鳳縣小梨園礦區(qū)復(fù)雜地層典型事故鉆孔施工技術(shù)

李國才

（寶雞西北有色七一七總隊有限公司，陜西 寶雞 721000）

1 地質(zhì)概況

小梨園金礦區(qū)位于陜西省鳳縣坪坎鎮(zhèn)，是我單位多年來地質(zhì)勘查的老勘探區(qū)，2013年前鉆孔深度一般在500m以下，該礦區(qū)鉆遇巖層主要為：鐵白云質(zhì)鈣質(zhì)千枚巖、石英脈、鐵白云質(zhì)粉砂質(zhì)千枚巖，斷層破碎帶。其間斷層破碎帶多為粉砂質(zhì)千枚巖，親水性強，巖石松軟破碎，多呈散體狀，容易造成孔壁不穩(wěn)定，易坍塌、掉塊，鉆遇該孔段巖粉多，易造成粘附卡鉆事故。

2 鉆孔施工概況

總體上來說，礦區(qū)地層條件比較復(fù)雜，鉆孔深，這也給施工技術(shù)方面提出了很大的挑戰(zhàn)。ZK12001孔是該礦區(qū)施工的典型鉆孔之一。

ZK12001孔位于小梨園礦區(qū)西河以東，鉆孔設(shè)計深度1050m、方位25°、傾角78°。施工至處913m發(fā)生粘附卡鉆事故，由于還有137m將鉆進(jìn)到設(shè)計深度，于是向地質(zhì)申請終孔口徑75mm。

征得地質(zhì)同意后，決定把Φ95鉆桿當(dāng)做套管使用，采用NQ（Φ75）施工至928m又發(fā)生卡鉆事故，經(jīng)多次處理無效后用S56水力切割器割鉆具的技術(shù)措施處理，后通過磨事故鉆頭，磨完事故鉆頭后下磁力打撈器吸理磨碎的鐵屑等措施來處理這次事故。孔內(nèi)處理干凈后再下入NQ（Φ75）繼續(xù)施工鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至深度1025.12m地質(zhì)同意終孔，順利竣工。工程質(zhì)量達(dá)到地質(zhì)設(shè)計要求。

3 鉆探設(shè)備及附屬設(shè)施

XY-44A塔機一體鉆機，鉆塔高度10m；動力為R4105ZG53柴油機。泥漿泵：型號BW250，RZ1115柴油機2臺。鉆桿：HQ 1100m，NQ 1100m、S56鉆桿1000m。鉆具：HQ2套，NQ2套。Φ75割刀1具、Φ56割刀1具。

4 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)方法

該孔以HQ（Φ95）和NQ（Φ75）金剛石繩索取芯鉆進(jìn)工藝為主；鉆孔結(jié)構(gòu)采用Φ130×Φ110×Φ95×Φ75四徑成井工藝；開孔采用Φ130合金鉆具干鉆取芯的方法鉆進(jìn)至21.00m后，下入Φ127孔口管，換用Φ110合金鉆具鉆進(jìn)至32.07m處見完整巖層，下Φ108套管，再換用HQ(Φ95)金剛石繩索取芯鉆具鉆進(jìn)至913m處發(fā)生粘附卡鉆事故，后換用NQ鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔1025.12m。

5 施工中遇到的主要技術(shù)問題和處理方法

5.1 粘鉆事故原因分析與處理

采用HQ金剛石繩索取芯鉆進(jìn)至孔深908.67m遇斷層破碎帶（巖性主要為鐵白云質(zhì)粉砂質(zhì)千枚巖、鈣質(zhì)鐵白云質(zhì)粉砂巖、鐵白云質(zhì)粉砂質(zhì)千枚巖），斷層破碎帶從908.67m至935.12m，斷層厚度達(dá)26.45m。該斷層的特點是連續(xù)性強、層厚。機臺決定繼續(xù)鉆進(jìn)快速穿過斷層破碎帶以后再回頭處理這段易坍塌、掉塊的地層。但是在鉆進(jìn)至913m時尚未穿過破碎帶就造成粘鉆事故，憋泵水路不通，經(jīng)過多次的頂、拉、扭等方法處理無效[3]。最終判定是因為該孔段巖層松軟、縮徑，孔內(nèi)坍塌、掉塊造成的巖粉太多，無法及時把巖粉排出孔內(nèi)，導(dǎo)致了粘鉆事故的發(fā)生。由于鉆具外徑比鉆桿大（鉆桿Φ89mm、鉆具Φ93mm、鉆頭Φ95.5mm、擴孔器Φ96.50mm），初步判定卡鉆事故位置在鉆具的鉆頭、擴孔器或者是彈卡擋頭處。

