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,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(shí)，孔壁坍塌掉塊、縮徑、憋泵、涌水、漏水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。隨著孔深的增加，對(duì)復(fù)雜地層鉆進(jìn)的綜合治理顯得尤其重要。針對(duì)武山鉬礦復(fù)雜地層的特點(diǎn)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(tái)效低、巖芯采取率低、孔漏及孔壁坍塌等3大主要問(wèn)題，并針對(duì)這些主要問(wèn)題，介紹適應(yīng)本地層特點(diǎn)所采取的鉆探技術(shù)措施、相應(yīng)對(duì)策及施工管理對(duì)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(kāi)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(shí)別難的隱伏礦體轉(zhuǎn)變，施工鉆孔越來(lái)越深，由于武山鉬礦地層復(fù)雜，鉆進(jìn)時(shí)，孔壁坍塌掉塊、縮徑、憋泵、涌水、漏水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此，隨著孔深的增加，鉆孔過(guò)程中對(duì)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(kāi)始地表地質(zhì)工作，2000年開(kāi)始鉆探施工，在16線施工1個(gè)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(duì)中深孔鉆探施工的不利影響認(rèn)識(shí)不足，在技術(shù)和管理上沒(méi)有引起足夠的重視，因此，在起初的中深孔施工時(shí)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(zhǎng)花崗巖和深部的燕山期花崗斑巖，由于受強(qiáng)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(jī)選用XY-4和XY-44型立軸鉆機(jī)，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(qiáng)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(jí)口徑。所以，開(kāi)孔用?150mm合金鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)到穿過(guò)地面覆蓋層和強(qiáng)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(shí)，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(shí)，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(wèn)題。

2 施工中遇到的主要問(wèn)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(shí)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(tái)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(wèn)題可歸結(jié)為：鉆進(jìn)臺(tái)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(tái)效低

主要原因?yàn)椋海?）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(shí)，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(qiáng)，和裂隙中的砂?；旌显谝黄?，包圍在鉆頭周圍，鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(qiáng)行掃到孔底，一旦提鉆，這些砂粒和碎石塊又回落到原來(lái)的位置，致使鉆進(jìn)過(guò)程中，掃孔時(shí)間多，鉆進(jìn)時(shí)間少，情況嚴(yán)重時(shí)，一個(gè)新的鉆頭掃到孔底，鉆頭已經(jīng)嚴(yán)重磨損，無(wú)法正常使用。（2）地層縮徑、垮塌。部分軟層鉆進(jìn)時(shí)，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(dòng)，軟層坍塌，鉆孔超徑，鉆進(jìn)過(guò)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(shí)間，加大了工人勞動(dòng)強(qiáng)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(guò)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(shí)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(dòng)及一般泥漿沖刷極易散落開(kāi)來(lái)，難以保證巖芯采取率；同時(shí)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(gè)鉆孔都出現(xiàn)泥漿漏失。部分地段，泥漿比重增加時(shí)，發(fā)生漏失，泥漿比重減小時(shí)，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(shí)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(guò)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(duì)策

3.1 泥漿選型

（1）無(wú)固相沖洗液。剛進(jìn)入武山礦區(qū)鉆探施工時(shí)，使用無(wú)固相聚丙烯酰胺沖洗液，該沖洗液潤(rùn)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(duì)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(wèn)題，改用膨潤(rùn)土泥漿，用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)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(wèn)題，但泥漿粘度過(guò)高，泥漿比重較大，巖粉無(wú)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(wèn)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(rùn)土+0.2%～0.4%接枝淀粉共聚物。該泥漿的特點(diǎn)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(shí)。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(qiáng)，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(wèn)題。2009年，該礦區(qū)ZK16-7孔用此泥漿液完成設(shè)計(jì)孔深800m、傾角87°鉆孔。施工深度811.9m，用時(shí)2個(gè)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(jī)。

3.2 鉆頭選擇

針對(duì)武山地質(zhì)條件及地層情況，邀請(qǐng)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(shí)驗(yàn)，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(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(guò)實(shí)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(dòng)雙管鉆具，其取芯管為可分離的2個(gè)半開(kāi)管，鉆進(jìn)時(shí)，2個(gè)半管合為一個(gè)完整的圓管做取芯管，鉆機(jī)后獲取巖芯時(shí)，將其中的一半拿開(kāi)，巖芯原狀不動(dòng)地放在另一個(gè)半管內(nèi)，避免破碎巖芯在退芯時(shí)被人為破壞，保持巖芯的原狀結(jié)構(gòu)。

射流式鉆具為單動(dòng)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(gè)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(duì)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(tái)效。但對(duì)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(shí)，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(shí)采取中等泵量）進(jìn)行。因?yàn)樵谄扑閺?fù)雜斷裂地層中鉆進(jìn)時(shí)，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(shí)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(guò)度的損耗，降低鉆進(jìn)效率；在高轉(zhuǎn)速下，鉆具會(huì)因孔底破碎不均而發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，發(fā)生孔內(nèi)事故，同時(shí)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(huì)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(shí)，鉆頭破碎巖石所產(chǎn)生的巖屑數(shù)量較少，也沒(méi)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(guò)的摸索、實(shí)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(shí)75L/min）。

4 鉆探生產(chǎn)管理主要對(duì)策

4.1 做好施工組織設(shè)計(jì)，堅(jiān)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(yàn)，對(duì)施工中所出現(xiàn)的問(wèn)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(duì)機(jī)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(duì)。

4.2 充分調(diào)動(dòng)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(dòng)人的積極性和能動(dòng)性，將會(huì)極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。積極采取各種有效途徑，加強(qiáng)管理，提高職工待遇，實(shí)行職工工資和鉆進(jìn)施工效益掛鉤，較好地調(diào)動(dòng)了職工的積極性。

4.3 加強(qiáng)機(jī)班長(zhǎng)總結(jié)交流工作

復(fù)雜地層鉆進(jìn)是一個(gè)探索性工作，要求施工人員要不斷總結(jié)操作經(jīng)驗(yàn)，彼此間交流可以最大程度地減少錯(cuò)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(shí)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(jī)班長(zhǎng)要結(jié)合地層情況，精心操作，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)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(shí)，各班除了做好本班的工作之外，要確實(shí)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(zhǎng)度及使用情況，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況以及需要注意的事項(xiàng)，要向下一班詳細(xì)交代清楚，特別是處理事故時(shí)，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(yǔ)

復(fù)雜地層鉆進(jìn)是一項(xiàng)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(tái)效與巖芯采取率的關(guān)系，還要解決好鉆探經(jīng)驗(yàn)與鉆探新技術(shù)、新工藝、新材料的作用關(guān)系、眼前問(wèn)題與長(zhǎng)期發(fā)展的關(guān)系，遇到問(wèn)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(yàn)，綜合運(yùn)用每項(xiàng)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(jí)工程師，現(xiàn)從事探礦工程工作。