長白礦區(qū)復雜地層多金屬礦深孔施工技術

張元清,宋 健

(吉林省第五地質調查所,吉林九臺 130500)

長白礦區(qū)復雜地層多金屬礦深孔施工技術

張元清,宋 健

(吉林省第五地質調查所,吉林九臺 130500)

長白多金屬礦區(qū)地層復雜,深孔鉆探難度極大,采用先進的鉆孔結構以及采用繩索取心鉆進,利用同徑繩索取心鉆桿做技術套管,同時選用PAB高性能無固相沖洗液和選擇高端廣譜鉆頭的鉆探技術,成功完成了一個孔深1505.88 m的鉆孔,創(chuàng)造了吉林省地礦局鉆探深孔記錄。著重介紹了該孔鉆探施工技術措施。

多金屬礦;復雜地層;深孔鉆探;繩索取心;PAB無固相沖洗液;高端廣譜鉆頭

1 礦區(qū)地質及鉆探施工概況

該礦區(qū)位于吉林省長白縣城西部,鴨綠江邊北岸,與朝鮮惠山市隔江相望。地形切割深,起伏大,淺部地層為殘坡積層和安山巖,下部是一套煤系地層,主要巖石為:泥巖、泥質砂巖、煤,巖層中夾有大量構造角礫巖、破碎帶、構造擠壓片理化帶、正長斑巖、灰?guī)r等。整個鉆孔處于構造帶上。

該礦區(qū)主要為煤系地層,地層破碎,巖石疏松,裂隙發(fā)育,鉆孔易發(fā)生漏失、坍塌、掉塊現(xiàn)象,鉆孔護壁難度大;鉆孔設計較深,達1500 m,這個鉆孔深度在吉林省地礦局還是首次,缺乏深孔施工經驗,以往施工采用常規(guī)鉆探方法最深孔不到1000 m。為保證鉆孔施工的順利進行,我們在鉆探施工工藝技術上進行了大膽探索和改進,從鉆探裝備、鉆孔結構、沖洗液類型及配方、鉆頭選用、鉆進技術參數選擇等方面著手,較好地解決了施工過程中出現(xiàn)的問題,成功地完成了2個較深孔(終孔深度分別為1505.88、1365 m)的鉆探施工,首次在吉林省地礦局突破了1500 m深孔巖心鉆探,得到項目投資方的高度評價與認可。本文著重介紹ZK0903號鉆孔(1505.88 m)的鉆探施工技術措施。

2 設備選擇

施工用主要設備有:XY-5型鉆機1臺;BW-250型泥漿泵2臺;SG-23型四腳管塔;LW-400型離心式除泥機1臺;JQ-190-2型除沙器1臺。

從實際施工情況來看,設備選擇是合理的,XY -5型鉆機從理論上來講用“71 mm繩索取心鉆桿鉆1500 m深是略超負荷的,但當時我所新定購的XY-6B型鉆機沒有到貨,只能先用XY-5型鉆機施工,到深孔超負荷時再換XY-6B型鉆機,而實際施工中由于孔壁維護較好,鉆桿鉆具在孔內回轉及提升阻力不大,采用XY-5型鉆機就完成了終孔1505.88 m深的鉆孔,只是在使用中卡盤部位的大軸承更換了2盤,離合器要經常調整,動力機輸出對輪膠圈到深部時要經常換,已經達到了它的設計極限,今后在施工1500 m深的孔,不宜采用該鉆機,最好選擇XY-6B型鉆機。

需要說明的是,在巖心鉆探中使用LW-400型離心式除泥機我所是首例,我所曾在2007年承擔殼牌油頁巖鉆探項目時采用,主要是因為繩索取心鉆進需要嚴格控制沖洗液中的固相含量,多選用無固相沖洗液,而煤系地層特性疏松、松軟,孔壁維護困難,孔壁軟泥隨著鉆進的深入,逐步剝離進入孔內混入沖洗液中,其細小的顆粒采用常規(guī)的旋流除砂器及振動篩分離不出去,致使沖洗液的固相含量急速增大,既影響鉆進效率,又降低沖洗液質量,還增大鉆桿內壁結皮。因此,有效地去除沖洗液中的固相含量是松散地層采用繩索取心鉆進的必要條件之一。由于目前巖心鉆探還沒有功能適宜的小型離心式除泥機,所以只能選用石油勘探常用的功能較大的LW-400型離心式除泥機(每小時處理泥漿量30～60 m3,分離粒度40～70μm)。

