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        河南內(nèi)鄉(xiāng)板廠銅多金屬礦ZK1724孔鉆探施工技術(shù)

        2018-01-24 03:25:16韓明耀柳碩林
        鉆探工程 2017年12期
        關(guān)鍵詞:大理巖鉆具巖心

        韓明耀, 柳碩林

        (河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院,河南 鄭州 450001)

        1 概述

        河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣板廠一帶銅多金屬礦勘查,是省重點(diǎn)找礦項(xiàng)目。礦區(qū)地層構(gòu)造復(fù)雜破碎,蝕變嚴(yán)重;地層裂隙發(fā)育,沖洗液漏失,孔壁維護(hù)難度很大。該項(xiàng)目2011年河南省國(guó)土資源廳已立項(xiàng),前期鉆孔較淺,2016年續(xù)作后,為控制礦體在深部延伸情況,設(shè)計(jì)鉆孔更深。

        其中ZK1724鉆孔,設(shè)計(jì)孔深1700 m,傾角85°,方位角20°,終孔孔徑≥76 mm。實(shí)際完成鉆探孔深1712.56 m,為礦區(qū)目前最深鉆孔。ZK1724鉆孔自2016年5月16日開鉆,11月25日終孔,施工193 d,鉆探總臺(tái)時(shí)4632 h,臺(tái)月效率為266.20 m。ZK1724鉆孔礦體厚度381.63 m,礦心采取率99.73%,巖石厚度1662.52 m,巖心采取率98.36%,終孔傾角為75°,方位角為19°,經(jīng)地質(zhì)專家現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收,綜合評(píng)定為優(yōu)質(zhì)孔。在長(zhǎng)達(dá)6個(gè)多月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中,對(duì)于深孔復(fù)雜地層的施工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了艱苦的探索與細(xì)致的總結(jié),并進(jìn)行了有效的技術(shù)改進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)了工程質(zhì)量和鉆進(jìn)效率的提高。

        2 礦區(qū)簡(jiǎn)介及地層

        2.1 礦區(qū)簡(jiǎn)介

        礦區(qū)位于伏牛山南麓,秦嶺山脈東段,豫西南伏牛山脈南側(cè),屬中低山區(qū)。區(qū)內(nèi)山巒起伏,地形復(fù)雜,坡度一般在30°左右,一般相對(duì)高差300~500 m。行政區(qū)劃屬河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣管轄。區(qū)內(nèi)有S249省道和縣鄉(xiāng)公路網(wǎng)相通,交通方便。

        礦區(qū)屬長(zhǎng)江流域漢水水系,氣候?qū)賮啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫15.2 ℃,年平均降雨量877 mm。冰凍期一般在每年的11月至次年2月份,全年無(wú)霜期220 d左右。

        區(qū)內(nèi)居民點(diǎn)較多,人口比較集中,勞動(dòng)力資源豐富。該區(qū)工業(yè)不發(fā)達(dá),主要以礦山開發(fā)為主,目前開發(fā)礦產(chǎn)有金、銀、銅、鐵、鉛、鋅等金屬礦產(chǎn)及矽線石、石墨、海泡石及花崗巖等非金屬礦產(chǎn)。

        2.2 礦區(qū)地層

        礦區(qū)位于小水-老虎山背斜南翼,朱陽(yáng)關(guān)-夏館斷裂上,由于多次的變質(zhì)與變形作用,施工區(qū)域內(nèi)的褶皺與斷裂等構(gòu)造極為發(fā)育。礦區(qū)出露地層為秦嶺巖群雁嶺溝巖組(Pt1y),以及少量第四系(Q)。

        雁嶺溝巖組(Pt1y):出露主要巖性為黑云二長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖、白云石大理巖,含石墨大理巖、透閃石化大理巖、鐵白云石化碎裂大理巖等各類大理巖夾石英片巖、斜長(zhǎng)角閃片巖、黑云二長(zhǎng)片麻巖、矽線二長(zhǎng)片麻巖等??山Y(jié)合巖石組合特性,大致上將其分為4個(gè)主要的巖性段。

        (1)第四系(Q):分布于河谷及山前溝谷內(nèi)。主要巖性為砂礫石層,殘坡積物,亞砂土,亞粘土及粘土,井壁容易發(fā)生失穩(wěn)。

        (2)上部巖性段:主要巖性為白云石大理巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃片麻巖。巖石裂隙發(fā)育,沖洗液漏失風(fēng)險(xiǎn)高。

