小型鉆機普鉆技術應用淺析

李偉剛

1 概述

近幾年來，地勘行業市場下滑，地質項目萎縮，在這種情況下，我公司借助國家一帶一路發展的契機，同時為了適應國有地勘單位的改革，大力發展國際項目。現就我在巴西孔戈尼亞爾錳礦區的鉆探施工經驗，對普鉆技術的應用做交流探討。

2 項目基本情況

2.1 礦區地質情況

礦區位于巴西米納斯州的西南部，處于巴拉那（帕拉伊巴）盆地的邊緣部位，屬于淺海-濱海相沉積。礦區地層為單一斜層，呈北東向展布，傾角15°～30°，區內無巖漿巖出露，無褶皺，有少量的斷裂出露。礦區錳礦石為黑色，隱晶、纖狀結構，角礫狀構造或塊狀構造。該礦石受動力作用影響較強，巖石破碎，裂隙發育，構造角礫發育；巖石中有益組分為硬錳礦+軟錳礦，主要以軟錳礦為主，硬錳礦僅占少量，隱晶質錳礦集合體呈膠狀、皮殼狀；無益組分為錳鐵質+泥硅質，礦物顆粒細小；巖石中礦物分布較均勻，巖石總體組構較均一。錳礦體的賦礦巖性為長石石英砂巖，錳礦體的展布和地層一致，呈整合接觸。

圖1 錳礦體露天采場

2.2 巖性及地層性質

礦區主要巖性為石英砂巖，區內地層主要巖性有石英砂巖、白云母長石砂巖、氧化錳礦、第四系紅土層，含礦段巖層厚度約20m ～50m。巖性有粉砂巖、絹云母粉砂巖、凝灰質板巖、長石石英砂巖、長石砂巖板巖、石英巖，錳礦體賦存于含錳的絹云母長石石英片巖或石英砂巖中。

第四系覆蓋層厚度大，膠結性差，遇水松散，且夾雜有不同程度的活石滾石現象；富含石英顆粒的砂巖層段，懸浮能力差，屬于不穩定復雜地層，施工難度大。下部片麻巖地層較穩定，進尺較快。

3 鉆進工藝

3.1 鉆進方法

該項目礦區采用HZ-130YY 型鉆機（甲方提供）施工，甲方只提供普鉆鉆桿，當地配備單動雙管鉆具，故采用普通上鉆取芯工藝。

3.2 鉆孔結構

使用∮91 復合片鉆頭開孔，然后下入∮89 套管做為井口管，再換用∮42金剛石鉆頭，連接鉆具、鉆桿使用泥漿鉆進上鉆取芯。

3.3 工藝過程

干燒開孔——下套管（2m 以上）——地面配好鉆具——調好泥漿性能——下鉆——開泵送泥漿——鉆進——卡斷巖心——上鉆取芯——記錄——下鉆——繼續鉆進、加桿鉆進…。

3.4 鉆進參數

轉速、鉆壓、泵量要視設備情況、實鉆地層性質、井底使用的鉆頭類型、進尺速度合理調整確定，不同的鉆進技術參數對巖（礦）心采取質量有很大的影響。因此，對鉆進技術參數選擇，既要考慮提高鉆進速度的要求也要考慮取芯的要求。

（1）轉速是提高鉆速的主導因素，是影響取芯效率的關鍵因素。一般情況下，鉆速隨轉速的增加而增加，轉速過高，鉆具受離心力作用大，其振動、擺動也大，轉速過低，則鉆速也低，同時轉速的提高又受設備的能力、鉆桿柱的強度及孔內情況的影響，且隨鉆速的增加，泵量必須與之相適應。泵量過小，排粉不凈，導致孔底巖粉淤積，巖屑重復破碎，鉆頭冷卻不良，引起燒鉆；泵量過大，又易沖毀巖心，造成回次取芯率低。

（2）鉆壓在金剛石鉆進中是輔助要素，切忌靠盲目增加鉆壓取得鉆速。使用時加在鉆頭上的壓力必須高于所鉆地層巖石的抗壓強度，而低于金剛石本身的抗壓強度。鉆壓過低，鉆頭浮在巖層面上，不能形成對巖石的體積破碎；鉆壓過高，易造成孔斜，同時還受鉆具、鉆桿強度的限制。