3 鉆孔結構選擇

深孔鉆探由于鉆進時間較長,僅靠沖洗液護壁(即裸孔鉆進)是很難完成的,做好鉆孔護壁工作,選擇合理的鉆孔結構是完成深孔鉆探的重要因素?？紤]國內繩索取心鉆探機具的配套系列,選擇了如下鉆孔結構。

開孔口徑“150 mm,穿過坡積層后下入“146 mm孔口管,換PQ(“114 mm)繩索取心鉆具(鉆頭外徑“122 mm)鉆進,穿過破碎地層(100～200 m)后將“114 mm繩索取心鉆桿做為護壁套管下入孔內,改換HQ(“89 mm)繩索取心鉆具(鉆頭外徑“96 mm)鉆進,穿過疏松的煤系地層(500～700 m)后將“89 mm繩索取心鉆桿做為護壁套管下入孔內,再換NQ(“71 mm)繩索取心鉆具(鉆頭外徑“76 mm)鉆進到終孔。因為主動鉆桿(“89 mm)不能進入“89 mm繩索取心鉆桿,所以在下“114、“89 mm套管時需要加工變徑機構。鉆孔結構如圖1所示。

圖1 ZK0903號孔孔身結構示意圖

4 沖洗液的選配與使用

ZK0903號鉆孔從435 m開始頻繁出現(xiàn)坍塌、掉塊、漏失現(xiàn)象,構造帶極其發(fā)育,尤其是煤系地層極其破碎,地層變化頻繁(見圖2、圖3)。故隨著鉆孔在深入,由不分散低固相泥漿轉變?yōu)闊o固相高分子沖洗液。

圖2 巖心狀況

圖3 孔壁掉塊

各孔段沖洗液使用情況及技術參數如表1。

繩索取心鉆進要求沖洗液有很好的流變性能及低的固相含量,無固相沖洗液優(yōu)良的性能是當前繩索取心鉆探的普遍選擇,配制無固相沖洗液的各種材料很多,各有其特點,不同材料不同的配方適應不同的地層,正確地選擇是護壁的關鍵。

我們選擇了PAB聚合物無固相沖洗液,它是最新研發(fā)成果,由PA、PB兩種高聚物組成,沖洗液中的高聚物大分子呈網狀結構,在孔壁上吸附成網、成膜的速度快,分子膜致密,膠結性強。其性能特點是在低流變參數下,具有很強的膠結孔壁的護壁功能,當蘇式漏斗粘度22～24 s時,低壓失水量為3.5～4.5 mL/30 min,中壓(壓差0.7MPa)失水量6.6～8 mL;膨潤土球在該沖洗液中浸泡,久泡不脹、不散,純中粗砂球久泡不散。PAB沖洗液適用于鉆進高嶺石化、綠泥石化等蝕變帶層、斷層泥與角礫層、粉碎狀破碎帶層、泥質和碳質頁巖層、流砂和風化巖層等地層。它是由PA(白色粉末)、PB(白色粉粒)兩種聚合物配制而成,加量PA為1%～1.2%、PB為0.22%～0.25%,施工時在PAB聚合物無固相沖洗液中還加入了聚乙烯醇(PVA)、隨鉆堵漏劑、潤滑劑等材料。由于PA、PB為高聚物,分子量很大,所以現(xiàn)場配制時需要將PA、PB提前一天溶解,隨著鉆孔的延深及沖洗液的消耗,每班需補充PAB沖洗液1～2 m3,機臺配0.5 m3溶解桶4個及攪拌機、加熱棒(加熱后溶解快)。為保持孔內沖洗液的性能穩(wěn)定,采用離心式除泥機隨時清除巖粉,控制粘度在25～30 s(蘇式漏斗粘度)左右,返漿粘度在18 s以上。