        (3)中部巖性段:巖性組合為白云石大理巖,碎裂透輝(閃)石大理巖夾含石墨大理巖。礦(化)體賦存于該段內(nèi)的構(gòu)造蝕變帶與花崗(斑)巖的內(nèi)外接觸帶中。構(gòu)造蝕變帶巖性有綠泥石、綠簾石等,巖石穩(wěn)定性差,破碎,易坍塌,部分層段具水敏性。巖石中石墨含量過(guò)高時(shí),孔壁穩(wěn)定性也相應(yīng)降低,且軟硬不均,對(duì)巖心采取和防止孔斜要求較高。

        (4)下部巖性段:巖性組合為白云石大理巖,白云質(zhì)大理巖,含石墨大理巖夾黑云斜長(zhǎng)片麻巖等。巖心破碎,取心比較困難,回次進(jìn)尺少,須少打進(jìn)尺勤起鉆,鉆進(jìn)效率低。

        工作區(qū)主要巖石白云巖、大理巖可鉆性4~6級(jí),研磨性低;片麻巖、花崗巖可鉆性6~8級(jí),中等研磨性。

        3 鉆進(jìn)方法和工藝措施

        3.1 主要設(shè)備機(jī)具

        XY-6B型巖心鉆機(jī):額定鉆進(jìn)深度1500~2000 m,最大扭矩6.7 kN·m,立軸轉(zhuǎn)速80~1000 r/min,立軸最大起重力200 kN,卷?yè)P(yáng)機(jī)最大提升力60 kN。

        3NBB260型泥漿泵:缸套直徑85 mm,5個(gè)擋位,泵量35~260 L/min,泵壓7~10 MPa。

        SG-23型鉆塔:名義高度23 m,最大負(fù)荷30 t。

        SJ-2000型絞車:鋼絲繩長(zhǎng)度2000 m。

        XJL-42型測(cè)斜儀:總長(zhǎng)度1700 mm,外徑42 mm。

        金剛石繩索取心主要使用HQ、NQ鉆具,使用木馬式夾持器。

        3.2 孔身結(jié)構(gòu)及級(jí)配

        孔身結(jié)構(gòu)如圖1所示。ZK1724鉆孔設(shè)計(jì)深度較大,地層復(fù)雜,上部復(fù)雜層位較多,深部地層地質(zhì)情況未知,為確保鉆探施工順利進(jìn)行,必須留有變徑余地,開孔直徑盡可能大一些,兩級(jí)套管之間的孔深間隔盡可能大一些,做好下多層套管的準(zhǔn)備,形成多臺(tái)階的鉆孔結(jié)構(gòu)。

        圖1 孔身結(jié)構(gòu)示意圖

        開孔口徑?130 mm,使用單管鉆具,金剛石鉆頭,鉆進(jìn)至32.11 m,見完整基巖,因孔內(nèi)漏水嚴(yán)重且上部坍塌,下入?127 mm套管。

        換用?110 mm金剛石單管鉆具,鉆進(jìn)至65.28 m,下入?108 mm套管。這一孔段地層比較完整,但沖洗液全漏失,頂漏鉆進(jìn),未采取堵漏措施。

        再換用HQ系列S95B繩索取心鉆具,鉆頭外徑95 mm,擴(kuò)孔器外徑95.3 mm,鉆進(jìn)至584.78 m。其間鉆遇數(shù)層破碎帶和水敏性地層,使用了惰性材料、橋接材料、水泥、凝膠等堵漏材料,大部分沖洗液返出孔口。經(jīng)技術(shù)人員對(duì)巖心和地層分析,為維護(hù)上部地層穩(wěn)定、隔阻漏失地層、提高效率,決定換徑,下入?89 mm套管。

        最后采用NQ系列S76繩索取心鉆具,鉆頭外徑加大至77 mm,擴(kuò)孔器外徑77.3 mm,鉆進(jìn)至終孔1712.56 m。

        各級(jí)套管使用地質(zhì)套管,壁厚4.5 mm,確保套管強(qiáng)度。采用外接箍連接,接箍?jī)?nèi)壁與套管體內(nèi)壁無(wú)臺(tái)階,從而保證套管內(nèi)徑最大化、套管與鉆具環(huán)狀間隙最大化,可有效減小回轉(zhuǎn)阻力、降低深孔泵壓、利于較大顆粒巖粉上返;同時(shí),套管體內(nèi)壁平滑,避免了接箍和鉆具的直接回轉(zhuǎn)摩擦,從而大大減少了因接箍斷裂或脫扣造成的套管事故。套管絲扣間使用反扣連接,可有效減少套管脫扣事故,也便于終孔后起拔套管。

        3.3 鉆進(jìn)方法與技術(shù)參數(shù)

