紅星山北鉛鋅礦鉆孔防塌技術(shù)方案

刁長河（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局704隊　哈密　839000）

紅星山北鉛鋅礦鉆孔防塌技術(shù)方案

刁長河
（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局704隊哈密839000）

新疆哈密紅星山北鉛鋅礦礦區(qū)地層情況復雜，上部為第三系和第四系的風化地層，厚度達20多米，破碎、掉塊，開孔施工難度較大時間長，套管不易下到位，到200多米后的中部孔段又出現(xiàn)長孔段的掉塊與坍塌地層，經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、斷桿、埋鉆事故以及在破碎孔段巖芯采取率不夠的情況，針對該礦區(qū)復雜地層的特點及施工難點，通過研究和在施工現(xiàn)場不斷的實驗，我們采用新的適合該礦區(qū)地層情況的鉆孔結(jié)構(gòu)，并總結(jié)出了新的沖洗液護壁施工方案，取得了良好的效果，從而解決這一情況。

掉塊坍塌卡鉆斷桿埋鉆沖洗液護壁

1　概況

新疆哈密紅星山北鉛鋅礦，位于哈密以東210km處，該礦工鉆探施工中經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、斷桿、坍塌、埋鉆事故，為解決該礦區(qū)鉆探施工困難的情況，需要不斷地從鉆孔結(jié)構(gòu)和沖洗液的性能及設備選用方面做出調(diào)整，同時加強施工中的管理工作，通過實踐和總結(jié)，力爭能盡快解決該礦區(qū)鉆探施工難的處境，以求順利完成鉆探勘探任務。

2　礦區(qū)施工環(huán)境及地質(zhì)情況

紅星山北鉛鋅礦礦區(qū)位于新疆哈密市東南直線距離約210km處，行政區(qū)劃隸屬哈密市星星峽鎮(zhèn)管轄。從哈密市至工作區(qū)依次有312國道及便道相通，礦區(qū)距星星峽鎮(zhèn)西約20余千米，距紅柳河車站約60km，區(qū)內(nèi)主要溝谷均可通行汽車，交通較為便利。工作區(qū)屬中-低山景觀區(qū)，總的地勢北高南低。海拔一般1 800～2 030m，平均1 920m，區(qū)內(nèi)地形有一定程度起伏，但一般坡度較緩。礦區(qū)屬典型大陸性氣候，干旱多風，雨水稀少，四季溫差大。有三處泉水，一處是距礦區(qū)北西約10余千米處的鉆井泉，另兩處位于礦區(qū)內(nèi)，前者水量大且水質(zhì)較好，可作為生活用水，后者水量小且水質(zhì)差，僅可供小規(guī)模生產(chǎn)及牲畜飲用。其余生產(chǎn)及生活物資均由哈密市或甘肅省安西縣柳園鎮(zhèn)供應。

礦區(qū)內(nèi)主要是斜長花崗質(zhì)糜棱巖及大理巖：其中原生斜長石由于應力作用而被擠壓成眼球狀、碎裂狀及透鏡狀等形態(tài)，星點狀絹云母化及泥化而使其呈土黃色。原巖應為正常沉積的含泥質(zhì)的細砂-粉砂級巖石，由于動力重結(jié)晶作用而發(fā)生變質(zhì)，其礦物組合及結(jié)構(gòu)都已發(fā)生了很大程度的改變，但隱約還可顯示原巖的某些殘留痕跡。該套地層占據(jù)了勘區(qū)西段1/2千草測區(qū)的大部分面積，巖性復雜，由施工情況來看，隱伏斷裂相對發(fā)育，在大面積分布的綠泥石石英片巖中穿插了石英片巖、黑云母斜長花崗質(zhì)糜棱巖、糜棱巖化石英閃長巖等。其原巖為泥質(zhì)砂巖、粉砂巖類，且含有大量的鈣質(zhì)及泥質(zhì)物，經(jīng)變質(zhì)作用鈣質(zhì)物重結(jié)晶成方解石，泥質(zhì)物則變?yōu)榫G泥石。礦物顆粒邊緣常有裂開、撕裂現(xiàn)象，有絹云母化現(xiàn)象，在礦區(qū)中南部地勢較為平坦的地段，形成平坦的戈壁地貌，由灰色洪積礫石層、黃色洪積亞砂土組成第四系地層，產(chǎn)狀近于水平。這類松散破碎地層主要表現(xiàn)松散破碎和硬、脆、碎破碎地層。由較為典型的膠結(jié)性很差的砂石和大理巖組成，部分地區(qū)存在泥巖、砂巖和礫巖以及部分卵石。在受到鉆具振動碰撞和泥漿沖蝕作用時，鉆孔孔壁易發(fā)生掉塊、坍塌、超徑等事故。