（3）金剛石鉆進取芯時，因井底面積大，破碎下來的巖屑多，所以需要加大的泵量，泵量越大，流速增加，沖刷力也大；但是不能過大，泵量過大會造成鉆具內壓高而降低鉆進壓力，同時增加鉆具振動，降低孔內井壁穩定，易造成孔內坍塌等事故，泵量過低會造成井內巖粉排不干凈，產生多次研磨，降低鉆頭壽命，嚴重時出現包鉆、燒鉆等孔內事故，因此要根據孔內情況選擇合適的循環方式。

3.5 泥漿的使用

泥漿體系的選擇及性能的好壞，直接關系到鉆進成孔過程的順利與否。泥漿體系必須有利于安全、優質、高效鉆進，有利于取全取準地質和工程等資料，有利于發現和保護礦層，有利于減少對鉆具套管及設備的腐蝕，有利于環境保護。泥漿體系一般分為清水潤滑沖洗液、無固相聚合物沖洗液、低密度流體沖洗液等。清水適合于孔壁穩定、低速轉及淺孔施工，清水沖孔，能快速冷卻鉆具，鉆進效率較高，但對孔壁無保護作用，對鉆具潤滑性較差；潤滑沖洗液適用于高轉速深孔鉆進，泥漿沖洗液應用于孔壁不穩定的鉆孔和鉆速快、巖粉多且顆粒粗的鉆孔；無固相聚合物沖洗液是高分子聚合物的水溶液，具有膠結護壁好、相對密度小、鉆速高等特點，應用廣泛；低密度流體沖洗液主要用于缺少地區和鉆孔沖洗液嚴重漏失的地層。

圖2 下入井口鉆桿示意圖

本地區開孔使用清水灌澆鉆頭，下入套管后使用泥漿。配方：1m3水+20 公斤膨潤土+1 公斤CMC（甲方現場只2 種泥漿材料）。此配方較簡單，現場使用便于維護，基本可以滿足地層使用。

按配方配制時，先把土充分水化，CMC 充分溶解配成膠液，然后在攪拌桶中充分攪拌，使之性能達到比重1.3g/cm3，粘度26s 左右，失水量20ml/h。

注意：每次取芯上鉆過程中必須進行注漿操作，防止抽垮地層；每次停轉等待過程中，必須對井內進行灌漿作業，穩定井壁。

4 工程案例

Zk1605 鉆孔事故處理經過：

8 月12 日下午13 時1605 孔下套管3.9m 后換46mm 鉆具加桿鉆進，井內開始返上紅色泥土水，繼續鉆進加桿鉆至11.25 米，井內返上粗顆粒砂巖巖粉，繼續使用清水鉆進。

14 時30 分加桿鉆進至13.25m，井內粗顆粒砂巖巖粉大量返上，單根鉆至井底15.95m，拉上導桿，停泵，解鉆桿，上拉單根2.25m，接上立根4.5m，下鉆至加桿鉆桿離井口1m 處遇阻，班長強力抽拉，來回上下至井口30cm 無法下鉆，亦無法上鉆。

15 時加大泵量，勉強合車（井口距離不夠）強力轉動，3min后水泵調壓閥打開自動泄壓，動力柴油機熄火。

15 時30 分，合車不開泵空轉，根據導桿長度計算，鉆具距離井底65cm，來回反復轉、停，轉拉，轉頂，因導桿油缸無有效上頂標尺，20min 后無效果，熄火解開導桿。

16 時，用卷揚機向上拉緊鉆桿，眾人合力搬動管鉗上盤井內鉆桿，邊用鋼絲繩向上拉邊用加力管鉗繼續轉動，30min 后鉆桿上升16cm，離開井口46cm，后無法繼續轉動，亦無法拉動。

17 時，從礦部拿來20 噸千斤頂2 個，用木板兩邊搭好支架，保證鉆桿受力平衡，用墊插支撐受力，經過多次嘗試，向上頂出鉆桿50cm，此時鉆桿距離井口96cm。

13 日上午7 時，繼續用千斤頂提升鉆桿10cm，后反彈無法繼續，亦無法人力轉動。

8 時，經過丈量判斷鉆桿4.5m 下部已進入井口套管（下套管3.9m）,故在井口用管鉗反轉，在井下解開鉆桿，上鉆后發現從井下第二根鉆桿扣處解開，此時井內留一根鉆桿4.5m 和鉆具2m。

