瑤溝金礦區復雜地層巖心鉆探技術分析

0 引言

礦區位于嵩縣縣城西南直線距離15km，行政區劃屬德亭與大章兩鄉管轄，交通便利。區內山坡較陡，山頂平緩，植被發育，基巖露頭少，多見于山坡溝谷中。礦區位于熊耳山臺穹東南側，熊耳山臺穹是華北地臺南緣太古宇基底三大隆起之一，西側與小秦嶺和崤山基底隆起區成島鏈狀列布，東側與嵩箕地塊相毗鄰，南側緊鄰北秦嶺加里東褶皺系。

區內地層總體上呈北東向展布，出露地層從上至下主要為新生界第四系、新近系、古近系，中元古界熊耳群安山巖，區內斷裂較為發育。第四系（Q）為坡積物、殘積物、河流沖積物，砂、礫石、粘土組成，厚度一般小于10m；新近系（N）在礦區北西部零星出露，巖性為白色，灰黃色厚層砂礫巖，夾薄層泥質粉砂巖；古近系（E）主要見于礦區的東南部，瑤溝、大凹一帶，及金雞山北部，巖性為一套斷陷盆地形成的河湖相沉積物，巖性主要為紫紅色中厚層砂巖、砂礫巖，厚度大于600m。中元古界熊耳群安山巖主要為火山角礫巖、安山巖、英安巖和凝灰巖。巖石可鉆性等級VII～Ⅹ，具有較強研磨性；地層上部卵石、角礫巖、強風化地層，易破碎縮徑。下部較為完整，局部破碎。

瑤溝金礦區地質情況復雜，鉆進施工困難，成孔率低，易發生事故，為更好地提高礦區鉆探施工質量，加快鉆探施工速度，降低施工成本，提高鉆探施工的安全性，特對礦區復雜地層繩索取芯鉆進技術的進行研究，以便徹底解決本礦區復雜地層坍塌、掉塊、縮徑、漏失嚴重等問題，并為以后類似地層的鉆探施工工作提供可靠地技術支持。

1 鉆孔設計及技術難點

1.1 鉆孔設計及質量要求

ZK35063鉆孔設計孔深700m，傾角80°，終孔口徑≥75mm。巖芯分層采取率≥70%。礦層及礦層頂底板5m內的巖石采取率≥80%，連續5m低于80%時，應查明原因，采取補救措施。每50m和見礦位置及終孔進行彎曲度測量，準確記錄其方位角和天頂角，斜孔≤3°/100m。

1.2 鉆探施工技術難點

①上部地層為第四系坡積物，含砂礫石、卵礫石，層厚約11.8m，結構松散、無膠結，呈大小不等的顆粒狀。鉆進時易發生塌孔，沖洗液漏失嚴重，易發生卡、埋鉆等孔內事故，巖芯采取率低。卵礫石地層采取率如圖1。

圖1 卵礫石

②下部復雜層段有強蝕變的英安巖，綠泥石化，水敏性強的安山巖，易水化、縮徑、造漿、易垮塌、難成孔，影響施工，嚴重時導致棄孔、挪位。此外，該地區構造發育，漏涌水也時有發生，漏失嚴重者達到1m/h，給施工帶來極大困難。如圖2所示。

圖2 下部綠泥石化嚴重的殘積英安巖

③由于受地質構造運動，鉆孔井壁不穩定和鉆井液漏失、涌水，造成鉆進困難，引起井眼垮塌、卡埋鉆具、嚴重漏、涌等各種事故，被迫停鉆處理，由此帶來了鉆孔質量差、鉆進效率低、鉆進成本高的不良后果，有時甚至使事故惡化導致鉆孔報廢。

2 鉆探工藝及技術處理措施

2.1 鉆探設備

選用HXY-44T型塔機一體鉆機，該類型鉆機可360°方向施工，機械傳動液壓給進式，拆卸方便，維護保養簡單，機械效率高，功率消耗少。立軸最大扭矩3200N·m，立軸行程600mm，立軸最大起拔力120kN，立軸最大給進力90kN，卷揚機最大提升力45kN，柴油機功率50kW，轉速81～958r/min，完全滿足施工鉆孔。

BW-250型水泵：缸套直徑65mm、80mm兩種，泵量35～250L/min，泵壓2.5～7.0MPa，性能良好，工作穩定，且易分解。

2.2 鉆孔結構及鉆具級配

由于上部地層含有坡積物、卵礫石層，孔口極不穩定，易坍塌，所以鉆孔結構采用Φ133-Φ113-Φ94-Φ77，鉆具級配為Φ50-Φ127-Φ133、Φ50-Φ108-Φ113、Φ89-Φ89-Φ94、Φ71-Φ73-Φ77，Φ108為備用口徑。