圖1 使用后的水力切割器

依據(jù)以上事故分析和鉆孔孔深等綜合因素，處理難度極大。經(jīng)多次和地質(zhì)項目溝通，同意換Φ75mm口徑。決定把Φ95鉆桿當(dāng)做套管使用，采用NQ（Φ75）施工至928m又發(fā)生卡鉆事故，經(jīng)多次處理無效[4]。

結(jié)合以往采用返這種方法處理事故的經(jīng)驗，要返出所有的鉆桿和事故鉆具，難度很大。采用“返”處理有可能每次只返一根鉆桿或者是一個鉆桿接頭，首先是耗時、費力，返的效率不是很高；再者假如整個鉆具卡死，最后也無法返出事故鉆具。經(jīng)過認(rèn)真的分析研究后確定，決定采用切割事故鉆具方法作為最終的處理方法。后采用割鉆具的措施處理，再通過磨事故鉆頭，磨完事故鉆頭后繼續(xù)鉆進(jìn)，最后鉆進(jìn)至深度1025.12m地質(zhì)同意終孔。水力切割刀具外形如圖1所示。

具體操作如下：下入水力切割器到判定位置（粘鉆事故可能發(fā)生的位置），然后開機慢轉(zhuǎn)，等鉆桿全部轉(zhuǎn)動后，打開泥漿泵泄壓閥，開動泥漿泵，慢慢的關(guān)泥漿泵泄壓閥，控制泵壓升高到4Mpa后繼續(xù)轉(zhuǎn)動5-7分鐘，當(dāng)發(fā)現(xiàn)泵壓突然下降后判斷鉆具已經(jīng)割斷，此時立即停鉆，完全打開泄壓閥，關(guān)閉泥漿泵。提出帶水力切割器的S56鉆桿，然后通過鉆磨來處理事故鉆具，最后下磁力打撈器吸理磨碎的鐵屑。

鉆孔施工竣工后，依然采用割的處理措施起拔Φ95鉆桿，具體操作步驟和割Φ75鉆桿的步驟相同。采用S75水力切割器，第一次選擇割的位置在鉆頭和擴孔器上部，割完后頂、拉、扭Φ95鉆桿，多次無效；分析整個鉆具已被卡死。第二次選擇割的位置選擇在彈卡擋頭上部即Φ95鉆桿的位置，割完后開機扭動鉆桿，使其與下部的鉆具徹底分離，提出全部HQ鉆桿，孔內(nèi)遺留HQ鉆具在913m處。

5.2 泥漿護(hù)壁技術(shù)措施

處理完粘鉆事故以后，鉆進(jìn)至931.50m孔內(nèi)坍塌依然嚴(yán)重，采取灌注水泥封堵該層2次，未能奏效，根本達(dá)不到封堵斷層破碎帶層，解決鉆孔坍塌、掉塊的目的。后采用高固相優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁，取得了較好的效果，使得鉆孔順利竣工。該鉆孔使用了3種不同的泥漿類型。

針對不同地層采用不同的泥漿泥漿配方，先后使用無固相沖洗液；低固相泥漿；易坍塌、掉塊等復(fù)雜地層使用固相優(yōu)質(zhì)泥漿。

（1）無固相沖洗液

特點：比重低，粘度適中，鉆進(jìn)效率高，性能調(diào)節(jié)范圍大。與清水相比具有較好的攜帶巖屑和懸浮巖屑的能力，并具有一定的潤滑效果，在孔壁上形成薄膜起護(hù)壁作用。

現(xiàn)場配制材料及加量：配制1m3泥漿所需無固相鉆井液1kg～1.2kg，羧甲基纖維素（CMC）

1kg～2kg，聚丙烯酰胺（PHP）300～500ppm，腐植酸鉀（KHM）2%～3%?，F(xiàn)場測試性能指標(biāo)：比重1.02～1.03，漏斗粘度16s～18s，PH值8～9，失水量＜16 ml/30 min。

（2）不分散低固相泥漿

特點：粘度適中，失水量較小，比重較小，含砂量小，泥漿穩(wěn)定性好，對進(jìn)入泥漿體系的巖屑起絮凝作用，對孔壁不起分散作用進(jìn)而起抑制保護(hù)孔壁作用，護(hù)壁效果良好[1]。