3　礦區(qū)施工的難點

該礦區(qū)上部第四系地層地表風化嚴重，蝕變強烈，遇水剝落坍塌情況嚴重，上部風化及破碎不穩(wěn)定地層厚度在20m左右，開孔困難同時套管下入艱難。因破碎和掉塊，開孔時要不停地掃孔、擴孔，處理破碎和掉塊時，要采用干鉆干燒的辦法，頻繁地提下鉆，才能將套管順利下入，增大了開孔的時間和難度，又容易出現(xiàn)掉塊發(fā)生卡鉆事故。鉆孔中部200m左右地層破碎，巖石顆粒的膠結(jié)性較差，遇水剝落，巖石松散坍塌，鉆孔內(nèi)巖粉增多同時因鉆孔孔徑變大，巖粉不易及時排出，出現(xiàn)快速沉降造成埋鉆事故。鉆孔中孔壁不穩(wěn)定，時常出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，造成卡鉆事故。同時因為巖石破碎，巖芯采取率也是嚴重不夠。在該礦區(qū)前期的鉆探施工中出現(xiàn)進度緩慢，不斷出現(xiàn)報廢孔。因此，如果不能及時采用合理的施工方案，解決這種情況，在以后的鉆進過程中巖粉就會越來越多，地層不斷坍塌，鉆孔孔徑變大，極易出現(xiàn)各種鉆探事故，一旦不能及時處理，就會出現(xiàn)埋鉆事故，如果斷桿出現(xiàn)在鉆孔底部，則事故就極難處理，最后就會造成報廢孔。

該礦區(qū)施工過程中的不利因素較多，施工到200多米后，地層情況比較復雜，首先要求沖洗液的配比要合理，沖洗液的性能要穩(wěn)定、更換要及時，要能保證及時的將巖粉排出，不能產(chǎn)生大量的巖粉；同時要求設備性能穩(wěn)定，不能出現(xiàn)設備故障，增大停鉆時間也就增大了事故的發(fā)生率；還要求鉆進參數(shù)合理，要能快速通過該孔段，以減少鉆進時間及鉆進中沖洗液對孔內(nèi)壁的壓力和破壞，避免鉆孔的坍塌；在操作方面又要求提鉆速度合理，減少孔內(nèi)沖洗液的抽吸作用；當孔內(nèi)阻力增大時，鉆桿扭力增大，還要求鉆桿的使用情況良好，避免發(fā)生脫扣事故。這些因素一環(huán)扣一環(huán)，一旦一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)不順利就會造成鉆探事故的發(fā)生。

