強(qiáng)烈破碎漏失地層的鉆探工藝探討

巫建彰

（中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì)，寧夏銀川750021）

1 工程簡(jiǎn)介

受金石礦業(yè)公司委托，中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心寧夏總隊(duì)于2009年5月對(duì)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗巴彥諾日公蘇木東約20km的巴彥希別冶鎂白云巖礦進(jìn)行地質(zhì)詳查。在礦區(qū)北部共布設(shè)鉆孔15個(gè),總進(jìn)尺約2800m。

2 礦區(qū)地質(zhì)概述

（1）礦區(qū)內(nèi)主要出露地層:礦區(qū)內(nèi)主要出露地層有中元古界長(zhǎng)城系渣爾泰山群增隆昌組二段（Chz2）的細(xì)晶—微晶—粉晶白云巖、雜色泥質(zhì)—砂質(zhì)板巖夾黃褐色—淺灰色中薄層泥質(zhì)條帶灰?guī)r、砂質(zhì)白云巖。薊縣系渣爾泰山群阿古魯溝組的淺變質(zhì)碎屑巖、微晶白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、淺變質(zhì)碳酸鹽等。

（2）礦區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造：本區(qū)構(gòu)造單元屬華北板塊華北陸塊北緣西段中元古代陸緣坳陷。中元古界渣爾泰山群多以褶皺變形為主，總體構(gòu)造線呈北東向。由于后期構(gòu)造作用，特別是中新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用，將渣爾泰山群切割為多個(gè)塊體并互不相連。區(qū)域構(gòu)造控制了部分巖體的分布，控制了巖漿熱液礦床的分布，同時(shí)也為含金屬礦流體提供了運(yùn)移通道及富集場(chǎng)所。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，主要有褶皺、斷層和推覆構(gòu)造。

3 鉆探設(shè)備、材料和工藝

（1）鉆探設(shè)備：本礦區(qū)內(nèi)所使用的鉆機(jī)主要有2類，即傳統(tǒng)的立軸式巖芯勘探鉆機(jī)XY-4型和新型的全液壓動(dòng)力頭式地表取芯鉆機(jī)YDX-3型。

（2）鉆頭：人造孕鑲金剛石鉆頭，胎體硬度HRC35～40。

（3）泥漿及堵漏材料：鈉土粉、植物膠CT、火堿、腐植酸鉀（KHA）、803大裂隙堵漏濟(jì)、鋸末、石膏粉等。

（4）工藝：本礦區(qū)主要采用金剛石繩索取芯鉆探工藝。

4 鉆探工程完成情況

4.1 鉆探工程概述

本礦區(qū)工作量不是很大，但施工條件十分惡劣，鉆孔所在位置與大型車輛可達(dá)位置地形高差在100～250m間，自平坦地段至鉆孔之間的山間道路總長(zhǎng)度達(dá)5km左右，最長(zhǎng)供水管線約為3km。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖層裂隙發(fā)育，多數(shù)孔位地層破碎漏水嚴(yán)重，鉆探巖芯采取和護(hù)壁十分困難。施工和地層條件的惡劣導(dǎo)致本礦區(qū)的鉆探工程施工一波三折、進(jìn)展艱難。

2009年9月有鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)，我總隊(duì)和施工隊(duì)伍對(duì)礦區(qū)地層沒(méi)有足夠的心理準(zhǔn)備和直觀全面的認(rèn)識(shí)，原來(lái)預(yù)計(jì)地層僅是裂隙發(fā)育，鉆孔漏水，我隊(duì)也就按照這個(gè)思路來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)備和組織施工隊(duì)伍。

式（1）中：右側(cè)第一項(xiàng)為在R內(nèi)的面積分；右側(cè)第二項(xiàng)為沿C的線積分；G（T）為溫度場(chǎng)函數(shù)；F為溫度場(chǎng)各梯度對(duì)應(yīng)的函數(shù)。可見(jiàn)，泛函由溫度場(chǎng)梯度決定。

但是，經(jīng)過(guò)前期的初步施工，實(shí)際地層情況比我們的預(yù)期要困難得多，從鉆探成果看來(lái)，礦區(qū)地層極其破碎，應(yīng)屬構(gòu)造作用所形成的推覆體，部分鉆孔采取出的巖芯碎如第四系的中粗砂地層，而且厚度較大。

