秦品光,金杰明

（1.浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局，浙江紹興312000;2.甘肅省有色礦勘院，甘肅天水830011）

武山礦區(qū)復(fù)雜地層鉆進(jìn)綜合治理分析總結(jié)

秦品光*1,金杰明2

（1.浙江省有色金屬地質(zhì)勘查局，浙江紹興312000;2.甘肅省有色礦勘院，甘肅天水830011）

武山鉬礦礦區(qū)位于秦嶺褶皺帶北緣，祁、呂、賀山字形構(gòu)造前弧西翼和六盤山帶狀構(gòu)造西側(cè)3大構(gòu)造體系的復(fù)合部位，斷裂構(gòu)造特別發(fā)育，地層復(fù)雜，鉆進(jìn)時，孔壁坍塌掉塊、縮徑、憋泵、涌水、漏水現(xiàn)象時有發(fā)生。隨著孔深的增加，對復(fù)雜地層鉆進(jìn)的綜合治理顯得尤其重要。針對武山鉬礦復(fù)雜地層的特點上，深入分析探礦施工中出現(xiàn)的各種孔內(nèi)事故，總結(jié)歸納出鉆進(jìn)臺效低、巖芯采取率低、孔漏及孔壁坍塌等3大主要問題，并針對這些主要問題，介紹適應(yīng)本地層特點所采取的鉆探技術(shù)措施、相應(yīng)對策及施工管理對策。

復(fù)雜地層；泥漿；鉆探工藝；半合管；射流式取芯鉆具

武山鉬礦位于武山縣溫泉鄉(xiāng)陳家大灣村，自2000年開始鉆探施工工作，逐年投入鉆探工作，并逐年加大工作量，隨著地質(zhì)工作的不斷深入，礦體勘查逐步由尋找埋藏淺、易發(fā)現(xiàn)的淺表礦向埋藏深、識別難的隱伏礦體轉(zhuǎn)變，施工鉆孔越來越深，由于武山鉬礦地層復(fù)雜，鉆進(jìn)時，孔壁坍塌掉塊、縮徑、憋泵、涌水、漏水現(xiàn)象時有發(fā)生，因此，隨著孔深的增加，鉆孔過程中對復(fù)雜地層的綜合治理顯得尤其重要。

1 概述

1.1 工程概況

礦區(qū)為花崗巖地貌，中高山區(qū)地形，自1958年開始地表地質(zhì)工作，2000年開始鉆探施工，在16線施工1個鉆孔，深 299m。2003～2004年，施工鉆探進(jìn)尺1851.18m，2005年施工鉆探進(jìn)尺1675.59m，2006年施工鉆探進(jìn)尺1800m，2008年完成鉆探進(jìn)尺3190.41m，2009年完成鉆探進(jìn)尺11664.47m，鉆探工作量逐年增加，且多為中深孔鉆探施工。但因?qū)υ摰貙拥膹?fù)雜性對中深孔鉆探施工的不利影響認(rèn)識不足，在技術(shù)和管理上沒有引起足夠的重視，因此，在起初的中深孔施工時造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)條件

礦區(qū)位于天水市境內(nèi)，大地構(gòu)造位于秦嶺褶皺帶北緣，祁、呂、賀山字形構(gòu)造前弧西翼和六盤山帶狀構(gòu)造西側(cè)3大構(gòu)造體系的復(fù)合部位，斷裂構(gòu)造特別發(fā)育，以近南北向的斷裂構(gòu)造為主，礦區(qū)內(nèi)地層主要為淺部的印支期似斑狀黑云母二長花崗巖和深部的燕山期花崗斑巖，由于受強烈的地質(zhì)構(gòu)造作用，斷裂及節(jié)理裂隙十分發(fā)育，巖層十分破碎，施工困難。

1.3 施工設(shè)備及工藝

鉆機選用XY-4和XY-44型立軸鉆機，BW-250泥漿泵，14.5m四腳斜塔，S75重型繩索取芯鉆桿。這些設(shè)備能較好地滿足復(fù)雜地層、特別是武山復(fù)雜地層中深孔施工鉆進(jìn)，S75重型繩索取芯鉆桿抗拉、抗扭強度大，能有效防止鉆桿脫扣、折斷事故的發(fā)生。

1.4 鉆孔結(jié)構(gòu)及施工工藝

考慮到地層復(fù)雜，坍塌、漏失不可避免，須用多級口徑。所以，開孔用?150mm合金鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)到穿過地面覆蓋層和強風(fēng)化地層后，下人?146mm套管，換?110mm鉆具鉆進(jìn)，換徑位置可在30～50m之間。?110mm鉆具鉆進(jìn)到150m左右時，可換?91mm金剛石鉆具鉆進(jìn)。如有?114mm套管，下?114mm套管，換?91mm鉆具鉆進(jìn)，?91mm鉆頭可自由上下。?91mm鉆具鉆進(jìn)到300m左右時，可下?89mm套管，換S75金剛石繩索取芯鉆具鉆進(jìn)。?59mm作為備用口徑。