現(xiàn)場配制材料及加量：配制1m3泥漿所需鈉基膨潤土50kg～80kg，添加劑（加土量的質(zhì)量之比）NaOH1%～2%，羧甲基纖維素（CMC）2%～3%，腐植酸鉀（KHM）2%～4%，聚丙烯酰胺（PHP）300ppm～500ppm?，F(xiàn)場測試性能指標(biāo)：比重1.02～1.05，漏斗粘度20s～22s，失水量＜12ml/30 min，PH值8～9，含砂量＜3%[5]。

（3）固相泥漿

特點：循環(huán)過程中在壓差作用下能在孔壁形成薄泥皮而加固孔壁，在循環(huán)停止時懸浮巖屑，防止巖屑沉淀而引起孔內(nèi)事故。失水量小，泥漿比重大，穩(wěn)定性好。

現(xiàn)場配制材料及加量：1m3泥漿所需鈉基膨潤土150kg～200kg，添加劑（加土量的質(zhì)量之比）NaOH2%～3%，羧甲基纖維素（CMC）3%～5%，，腐植酸鉀（KHM）4%～6%?，F(xiàn)場測試性能指標(biāo)：比重1.15～1.20，漏斗粘度＞26s，失水量8～10ml/30min，PH值9～10，含砂量＜4%。

該孔使用以上的三種泥漿中，17.34m～798.47m使用無固相沖洗液，巖層穩(wěn)定；鉆進(jìn)798.47m～931.50m巖層較松散破碎地層換用不分散低固相泥漿，但是在巖層破碎，坍塌、掉塊嚴(yán)重，斷層破碎帶層厚的地層中，低固相泥漿在該復(fù)雜地層中使用效果不明顯，沒有起到護(hù)壁作用；最后使用固相泥漿鉆進(jìn)，遇見斷層破碎帶時，孔內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的坍塌和巖粉太多的問題，達(dá)到了護(hù)壁效果，施工過程中，由于河水暴漲導(dǎo)致連續(xù)停工2天，孔內(nèi)也沒有出現(xiàn)較明顯的坍塌和巖粉過多的問題，在該孔中固相泥漿取得了很好的效果，對該礦區(qū)在以后的工程施工起到了很好的借鑒作用[2]。但是固相泥漿也有自身的缺點：比重大，由于固相含量高而造成鉆進(jìn)效率低，該孔施工中轉(zhuǎn)速控制在300～350r/min，施工中未發(fā)現(xiàn)鉆桿內(nèi)壁結(jié)泥皮而導(dǎo)致投放和打撈內(nèi)管困難的問題。

6 經(jīng)驗與體會

沖洗液護(hù)壁堵漏是鉆探過程中非常重要的環(huán)節(jié)，在巖層破碎，坍塌、掉塊嚴(yán)重，斷層破碎帶層厚的地層中，性能良好的沖洗液能在較長時間保持孔壁穩(wěn)定，抑制千枚巖地層遇水膨脹、脫落。另外，使用固相泥漿容易造成繩索鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢，影響正常打撈巖芯，需要嚴(yán)格的控制鉆進(jìn)參數(shù)。

在處理孔內(nèi)卡、粘鉆事故時，要認(rèn)真分析事故發(fā)生的原因，制定簡單易行、可靠有效的處理方案，由經(jīng)驗豐富、操作熟練的技術(shù)工人操作實施，工程技術(shù)人員現(xiàn)場指揮；避免因盲目而急躁的操作造成工作不徹底而導(dǎo)致失敗，同時要注意因操作不當(dāng)而引發(fā)其它孔內(nèi)事故的發(fā)生。

在泥漿的使用過程中，還要注重泥漿的維護(hù)管理工作，它直接影響到泥漿在鉆進(jìn)工作中的效用。因此，要注意以下幾點：

（1）根據(jù)地層情況，通過試驗確定合理的泥漿配方，按程序配好所需的泥漿。

（2）鉆進(jìn)過程中，要定時測試入口和出口的泥漿性能，確定是否需要補充新的泥漿和處理劑，若需補充則應(yīng)以細(xì)流方式注入，以免產(chǎn)生不良后果。

（3）定期檢查除砂設(shè)備和水泵的工作情況，定期清除循環(huán)系統(tǒng)中沉淀的巖屑，保持泥漿的含沙量和固相含量符合要求。

（4）注意安全，防護(hù)用品要穿戴齊全，防止具有腐蝕性或毒性的藥品傷人。