本礦區(qū)的鉆探施工因難度極大造成鉆探施工隊(duì)伍進(jìn)進(jìn)出出頻繁更換，鉆探施工時(shí)斷時(shí)續(xù)，不能按正常進(jìn)度進(jìn)行，原計(jì)劃2臺(tái)鉆機(jī)3個(gè)月的工期拖延到8個(gè)月才艱難的完成了。

4.2 前期施工難點(diǎn)和施工情況

整個(gè)礦區(qū)內(nèi)地層裂隙均十分發(fā)育，局部地層強(qiáng)烈破碎。幾乎全部鉆孔全深度用清水及稀泥漿鉆進(jìn)均不返水，鉆孔護(hù)壁的難度相對(duì)較大，對(duì)泥漿的要求比較高，且要根據(jù)地層破碎程度不同，打一段后，專門用投粘土球擠壓護(hù)一下孔壁，否則極易發(fā)生孔壁掉塊和塌孔，產(chǎn)生擠埋鉆事故，使鉆進(jìn)不能正常進(jìn)行。

原施工隊(duì)伍對(duì)本礦區(qū)的地層破碎程度缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，沒(méi)有準(zhǔn)備打多級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)的思想和材料準(zhǔn)備，沒(méi)有準(zhǔn)備足夠的多級(jí)套管，造成前期鉆探施工工作無(wú)法正常連續(xù)進(jìn)行。

在艱難的摸索中，有來(lái)自山東的施工2臺(tái)鉆機(jī)分別完成了一個(gè)鉆孔。所完成鉆孔均采用三級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)，在用?110mm開(kāi)孔幾米后，即下入?108mm孔口護(hù)壁套管；換用?91mm鉆頭鉆進(jìn)至幾十米深，又下入?89mm套管；換?75mm鉆頭鉆進(jìn)至終孔。無(wú)套管擴(kuò)壁孔段過(guò)長(zhǎng)，鉆進(jìn)中不時(shí)出現(xiàn)擠埋鉆危險(xiǎn)，雖然勉強(qiáng)成了孔，但是其過(guò)程著實(shí)曲折驚人。ZK5-1鉆孔施工了2次，第一次就是因?yàn)槟酀{沒(méi)調(diào)好，護(hù)壁工作沒(méi)及時(shí)做，在50m深度時(shí)發(fā)生了從擠鉆到埋鉆的事故，不得不移孔位重新施工。雖然成了2個(gè)鉆孔，但是鉆探隊(duì)伍還是因?yàn)槭┕るy度及成本超出了他們的承受能力而退出了本項(xiàng)目。

4.3 后期鉆探施工過(guò)程

2009年12月，甘肅某地質(zhì)隊(duì)的2臺(tái)天和眾幫生產(chǎn)的YDX-3型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)和2臺(tái)來(lái)自山東的XY-4型鉆機(jī)，在充分了解了地層、氣候、供水、搬遷等各方面的難度，對(duì)本礦區(qū)的地層情況和后勤供應(yīng)做了充分調(diào)研和準(zhǔn)備后，先后進(jìn)入了工地。直到2010年5月底，經(jīng)歷了大風(fēng)、嚴(yán)寒的惡劣氣候以及復(fù)雜地層鉆進(jìn)的考驗(yàn)，全部完成本礦區(qū)北部的鉆探工作。

5 鉆探工藝

總結(jié)本礦區(qū)的鉆探工作，鉆探隊(duì)伍在對(duì)礦區(qū)的地層情況有了比較充分的了解及準(zhǔn)備后，雖然進(jìn)度比較緩慢，但沒(méi)有太大的孔內(nèi)事故發(fā)生，基本鉆探思路正確。所采用工藝大致如下。

5.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

總結(jié)本礦區(qū)的鉆孔，基本鉆孔結(jié)構(gòu)大致為:

（1）以?110mm鉆頭開(kāi)孔，鉆穿上部強(qiáng)烈漏水層（約30～50m）后，下入第一層?108mm套管；

（2）換?91mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至130m左右較完整孔段，下入第二層?89mm套管；

