洛寧上宮金礦ZK322000深孔復雜地層護壁技術(shù)探討

余桂紅

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)勘查院，河南 洛陽 471023)

1　礦區(qū)地層巖性及影響鉆探的主要因素

1.1　地層

ZK322000孔圍巖主要為太古界太華群片麻巖、中元古界長城系熊耳群安山巖類以及構(gòu)造巖類。

太古界太華群變質(zhì)巖類：巖石類型較簡單，主要為受區(qū)域變質(zhì)和混合巖化作用形成的角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖、角閃二長片麻巖、黑云二長片麻巖、混合巖等。

中元古界長城系熊耳群安山巖類：巖性主要是玄武安山巖和安山巖類(安山巖、斑狀安山巖、杏仁狀安山巖、杏仁狀斑狀安山巖等)，局部可見流紋巖。

1.2　構(gòu)造

礦區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，穿過構(gòu)造主要為北東向的F1及劉秀溝Ⅴ號脈等北北東向的斷裂。斷層構(gòu)造帶深度分布在700 m以深，個別厚度近200 m。地層主要為硅化蝕變碎裂安山巖、碎裂片麻巖類與構(gòu)造角礫巖，局部綠泥石化，呈碎裂結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、角礫狀，鉆進中易出現(xiàn)坍塌、縮徑、漏失等現(xiàn)象。

1.3　巖石物理機械性質(zhì)

巖石硬度與可鉆性：屬于硬與偏硬巖石，壓入硬度多在3400～4400 MPa。杏仁狀英安流紋巖壓入硬度偏高，在4200～5200 MPa?？摄@性8～9級。

巖石的研磨性：多屬中等研磨性，研磨性等級(按鋼桿研磨法)4～5級之間，個別6級。

2　工程概況

ZK322000孔設計孔深2000 m，傾角90°，是上宮金礦找礦歷史上第一個深孔，該孔不但位于礦產(chǎn)開采區(qū)內(nèi)，且又穿越多層構(gòu)造斷裂帶，施工難度罕見，號稱“洛陽第一鉆”。地質(zhì)設計書如圖1所示。采用XY-8型立軸式鉆機鉆進，鉆進工藝為繩索取心，鉆塔為SG24A四角鉆塔，泥漿泵型號為NBB260/7。

實際鉆孔結(jié)構(gòu)與套管程序如圖2所示。

一開：?150 mm鉆頭鉆進至133.5 m,下入?146 mm套管。

二開：?122 mm鉆頭+?114 mm鉆桿鉆進至188.93 m,下入?121 mm套管。

三開：?98mm鉆頭+?91mm鉆桿鉆進至1227.79 m,?91 mm鉆桿當套管，套管長1227.79 m。

圖1上宮金礦區(qū)ZK322000孔地質(zhì)設計書

圖2　ZK322000孔孔身結(jié)構(gòu)示意圖

四開：?77 mm鉆頭+?71 mm鉆桿鉆進至終孔2002.72 m。

3　ZK322000孔鉆探施工難點及采取的措施

3.1　采空區(qū)套管護壁

3.1.1第一采空區(qū)位置及套管護壁措施

該孔于2017年2月16日開鉆，開孔用?150 mm金剛石鉆頭，配?146 mm鉆具長1 m，鉆進至3 m后下?146 mm套管3 m，然后換?122 mm金剛石鉆頭，配?114 mm繩索取心鉆桿，鉆進至124.30 m遇到第一層采空區(qū)，繼續(xù)下鉆以探到采空區(qū)底部，此時測量孔深為131.93 m，采空區(qū)高為7.63 m，為了探明底部巖石完整情況，繼續(xù)鉆進至133.50 m，取出1.5 m的完整巖心后，采用?150 mm金剛石鉆頭擴孔到孔底，下?146 mm套管，套管總長133.5 m，因為采空區(qū)太高，這段用9 m長的套管隔離，因為沒有接口，后期鉆進過程中不會因為鉆桿在孔內(nèi)擺動過大，而導致套管接頭斷裂。

