高德程 沈昊林

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心；2.中國消防救援學(xué)院）

內(nèi)蒙古格魯其堆山礦區(qū)位于內(nèi)蒙古額爾古納市境內(nèi)，中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心從2013年7月開始在該區(qū)進行多金屬普查工作，主要是利用鉆探工程對礦帶進行控制，大致查明礦體的賦存狀態(tài)，實現(xiàn)找礦目標(biāo)。

1 概 述

1.1 基本情況

工作區(qū)位于內(nèi)蒙古興安地槽褶皺系，額爾古納興凱地槽褶皺帶的中段，以得爾布干斷裂為界，南東與喜桂圖旗中華力西地槽褶皺帶相鄰，成礦條件有利。區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要為NE向構(gòu)造，其次為NW、EW、SN向構(gòu)造，以褶皺、斷層為主，呈現(xiàn)多期疊加特征。NE向斷裂有額爾古納大斷裂、哈烏爾大斷裂、地營子大斷裂、627 m高地北東向正斷層；NW向斷裂為589 m高程點正斷層；EW向斷裂為616 m高程點斷層；SN向斷裂為628 m高地正斷層。工作區(qū)出露地層依次為新元古界、志留系、石炭系、白堊系、第四系，主要巖性為變質(zhì)砂巖、板巖、大理巖、白云石大理巖，巖層局部破碎強烈，為致密狀硅化大理巖、硅化砂巖，特別是淺部（100 m）氧化程度高。受斷裂構(gòu)造影響，鉆遇破碎帶井壁易發(fā)生坍塌掉塊；大理巖、板巖層理發(fā)育，易發(fā)生沖洗液漏失；碳酸鹽地層存在溶洞，會造成沖洗液嚴(yán)重漏失以及孔內(nèi)坍塌，施工難度極大。

幾年來，幾家鉆探施工單位在該區(qū)域進行施工，都因水源較遠(yuǎn)（5～6 km）、鉆孔漏失處理不當(dāng)，造成施工緩慢或廢孔，而放棄施工。中國地質(zhì)調(diào)查局自然資源綜合調(diào)查指揮中心自施工以來，總結(jié)了前人的工作經(jīng)驗教訓(xùn)，深入分析產(chǎn)生問題的原因，制定了完備的應(yīng)對措施，有效解決鉆進難題，順利完成了施工任務(wù)。

1.2 施工難點

工作區(qū)內(nèi)地層受多期構(gòu)造的疊加影響，斷層、節(jié)理發(fā)育，巖石結(jié)構(gòu)破碎，且碳酸鹽地層發(fā)育有溶洞，鉆進過程中沖洗液漏失嚴(yán)重，孔壁不穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生卡鉆、埋鉆、燒鉆及鉆桿折斷等孔內(nèi)事故，處理事故難度極大，嚴(yán)重影響施工進度和工程質(zhì)量。2015年施工ZK0215-3孔，曾在216-219 m段遇變質(zhì)砂巖破碎帶，孔壁坍塌發(fā)生卡鉆事故，連續(xù)處理7 d才解決問題；2016年施工ZK1116-2孔，在258～261 m孔段，鉆遇溶洞，全孔漏失，耗時11 d處理完。同時，施工用水非常緊張，離工作區(qū)最近的河流為額爾古納河，只有個別孔位距離河流2～3 km，大部分孔位距離河流在5～8 km，有些孔位需要設(shè)立2～3級泵站才能實現(xiàn)供水，大部分孔位還需要用車?yán)┕?，成本較高。因此，解決堵漏問題是本區(qū)的施工重點和難點。

2 鉆探設(shè)備及鉆孔結(jié)構(gòu)選擇

2.1 鉆機及鉆具選取

鑒于礦區(qū)設(shè)計鉆孔孔深在200～600 m，鉆孔傾角為60°～80°，選用YDX-3L型全液壓履帶式地表取心鉆機，該鉆機的所有功能均為液壓驅(qū)動，鉆塔長度為9 m，最大鉆進角度為45°，縱向滑移距離為1 200 mm，操作方便，控制精準(zhǔn)，取心率高，滿足施工需要。鉆具采用單管薄壁金剛石鉆具和金剛石繩索取心鉆具［1］；選用BW-125型泥漿泵向機臺泵送鉆探用水。