（3）換?75mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔。

5.2 鉆具

礦區(qū)內(nèi)各鉆孔主要使用?75mm～?110mm繩索取芯金剛石鉆具。針對(duì)本礦區(qū)地層，甘肅冶金局第三地質(zhì)隊(duì)的鉆機(jī)使用了三重管取芯鉆具，這種鉆具現(xiàn)常用在散質(zhì)煤層的鉆進(jìn)取芯中，對(duì)難取芯的破碎地層是當(dāng)代比較先進(jìn)的鉆進(jìn)取芯技術(shù)；在本礦區(qū)的鉆進(jìn)中應(yīng)用效果良好，平均巖芯采取率在85%以上。

5.3 鉆探方法

總結(jié)本礦區(qū)的鉆探，所有鉆孔都漏水，大部分鉆孔幾乎全孔漏水，在漏水地層的鉆進(jìn)其鉆進(jìn)方法分為堵漏鉆進(jìn)和頂漏鉆進(jìn)2種。

5.3.1 堵漏鉆進(jìn)

各鉆機(jī)在見(jiàn)有小的漏水裂隙時(shí)，多采用常規(guī)的調(diào)制泥漿的堵漏方法，即調(diào)稠泥漿或在泥漿中加入堵漏劑，以其達(dá)到堵塞鉆孔漏水裂隙的目的。

而見(jiàn)有大的漏水裂隙時(shí)，第一種方法一是采用投加有鋸末、聚丙烯酰氨、大裂隙堵漏劑的粘土球，用鉆具將粘土強(qiáng)制擠入漏水裂隙中，以實(shí)現(xiàn)堵漏；第二種方法是用石膏粉攪拌成漿灌入孔內(nèi)，等待幾小時(shí)后，石膏漿就會(huì)完全凝固，可達(dá)到堵漏目的。

5.3.2 頂漏鉆進(jìn)

本礦區(qū)的部分鉆孔不但漏水嚴(yán)重，且漏水層頻繁出現(xiàn)，使得堵漏工作成了費(fèi)時(shí)費(fèi)力的無(wú)底洞，既耽誤了時(shí)間，又浪費(fèi)了人力物力，還不見(jiàn)效益，這讓鉆機(jī)人員很惱火。于是，他們開(kāi)始嘗試頂漏鉆進(jìn)，但是礦區(qū)的地層特別破碎，孔壁掉塊擠鉆的可能性很大。經(jīng)過(guò)反復(fù)的摸索，他們總結(jié)出不能用清水頂漏鉆進(jìn)，原因在于清水不能對(duì)巖石碎塊產(chǎn)生粘結(jié)作用，不能有效防止掉塊；只能用泥漿頂漏鉆進(jìn)，配制粘度適當(dāng)?shù)哪酀{，鉆進(jìn)時(shí)以小泵量送入孔內(nèi)，時(shí)刻注意泵壓表的顯示，以防燒鉆，讓失水后的泥漿在孔壁結(jié)成的泥皮“糊”住孔壁，巖石碎塊被泥皮粘結(jié)后，就能克服孔壁掉塊的現(xiàn)象，防止擠鉆事故的發(fā)生了。

在本礦區(qū)頂漏鉆進(jìn)的另外一項(xiàng)行之有效的措施就是在下鉆前，在鉆桿外壁涂抹一層黃油，以減小鉆桿和孔壁的摩擦阻力。這樣做可達(dá)到3個(gè)效果，第一可有效減小孔壁巖石對(duì)鉆具的磨損，第二降低了鉆具回轉(zhuǎn)過(guò)程中掃落孔壁碎塊的可能性，第三降低了鉆機(jī)動(dòng)力損耗，可謂一舉三得。

5.4 鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)

繩索取芯金剛石鉆進(jìn)：鉆壓9～12kN，轉(zhuǎn)速200～600r/min，泵量40～70L/min。

6 鉆探施工效果比較

針對(duì)本礦區(qū)的地層脆、碎、漏的特點(diǎn)，施工重點(diǎn)北部山上鉆孔施工鉆機(jī)共有2種，即傳統(tǒng)的立軸式巖芯勘探鉆機(jī)XY-4型和新型的全液壓動(dòng)力頭式地表取芯鉆機(jī)YDX-3型。這2種鉆機(jī)在本礦區(qū)表現(xiàn)出的鉆探效率差異很大，見(jiàn)表1。

