續鉆進，根據地層情況使用特效降濾失防塌防縮泥漿，保證孔壁穩定，保障生產順利進行，礦區大部分鉆孔均在三開終孔。

四開。450 m以深、復雜地層或特殊鉆孔，可在三開后不下套管，換NQ(直徑71 mm)鉆具鉆進至終孔。

5.5.2 全液壓便攜式鉆機施工鉆孔結構

一開。0～10 m，采用PQ開孔，隔開覆蓋層后換上套管鞋下入PQ套管。

二開。10～50 m，采用HTW(直徑91 mm)薄壁鉆具穿過破碎層，鉆進至完整基巖后換上套管鞋坐管。

三開。50～350 m，采用NTW(直徑73 mm)薄壁鉆具成孔。

5.6 鉆頭的工藝要求

項目施工過程中，所遇到的地層復雜多變，對于鉆頭的選擇以及鉆頭的水口、內外徑等結合現場情況采取了相應的處理措施。

(1)鉆頭選擇。選取合理的鉆頭級配，對第四系覆蓋層、千枚巖地層，可鉆級別較低，選用HRC 35～40、粒度40～50目的金剛石孕鑲鉆頭；中部的地層選用HRC25～35、粒度50～60目的金剛石孕鑲鉆頭[9]。

(2)鉆頭工作層、水口處理。因礦區地層均較為破碎，鉆進中產生大量巖屑、巖粉，傳統工藝采用的5 mm水口間距極易造成排粉不暢從而加劇鉆頭的磨損，針對這一特殊情況采用水口間距為6 mm、工作層為14 mm的金剛石鉆頭，在中上部破碎地層施工時采用尖齒狀鉆頭，下部千枚巖地層一般采用環形齒狀鉆頭[10-11]。

(3)鉆頭內外徑的處理。該礦區地層蝕變嚴重，鉆進中孔壁易吸水變形，造成環狀間隙減小，泵壓升高，從而地層失穩引發坍塌，產生大量巖粉對鉆頭的內外徑超磨、前期造成了很多鉆頭的損壞。在多次研究后，將鉆頭的外徑加大2 mm,內外徑加入熱壓硬質合金片來保徑，以提高鉆頭的使用壽命，控制成本[12]。

5.7 鉆進參數

在鉆進過程中，如何保持鉆頭的金剛石顆粒的不斷磨出，選擇正確的鉆進參數很重要。首先要正確掌握鉆機的轉速、鉆壓及鉆進速度三者的關系。全液壓鉆機鉆進時，在初始泵壓力、鉆機轉速一定的情況下，進尺速度很快；當遇到地層變硬時鉆頭變鈍，進尺速度慢，實際鉆壓增大。在較硬地層鉆進時鉆壓過小或過大對鉆頭的傷害都較大，此時應根據地層控制適當的轉速和鉆壓，保持與進尺速度同步。在打滑或較強的研磨性地層鉆進中，水量需要適當減小，使巖屑對鉆頭的工作層起到磨削的作用；而在破碎地層鉆進時產生大量巖屑、巖粉，為避免過度磨損鉆頭應適當加大水量、控制鉆速。

施工中所采用的鉆井方法與參數如下所示：①以金剛石繩索取心鉆進為主，金剛石、合金普通鉆進為輔；②較為完整地層轉速700～1000 r/min，鉆壓17～20 MPa；③破碎帶轉速控制300～400 r/min，鉆壓10～13 MPa；④蝕變強烈的水敏性地層轉速350～500 r/min，鉆壓13～18 MPa；⑤泵量根據進尺速度與地層破碎情況而定(巖粉、巖屑較多時適當加大泵量)，一般保持50～60 L/min，取得相應地層最佳的鉆進效率和經濟效率。

6 施工成果

在青海大柴旦細晶溝金礦鉆探施工中，經過前期的摸索、學習，選用的工藝合理、措施得當，特別是利用特效降濾失防塌防縮泥漿來應對水敏性的千枚巖地層，取得了較好的效果，獲得了較高的施工效率。最終在工期的截至日期前順利完成礦區的全部任務，總共完成鉆孔54個，累計進尺15 481 m，巖心采取率90%以上，產生了良好的社會效益。

7 結語

通過本次在青海大柴旦細晶溝礦區的施工，我們收獲了一些經驗及淺見：①工程項目施工前要多收集礦區工程地質與水文地質等資料，了解礦區地層特征；②根據實際施工中鉆遇的地層情況，正確選用設備、機具、材料及泥漿體系，優化鉆孔結構，合理配置，提高生產效率；③對于水敏性的千枚巖地層，利用泥漿體系的降濾失防塌防縮性能，保持地層與孔壁的穩定，有利于施工的順利推進；④一線管理者及生產人員的專業素養與施工經驗的積累對工程的質量、進度有重要的影響，加強員工的職業技能培訓，施工中注重細節，處理事故不盲目，便于后續施工；⑤對于新材料、新工藝、新技術要建立長期有效的學習、推廣機制。