2.2 鉆桿及鉆頭選取

根據(jù)格魯其堆山礦區(qū)地質(zhì)概況和以往在該區(qū)工作的經(jīng)驗，鉆桿使用鐓粗鉆桿，金剛石鉆頭選用孕鑲繩索取心梯齒型鉆頭和平底型鉆頭（具體參數(shù)見表1），擴孔器選擇外徑78 mm（公稱直徑75 mm）孕鑲繩索取心金剛石擴孔器。

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)選取

根據(jù)礦區(qū)鉆遇巖層可鉆性在7～10級、耐磨性中等至較強、大部分完整的特征，鉆孔采用二級套管三級成孔工藝［2］，將鉆孔鉆進口徑設(shè)計為三級：一級?110 mm，二級?95 mm，三級?75 mm。采用?110 mm金剛石鉆進開孔，至穩(wěn)定巖層后，下入?108 mm套管；然后采用?95 mm金剛石繩索鉆進下入?89 mm套管，然后采用?75 mm金剛石繩索取心鉆進方法直至終孔。

3 鉆探施工方法

3.1 鉆進及護壁方法

3.1.1 不同孔段鉆進技術(shù)要求

（1）采用?110 mm普通金剛石鉆頭開孔，選用鉆頭壁厚10 mm，滿足開孔需要。開孔時采用細(xì)分散泥漿進行護壁［3］，由于第四系覆蓋層不穩(wěn)定，采用細(xì)分散泥漿可以形成較好的一層膜。細(xì)分散泥漿是由白泥和火堿配置而成，配備1 m3的細(xì)分散泥漿需要125～150 kg白泥，4～5 kg火堿，用攪拌機充分進行攪拌，通常提前24 h攪拌，在開孔時再次攪拌均勻才能開始使用。

在開孔鉆進時，第四系土層選用3～5 kN鉆壓進行鉆進，鉆進到基巖時通常選用5～7 kN鉆壓進行正常鉆進，遇到裂隙或破碎帶時應(yīng)降低壓力至正常壓力的20%～30%。當(dāng)鉆頭在土層中鉆進時，可選用2速或3速進行鉆進，當(dāng)鉆進到破碎帶或基巖時，通常選用1速鉆進，在第四系地層中鉆進時不能采用過大的泵量，以免對孔壁造成沖刷，防止鉆孔坍塌。當(dāng)鉆進速度快，巖粉顆粒粗，應(yīng)適當(dāng)增加泵量，在松軟、破碎巖層鉆進，應(yīng)減少泵量。開孔時泵量選用見表2。

?

（2）金剛石鉆進鉆壓通常選取在8～15 kN，初磨階段要輕壓慢轉(zhuǎn)，待鉆頭與孔底以及內(nèi)徑同巖心之間磨合后，再提高到正常的鉆壓和轉(zhuǎn)速值。在正常鉆進中，切勿隨意變更壓力，在確認(rèn)切削具磨鈍后，方可加大鉆壓。由于是單管鉆進取心，基巖地層比較破碎，鉆速不易過高，通常選取150～300 rpm，完整地層可以適當(dāng)加大轉(zhuǎn)速。

（3）在選取泵量時，鉆進堅硬、顆粒細(xì)的巖層，泵量可小些；鉆進軟、中硬、顆粒粗的巖層，泵量應(yīng)該大些。鉆進有輕微漏失的巖層，泵量要稍大于正常情況；在轉(zhuǎn)速較高、鉆進速度較快、巖層研磨性較強、巖石顆粒較粗時，應(yīng)選用較大泵量，反之泵量應(yīng)減小。泵量以沖洗液上返速度計算，金剛石鉆進上返速度應(yīng)大于0.3～0.5 m/s。泵量選用通常在50～70 L/min。

