甕安大坪水文地質—礦產勘查深孔施工技術

陳 濤，趙華宣，陳 浩，張 平，賈玉川，張承飛，王 虎

（1.貴州省地質礦產勘查開發局114地質大隊，貴州遵義 563000；2.貴州省地質礦產勘查開發局112地質大隊，貴州安順 561000；3.貴州省地質礦產勘查開發局111地質大隊，貴州貴陽 550081）

1 工程概況

甕安大坪ZK301鉆孔位于貴州省甕安縣建中鎮水尾村大坪組，是為查明貴州省甕安縣大坪鉛鋅多金屬礦、磷礦區礦產儲量及上部含水層（燈影組）水文地質條件而實施的水文地質—礦產勘查結合鉆孔。該鉆孔通過水文地質鉆探、降壓試驗等工作手段查明了該地區燈影組水文地質條件，為礦山地質環境評價提供了依據；通過礦山地質鉆探查明了礦層頂底板位置、礦層厚度等，為礦產資源儲量計算及開采提供了依據。

2 地層結構、地質要求及施工難點

2.1 地層結構特征

鉆孔設計及鉆探揭露地層結構及特征見表1。

表1 設計及鉆探揭露地層結構及特征表

2.2 地質要求

（1）設計孔深950m，淺部碳酸鹽巖地層孔段孔徑不小于?219mm，下管封隔止水；水文地質勘查目的層燈影組孔段孔徑不小于?122mm；含礦層段連續取芯，終孔孔徑不小于?75mm，鉆孔彎曲度不大于1°/100m；

（2）地質勘查段采取率不小于70%，礦芯采取率不小于85%，礦層頂、底板各3～5m范圍內采取率不小于80%；

（3）水文地質勘查目的層燈影組鉆進結束后先開展降壓試驗，獲取水文地質參數后再進行礦層取芯鉆進。

2.3 施工難點

（1）地質條件復雜、設計要求高、鉆孔深度大，同一鉆孔實施水文勘查和地質勘查，鉆孔結構需多級變徑。

（2）水文勘查及以上孔段地層結構復雜、孔徑及深度大，地質勘查段取芯率要求高，單一水井鉆機或巖芯鉆機難以同時滿足上部大孔徑段和含礦層取芯鉆進要求。

（3）采用牙輪/PDC鉆頭全面鉆進工藝、空氣潛孔錘鉆進工藝和繩索取芯鉆進工藝等多工藝復合鉆進技術。

（4）礦層以上孔段孔徑和深度大、鉆桿與孔壁環狀間隙大，繩索取芯鉆進高轉速鉆桿易折斷。

3 鉆孔結構與鉆探設備

3.1 鉆孔結構

根據水文地質勘查、礦山地質勘查施工工藝和規范及地質設計要求和鉆進揭露地層結構，鉆孔結構如下。

（1）地表管：0.0～9.17m，孔徑?311mm，揭穿第四系進入穩定巖層3.17m，下?273mm×6mm套管并水泥固結止水；

（2）一開：9.17～325.94m，孔徑?245mm，進入金頂山組粉砂巖隔水層5.94m，下?219mm×10mmJ55 石油套管并水泥固結止水，防止上部巖溶裂隙水進入孔內影響目的層（燈影組）水文地質參數的真實性；

（3）二開：325.94～882.85m，孔徑?178mm，揭穿牛蹄塘組頁巖進入燈影組白云巖約9.0m，下?146mm×7.5mmJ55石油套管并水泥固井護壁；

（4）三開：882.85～985.43m，孔徑?125mm，鉆至985.43m做洗井和降壓試驗；

（5）四開：985.43～996.16m，為取芯工藝試驗孔段，孔徑?114mm；

（6）五開：996.16～1065m，為繩索取芯鉆進孔段，孔徑?77.5mm。鉆孔結構如圖1所示。

3.2 鉆探設備

鉆探設備根據鉆探目的任務、鉆孔結構、鉆進工藝、地層條件、設備性能、環保等要求，使用“TSJ2000鉆機+XY6鉆機”組合滿足上部復雜地層及大孔徑孔段鉆進和含礦層繩索取芯鉆進要求，主要鉆探設備見表2。

