河北省樂亭縣灤河古河道深覆蓋層鉆探施工工藝

任曉順，太 武，劉建福，王建興，高婷婷，李培林，劉莎莎，孫秀梅

(河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北三河065201)

1 施工目的及要求

該孔為河北省樂亭縣境內(nèi)魯家坨礦區(qū)ZK23－3鉆孔，目的是查明地表礦(化)體的產(chǎn)狀、形態(tài)、厚度及品位等地質(zhì)特征向深部變化情況，進一步了解探礦地質(zhì)條件及成礦遠景，并為含量計算提供依據(jù)。施工鉆孔位于灤河改道前老河床上，施工場地地形條件較好，易于搬遷，但是覆蓋層較深，平均900 m左右，穩(wěn)定性差，施工難度較大。

1．1 地層概況

該礦區(qū)原是灤河改道前的古河床，覆蓋層較深，700 m以淺為第四系地層，700～900 m為第三系地層，900 m以深為基巖層。地下水豐富，地層易坍塌、掉塊，不穩(wěn)定。具體地層情況見表1。

表1 地層巖性分層情況

1．2 施工質(zhì)量要求

圖1 泥包卵地層

圖2 鉆出卵礫石地層大漂石巖心

圖3 第三系紫砂巖

圖4 基巖破碎帶巖心

(1)設(shè)計孔深1300 m，直孔，終孔直徑≮75 mm;

(2)鉆孔彎曲度每百米≯2°;

(3)初步要求全孔取心，取心率覆蓋層≥60%，基巖≥75%，礦層≥85%。

2 設(shè)備與工藝方法的選擇

2．1 設(shè)備

根據(jù)鉆孔設(shè)計要求及地層情況，選用了黃海機械廠生產(chǎn)的HXY－6B型鉆機，配23 m四角鉆塔，BW－320型泥漿泵?？紤]到砂、卵石地層容易影響泥漿質(zhì)量，為保證泥漿質(zhì)量，降低含砂量，配備了振動篩凈化泥漿。

2．2 工藝方法

為滿足甲方要求(全孔取心)，針對覆蓋層既厚又松散易坍塌和基巖地層既易縮徑又破碎且漏涌結(jié)合等難題，本施工鉆孔采取全孔正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進方法，覆蓋層選用可靠的普通單管鉆具及新型土層專用取心鉆具配合常規(guī)鉆頭及特殊金剛石鉆頭進行單管鉆進，避免雙管鉆進易糊鉆和堵塞問題;基巖鉆進采用加大孔徑至77.8 mm、優(yōu)質(zhì)化學(xué)漿液護壁及護孔堵漏相結(jié)合等措施進行金剛石繩索取心鉆進，同時全孔強化泥漿性能調(diào)節(jié)和維護，根據(jù)所采巖心分析地層巖性，隨時調(diào)配好相適應(yīng)的泥漿，控制好泥漿質(zhì)量，確保鉆孔孔壁完整，并加強鉆壓、轉(zhuǎn)速、大泵量的調(diào)節(jié)控制等管理措施，提高操作水平，保證巖心采取率和預(yù)防事故發(fā)生。

3 孔身結(jié)構(gòu)

根據(jù)地層特點及以往鉆探工作經(jīng)驗，經(jīng)研究決定覆蓋層采用四級口徑施工，下入三級套管護壁，即150 mm口徑開孔，跟管鉆進至一定深度后，分別采用114、94 mm鉆頭鉆進，分別下入108、89 mm兩級套管護住上部覆蓋層，進入基巖后，改用77 mm繩索取心鉆進方法進行施工至終孔，實際終孔直徑77.8 mm。ZK23－3鉆孔孔身結(jié)構(gòu)見圖5。

4 施工工藝

全孔采用泥漿護壁，根據(jù)地層變化情況，隨時調(diào)整泥漿性能。

4．1 一開施工

圖5 ZK23－3鉆孔孔身結(jié)構(gòu)