4　鉆孔結(jié)構(gòu)的設計

鉆孔結(jié)構(gòu)設計和選擇直接影響到鉆探效率的提高和施工成本的降低，尤其是在復雜地層區(qū)的巖心機械鉆探施工。因此，應充分考慮地質(zhì)條件、鉆孔深度、終孔直徑、鉆進方法、護孔措施和設備情況，并合理選擇開孔直徑、換徑次數(shù)與深度、下套管程序等。根據(jù)該礦區(qū)的地層特點，設計采用多級成孔的結(jié)構(gòu)方式，主要目地是通過下入不同孔徑的套管，減小下套管的難度，減少開孔時間，提高成孔率。同時通過套管能更好地起到護壁作用。如圖1所示，首先用Ф 110mm開孔，盡可能使鉆進深度超過5 m以上，為后期下一孔徑鉆孔的下套管工作提供有利條件。當鉆進超過5 m左右，掃孔后干燒好，確保Ф108mm的套管能順利下到孔底后，才能下入Ф108mm套管，并做好井口套管的加固工作與套管在孔底的封閉工作，防止套管在后期施工中脫落及沖洗液的漏失，避免再次出現(xiàn)次生事故；然后用Ф91mm的口徑繼續(xù)往下施工到有完整巖石硬層的20m左右處，在確認地層能座穩(wěn)套管后，才能下入Ф89mm的套管，并同樣要做好套管的牢固連接及井口的穩(wěn)固工作與孔底封閉工作。處理好套管工作后，才使用Ф75mm的口徑施工繼續(xù)到鉆孔設計孔位。這種多級孔徑的方案，既是為下入套管方便和起護壁作用，也是為當后續(xù)的鉆進中如果出現(xiàn)事故時，可以使用擴孔的方法來處理，將Ф91mm的套管拔出后進行擴孔，多了一級備用孔徑。采用該類套管隔離破碎地層的鉆孔結(jié)構(gòu)方案，有利于開孔工作的順利進行，也同時預防鉆孔卡鉆事故及套管跑鉆事故的發(fā)生，為后期鉆探施工的順利進行打下基礎。

圖1　鉆孔結(jié)構(gòu)柱狀圖

5　鉆進沖洗液的作用

鉆探?jīng)_洗液的作用是冷卻鉆頭、排除巖粉、保護孔壁（部分沖洗液）和潤滑鉆具（潤滑沖洗液）四大功能。在紅星山北鉛鋅礦的地層鉆進中使用合適配方的沖洗液，不但能夠冷卻鉆頭，沖洗孔內(nèi)巖粉，還能利用沖洗液懸浮巖粉，使停鉆、停泵時巖粉不致于很快沉入孔底。沖洗液在循環(huán)過程中還能在孔壁形成一層薄而韌的泥皮，減少鉆具與孔壁磨擦力，延長鉆具使用壽命。利用孔內(nèi)泥漿沖洗液所產(chǎn)生的水靜壓力和造壁性能，在有裂隙、破碎掉塊、縮徑、坍塌、砂層、漏失等地層鉆進時，對保護孔壁起到很大作用，有利于防止孔內(nèi)事故，減少輔助時間，提高鉆進效率。因而沖洗液是巖芯鉆探工作中關鍵的一個環(huán)節(jié)，尤其是在復雜地層的鉆探施工中。

根據(jù)不同地區(qū)各種地層的實際情況，使用不同配方的沖冼液通過在施工實踐中不斷地找規(guī)律，總結(jié)經(jīng)驗，尋找施工中的錯誤，及時改正和總結(jié)，及時地調(diào)整沖洗液的參數(shù)及配方，才能有效避免鉆孔的坍塌及鉆孔中巖粉過多的情況，才能及時避免鉆探事故的發(fā)生，將事故消滅在萌芽狀態(tài)。在紅星山北鉛鋅礦的鉆孔施工中，在開孔階段，我們只需要使用常規(guī)配比的粘土泥漿即可。而當鉆孔施工到200m以后，對沖冼液的要求開始增高，需要嚴格按照沖洗液操作規(guī)程進行操作。