表2 主要鉆探設備表

4 水文地質鉆探施工技術

本孔鉆進工藝及鉆具組合情況見表3。

表3 鉆井工藝及鉆具組合

4.1 牙輪鉆進

表層段0.00～9.17m，采用?311mm牙輪鉆頭全面鉆進。

4.2 空氣潛孔錘鉆進

一開段9.17～320m為巖溶裂隙發育及富水的白云巖和灰巖，為提高鉆速和避免溶蝕裂隙引起的井漏等復雜情況，采用?245mm 空氣潛孔錘鉆進工藝。使用2～3 臺空壓機（2.4MPa）組合送風，采用塔式鉆具組合。鉆進參數：轉速48r/min、鉆壓10～20kN、風量66/99m3/min、風壓1.1～2.4MPa。

4.3 復合片鉆進

二開段325.94～882.85m 為水敏性強、易縮徑及孔壁穩定性較差的粉砂巖、泥巖及炭質泥巖，采用?177.8mmPDC 鉆頭全面鉆進工藝，使用防塌性好和抑制性強的防塌聚合物體系鉆井液護壁。配方：1m3水+1.5～2.0kg純堿+40～50kg鈉土粉+2.0～2.5kg包被劑+2.0～2.5kg銨鹽+3kg無熒光防塔塌潤滑劑；性能指標：粘度35～40s、密度1.04～1.06g/cm3、失水10～12mL/30min、pH 值8～9。使用塔式鉆具組合防斜；鉆進參數：轉速48r/min、鉆壓20～40kN、泵量14L/s。

三開段882.85～985.43m是本勘查孔水文勘查降壓試驗目的層，采用?125mmPDC 鉆頭全面鉆進。地層為局部裂隙發育、孔壁穩定性好的白云巖，為減少和避免鉆井液對來水通道堵塞、降低洗井難度采用低至無固相鉆井液。配方：1m3水+1.0kg純堿+10～15kg鈉土粉+4～5kg 高粘CMC+2.0～2.5kgPAM；性能指標：粘度32～35s、密度1.01～1.02g/cm3、失水10～12mL/30min、pH值8～9。

5 地質勘查鉆探施工技術

四開、五開985.43～1065m 段是地質勘查目的層，巖性硬脆及破碎且采芯率要求高。在上部孔段多級變徑且孔徑和深度大的條件下，對確保采芯率滿足設計要求的工藝及技術措施進行了探索，在地質管束縛支撐和石油取芯鉆具鉆進試驗存在風險高和采芯率低的問題后，采用高強度石油套管束縛支撐和繩索取芯鉆進技術措施，滿足質量技術要求的同時提高了鉆進效率。

5.1 地質管束縛支撐

地質勘查深孔鉆探施工中多用金剛石+繩索取芯鉆進工藝，本孔上部孔段孔徑大，鉆桿與套管間隙大，鉆桿高速旋轉撓度較大，鉆進時極易發生鉆桿折斷事故。在大孔徑段下入“?89mmD40 地質套管+扶正筋塊”形成較小井筒以束縛支撐鉆桿。下至700余米因管材強度及絲扣連接不緊密而跑管，事故處理20余天。

5.2 石油取芯鉆具鉆進試驗

由于D40 地質管作束縛支撐事故風險高不宜使用。為探索石油取芯鉆具在地質勘查取芯中的應用效果，引用四川康克石油科技有限公司生產的“ZCQ89-45A”單動雙管取芯鉆具“內管長度4.23m、PDC+巴拉絲鉆頭（?114/45mm）”試鉆進，試驗段985.43～996.16m。因地層硬脆、破碎及鉆頭內外徑級差大、鉆取巖芯直徑小、巖芯在內管中碰撞磨損嚴重，鉆取巖芯破碎且基本無柱狀巖芯（見圖2），采芯率10%～53%不能滿足要求。采取調鉆壓、轉速、間隙及“燈籠爪+底噴金剛石鉆頭”等措施均不能提高采芯率，該工藝技術在硬脆及破碎地層鉆探取芯效果不理想。

5.3 高強度石油套管束縛支撐

鑒于上述兩種技術措施存在事故風險高、采芯率低的問題，為降低孔內事故風險和提高采芯率，只能采用金剛石+繩索取芯鉆進工藝。為確保該工藝的順利實施，必須將上部大口徑井眼調整至與繩索取芯鉆具協調匹配的小口徑井眼，增加高速旋轉鉆桿的穩定性和安全性。采用抗拉斷和折斷能力強的高強度“N80級?95mm×6.5mm石油套管+扶正支撐”的束縛支撐管柱:?95mm石油套管(接箍直徑?108mm、內徑?80mm與?71mm 鉆桿環狀間隙合理)，套管接箍與孔壁間隙間焊接相應尺寸扶正支撐裝置以確保管柱居中和穩定，孔口厚鋼板托盤與孔口管焊接封閉和穩定，防止雜物落入卡鉆，如圖3所示。