4．2 二開施工

圖6 防糊梯齒金剛石鉆頭

4．3 三開施工

4．4 終孔孔徑繩索取心鉆進施工

繩索取心鉆進第三系玄武巖段時，有微掉塊及漏水現(xiàn)象，擴孔時重新調(diào)整泥漿粘度，增加固相含量，下89 mm套管時，為便于終孔后起拔，最底層套管外部150 m涂抹上了黃油，孔口處密封好，防止巖粉進入套管間隙，抱死套管。89 mm套管下入后，調(diào)整沖洗液，進行75 mm繩索取心鉆進。

5 鉆進過程中沖洗液的配制與應(yīng)用

針對本鉆孔超厚覆蓋層及大部分基巖縮徑、破碎、漏涌結(jié)合的不穩(wěn)定性，配制了幾種不同性能的沖洗液，并在施工過程中，嚴格控制泥漿的失水量、粘度、密度、含砂量等，每班都有專人負責(zé)監(jiān)測，達不到要求，立即調(diào)整;同時使用振動篩除砂，并增加循環(huán)槽長度和沉淀坑數(shù)量，保證沖洗液具備低的含砂量。

5．1 覆蓋層鉆進沖洗液基本配方

沖洗液配制比例:8% ～10%白納土+1‰～2‰磺化瀝青+2‰～3‰高粘CMC+0.5% ～1%腐植酸鉀。泥漿性能參數(shù):失水量≯10 mL/30 min;粘度，砂層30～50 s，卵礫石層50～70 s，第三系泥巖地層25～30 s;pH值9～12;含砂量＜1%。

5．2 繩索取心鉆進用沖洗液材料及配方

配方:0.5‰～1‰磺化瀝青+0.5‰～1‰腐植酸鉀+0.5‰～1‰護壁劑+0.5‰～2‰聚丙烯酸銨(2300萬分子量)。粘度25～30 s。

基巖鉆進時部分孔段出現(xiàn)漏水、涌水、掉塊、井溫過高，注水泥難度大等情況時，調(diào)整泥漿粘度，調(diào)整至25～35 s。

6 鉆進參數(shù)的選擇

為滿足鉆孔施工需求，保證鉆孔垂直度，第四系地層采用輕壓慢轉(zhuǎn)，在保證正常進尺的情況下，孔底鉆壓≯1.5 kN，轉(zhuǎn)速為102 r/min;鉆進第三系地層時，孔底壓力控制在1.5 kN左右，轉(zhuǎn)速提高至177 r/min;基巖鉆進時，為充分發(fā)揮繩索取心鉆進優(yōu)越性，在確保安全的情況下，將轉(zhuǎn)速提高到492 r/min，鉆壓控制在1.5～3.0 kN。

7 施工難點問題及解決辦法

7．1 覆蓋層厚度大且地層膠結(jié)性差，易坍塌卡鉆

覆蓋層厚度大，砂層、砂礫石、卵礫石等地層膠結(jié)性較差，易坍塌，鉆進時加桿困難

針對此類地層，在控制好泥漿性能的前提下，對砂、卵礫石等不穩(wěn)定地層采取小一級口徑鉆進取心，大一級口徑跟管鉆進方法進行施工。即在將150 mm跟管鉆具放入孔內(nèi)鉆進前，先用114 mm鉆具進行取心鉆進，鉆探超出150 mm鉆具底部2 m左右，這樣進行跟管鉆進，一是減少跟管鉆進阻力，二是保證巖心采取率。如此反復(fù)交替進行，直到跟管完畢。

7．2 提鉆擰卸鉆桿時易掉巖心，同時發(fā)生噴漿等現(xiàn)象，工作環(huán)境污染大，工人勞動強度高

圖7 新型土層鉆進取心專用鉆具工作原理

7．3 泥包卵石地層糊鉆，有輕微縮徑

通過改變鉆頭形狀，加大鉆頭外徑來加以解決。施工前即考慮到會有縮徑地層，即將鉆頭外徑110 mm加工成114 mm，91 mm加工成94 mm，保證在鉆孔縮徑情況下也不影響正常起下鉆和下套管。此外嚴格控制泥漿失水量，使之保證在10 mL/30 min以內(nèi)，以有效防止孔壁巖層過度膨脹引起坍塌。