3.1.2 泥漿選取及配方

在鉆進的過程中，根據(jù)實際經(jīng)驗，較完整地層中鉆進時采用無固相沖洗液，其功用是攜帶巖粉、冷卻鉆頭、保護井壁。由完整地層鉆進到漏失地層時，應(yīng)及時更換沖洗液，采用PAB無固相沖洗液或植物膠無固相沖洗液進行護壁。各種護壁堵漏方法選擇及使用管理方法見表3。

注：比重為物質(zhì)質(zhì)量與同體積的水質(zhì)量之比。

3.1.3 注意事項

（1）采用?75 mm孕鑲繩索取心金剛石鉆頭鉆進時，鉆壓應(yīng)保證相對穩(wěn)定。根據(jù)計算得知，在施工過程中，孔深0～270 m采用加壓鉆進，加壓范圍在0～5 mPa，視進尺情況而選定；270 m之后，孔內(nèi)鉆具重量增大，超過巖石抗壓強度值，所以采用減壓鉆進，減壓值依據(jù)鉆具質(zhì)量和孔內(nèi)情況，對應(yīng)理論數(shù)據(jù)值而確定。鉆頭壓力通常選定在6～11 kN。

（2）鉆進中，當(dāng)遇到中硬完整巖層，宜采用高轉(zhuǎn)速；巖層破碎、裂隙發(fā)育、軟硬不均，鉆進時振動大，則應(yīng)視破碎程度，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速；在軟巖層中鉆進效率很高時，應(yīng)適當(dāng)限制轉(zhuǎn)速。孕鑲金剛石鉆頭底唇面的線速度范圍是1.5～3.0 m/s，轉(zhuǎn)速通常在400～850 rpm。

（3）當(dāng)鉆進堅硬、顆粒細(xì)的巖層，泵量可小些；鉆進軟、中硬、顆粒粗的巖層，泵量應(yīng)該大些。鉆進裂隙，有輕微漏失的巖層，泵量要稍大于正常情況；在轉(zhuǎn)速較高、鉆進速度較快、巖層研磨性較強、巖石顆粒較粗時，應(yīng)選用較大泵量，反之泵量應(yīng)減小。泵量以沖洗液上返速度計算，金剛石鉆進上返速度應(yīng)大于0.3～0.5 m/s。泵量通常選定在45～60 L/min。

3.2 堵漏措施

3.2.1 開孔段堵漏

開孔用套管進行隔離，以達(dá)到堵漏的效果。下套管時要明確鉆孔深度和使用套管的長度，預(yù)留出孔口套管高度；先向孔內(nèi)投入500～700 mm高的白泥球，然后再下入套管，按要求對套管外壁進行潤滑和密封，防止施工結(jié)束后套管起拔困難。

3.2.2 輕微及中度漏失孔段堵漏

（1）細(xì)分散泥漿+PAM堵漏［4］。配制15%左右的膨潤土細(xì)分散泥漿和1%左右的PAM（非水解聚丙烯酰胺）水溶液，將2種溶液同時或交替倒入孔口，保持孔內(nèi)液面在孔口位置。兩液在孔內(nèi)發(fā)生絮凝反應(yīng)，絮凝物下落至漏失層位對裂隙進行封堵，當(dāng)孔口水位穩(wěn)定時，漏失孔段堵漏成功。

（2）細(xì) 分 散 泥 漿+PAM+水 泥 堵 漏［5］。配 制PAM-水泥漿液（水灰比0.8∶1或1∶1）和膨潤土水泥漿液，要求PAM（非水解聚丙烯酰胺）的分子量在400～500萬，水泥為早強水泥；膨潤土水泥漿液中加堿量為土質(zhì)量的4%～6%。漏失層位較淺時，將兩液從孔口按1∶1的比例同時倒入孔內(nèi)，液面至孔口；漏失層位較深時，將兩液分別從鉆桿內(nèi)和孔壁間隙倒入孔內(nèi)，持續(xù)加入直至液面穩(wěn)定。然后主動鉆桿接孔口管，向孔內(nèi)泵入少量泥漿，將絮凝物壓入裂隙中。等待一段時間后下鉆透孔，沖洗液不再漏失，堵漏成功。