5.4 繩索取芯鉆進

5.4.1 鉆探設備機具

設備選用HXY-6 型巖芯鉆機和BW-320 型泥漿泵，機具選用?71mm 繩取鉆桿、S75 單動雙管繩索取芯鉆具、金剛石鉆頭。鉆頭根據地層軟硬程度采用表鑲金剛石鉆頭和孕鑲金剛石鉆頭，地層堅硬致密時選用軟胎體孕鑲金剛石鉆頭，機具組合為?77.5mm 鉆頭+S75 單動雙管繩索取芯鉆具+?71mm 繩取鉆桿，?77.5mm 鉆頭+S75 鉆具級配增大了環狀間隙、降低了循環壓耗并提高采芯率。

5.4.2 鉆進參數

（1）鉆壓：金剛石繩索取芯鉆進，破碎地層適當減壓鉆進；隨著鉆進過程中金剛石鉆頭的磨鈍而導致的鉆進速度下降，可逐漸平穩增壓鉆進，正常鉆壓為8～10kN。

（2）轉速：為減輕鉆具回轉對技術套管碰撞，保證管柱安全穩定，采用鉆機低速檔和油門調節，轉速為300～500r/min。

（3）流量：泵流量應滿足上返流速為0.5～1.5m/s，以確保及時排除巖屑和冷卻潤滑鉆頭，流量為40～50L/min。

5.4.3 鉆進效果

（1）鉆進效率：金剛石繩索取芯鉆進進尺69m，平均鉆速1.1m/h，平均日進尺約12m，提高了鉆進效率并降低了勞動強度。

（2）采芯率：金剛石繩索取芯鉆進鉆取巖芯呈柱狀（見圖4），礦層采芯率為95%～99%，礦層頂/底板采芯率為89%～99%，滿足地質設計要求。

6 鉆探施工效果

6.1 工藝效果

本孔終孔深度1065m，全面鉆進進尺985m，取芯進尺80m，鉆孔周期83d，純鉆進時間50d，臺月效率385m/月。

（1）空氣潛孔錘鉆進進尺317m，平均鉆速7.93m/h，綜合鉆進效率約是常規方法的10倍，鉆進效率和鉆探成本受孔內涌水影響顯著，涌水量90m3/h時鉆速僅為2.5m/h。

（2）PDC 鉆頭鉆進：二開進尺557m，平均鉆速1.41m/h；三開進尺102m，平均鉆速0.46m/h，因地層局部含硅質鉆進效率較低。

（3）高強度石油套管束縛支撐解決了上部大孔徑與繩索取芯鉆具不匹配問題，保證繩索取芯鉆進施工安全。

（4）金剛石繩索取芯鉆進進尺69m，平均鉆速1.1m/h，平均日進尺約12m，采芯率達89%～99%，提高了鉆進效率和取芯質量。

6.2 施工質量

（1）水文勘查開展兩次降壓試驗工作，上部下管固井止水效果好，獲取目的層真實準確水文地質參數，各項指標均滿足水文勘查要求。

（2）地質勘查工作，含礦層平均采芯率達到95%，礦層采芯率為95%～99%、礦層頂/底板采芯率為89%～99%，各項指標均滿足要求。

（3）鉆孔終孔孔斜7.9°，鉆孔傾角變化率0.74°/100m，滿足設計要求。

7 結論

（1）上覆存在復雜巖溶和水敏性地層的深部水文地質勘查，合理的鉆孔結構和下管封隔、護壁技術是獲取準確地質資料及安全高效鉆進的前提保障。

（2）上部巖溶強發育、富水性地層，空氣潛孔錘鉆進工藝有效避免了常規鉆進工藝存在的鉆井液漏失、堵漏難度大、鉆進效效低、施工周期長及費用高的難題。

（3）在大孔徑水文勘查深孔中開展地質取芯鉆探，高強度石油套管束縛支撐可有效解決上部大孔徑與繩索取芯鉆具不匹配問題和避免斷鉆具事故，為繩索取芯工藝實施和鉆探安全提供技術保障。

（4）TSJ-2000 水井鉆機和HXY-6 巖芯鉆機的有機組合，解決了上部大孔徑段鉆進和下部含礦層繩索取芯鉆進技術難題，為今后類似工程提供了施工經驗。