如下?108mm套管后，直接換S75金剛石鉆頭鉆進(jìn)，可采用?76mm加大鉆頭，解決沖洗液環(huán)流間隙小、遇軟層憋泵、泵壓高、壓力漏失等問題。

2 施工中遇到的主要問題及其原因分析

由于本礦區(qū)斷層較為發(fā)育，地層較為破碎，同時斷層中存在“高嶺土化”層，軟硬不均，使得鉆孔壁較易出現(xiàn)漏水、縮徑、坍塌等自然現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致鉆探巖芯采取率低、塌孔甚至鉆桿折斷等孔內(nèi)事故的出現(xiàn)，結(jié)果造成礦區(qū)的鉆探臺效大大下降。經(jīng)分析總結(jié)認(rèn)為，本礦區(qū)探礦施工中出現(xiàn)的主要問題可歸結(jié)為：鉆進(jìn)臺效低、巖芯采取率低、孔漏及孔壁坍塌等方面。其原因分析如下：

2.1 鉆進(jìn)臺效低

主要原因為：（1）地層十分破碎，軟硬不均，回次進(jìn)尺低，常常是鉆進(jìn)十幾公分，巖芯被卡死，不再進(jìn)尺，不得不打撈巖芯。同時，每次打撈巖芯后，孔壁上的碎塊石落入井內(nèi)，這些碎塊石都是花崗巖地層中風(fēng)化殘余的角礫塊，硬度高，研磨性強，和裂隙中的砂粒混合在一起，包圍在鉆頭周圍，鉆頭轉(zhuǎn)動時，反復(fù)研磨鉆頭，因此，鉆頭要掃到孔底，十分吃力，除非把這些碎塊磨細(xì)，隨泥漿排出空外，否則，即使強行掃到孔底，一旦提鉆，這些砂粒和碎石塊又回落到原來的位置，致使鉆進(jìn)過程中，掃孔時間多，鉆進(jìn)時間少，情況嚴(yán)重時，一個新的鉆頭掃到孔底，鉆頭已經(jīng)嚴(yán)重磨損，無法正常使用。（2）地層縮徑、垮塌。部分軟層鉆進(jìn)時，受沖洗液中的水的浸泡，造成縮徑，導(dǎo)致泵壓升高，受高壓沖洗液的沖洗，加上鉆桿在井內(nèi)震動，軟層坍塌，鉆孔超徑，鉆進(jìn)過程中，鉆桿在此部分彎曲度增加，誘發(fā)鉆桿折斷、脫扣事故，增加了鉆進(jìn)時間，加大了工人勞動強度，降低了生產(chǎn)效率。（3）本礦區(qū)斷裂層中，巖石蝕變后高嶺土化，形成“斷層泥”，鉆進(jìn)過程中，斷層泥質(zhì)物經(jīng)沖洗液的沖刷，易和泥漿一起變成糊狀物，增加了泥漿的固相含量，鉆桿內(nèi)壁易結(jié)泥皮，鉆探水泵損壞率高，加大設(shè)備維修時間，影響正常的鉆進(jìn)工作。

2.2 巖芯采取率低

武山礦區(qū)地層斷裂十分發(fā)育，巖石松散、破碎，遇到鉆探擾動及一般泥漿沖刷極易散落開來，難以保證巖芯采取率；同時在斷裂層中，巖石蝕變后高嶺土化，多數(shù)細(xì)粉隨泥漿排出孔外，粗顆?；驊腋∮谀酀{液中，或沉淀于井底，巖芯采取率低。

2.3 孔漏及孔壁坍塌

由于地層破碎，斷裂裂隙發(fā)育，且連通性好，幾乎每個鉆孔都出現(xiàn)泥漿漏失。部分地段，泥漿比重增加時，發(fā)生漏失，泥漿比重減小時，井內(nèi)出現(xiàn)涌水。孔內(nèi)涌水，造成孔壁坍塌，且將裂隙中的砂粒、碎石一起帶入井內(nèi)，井內(nèi)沉淀物越積越多，造成蹩泵，鉆桿折斷，甚至卡埋鉆事故。同時部分軟軟層受沖洗液浸泡出現(xiàn)縮徑現(xiàn)象，使該處環(huán)狀過流面縮小，流速加大，沖蝕孔壁，加上回轉(zhuǎn)鉆桿產(chǎn)生激振的影響，造成該處孔壁坍塌超徑。