2.3 鉆探工藝及技術處理措施

上部地層為第四系坡積物、殘積物、河流沖積物，易發生坍塌、漏失，含有約11.8m厚的卵礫石地層，結構松散、無膠結，呈大小不等的顆粒狀。在鉆進過程中易發生塌孔、沖洗液嚴重漏失、卡埋鉆等孔內事故，而且巖心采取率低。

根據開孔地層特征，決定采用單管復合片鉆頭鉆進，低轉速、低鉆壓、控制回次方法鉆進，以保證巖心采取率鉆進參數為如表1。

表1 單管復合片鉆頭鉆進參數

泥漿體系采用清水+4%優質納基膨潤土粉稠泥漿護壁鉆進，控制合理的起下鉆速度，操作升降機要平穩，盡量減小抽吸效應，以免孔內卵礫石顆粒多，造成卡埋鉆事故。

鉆進8.68m時，由于砂卵石地層，結構松散，漏失、掉塊嚴重，易造成卡鉆，進尺緩慢，取芯困難，隨決定用水泥固孔。

水泥凝固16~20小時后即可進行透孔施工。透孔前先下入鉆具至水泥面以上3~5m處，開泵沖孔清理孔底未凝水泥殘渣，使用繩索取心鉆具采取輕鉆壓、慢回轉速度以及大泵量參數進行透孔，保證鉆孔垂直度，防止出現孔斜現象。

鉆進到15.82m時，進入基巖，地層穩定，重新用水泥固孔，透孔后下入Φ127套管16.50m，套管孔口固定牢固；并在孔壁接觸部位涂黃甘油，以便于起拔。

換用S95繩索取心鉆具繼續鉆進，巖層主要為英安巖和安山巖及少量凝灰巖，堅硬破碎，可鉆性等級為VII～IX，鉆頭主要采用孕鑲金剛石鉆頭HRC20～25，在堅硬破碎地帶，應當使用HRC35左右鉆頭。在鉆進過程中，采用低轉速、適當加大鉆壓、聚乙烯醇無固相沖洗液施工，沖洗液配比為：將聚乙烯醇緩慢添加進熱水內，邊加邊攪拌，直至絮狀物完全消失，補充冷水稀釋至濃度約5%左右；將配制好的濃度約1.5%的硼砂與FeCl的混合液加入配制好的聚乙烯醇溶液內，攪拌狀態下補充配漿水稀釋至二者的濃度分別為1.2%與0.15%左右，即可得到所需的無固相聚乙烯醇泥漿。配置好的沖洗液性能為：漏斗粘度30s，中壓失水量18ml/min，pH值7.5。適當控制回次進尺，提高巖心采取率，鉆進參數如表2。

表2 S95繩索取心金剛石鉆進參數

在323.38m時，遇到復雜層段的強蝕變的英安巖，嚴重綠泥石化以及水敏性強的安山巖，巖石強度及硬度均較低，遇水崩散，易水化、縮徑、造漿；容易造成垮塌事故，難以成孔，嚴重時導致棄孔、挪位。

在使用聚乙烯醇無固相泥漿鉆進時，已經不能起到很好的護壁作用，鉆孔時有縮徑現象，導致上下鉆困難，鉆桿內壁結垢嚴重，清除困難，取芯困難，鉆進效率低下。為提高泥漿的抑制性，嚴格控制失水量，防止鉆孔坍塌報廢，及時改進沖洗液性能，重新配置聚合物低固相沖洗液，以起到更好的護壁作用。沖洗液配方為：4%膨潤土+0.05%NaOH+0.1%KPAM+0.3%KPAN+0.5%NH4HPAN+1%FT，其性能參數如表3。

表3 聚合物泥漿基本性能參數表

該沖洗液在本礦區復雜地層中應用效果良好，該沖洗液具有很強的抑制性，可以提高鉆孔孔壁的穩定性，緩解滲漏現象，減小孔內事故發生的概率，提高鉆進效率，鉆探進尺速度約為8~15m/天。

在鉆進到350.82m時，巖石基本完整，換用S75鉆具鉆進。由于上部有縮徑、塌孔孔段，繼續使用聚合物低固相沖洗液，及時保證維護沖洗液性能，防止再次出現縮徑、塌孔現象，影響鉆進施工。巖層主要為英安巖和安山巖及少量凝灰巖，完整少量破碎，可鉆性等級為VII～XI，鉆頭主要采用孕鑲金剛石鉆頭HRC15～20，鉆進到702.83m終孔。鉆進參數如表4。