表1 各孔段沖洗液配方及性能參數表

5 鉆頭選用

深孔繩索取心鉆進要求鉆頭具有很高的進尺壽命(少提鉆提高純鉆時間利用率,降低成本,同時還減少對孔壁的破壞作用)和鉆進速度,還要適應幾百米厚地層的巖性變化,具備廣譜特點,PQ、HQ金剛石繩索取心鉆頭均選用河北燕郊某公司生產的底噴、寬水口鉆頭,HQ鉆頭壽命在200～300 m,PQ鉆頭進尺100 m還能繼續(xù)使。通過使用發(fā)現(xiàn)除偶爾發(fā)生巖石小顆粒堵塞底噴水口現(xiàn)象外,排粉效果較好,滿足了鉆進要求。鉆頭使用前后對照如圖4所示。

圖4 底噴、寬水口鉆頭使用前后對照

NQ鉆頭選擇了2種,一種是國外技術國內生產的阿特拉斯鉆頭,還有一種是美國某公司鉆頭,這兩種鉆頭使用效果都非常好,單個鉆頭進尺都能在300 m以上,暫時還沒有最終統(tǒng)計數據,因為換下來的鉆頭還能在下個孔淺部段用。通過使用得知,兩種國外鉆頭鉆進范圍廣泛,在泥巖、砂巖、煤系地層以及破碎帶交換頻繁的復雜地層施工中表現(xiàn)出較強的適應能力,使用后的鉆頭工作面是平坦的磨損面,只是邊緣略有削角,鉆頭仍然鋒利并且彗星尾狀能固定金剛石,當胎體磨損后,金剛石脫落,鉆頭尺寸仍然保持在標準范圍。使用前后對照如圖5所示。

圖5 NQ鉆頭使用前后對照

6 技術措施

(1)為保證護壁套管(也是繩索取心鉆桿)在終孔后的順利拔出,下套管時要在套管外涂抹高粘性潤滑脂(黃甘油)保持套管與孔壁之間的潤滑,并封閉好孔口部位,防止巖粉等進入間隙,套管底端接好套管鞋。

(2)當鉆進破碎地層孔底粗顆粒巖粉增多鉆進困難(表現(xiàn)為鉆頭一接觸粗顆粒巖粉部位,由于鉆具外環(huán)間隙小于巖粉顆粒,巖粉顆粒不能從鉆頭底部通過鉆具外環(huán)間隙而造成憋泵)時,采用同徑巖心管制成的抓子抓取孔底粗顆粒巖粉。

(3)當鉆進至漏失地層時,在沖洗液中加入隨鉆堵漏劑及惰性材料(鋸末,干海帶顆粒,棉籽殼等)進行堵漏,或是采用粘土+生石灰+鋸末,從鉆桿內泵送到漏失層,停鉆8 h開鉆循環(huán),收效顯著。當漏失量較大時,配制速凝水泥漿封堵,全孔施工過程中共采用水泥漿護壁堵漏3次,收效顯著。

7 事故處理方案

在施工到1315 m時,由于煤系地層極其破碎,孔內坍塌、掉塊現(xiàn)象頻繁出現(xiàn),鉆進效率低,泵壓一直在8～10 MPa之間,決定提鉆。提鉆后發(fā)現(xiàn)NQ鉆具上擴孔器與彈卡室螺紋連接處已經脫扣,NQ鉆具總成彈卡室以下部分仍在孔內。