表1 鉆探效率比較表

針對(duì)2種鉆機(jī)在本礦區(qū)的表現(xiàn)差異如此之大，我項(xiàng)目組會(huì)同兩方鉆機(jī)負(fù)責(zé)人及司鉆分析原因主要在于限于鉆機(jī)本身的特點(diǎn)，所采用的鉆探方法造成的。

XY-4型鉆機(jī)采用堵漏和頂漏鉆進(jìn)相結(jié)合的方式，鉆進(jìn)輕微漏失的地層時(shí)，調(diào)稠泥漿頂漏鉆進(jìn)；鉆進(jìn)至嚴(yán)重漏失地層時(shí)，盡可能頂漏鉆進(jìn)通過(guò)強(qiáng)烈漏失段，在鉆孔上部則下入套管或加深套管，在鉆孔下部則用泥球進(jìn)行全孔堵漏至套管下部，這樣基本保證了鉆孔上部不會(huì)漏水，也防止了鉆孔側(cè)壁的掉塊。這樣邊鉆邊堵，輔助時(shí)間相對(duì)降低，鉆探效率有了明顯提高。

YDX-3型鉆機(jī)則主要采用了堵漏鉆進(jìn)的方式；本礦區(qū)的地層漏水層經(jīng)常連續(xù)出現(xiàn)，堵漏無(wú)異是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事情，必然造成大量的時(shí)間消耗，輔助時(shí)間增大，鉆探效率低下。

7 鉆探設(shè)備及方法適宜性分析

鉆探工作的目的只有在避免或排除孔內(nèi)事故的前提下才能得以實(shí)現(xiàn)，而在破碎漏失地層鉆進(jìn)，稍不留心及易發(fā)生卡埋鉆事故?？胥@事故發(fā)生時(shí)，往往是由輕致重，因此及時(shí)處理顯得尤為重要。XY-4型鉆機(jī)的動(dòng)力傳遞為機(jī)械傳動(dòng)，發(fā)生輕微卡鉆事故時(shí)，可采用猛分猛合離合器的方法，使鉆具瞬間產(chǎn)生比較大的回轉(zhuǎn)沖力，擺脫少量巖石碎塊對(duì)鉆具的擠壓，避免事故擴(kuò)大。而YDX-3型鉆機(jī)的動(dòng)力傳遞為液壓傳動(dòng)，回轉(zhuǎn)動(dòng)力不能在瞬間產(chǎn)生比較大的回轉(zhuǎn)沖力，而且猛分猛合離合器及易損壞鉆機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)；因此極易因輕微卡鉆事故而導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)械事故和卡鉆事故，進(jìn)而造成嚴(yán)重的后果。

通過(guò)本礦區(qū)的鉆探效果比較可見(jiàn)，在碎漏地層鉆進(jìn)中，傳統(tǒng)的立軸式巖芯勘探鉆機(jī)和新型的全液壓動(dòng)力頭式地表取芯鉆機(jī)相比具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，鉆進(jìn)效率高，事故應(yīng)變能力強(qiáng)，是更為適宜的機(jī)型。

8 結(jié)語(yǔ)

本礦區(qū)的地層是比較典型的強(qiáng)烈破碎地層，在本項(xiàng)目的鉆探施工過(guò)程中，使用了2種機(jī)型和各種鉆探工藝和方法。從鉆探效率來(lái)講，對(duì)在強(qiáng)烈破碎漏失地層進(jìn)行的鉆探施工，立軸式鉆機(jī)是比全液壓鉆機(jī)更適宜的機(jī)型。另外，在鉆探過(guò)程中應(yīng)該及時(shí)采用合理的護(hù)壁方法保證孔壁不發(fā)生坍塌掉塊是整個(gè)鉆探施工能否順利推進(jìn)的關(guān)鍵因素。因此，在強(qiáng)烈破碎漏失地層的鉆探選用適宜的鉆機(jī)和合理的鉆進(jìn)工藝方法是十分重要的。