表4 S75繩索取心金剛石鉆進參數

3 鉆孔防漏、堵漏及止涌措施

3.1 鉆孔漏失水及涌水原因

由于受地質構造運動，外界環境的物理化學作用以及水文地質條件的影響，礦區相當多的鉆孔是處于鉆孔孔壁不穩定和沖洗液漏失、涌水的復雜地層條件下的。若不采取防漏、堵漏、止涌措施，必然造成鉆進困難，引起垮塌、卡埋、擠鉆、斷鉆桿、嚴重漏失水等各種事故，影響施工進度，造成鉆孔質量差、鉆進效率低、鉆進成本高的不良后果，甚至事故惡化導致鉆孔報廢。因此，在復雜地層中鉆進，最為重要的技術措施就是穩定孔壁，防止發生沖洗液漏失及涌水事故。

3.2 鉆孔防漏、堵漏措施

在上部坡積物、卵礫石地層，由于砂礫石沖洗液漏失嚴重，且孔壁極不穩定，掉塊、坍塌，用稠泥漿護壁，漏失坍塌嚴重，及時采取水泥封孔措施。鉆進穿過砂礫石層后，采用套管護壁，既維護了孔壁穩定，又有效堵漏。在局部破碎、漏失地層，采用不同形狀、不同尺寸的鋸末、花生殼與803型復合堵漏劑結合的隨鉆堵漏材料進行隨鉆堵漏。對于漏失水嚴重且鉆孔較深情況下，用水泥封孔堵漏往往效果不好，通常采用脲醛樹脂水泥球種堵漏，脲醛樹脂水泥球具有強的抗水稀釋性能，與巖石粘結力強，且可堵期可調、早期強度高，特別是在地下水活動劇烈、漏失量較大的地層，只要選準漏失層位，一次就能將漏失層堵住，且成功率高，實踐證明效果良好。

3.3 鉆孔止涌措施

鉆孔涌水是孔內壓力不平衡的表現，沖洗液壓力小于地層水壓時，孔隙水就會流入孔內，稀釋沖洗液，降低其粘性及鉆屑攜帶能力，且性能變差，給鉆進施工帶來系列隱患，甚至引起孔壁失穩、掉塊、坍塌等事故的發生，嚴重影響鉆進效率和鉆進安全。

本鉆孔在134～139m出現涌水，涌水量約為50m/d，采用1m水＋200kg重晶石粉＋500kg膨潤土＋5kgCMC＋3純堿＋6kg腐植酸鉀沖洗液處理后，涌水量大為降低，后根據實際情況重晶石加量降低為30kg～40kg/m，鉆進一段時間后，基本解決了涌水問題。

4 主要鉆探事故及處理措施

4.1 卵礫石層鉆進事故及處理

由于鉆孔上部為坡積物、砂卵礫石，膠結力差，外力擾動易造成孔壁失穩。開孔即漏失嚴重，甚至坍塌、掉塊。根據現場水源充足實際情況，頂漏鉆進，孔壁失穩或掉塊孔段，用優質膨潤土配置的沖洗液鉆進，保證孔壁穩定繼續鉆進。在鉆進到8.68m時，由于在砂卵石地層施工，鉆具晃動加劇，引起鉆孔掉塊、坍塌，再鉆進易造成埋鉆事故，決定用32.5＃普通硅酸鹽水泥封孔，水灰比0.55。水泥充分凝固后，換用復合片鉆頭透孔，低壓慢轉，以保證鉆孔垂直度，防止由于鉆速過快導致鉆孔彎曲度過大而偏離原鉆孔軌跡，至穩定地層后下入套管護壁。

4.2 水敏性地層縮徑事故及處理

在鉆進到300多米時，巖粉明顯增多，鉆桿內部逐漸出現結垢現象，上下鉆遇阻越來越嚴重，已經嚴重影響施工進度，為避免出現斷鉆桿、埋鉆等嚴重事故，在鉆進到323.38m時決定立即更換沖洗液，采用聚合物低固相沖洗液，增加沖洗液粘度，減少地層失水性。這種沖洗液的特點就是：提高抑制性；很好的降低了失水量；適度提高粘度，提高膠結能力。在沖洗液充分循環后，縮徑現象得到很好的抑制，巖粉逐漸減少，鉆桿內部不再結垢，上下鉆逐漸順暢，直至順利終孔。

5 結語

①鉆進復雜地層，應選擇合理的鉆孔結構，最好預留一級口徑，以防止由于發生事故而無法采取擴孔等處理措施而報廢鉆孔。

②低固相聚合物沖洗液具有很強的抑制性，能有效維護孔壁穩定，減小事故發生，但使用過程中應隨時觀測泥漿參數的變化，并根據實際地層調整參數，以保證其性能穩定。

③在使用加重沖洗液前必須加入CMC對其提粘，增加粘切力，使其具有較強的結構力，能長時間懸浮加重材料，避免加重材料沉淀而誘發孔內事故。