（3）使用專門配置的堵漏劑。在工作當(dāng)中，除使用上述2種堵漏劑外，還經(jīng)常采用803堵漏劑+惰性材料進行堵漏。803堵漏劑是一種比較成熟堵漏材料，在業(yè)內(nèi)被廣泛使用。該堵漏劑不受泥漿體系限制，不影響泥漿的流變性能，具有優(yōu)異的耐溫性和防污染性；其改性天然植物高分子具有良好的黏附性，到達(dá)漏失層位后能夠迅速封堵輕微及中度裂隙，降低沖洗液的濾失量。對于輕微裂隙，其用量為2%左右；對于中度裂隙，其用量為4%左右。使用時在含有803堵漏劑的沖洗液中加入惰性材料（過篩的鋸末、麻繩、牛糞）攪拌成黏度相對較大的混合體，通過鉆桿倒入孔內(nèi)，效果更佳。

3.2.3 寬大裂隙的封堵措施

鉆進過程中如果遇到寬大裂隙或溶洞，沖洗液會迅速漏失，隨鉆堵漏的方法已起不到堵漏的作用。可采用泥球堵漏，將50 mm大小的泥球從孔口投入，夯實后掃孔鉆進。

3.2.3.1 膨潤土球封堵法

將膨潤土粉、少量PAM粉加水混拌，制作成50 cm大小的黏土球，防止風(fēng)干。

將備好的膨潤土球投入孔底，高出漏失部位2 m左右即可。制作一個四周焊有小翼片的小徑短鉆桿，連接在鉆桿下面下到黏土球處，低速回轉(zhuǎn)攪拌。一段時間后，黏土球分散于孔內(nèi)水中，其中的PAM溶解后與黏土形成絮凝物，黏附在孔壁上的裂隙中，起到封堵裂隙的作用。堵漏成功正常鉆進后，每次提鉆時，一定要保持孔口水位，防止提鉆時的抽吸作用破壞裂隙內(nèi)絮凝物，出現(xiàn)再次漏失。

3.2.3.2 水泥球固結(jié)堵漏

膨潤土—PAM球由于強度不夠，長時間容易被破壞，重新出現(xiàn)漏失，此時可采用水泥球固結(jié)堵漏法。

水泥與白泥的比例為1∶1，泥球的大小要均勻，以直徑5 cm為宜，風(fēng)干3 h，使表面硬化。

鉆具下入到距孔底1～1.5 m，每次投放水泥球80～100個，每個間隔5 s，每投送2次鉆具上提1 m，直至高出漏失層2～3 m停止投放。

下入封閉好的鉆具，旋轉(zhuǎn)擠壓，將水泥球擠壓入裂隙中，起到封堵裂隙的作用。將立軸對準(zhǔn)孔口，向孔內(nèi)灌送沖洗液，如果能夠灌滿，說明堵漏成功，可繼續(xù)掃孔鉆進。

4 結(jié) 語

（1）對于淺部（200 m）以內(nèi)的漏失地層，可邊堵邊鉆進或頂漏強行通過，用套管隔離，套管下部要進行封堵，做到一勞永逸。

（2）輕微漏失或中等漏失，可用隨鉆堵漏劑進行堵漏，為了提高堵漏效果，可往漿液中加入惰性充填材料。嚴(yán)重漏失地層可采用水泥球固結(jié)法堵漏。

（3）在鉆進過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制好泵壓、轉(zhuǎn)速、鉆壓，避免由于沖洗液沖刷和機械振動導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，出現(xiàn)漏失。