        按照施工要求,結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況,全孔采用金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法施工。?130、110 mm孔段使用單管鉆具,回次終了采取巖心時(shí),從水龍頭上部向鉆具內(nèi)投入卡料或卡絲,確保巖心采取率。?95、77 mm孔段使用繩索取心鉆進(jìn)方法,巖心采取率高,鉆探效率高。

        綜合考慮設(shè)備機(jī)具能力、口徑、鉆頭、鉆進(jìn)方法和地層情況,優(yōu)選鉆進(jìn)技術(shù)規(guī)程參數(shù)。鉆進(jìn)過(guò)程中,根據(jù)地層巖性情況,對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖洗液量等參數(shù)進(jìn)行有機(jī)配合,及時(shí)調(diào)整??變?nèi)情況正常時(shí),轉(zhuǎn)速取上限值以提高效率。具體鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)見表1。

        表1 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

        3.4 沖洗液

        3.4.1 正常鉆進(jìn)時(shí)沖洗液

        鉆孔正常鉆進(jìn)時(shí),使用細(xì)分散低固相植物膠體系沖洗液,其優(yōu)點(diǎn)是密度低,失水量小,膠體率高,對(duì)巖屑的懸浮和攜帶能力強(qiáng)。配方為:1.5%膨潤(rùn)土+0.2%~0.25%純堿+0.6%植物膠+0.6%~0.8%腐植酸鉀+0.03%聚丙烯酸鉀??咨顣r(shí)或孔內(nèi)阻力大時(shí),加入潤(rùn)滑劑0.3%。配置時(shí)嚴(yán)格按照上述材料順序添加,膨潤(rùn)土應(yīng)充分預(yù)水化,充分?jǐn)嚢琛E渲贸龅臎_洗液性能為:粘度22~26 s,密度1.03 g/cm3,pH值8,失水量<12 mL/30 min,膠體率>98%。

        3.4.2 水敏化地層沖洗液

        鉆孔鉆遇綠泥石化、高嶺土化地層時(shí),表現(xiàn)出坍塌、縮徑等水敏化特征,鉆具回轉(zhuǎn)阻力大,起下鉆阻力大,甚至發(fā)生卡鉆事故。在沖洗液中加入鈣鹽作為抑制劑,轉(zhuǎn)化為鈣處理沖洗液,為方便購(gòu)置,選用石灰作為鈣鹽。

        具體配置方法為:第一步,原漿中加入纖維素0.2%~0.3%,降低失水量。第二步,加入鈣鹽(選用石灰)轉(zhuǎn)化為鈣處理泥漿,Ca2+濃度維持在0.8~1.5 kg/m3以上,可以適當(dāng)多加一些石灰,使Ca2+處于過(guò)飽和狀態(tài)。鈣處理后泥漿表觀粘度、漏斗粘度會(huì)顯著增加,失水量增大。第三步,加入腐植酸鉀調(diào)節(jié)泥漿粘度和失水量。

        3.4.3 復(fù)雜地層沖洗液

        礦區(qū)鉆探的復(fù)雜地層主要是構(gòu)造蝕變帶巖層,如綠簾石等,巖石松散、破碎、膠結(jié)性差,鉆探過(guò)程中,輕則掉塊;嚴(yán)重時(shí)鉆孔垮塌,憋車憋泵;甚至造成孔內(nèi)事故。圖2為綠簾石層巖心圖片。泥漿配置思路是適當(dāng)提高粘度,盡量降低失水量,保護(hù)孔壁,預(yù)防坍塌,維持正常鉆進(jìn)。

        圖2 綠簾石層巖心圖片

        泥漿配方為:2%膨潤(rùn)土+0.2%~0.3%純堿+0.2%~0.3%纖維素+0.6%植物膠+0.6%~0.8%腐植酸鉀+0.1%~0.2%磺化瀝青+0.03%聚丙烯酸鉀+0.3%潤(rùn)滑劑。

        配置出的泥漿性能為:粘度26~32 s,密度1.03 g/cm3,pH值8,失水量6~8 mL/30 min,膠體率接近100%。

        3.4.4 沖洗液維護(hù)與管理

        (1)沖洗液體系與配方需要結(jié)合地層條件與鉆進(jìn)方法來(lái)確定,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中在嚴(yán)格執(zhí)行沖洗液方案的基礎(chǔ)上,也應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的異常情況做好工程預(yù)案,靈活處理。

        (2)鉆井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備專用的泥漿測(cè)試儀器,并認(rèn)真做好泥漿性能測(cè)試工作,整理好泥漿班報(bào)表。嚴(yán)密觀測(cè)六速旋轉(zhuǎn)粘度值、中壓失水量、含砂量、pH值等常規(guī)性能,一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)引起充分重視,分析性能波動(dòng)的原因,并進(jìn)行針對(duì)性解決。