該礦區(qū)中部從200m左右開始，地層情況相對比較復雜，根據(jù)地層巖石的易坍塌特征，考慮巖石的水敏特性和破碎情況，首先考慮使用增大膠結(jié)性和增大粘度同時又要降低巖粉含量的方案。針對孔內(nèi)坍塌的同時，巖粉過多容易沉淀，易發(fā)生埋鉆事故的情況，按沖洗液使用要求，主要考慮要使沖洗液中的含砂量越少越好。先從地面上，在鉆孔泥漿循環(huán)系統(tǒng)中間設置數(shù)個沉淀坑槽，不斷將沉淀巖粉撈出，來保持沖洗液中含砂量的性能穩(wěn)定。同時由于沖洗液的粘度增大后，巖粉懸浮在沖洗液中不易沉降，含砂量不易降低，要求設備方面配備振動篩，使鉆進過程中產(chǎn)生的巖粉及砂粒在循環(huán)過程中通過振動篩的作用逐漸減少，沖液中砂粒的含量才會不斷減少，才能更好地維護住沖洗液的性能。

從鉆孔護壁方面，首先要增大沖洗液膠聯(lián)能力和增大沖洗液粘度，即能在孔壁上形成穩(wěn)定的泥皮，護住孔壁，避免鉆孔孔壁坍塌及掉塊，又要能保證巖粉快速通過沖洗液沖出鉆孔，并且能在孔內(nèi)沖洗液中懸浮，不出現(xiàn)快速沉降的現(xiàn)象，又能在孔外通過循環(huán)系統(tǒng)被快速沉淀，減少沖洗液中的含砂量，這樣才能穩(wěn)定住沖洗液的粘度和失水量等參數(shù)，確保沖洗液的膠體率上升，從而避免因巖粉在孔內(nèi)快速沉降而發(fā)生的埋鉆事故。在沖洗液材料的選材方面，首先考慮沖洗液的降失水與護壁機理，在護住壁的同時，要求保證泥皮的厚度穩(wěn)定并合適，我們選用了植物膠和廣譜護壁劑及磺化瀝青配合使用。植物膠是粘彈性鉆井液材料，具有保護巖心（護膠作用），粘彈性減振作用和降摩阻效應三大特殊功能。由于膠體的吸附成膜作用，失水量較低，在鉆孔中，尤其是軟、酥、脆破碎地層和砂卵石地層護壁效果較好；使用中因為配制的表觀粘度比較高，即使采用較小的泵量，排粉的能力也很強，可以排除3mm以上的砂礫；它本身具有一定的潤滑性，可降低水的潤滑系數(shù)1/4，起到潤滑鉆具的作用。這些特殊功能起到了普通鉆探?jīng)_洗液不能起到的作用，因而解決了巖心鉆探中這些較難解決的難題?；腔癁r青的作用是能減少剝蝕掉塊，有效阻止自由水滲入巖層，幫助造壁，改進泥餅質(zhì)量，使其變薄，可壓縮性增大，濾失量也會隨之下降，可起到抑制破碎巖層分散的作用。還可增加潤滑性，降低鉆具的阻力和扭力，減小鉆孔中沖洗液的應激壓力對孔壁的破壞作用。

廣譜護壁劑是一種防塌降失水劑，它具有很好的吸附充填作用，能夠很好地加固井壁。對水敏性地層和破碎地層，在適度的增粘前提下，能顯著的降低失水量，同時對巖粉還能起到一定的絮凝作用，對井壁有一定的潤滑作用。根據(jù)上述沖洗液材料的特性，通過不同的配比方案進行實踐，調(diào)整出一套適合該礦區(qū)地層的性能參數(shù)，控制住了沖洗液的降失水量和泥皮厚度及泥漿的密度。其次在巖粉的沉降和降低固相含量方面，我們選用了腐植酸鉀和PHP。腐植酸鉀的作用是抑制劑，有降粘、降失水、防塌毀作用。PHP具有很好的絮凝和粘合作用，有很強的減阻潤滑效果。再配合地面的操作規(guī)程管理措施，有效地控制住沖洗液的固相含量，使孔內(nèi)的沖洗液中的含砂量穩(wěn)定，不再出現(xiàn)巖粉快速沉降的現(xiàn)象，有效避免了埋鉆事故的發(fā)生。經(jīng)過不斷地實踐總結(jié)后，在該礦區(qū)采用的沖洗液配方及參數(shù)性能見表1。