3.1.2第二采空區(qū)位置及處理措施

第一采空區(qū)穿過后，換用?122 mm金剛石鉆頭+?114 mm鉆桿鉆進，當鉆進至181.50 m遇第二層采空區(qū)，探到孔深185.50 m后取出巖心非常破碎(如圖3)，每次掃孔都加不上單根，無法下到孔底，因為底部都是掉落的碎礦渣，起鉆后又再次坍塌，然后采用水泥封孔的辦法，先把碎渣用水泥凝固住，保證碎渣不會坍塌，然后再繼續(xù)鉆進，每次鉆進不到1 m，碎渣又會坍塌，就這樣用水泥來回封了4次，終于在孔深187.48 m處封孔成功，往下鉆進到188.98 m時，取出1.5 m的完整巖心。此段采空區(qū)高度為5.98 m，也是采用一根9 m長的?121 mm套管隔離，套管全長188.93 m。

圖3　采空區(qū)碎渣

3.2　斷層破碎帶泥漿護壁技術(shù)

3.2.1鉆探施工情況及孔壁坍塌原因

上面兩層套管分別隔離兩段采空區(qū)后，換?98 mm金剛石鉆頭，用?91 mm的繩索取心鉆桿，繼續(xù)鉆進到1227.79 m，把?91 mm鉆桿當套管用，套管長1227.79 m。之后換徑用?77 mm金剛石鉆頭，?71 mm繩索取心鉆桿鉆進，當鉆進至孔深1792 m處，提鉆換鉆頭時，由于機臺操作人員為減少輔助時間，帶巖心管下鉆，再加上孔底巖粉沉淀較多，當下鉆接近孔底時，大量孔底巖粉進入到內(nèi)外管間隙中，沖洗液送不通，被迫提鉆。因水流不通，鉆桿內(nèi)的沖洗液隨鉆被提出，破壞了孔內(nèi)的壓力平衡，對孔壁產(chǎn)生嚴重的抽吸力，加重了不穩(wěn)定孔段孔壁的失穩(wěn)，造成孔壁坍塌。重新下鉆時，至孔深1635 m處遇阻，多次掃孔也無法通過。對比巖心發(fā)現(xiàn)孔深1635～1792 m位于斷層構(gòu)造帶上，此斷層帶巖層主要有構(gòu)造角礫巖組成，而構(gòu)造角礫巖主要有綠泥石礦物(圖4)組成，綠泥石為水敏性粘土礦物，遇水易分散剝落，另外巖心也非常破碎(圖5)。經(jīng)過研究分析，上一回次帶內(nèi)管下鉆(壓力激動)和帶水提鉆(抽吸作用)，是誘發(fā)該段孔壁失穩(wěn)的主要原因，水敏、破碎地層是客觀因素。在此坍塌孔段采用2種泥漿體系解決孔壁失穩(wěn)問題。

圖4　綠泥石化水敏地層巖心

圖5　斷裂破碎帶巖心

3.2.2水敏地層泥漿體系

3.2.2.1泥漿配方設計

(1)設計原則。

該孔鉆探過程中發(fā)生縮徑、孔壁坍塌的客觀原因是鉆遇構(gòu)造角礫巖地層粘土礦物(綠泥石、高嶺石)含量高，易吸水膨脹，且微裂隙多。泥漿設計與性能優(yōu)化所面對的主要矛盾是加強封堵、降低失水量和抑制粘土水化膨脹。

(2)泥漿配方選擇。

實驗采用高粘羧甲基纖維素(HV-CMC)來提高泥漿的粘度，褐煤樹脂(SPNH)、磺化褐煤(SMC)來控制泥漿的失水量，聚丙烯酸鉀(K-PAM)、氯化鉀(KCl)作為抑制劑來抑制粘土膨脹分散，稀釋成膜劑(X-1)可確保形成薄而致密的泥皮，磺化瀝青作為潤滑劑以降低鉆具與孔壁之間的摩擦，石灰石、重晶石作為加重成分以提高泥漿密度。