9 時，現場果斷決定下鉆。換用單根2.25m 加一根4.5m 鉆桿，合車連接主動鉆桿（導桿4.2m），計算機上殘尺剩余1.45m（鉆桿絲扣0.04m），做好紅色標記，緩慢下鉆到底。

10 時，井口異響鉆桿接觸，人力緩慢轉動上扣，后用鋼絲繩上拉，反復多次嘗試，柴油機憋車，判斷井下對口成功。迅速開水泵，打壓至2kg/m2，水泵穩定，持續5min后，半離合狀態慢轉，控制不能反轉，反復10min 后，井底水路通，地面返上砂粒，繼續沖井底15min 后，快速上鉆，井內鉆桿、鉆具全部拉上來，從鉆桿壁磨損情況判斷井底4.8m 以下全部砂粒，鉆桿平口臺階已經磨平，鉆具外管全部磨光。

當日11 時，清洗鉆具，整理機場，井內事故處理成功。

5 施工經驗及建議

5.1 普鉆優點

該地區0m ～5m 為硬質錳礦石，上部為紅色黏土層，下段為松散石英砂巖層，在泥土層和松散層段，孔徑擴大，易斷鉆桿，這恰恰是普鉆的優點，鉆進效率高，事故率低。

普通取芯鉆進適宜鉆進易風化砂泥巖等軟弱地層、巖芯破碎的復雜地層，鉆進效率比繩索取芯鉆進高，泥巖縮徑影響不大，孔內事故便于處理。可鉆性1 級～5 級地層，效率很高；對粘度、固相要求不高，鉆桿為地質專用管材、加工精度不高、易彎曲，成本較低。

5.2 普鉆缺點

輔助時間長，頻繁上下鉆勞動強度大；受取芯管長度限制，不能較大間斷連續取芯；受鉆桿尺度影響，不能滿眼鉆進，孔深和采取率均受影響。

圖3 鉆桿平口臺階磨平圖

圖4 清洗前后鉆具圖

鉆進硬地層效率低，鉆頭壽命短，易孔斜，勞動強度大，采取率低，鉆探成本高。

普鉆多采用單層巖心管、泥漿直接沖蝕巖芯、采取率不高；多采用合金鉆頭，鉆頭破碎巖石振動大、巖心易碎、易堵；卡料卡取或干燒法取芯，巖心易脫落，成功率不高；每回次提鉆、振動大、泥漿壓力等因素影響下巖心易脫落，輔助時間長、勞動強度大；對孔壁破壞較大，易孔斜，孔內事故率高。

5.3 建議

（1）根據地層具體情況選擇合適的鉆井類型，目前較先進的是繩索取芯鉆進，也可采用普鉆與繩索取芯相結合的方法，可以提高鉆進效率。

（2）鉆探施工現場切忌用清水鉆進，重視泥漿技術，特別是復雜地層。（3）機場應配備常用的事故處理工具，如絲錐、套銑鉆頭等。（4）鉆探施工過程中，根據實際情況選取合適的鉆進參數和泥漿配比方案，預防孔內事故。

（5）處理井內事故必須頭腦冷靜、思路清晰，切忌盲目蠻干。

6 結語

鉆探工程屬于地下施工工程，鉆孔地下各種復雜情況隨時會發生并影響工程質量和進度，做好孔內事故的預防工作，采取有效可行的預防措施，對地層情況進行全面分析，制定合理可行的施工組織技術方案，經常檢測泥漿各項指標和檢查設備運轉情況，多觀察鉆進過程中所出現的各種現象，確保精心組織、精心施工減少和避免事故的發生，提高生產效率和經濟效益。

普鉆涉及的面比較廣泛，它不僅僅能夠適應于提鉆取心的固體巖心鉆探工作，還適應工建勘查、道橋工程、鈾勘、水井等等較大口徑鉆孔的施工。無論何種鉆探取芯方法，都是利用各種施工技術和方案，不斷提高預防和處理事故的技術水平。對于復雜地層沒有唯一或者萬能的解決辦法，只有根據實際情況和現場處理工具水平，采取最行之有效的方案解決處理問題，以上是我針對該地區該鉆孔的一些方法和現場經驗，與同行們交流分享。