7．4 第三系地層漏水、掉塊

繩索鉆進取心完成后，調(diào)整泥漿，破碎孔段提高粘度，并加入部分惰性材料。

7．5 基巖破碎，縮徑、涌漏水嚴重

基巖鉆進時，也出現(xiàn)了縮徑、破碎、漏水，對鉆探施工造成了影響，由于孔底溫度高達40℃，注水泥有危險。

(1)840～960 m孔段，有較大裂隙，破碎，鉆進時漏水嚴重。采用鋸末+砂子+CMC直接注入，堵漏效果明顯。停鉆時漏水改為涌水，涌水高度自孔口可高達7 m左右，針對此現(xiàn)狀，鉆進時適當(dāng)加大沖洗液粘度，停鉆后提下大鉆時，攪拌大密度泥漿注入孔內(nèi)，注滿全孔，泥漿密度調(diào)到1.14～1.16 g/cm3，抑制涌水，重新鉆進時，調(diào)整沖洗液首先進行沖孔。

(2)980 m左右孔段，夾雜有高嶺土化泥巖，遇水膨脹，將基巖用沖洗液配方材料調(diào)至配方的最大值，控制失水量，加大鉆頭外徑(75 mm鉆頭增至77 mm)。

8 鉆進技術(shù)效果

施工過程中，通過上述技術(shù)手段和方法，超額完成了鉆探施工任務(wù)(原設(shè)計孔深1300 m，實際終孔深度1408 m)，鉆孔彎曲度2.9°，全孔巖心采取率覆蓋層平均高達80%，巖層100%，礦層100%，圓滿完成了設(shè)計任務(wù)書要求，被評為優(yōu)質(zhì)孔。由于技術(shù)工藝恰當(dāng)，本鉆孔綜合鉆探效率較高，取得了較顯著的效果。從開孔至封孔共用75天，而同礦區(qū)相鄰鉆孔鉆進較順利的105～120天不等，施工工藝處理不當(dāng)?shù)纳踔烈荒甓嘉赐旯ぁ?/p>

9 結(jié)語

(1)深覆蓋層進行巖心鉆探施工，泥漿是關(guān)鍵，通過強化泥漿性能調(diào)節(jié)和維護、根據(jù)所采巖心分析地層巖性，隨時調(diào)配好相適應(yīng)的泥漿，控制好泥漿質(zhì)量，以確保鉆孔孔壁完整，通過護孔堵漏相結(jié)合等措施來解決較大裂隙破碎、鉆進時漏水問題有較好效果;通過適當(dāng)增加固相含量，加大沖洗液粘度和密度可有效抑制涌水。

(2)針對覆蓋層厚度大，砂層、砂礫石、卵礫石等膠結(jié)性較差、易坍塌地層，在控制好泥漿性能的前提下，可采取小一級口徑鉆進取心，大一級口徑跟管鉆進方法進行施工。

(3)為保證覆蓋層鉆孔垂直度，在保證正常進尺的情況下，宜采用輕壓慢轉(zhuǎn)，第四系地層鉆進孔底鉆壓≯1.5kN，轉(zhuǎn)速102 r/min左右;第三系地層孔底壓力1.5 kN左右，轉(zhuǎn)速可提高至177 r/min左右。

(4)使用了我院研制的“松軟土層鉆進、取心專用鉆具”進行施工，在第三系地層巖心采取率達到70%～80%，第四系地層巖心采取率達到90%以上，基本杜絕了噴漿現(xiàn)象。

(5)施工前即考慮到會有縮徑地層，即將鉆頭外徑110 mm加工成114 mm，91 mm加工成94 mm，保證在鉆孔縮徑情況下也不影響正常起下鉆和下套管。此外嚴格控制泥漿失水量，使之保證在10 mL/30 min以內(nèi)，以有效防止孔壁巖層過度膨脹引起坍塌。

(6)施工前對施工條件進行深入細致的研究，制定出比較符合實際的鉆進工藝方法，嚴格遵守鉆探多項操作規(guī)程及加強機、班長責(zé)任心，勤于發(fā)現(xiàn)問題是鉆探施工成功的關(guān)鍵。

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