復雜地層深部找礦鉆探技術研究

汲廣帥

（山東省地質礦產勘查開發局第七地質大隊，山東 臨沂 276002）

復雜地層中進行深部巖心鉆探與淺一中深部的巖心鉆探工程的區別很大。應對復雜深部鉆探的關鍵技術是選擇配套的鉆探設備，采用合理的孔身結構、適合地層的泥漿沖洗液、規范的鉆探操作方法、孔內復雜情況正確處理措施。這些技術措施可以最大限度地降低孔內復雜情況對鉆探施工的影響，優質高效地完成鉆探施工[1]。

1 國內深部鉆探技術現狀

隨著我國經濟持續高速增長，尤其是進入21世紀后，我國資源需求日益加大，礦產資源的開發強度亦逐年加大，一大批經多年開采的老礦山面臨著淺部資源枯竭，地質勘探工作不斷向深部推進，深部鉆探需求呈上升趨勢，同時鉆探工作量逐年增加，國內主要地勘單位近年來完成固體礦產巖心鉆探工作總量見表1所示。

目前國內鉆探生產深部施工鉆機仍然以國產液壓立軸式鉆機為主。泥漿循環系統通常配BW250/BW300三缸往復泵，一般不配備固控系統設備。用于深部鉆探的主流鉆機型號為上世紀八十年代開始普及，之后不斷升級改進的XY系列鉆機，如：XY-4, XY-5, XY-6, XY-8等（圖1）。立軸鉆機外形大同小異，具結構緊湊、布局合理、維修方便，操作安全可靠的優點。但是，該類型鉆機立軸行程短，一般只有0. 5-1. 0m，正常鉆進一個回次中要倒桿4-5次，易造成巖心斷裂，增加巖心堵塞、磨耗機率，巖心采取質量必然有所降低，鉆進效率亦很難提高，在復雜地層深部鉆進中影響尤為明顯[2]。

2 復雜地層深部找礦鉆探技術

2.1 繩索取心鉆進技術

繩索取心鉆進是指在取心鉆進過程中，當巖心充滿巖心管時，不需提起鉆桿柱，而是以鉆桿柱內通孔為通道，采用繩索和專用打撈工具，把鉆進過程中貯存在內巖心管內的巖心提升到地面的取心鉆進方法。由于繩索取心方法不需要將鉆桿柱提升到地面，所以極大地減少了起下鉆時間。在常規提鉆金剛石巖心鉆進過程中，升降鉆具工序約占全部生產時間的30%~40%，隨鉆孔加深起下鉆輔助比例增加，而且機械化程度低，勞動強度大。為了增加純鉆進時間，提高鉆進效率，深部巖心鉆探多采用繩索取心鉆進。繩索取心鉆進具有以下優點：鉆進效率高、巖心采取率高、鉆頭壽命長、安全性高、勞動強度低和鉆探成本低等優點。本礦區鉆孔深度多超過800m，所以都采用繩索取心鉆進方法。

鉆探工程施工前期，密切注意所選用的鉆頭的使用情況，尤其注意鉆頭的鉆進時效和壽命。然后根據使用情況進行分析總結，在此基礎上，進行鉆頭類型優選，調整原設計采用的鉆頭。經該礦區長期鉆頭使用情況，最終優選出較好滿足該礦區地層條件的鉆頭，針對不同地層的特點選用不同類型的鉆頭。繩索取心鉆具配孕鑲或表鑲金剛石擴孔器+孕鑲金剛石鉆頭，使用過程中，重點要注意金剛石擴孔器的使用與施工孔段的孔徑一致，每次更換金剛石鉆頭時都必須檢查擴孔器外徑是否磨損，一旦出現磨損情況應立即更換擴孔器。

2.2 地層壓力預測技術

2.2.1 地層壓力分析

地層壓力即地應力可理解為地下某深度處的巖石受到的周圍巖體對它的擠壓力而產生的內應力效應，地層壓力變化是導致孔內情況復雜化的關鍵因素。形成地應力的因素極為復雜，它是隨時間和空間變化的。主要產生原因為：上覆巖體的自重、板塊邊界的擠壓、地R熱對流、地質構造運動、地球旋轉、巖漿侵入、地溫梯度的不均勻性和地下水的壓力梯度等。