3 技術(shù)措施及相應(yīng)對策

3.1 泥漿選型

（1）無固相沖洗液。剛進(jìn)入武山礦區(qū)鉆探施工時，使用無固相聚丙烯酰胺沖洗液，該沖洗液潤滑性能好，固相含量低，鉆桿不結(jié)泥皮，宜于繩索取芯鉆進(jìn)。但對于坍塌、漏失層，因其失水量較大，護(hù)壁及防漏失性能均不好，只能采用套管護(hù)壁，因此需反復(fù)擴(kuò)孔，起下套管，不適宜深孔鉆進(jìn)中處理深部破碎、坍塌、漏失層。

（2）高固相泥漿。為解決頻繁擴(kuò)孔、起下管套問題，改用膨潤土泥漿，用優(yōu)質(zhì)膨潤土粉+CMC+純堿，這種泥漿較好地改善了破碎地層中坍塌、漏失問題，但泥漿粘度過高，泥漿比重較大，巖粉無法沉淀，常出現(xiàn)井內(nèi)憋泵，鉆桿結(jié)泥皮，內(nèi)管投放不到位，打撈不起以及粘鉆、卡鉆、水泵事故頻繁等問題。

（3）接枝淀粉共聚物泥漿。采用北京市探礦研究所研制生產(chǎn)的接枝淀粉共聚物配制泥漿，配方為2%～5%鈉膨潤土+0.2%～0.4%接枝淀粉共聚物。該泥漿的特點是水溶后形成體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在巖芯表面吸附形成膠膜，濃度越高，形成的膠膜也越厚、越密實。因此，護(hù)芯護(hù)壁效果好，且該泥漿表觀粘度也較高，排粉能力較強，能較好地排除井底巖粉。并解決了泥漿巖粉不沉淀，鉆桿內(nèi)結(jié)泥皮問題。2009年，該礦區(qū)ZK16-7孔用此泥漿液完成設(shè)計孔深800m、傾角87°鉆孔。施工深度811.9m，用時2個月零3d，創(chuàng)造了該工區(qū)S75金剛石繩索取芯鉆進(jìn)深孔最好成績。

3.2 鉆頭選擇

針對武山地質(zhì)條件及地層情況，邀請了數(shù)十家鉆頭生產(chǎn)廠家，帶各自產(chǎn)品到礦區(qū)進(jìn)行實驗，并取有代表性的巖樣到部分鉆頭生產(chǎn)廠家做專門的試驗，通過現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)：唇面形狀為同心圓或大鋸齒狀，金剛石顆粒較大者（粒度為60～80目），濃度為100%，胎體硬度HRC為30～35的鉆頭適宜于武山礦區(qū)鉆進(jìn)。

3.3 使用半合管鉆具及射流式取芯鉆具

根據(jù)本礦區(qū)地層分布情況及其巖性特征，為確保各層鉆探取芯采取率，經(jīng)過實踐確定：在土質(zhì)全風(fēng)化巖層采用半合取芯管鉆具取芯，在巖質(zhì)類地層采用射流式取芯鉆具取芯。

半合取芯管為單動雙管鉆具，其取芯管為可分離的2個半開管，鉆進(jìn)時，2個半管合為一個完整的圓管做取芯管，鉆機后獲取巖芯時，將其中的一半拿開，巖芯原狀不動地放在另一個半管內(nèi)，避免破碎巖芯在退芯時被人為破壞，保持巖芯的原狀結(jié)構(gòu)。

射流式鉆具為單動雙管鉆具，是用于硬、脆、碎地層及軟硬互層地層鉆進(jìn)的特殊取芯鉆具，其原理為沖洗液經(jīng)水道噴嘴射入承噴室后，在取芯管上部形成負(fù)壓，給內(nèi)管中的巖芯一個上浮力，使巖芯懸浮在沖洗液中，巖芯之間不發(fā)生自磨，有效提高巖芯采取率。

3.4 鉆進(jìn)工藝參數(shù)