表1　沖洗液主要性能參數(shù)表

5％～8％膨潤土+1％腐植酸鉀+0.2％CMC+0.3％ PHP+0.2％燒堿+1％植物膠+1％磺化瀝青+3％廣譜護壁劑在復雜地層鉆探施工過程中，不僅要求配好合適的沖洗液，同時要求對沖洗液的性能及參數(shù)要保持穩(wěn)定與合理。施工現(xiàn)場應配備必要的沖洗液性能測試儀器和專業(yè)技術(shù)人員，定時對沖洗液的性能進行監(jiān)控和維護，當沖洗液在循環(huán)過程中參數(shù)發(fā)生變化，要及時地更換，保證進入鉆孔內(nèi)的沖冼液的參數(shù)的穩(wěn)定與合理，才能確保對孔內(nèi)巖粉的控制和對井壁形成良好的護壁性能。只有堅持不懈地確保沖洗液性能穩(wěn)定合理后，鉆探事故才能得到預防，鉆探施工才能得以順利的進行。

6　鉆進技術(shù)效果

在該礦區(qū)，通過幾個鉆孔的施工和調(diào)整，不斷地優(yōu)化總結(jié)，形成了一套穩(wěn)定的施工方案，通過加強對鉆機現(xiàn)場的施工操作管理，嚴格執(zhí)行制定好的沖洗液配比及維護方案，順利完成該礦區(qū)的鉆探施工任務。在后期的每個鉆孔的施工中，每次到達預定孔深前，機臺就會重新調(diào)整沖洗液的參數(shù)，嚴格按照設計方案執(zhí)行，使得鉆孔中孔壁穩(wěn)定不再出現(xiàn)掉塊、坍塌現(xiàn)象，同時因地面循環(huán)系統(tǒng)的改進和振動篩的使用，從孔外開始減少沖洗液中的含砂量，使得孔內(nèi)巖粉的快速沉降現(xiàn)象也得到了有效地預防，避免了埋鉆事故的發(fā)生，施工得以順利完成。

7　總結(jié)

通過對紅星山北鉛鋅礦礦區(qū)鉆孔施工技術(shù)的研究和總結(jié)，將該礦區(qū)鉆孔中每個不同的難點及不利的因素通過施工現(xiàn)場的實驗一一解決，最終解決該礦區(qū)鉆孔施工難點，提前預防了卡鉆、埋鉆及采取率不夠的情況，并順利將該礦區(qū)的鉆孔施工完成，為以后的勘查工作提供很好的施工方案和經(jīng)驗。主要的經(jīng)驗和體會如下：

（1）根據(jù)紅星山北鉛鋅礦礦區(qū)的地層分布情況，合理地采用了三級成孔的鉆孔結(jié)構(gòu)，從而保證了鉆孔的順利開孔及套管的順利下入，節(jié)省了開孔時間，也為后面的鉆孔施工提供了足夠的孔徑，保證以后施工中遇到事故時，還有足夠的孔徑來確保解決。

（2）通過對復雜地層的了解和總結(jié)，只有針對性地采用合理的沖洗液配比方案及護壁措施，并堅持不懈地做好沖洗液的性能維護工作，做好鉆探施工中的每一個操作環(huán)節(jié)，嚴格按照規(guī)程來操作，才能有效地防止孔內(nèi)事故的多發(fā)，才能順利解決破碎地層的掉塊及坍塌事故，才能有效地避免卡鉆和埋鉆事故，從而提高鉆進效率及成孔率。

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收稿：2016-06-20

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.06.010