對于鉆探工程，所涉及的地應力研究屬于局部性的地應力，其應力來源可歸結為巖體的自重和地質構造運動產生的構造應力，主要以兩種形式存在于巖石中：一部分是彈性能形式，二是在地層中處于自我平衡以凍結形式保存。

2.2.2 地層壓力預測

預測地層結構和地層壓力分部情況有助于采用合適的鉆探工藝和泥漿工藝以有效維持孔內壓力平衡，提高鉆探作業效率并防范孔壁坍塌等鉆孔事故發生。多年來，地層壓力預測在石油鉆探行業得到了較為廣泛的應用，而在小口徑巖心勘探領域，由于泥漿泵性能及巖心鉆探操作規程等原因，一直沒有得到普遍使用地層壓力即地應力可理解為地下某深度處的巖石受到的周圍巖體對它的擠壓力而產生的內應力效應，地層壓力變化是導致孔內情況復雜化的關鍵因素。形成地應力的因素極為復雜，它是隨時間和空間變化的。

地層壓力預測由鉆前預測、隨鉆預測和鉆后預測。巖心鉆探壓力預測與石油鉆井相比較更為復雜，鉆前預測只能參考臨井資料，石油鉆進的Dc指數法、巖石強度法等在巖心鉆探中無法采用;鉆后預測主要是通過測井數據進行評價，在巖心鉆探中無法實施。所以巖心鉆探壓力預測主要是隨鉆預測。根據鉆探施工實踐，在有條件的時候，可進行破裂壓力試驗進行壓力預測，包括：漏失試驗法和密度變化法。

2.3 深部復雜地層泥漿技術

2.3.1 泥漿制備

泥漿配制工藝按照分散、增稠、增粘的順序，膨潤土、Pac R和Pac L必須預水解處理另外存放備用。預水解時間：膨潤土>3}-5h,PAC類材料預水解時間>8h0加料使用固定的計量器具，加量必須準確執行泥漿設計方案。

泥漿配制應專人負責。新泥漿攪拌順序：水一純堿，氯化鉀攪拌lOmin一PACR攪拌20 ^-30min（視氣溫、水溫而定）一預水解的膨潤土（需要時加入）一緩慢加入CR650或者Quick Trol（視需要加入）一測量泥漿性能一根據泥漿測定結果微調泥漿性能達到設計指標一放入泥漿池備用。

2.3.2 泥漿維護

定時測量并紀錄泥漿性能，孔深超過1000m后，每h紀錄一次泥漿的密度和粘度（入口和出口），每班紀錄一次失水量、泥餅質量和含砂量。失水泥餅應保留備查?？變确祷氐哪酀{應排入沉淀池，根據性能測定經固控處理后，達到設計泥漿指標的才能排入泥漿池重新使用。達不到性能指標的泥漿泵入攪拌桶重新調配后使用。

2.3.3 泥漿操作

鉆進中遇阻、扭矩急劇升高或扭矩表指針跳動大、鉆機負荷突然增大等非正常情況發生時加密測量泥漿性能。當班班長發現因泥漿性能不適而引起的非正常現象，首先將鉆頭起至安全位置，保持循環，及時報告上級，得到指令后按照指令決定進行泥漿性能的調整。如果非正?，F象情況緊急，當班班長可自行決定先起鉆，然后匯報。鉆進中隨時觀察地層變化情況，如果認為需要采取預防性調整泥漿時，應立即報告情況，并按決定盡快進行處理。

2.3.4 鉆進過程泥漿監測

在世界很多地方，礦產勘探繩索取心的鉆孔深度已經超過了4000m。深部和超深部鉆探情況下，鉆井液的選配和控制尤其需要得到重視。在南非，超深部鉆探配置鉆井液經常用的一個方法就是在水基鉆井液中添加化學配方，以調整流變性、失水性、酸堿可控性等，同時有效應對一些復雜的問題，如：循環斷流、坍塌、縮徑等。對于膨脹性地層引起的縮頸問題，可以在鉆井液中添加膨脹抑制劑進行解決。

3 結語

與世界先進的鉆探技術相比，目前我國地質勘探巖心鉆探工程的總體裝備水平和技術水平還比較落后，在復雜地層深部金剛石繩索取心鉆探領域，國外最新的技術裝備和工藝手段在國內還沒有得到充分的吸收和推廣應用。