        (3)做好現(xiàn)場(chǎng)泥漿凈化工作。定期清理沉淀池、循環(huán)槽以及上水池,勤撈砂,保證除砂器開啟率。避免雨水、污水等匯入泥漿池而引起泥漿性能大幅波動(dòng)。

        (4)泥漿配制應(yīng)確保處理劑性能充分發(fā)揮。坂土預(yù)水化時(shí)間應(yīng)在24 h以上,纖維素等大分子處理劑應(yīng)預(yù)先配制成高濃度膠液,維護(hù)過(guò)程中應(yīng)適量、均勻地補(bǔ)充至上水池中。

        (5)沖洗液體系轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)做好小樣實(shí)驗(yàn),分析轉(zhuǎn)換過(guò)程中是否會(huì)出現(xiàn)大的性能波動(dòng),全井轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)兼顧效率與效果。

        3.5 護(hù)壁堵漏

        沖洗液漏失是ZK1724孔鉆探施工的一大難題。漏失發(fā)生后將導(dǎo)致井內(nèi)靜液柱壓力下降,難以平衡地層空隙壓力,從而引發(fā)垮塌等復(fù)雜問(wèn)題。沖洗液難以建立循環(huán),鉆進(jìn)工作難以順利進(jìn)行,鉆進(jìn)施工安全得不到保證,嚴(yán)重者將導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢。礦區(qū)白云巖、大理巖地層,可能出現(xiàn)輕微漏失、嚴(yán)重漏失、全漏失等不同程度漏失情況。做好護(hù)壁堵漏工作,主要采取了以下幾種方法。

        3.5.1 頂漏鉆進(jìn)

        孔深較淺、供水水源充足,鉆探施工中對(duì)輕微漏失不做處理,頂漏鉆進(jìn)。鉆探上部地層采用?130、110 mm口徑施工,產(chǎn)生的巖粉量較大,通過(guò)井內(nèi)自然沉降以及在壓差作用下部分巖粉在近井壁處滲濾而侵入裂隙深處,從而起到一定的封堵效果。如此,可以實(shí)現(xiàn)泥漿的自我堵漏效果,避免了因?yàn)槎侣┳鳂I(yè)而引起的工期延長(zhǎng)以及材料成本增加。

        3.5.2 隨鉆堵漏

        適用于微裂縫輕微漏失,常規(guī)方法是在沖洗液中加入惰性材料或隨鉆堵漏劑,或者在CMC溶液中加入石灰石粉、鋸末等隨鉆材料,通過(guò)地面攪拌罐進(jìn)行強(qiáng)力混合攪拌,確保其均勻,并保持較高的粘度,經(jīng)鉆桿灌注至井底。開動(dòng)鉆機(jī)后低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn),并上下活動(dòng)鉆具掃孔,保持小排量。一次堵漏難以奏效時(shí)可多次連續(xù)采取該措施。相比于其它堵漏措施,該方法操作簡(jiǎn)單,隨鉆隨堵,限于隨鉆材料尺寸較小,適合進(jìn)行微孔隙及微裂隙等輕微漏失。

        3.5.3 橋接材料堵漏

        當(dāng)漏失程度較為嚴(yán)重,隨鉆堵漏難以奏效時(shí),需要配制橋接堵漏漿液,大致配方為:清水+PHP+CMC+橋接材料+鋸末,其中橋接材料為803堵漏王或地層壓力增強(qiáng)劑。配制與灌注方法與隨鉆堵漏大致相同。與隨鉆堵漏相比,橋接材料組分更為復(fù)雜多樣,相當(dāng)于化學(xué)材料與惰性材料聯(lián)合堵漏,且惰性材料粒徑更大、纖維更長(zhǎng),堵漏效果更好。

        3.5.4 水泥砂漿堵漏

        孔內(nèi)漏失嚴(yán)重,孔口返出的沖洗液量很小或不返時(shí),使用水泥砂漿堵漏方法:清水+水泥+河砂+1%NaCl(早強(qiáng)劑),水灰比控制在0.4~0.5的范圍內(nèi)。其中水泥標(biāo)號(hào)應(yīng)大于42.5級(jí),而河沙尺寸應(yīng)為中細(xì)粒徑。水泥最好現(xiàn)買現(xiàn)用,保存時(shí)應(yīng)注意防潮結(jié)塊。水泥砂漿配制完成后,應(yīng)一次性連續(xù)灌注至井內(nèi),待全部鉆具起出井口后候凝36~48 h,候凝時(shí)間不足有可能導(dǎo)致水泥固結(jié)不充分,候凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)水泥強(qiáng)度較高時(shí)導(dǎo)致掃孔時(shí)間延長(zhǎng)。計(jì)算好替漿液,確保水泥砂漿頂替到位。掃除水泥塞過(guò)程中避免使用清水,以防攜帶能力不足而導(dǎo)致沉砂過(guò)多;控制掃孔速度不要過(guò)快,保證沖洗液循環(huán)充分以最大程度保證井眼清潔。