實驗采用的2組配方如下：

配方1：1 m3水(1000 kg)+50 kg粘土粉+50～80 kg KCl+1 kg K-PAM(提粘)+20 kg SMC(磺化褐煤)+37.5 kg石灰石+12.5 kg重晶石。

配方2：1 m3水(1000 kg)+50 kg粘土粉+5 kg HV-CMC+25 kg S-1(強降水劑)+5 kg X-1(稀釋成膜劑)+30 kg磺化瀝青+10 kg SMC+37.5 kg石灰石+12.5 kg重晶石；其中：S-1和X-1也可以用腐植酸鉀代替。

(3)配方基本性能評價(見表1)。

由表1可知，配方1和配方2密度在1.2 g/cm3左右，濾失量<5 mL/30 min，粘度在30 s左右，可有效地抑制綠泥石水化膨脹造成的縮徑坍塌。

3.2.2.2泥漿抑制性評價

泥漿的抑制性評價采用巖樣的膨脹量儀測試巖樣的膨脹量以及采用浸泡實驗觀察巖樣在水和泥漿中的剝落情況，因配方1及2性質(zhì)差異不大，故選擇配方1來評價泥漿的抑制性。

表1　泥漿配方基本性能

(1)巖樣膨脹量測試。

巖樣膨脹量測試采用膨脹量儀測試，利用ZNP型膨脹量測定儀測試了該孔構(gòu)造角礫巖地層巖樣在泥漿中的膨脹量，巖樣的直徑為25 mm，高度為11.62 mm，膨脹量隨時間變化如表2所示。

表2　構(gòu)造角礫巖膨脹量

巖樣在清水中最終的膨脹率為：

巖樣在泥漿中最終的膨脹率為：

巖樣在清水中的膨脹率為20.26%，在泥漿中降到了3.02%，由圖6可以明顯觀察到膨脹率的變化，表明泥漿對構(gòu)造角礫巖有很強的抑制性。

圖6　膨脹率對比圖

(2)巖樣浸泡實驗。

將構(gòu)造角礫巖研磨成粉，過200目篩，壓制成直徑為25 mm，高度約為28 mm的巖樣進行浸泡實驗。將2塊巖樣分別放入清水和泥漿中浸泡24 h，24 h后巖樣的狀態(tài)如圖7所示。

由圖7可以看出浸泡24 h后，在清水中的構(gòu)造角礫巖巖樣完全坍塌，而在泥漿中的構(gòu)造角礫巖巖樣未發(fā)生坍塌掉塊，也未產(chǎn)生裂縫，形狀保持良好。

圖7　浸泡24 h后的構(gòu)造角礫巖巖樣

泥漿漏斗粘度在30 s左右，失水量在5 mL/30 min左右，能很好地滿足該孔鉆探工作對于泥漿流變特性和失水特性方面的要求。通過膨脹量實驗及浸泡實驗可以看出，泥漿配方對該孔構(gòu)造角礫巖地層抑制性強，能很好地適用于構(gòu)造角礫巖地層鉆進。

經(jīng)以上實驗與分析，該孔在水敏地層采用泥漿配方1方案，有效地抑制了綠泥石水化膨脹，確保了孔壁穩(wěn)定。

3.2.3坍塌地層泥漿配方與參數(shù)

針對該孔斷裂帶坍塌破碎地層，采用高密度泥漿體系有效地保持了孔壁穩(wěn)定，其各組分及作用如表3所示。

表3　泥漿體系中主要處理劑的作用

坍塌地層泥漿配方與性能如下。

泥漿配方：1.5 m3水+125 kg高粘鈉土粉+75 kg石灰石粉+35 kg磺化褐煤樹脂+25 kg防塌防卡劑+25 kg地層壓力增強劑。

泥漿性能參數(shù)：密度1.10 g/cm3，粘度22 s,失水量6 mL/30 min,pH值8.4，泥皮厚0.6 mm。

3.3　破碎地層泥漿配方與參數(shù)