對于完整地層地段采取常規(guī)的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等鉆進(jìn)工藝參數(shù)鉆進(jìn)，一般能保證鉆進(jìn)臺效。但對于復(fù)雜地層鉆進(jìn)，鉆進(jìn)工藝參數(shù)要根據(jù)相應(yīng)的地層進(jìn)行調(diào)整。在本礦區(qū)的復(fù)雜地層鉆進(jìn)時，鉆進(jìn)參數(shù)基本控制在中低壓、低轉(zhuǎn)速、小泵量（采用射流式取芯鉆具時采取中等泵量）進(jìn)行。因為在破碎復(fù)雜斷裂地層中鉆進(jìn)時，如果鉆壓太大，容易發(fā)生鉆桿彎折，造成鉆桿折斷事故，同時也易因切巖不均勻接觸而損壞金剛石鉆頭，導(dǎo)致金剛石過度的損耗，降低鉆進(jìn)效率；在高轉(zhuǎn)速下，鉆具會因孔底破碎不均而發(fā)生強烈振動，發(fā)生孔內(nèi)事故，同時鉆頭底部出露的金剛石很快被地層損耗或拋光，同樣降低鉆進(jìn)效率；在破碎復(fù)雜斷裂地層中鉆進(jìn)，地層會因泵量的加大而受到?jīng)_刷發(fā)生坍塌，泥漿更易出現(xiàn)漏失。同時，鉆頭破碎巖石所產(chǎn)生的巖屑數(shù)量較少，也沒必要使用大泵量，因此，在破碎復(fù)雜斷裂地層中選用小泵量鉆進(jìn)，既保證孔壁不發(fā)生坍塌，又確保達(dá)到泥漿冷卻金剛石鉆頭的目的。通過的摸索、實踐，優(yōu)選鉆進(jìn)參數(shù)為：鉆壓在4～7kN之間，轉(zhuǎn)速控制在150～250r/min，泵量控制在55L/min左右（漏失時75L/min）。

4 鉆探生產(chǎn)管理主要對策

4.1 做好施工組織設(shè)計，堅持先入為主

施工前，要根據(jù)鉆孔理想柱狀圖及以往施工經(jīng)驗，對施工中所出現(xiàn)的問題做全面分析、判斷，制定相應(yīng)的施工方案，采取必要的預(yù)防措施和處理措施，并對機組人員做明確的交待，引起大家思想上足夠的重視，精心準(zhǔn)備，細(xì)心操作，沉著應(yīng)對。

4.2 充分調(diào)動廣大職工的積極性

人是生產(chǎn)力中最活躍、最主要的因素，充分調(diào)動人的積極性和能動性，將會極大地提高勞動生產(chǎn)效率。積極采取各種有效途徑，加強管理，提高職工待遇，實行職工工資和鉆進(jìn)施工效益掛鉤，較好地調(diào)動了職工的積極性。

4.3 加強機班長總結(jié)交流工作

復(fù)雜地層鉆進(jìn)是一個探索性工作，要求施工人員要不斷總結(jié)操作經(jīng)驗，彼此間交流可以最大程度地減少錯誤及不必要損失的再次發(fā)生，以提高鉆進(jìn)效率。其中，提高鉆進(jìn)小時效率的主要途徑是合理控制鉆進(jìn)參數(shù)，即壓力、轉(zhuǎn)速、沖洗液量。施工技術(shù)人員和機班長要結(jié)合地層情況，精心操作，總結(jié)施工經(jīng)驗。通過不斷總結(jié)和提高鉆進(jìn)技術(shù)，熟練地采用最佳鉆進(jìn)施工技術(shù)參數(shù)，以不斷提高生產(chǎn)效率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4.4 做好交接班工作

鉆進(jìn)施工時，各班除了做好本班的工作之外，要確實做好班與班之間的交接工作，當(dāng)班鉆進(jìn)的井內(nèi)情況，地層類型，井內(nèi)鉆桿的數(shù)量、鉆具的長度及使用情況，機械運轉(zhuǎn)情況以及需要注意的事項，要向下一班詳細(xì)交代清楚，特別是處理事故時，要把本班處理的情況、采用的方法、下步的打算確切地交代清楚，避免走彎路。

5 結(jié)語

復(fù)雜地層鉆進(jìn)是一項細(xì)致而艱巨系統(tǒng)的工作，不僅要處理好地質(zhì)與探礦、護(hù)壁與鉆進(jìn)、鉆進(jìn)臺效與巖芯采取率的關(guān)系，還要解決好鉆探經(jīng)驗與鉆探新技術(shù)、新工藝、新材料的作用關(guān)系、眼前問題與長期發(fā)展的關(guān)系，遇到問題需要我們冷靜地、系統(tǒng)地分析、解決，需要我們不斷總結(jié)，探索經(jīng)驗，綜合運用每項技術(shù)技能，唯有如此，才能不斷克服難關(guān)，使鉆探技術(shù)日臻完善。

[1]高森.鉆探工藝學(xué)[M].地質(zhì)出版社，1980.

[2]曾毓榮.復(fù)雜地層鉆進(jìn)中鉆孔的護(hù)壁與堵漏技術(shù)[J].江西煤炭科技1994（4）：11-12.

[3] 陶士先.鉆探?jīng)_洗液講義[E].甘肅有色地勘局鉆探培訓(xùn)，2010.

[4]趙爾信.精細(xì)、原位、保真取樣技術(shù)的進(jìn)展[E].甘肅有色地勘局鉆探培訓(xùn)，2010.

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1004-5716(2015)02-0036-03

2014-03-20

2014-03-25

秦品光（1965-），男（漢族），安徽淮北人，高級工程師，現(xiàn)從事探礦工程工作。