        3.5.5 溶脹型堵漏材料

        孔內(nèi)漏失嚴(yán)重,孔口返出的沖洗液量小或不返時(shí),使用具有延遲膨脹特點(diǎn)的材料堵漏,如凝膠等。經(jīng)過(guò)ZK1724孔的凝膠堵漏實(shí)踐,與水泥砂漿堵漏相比,操作程序相對(duì)簡(jiǎn)單,節(jié)省了水泥候凝時(shí)間,也避免了水泥初凝早,抱死鉆具的事故風(fēng)險(xiǎn)。

        膨脹性堵漏劑自身含有多種親水基團(tuán),并且具有一定的交聯(lián)度(或外加交聯(lián)劑),可吸收相當(dāng)于自身質(zhì)量上千倍的液態(tài)水而形成體狀凝膠結(jié)構(gòu)。初始階段吸水較慢,后期吸水膨脹速率大幅加快,從而方便現(xiàn)場(chǎng)配制并泵送至漏失層段,在漏失通道內(nèi)不斷膨脹占位,從而起到良好的封堵作用。該方法使用過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格注意各時(shí)間節(jié)點(diǎn),以防未泵送到位時(shí)即出現(xiàn)過(guò)度膨脹,從而引起堵漏失敗。

        3.5.6 套管堵漏

        套管堵漏即先強(qiáng)行鉆穿漏層后,下入套管將漏層進(jìn)行封隔。ZK1724孔下入的?127、108、89 mm三層套管,都起到了很好的堵漏效果。但是套管封隔受井身結(jié)構(gòu)和套管程序的限制,不到萬(wàn)不得已的情況不能采用。

        4 結(jié)語(yǔ)

        (1)ZK1724孔多策并舉,順利完成了鉆探任務(wù),提高了鉆探施工效率和工程質(zhì)量,為礦區(qū)下一步鉆探施工提供了技術(shù)保障,為深孔復(fù)雜地層鉆探提供了可行的經(jīng)驗(yàn)。

        (2)《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》(DZ/T 0227—2010)規(guī)定的鉆探公稱口徑系列為150(S)、122(P)、96(H)、76(N) mm等,實(shí)際的鉆頭、擴(kuò)孔器外徑尺寸可根據(jù)不同的鉆進(jìn)方法和地層情況,在合理范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整。ZK1724孔據(jù)此大膽改進(jìn),使用的四級(jí)鉆頭外徑為130、110、95、77 mm,同時(shí),對(duì)鉆具級(jí)配、套管結(jié)構(gòu)也做出相應(yīng)的調(diào)整。實(shí)踐證明是可行的,適應(yīng)礦區(qū)地層情況,滿足地質(zhì)要求,有利于提高鉆效,節(jié)約成本。

        (3)在地層漏失的情況下,堅(jiān)持使用細(xì)分散低固相沖洗液,是保障正常鉆進(jìn)的關(guān)鍵。細(xì)分散低固相沖洗液的固相含量低,流動(dòng)性好,潤(rùn)滑性能好,適應(yīng)金剛石繩索取心鉆探,且不易發(fā)生縮徑、坍塌卡鉆等事故。構(gòu)造蝕變帶復(fù)雜地層,巖石松散、破碎、膠結(jié)性差、有的層位具水敏性,細(xì)分散低固相沖洗液自由水含量少,能有效地阻止沖洗液中自由水向巖層中滲透,減少對(duì)巖層的干擾,保證鉆孔的安全。

        (4)嘗試了頂漏鉆進(jìn)、隨鉆堵漏、專門堵漏、套管堵漏等方法,試用了惰性材料、橋接材料、水泥砂漿、溶脹型材料(凝膠)等堵漏材料,對(duì)漏失地層特性判斷與堵漏方法、堵漏材料的關(guān)聯(lián)性有了初步認(rèn)識(shí)。

        [1] 雷淮.河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣板廠銅多金屬礦礦床成因及成礦模式探討[J].中國(guó)礦業(yè),2011,20(9):62-68.

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