孔深1827～2002.72 m，鉆進過程中雖出現(xiàn)掉塊、卡鉆、漏失現(xiàn)象，但示出現(xiàn)孔壁坍塌，此段泥漿配方如下。

泥漿配方：1.5 m3水+100 kg高粘鈉土粉+25 kg磺化褐煤樹脂+12 kg防塌防卡劑+5 kg廣譜護壁劑Ⅲ型+1 kg高粘防塌劑。

泥漿性能參數(shù)：密度1.08 g/cm3,粘度19 s,失水量6 mL/30 min,pH值8.2，泥皮厚0.5 mm。

以上各組分加量可隨地層變化做少許增減，參數(shù)也可少許浮動。

3.4　泥漿配制與管理

3.4.1配制

在1.5 m3泥漿攪拌桶中泵入清水，加入土粉，并攪拌10～20 min。再按配方順序依次加入化學處理劑等材料，每次加入各攪拌5～10 min，等充分攪拌均勻后即可使用。

3.4.2維護與管理

(1)對于裂隙漏失地層，加地層壓力增強劑時，其使用方法如下：發(fā)生裂隙漏失后，停止鉆進，在孔外配密度大于原漿50%的泥漿(漿量為井內(nèi)泥漿總量)，然后加約2%的地層壓力增強劑，循環(huán)均勻后，用泵全部送入孔內(nèi)，靜止6 h，讓地層壓力增強劑盡可能多的進入地層，最大限度地增強地層抗壓能力。靜止過程中，在孔外再配密度跟漏前密度一樣的泥漿，6 h后恢復正常鉆進。

(2)循環(huán)槽坡度1∶100，槽中每隔2 m交錯加設擋板，減緩泥漿流速，以利于巖粉，鉆渣沉淀。

(3)經(jīng)常清理循環(huán)槽及泥漿池中的巖粉，從而降低泥漿中有害固相含量。

(4)泥漿管理員每班至少測定一次泥漿性能參數(shù)。

4　施工效果

通過覆蓋層采空區(qū)長套管護壁與斷層帶泥漿護壁技術(shù)，確保了孔壁穩(wěn)定，從而為該孔的順利施工打下了良好的基礎，該孔于2017年9月1日(2017年2月16日開孔)順利終孔，終孔孔深2002.72 m，不但刷新了洛陽地區(qū)巖心鉆探領域最深孔紀錄，而且也滿足地質(zhì)設計要求，最終被評為一類Ⅰ級孔。該孔取得的主要技術(shù)成果如下。

(1)巖心采取率高：礦體總厚度165.29 m,礦心總長度160.76 m,采取率97%；巖石總厚度2002.72 m,巖心總長度1944.72 m,采取率97%。

(2)鉆孔彎曲度：該孔設計傾角90°，終孔傾角80°，鉆孔彎曲度10°，符合設計要求。

5　結(jié)語

(1)鉆遇采空區(qū)時，采用超過采空區(qū)高度的單根套管護壁技術(shù)，因套管無絲扣連接，不但避免了套管脫扣事故的發(fā)生，而且也有效地隔離了采空區(qū)。此項技術(shù)措施，對以后類似情況的處理具有一定的借鑒意義。

(2)斷裂破碎帶鉆進中，遇到綠泥石水敏粘土礦物，通過實驗，針對性研究了抑制性泥漿體系并成功應用于現(xiàn)場，成功解決了水敏地層孔壁失穩(wěn)問題；另外，針對斷層帶坍塌破碎地層，采用高密度泥漿體系，保持了孔壁穩(wěn)定。通過這2種泥漿體系護壁，確保了斷層帶部位的孔壁穩(wěn)定，從而有效地解決了斷層破碎帶難以鉆穿的施工難題，相應也提高了鉆探效率與施工質(zhì)量，為該礦區(qū)其它孔的施工提供了技術(shù)保障。