考慮該巖層復雜狀況,事故頭極有可能被掉塊及巖粉覆蓋,因此決定配置一套NQ鉆具,首先帶內管到事故鉆具上端進行清理,當下至事故鉆具上端時,保持泥漿循環(huán),目的是讓沉淀的巖粉懸浮。然后采取輕壓慢轉的方法鉆進,直到將事故鉆具上擴孔器“吃”進去3～5 cm,目的是充分除掉事故鉆具上端的掉塊,并且讓事故內管的撈矛頭更突出,減少打撈器與撈矛頭嵌合的難度。然后提出內管,下入打撈器(打撈鉤可以通過鉆頭內腔,鉆頭內徑“47.7 mm),將內管撈出。最后事故鉆具外管部分采用可退式撈矛打撈上來(圖6)。

圖6 打撈出的事故鉆具

此外,該鉆孔施工中發(fā)生幾次鉆桿折斷事故,均使用該工具處理成功。

可退式撈矛主要用于管類落物的打撈,在管類落物無接箍且卡阻力較大時,可退式撈矛應限制使用,以免拔劈落物。其最大優(yōu)點是在抓獲落物而拔不動時,可以退出。

其工作原理如下(參見圖7):

圖7 可退式撈矛結構

(1)打撈:撈矛在自由狀態(tài)下,圓卡瓦外徑略大于“落魚”“魚腔”內徑,當撈矛隨引鞋進入“魚腔”時,圓卡瓦被壓縮,產生一定的外脹力,使卡瓦貼緊“魚腔”壁,上提鉆柱,心軸隨提拉力上行,心軸、卡瓦上的鋸齒形螺紋互相吻合,卡瓦產生徑向脹力,緊緊咬住落物而實現(xiàn)抓撈;

(2)退出:需要退出撈矛時,則需要給心軸一定的下?lián)袅?使圓卡瓦與心軸的內外鋸齒形螺紋脫開,然后正旋轉管柱2～3圈,卡瓦與心軸產生相對位移,此時上提鉆柱即可退出撈矛。

8 鉆探技術成果

該鉆孔取得的成果如下:鉆月數3.8667,鉆月效率389.45 m;臺月數3.4667,臺月效率434.38 m;純鉆進時間966.50 h,純鉆進時間利用率38.72%;輔助工作時間1197.00 h,占47.96%;孔內事故時間206.67 h,占8.28%;機械事故時間125.83 h,占5.04%。

9 結語

(1)深孔鉆探施工,鉆孔結構選擇非常重要,關系到鉆孔施工的成敗,采用繩索取心鉆進利用同徑繩索取心鉆桿做技術套管護壁是簡單實用的,也是非常有效的;

(2)針對地層選用高性能沖洗液是保證裸孔段孔壁穩(wěn)定的重要措施,不能因材料費用高而舍不得投入,PAB聚合物無固相沖洗液對破碎的巖石類地層鉆孔護壁是行之有效的;

(3)選擇高端廣譜金剛石鉆頭是鉆探工程的發(fā)展方向,也是提高鉆探效率與效益的途經。

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Deep Hole Construction Technology for Polymetallic Mine in Complex Formation of Changbai Mine Area

ZHANG Yuan-qing,SONG Jian(Jilin Fifth Geological Institute,Jiutai Jilin 130500,China)

Because of the complex for mations,deep hole drilling is very difficult in Changbai polymetallic mine area.The advanced borehole structure and wire-line coring drillingwere adopted;with wire-line coring pipe of the same diameter as the intermediate casing;high performance PAB solid-free flushing fluid and the drilling technology with high-level broad spectrum bitwere selected.A borehole of 1505.88 m depth was fulfilled,which became the drilling depth record of Jilin Geology andMineral Surveying and ExploringBureau.The paper emphatically introduced the construction technologyof this borehole drilling.

polymetallic mine;complex formation;deep hole drilling;wire-line coring;PAB solid-free flushing fluid; high-level broad spectrum bit

P634

A

1672-7428(2010)12-0013-04

2010-05-06;修回時間:2010-11-13

張元清(1962-),男(漢族),吉林榆樹人,吉林省第五地質調查所高級工程師,地質專業(yè),從事探礦技術管理工作,吉林省九臺市師范街51號,dzwszyq@sina.com。