山東招遠水旺莊3000 m科學鉆探孔事故預防技術及管控效果

蘇厚斌， 馬曉鵬， 鄭尊岐， 孫永軍， 商振華

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第六地質(zhì)大隊，山東 威海 264200；2.山東省地礦局深部金礦勘查評價重點實驗室，山東 招遠 265400；3.黃永堂技能大師工作室，山東 招遠 265400)

0 引言

水旺莊3000 m科學鉆探項目是山東省2018年度38個省級地質(zhì)勘查項目之一，旨在充分收集以往地質(zhì)、礦產(chǎn)、物化探等資料的基礎上，綜合分析研究成礦地質(zhì)條件，選定有利地段進行鉆探，查明深部礦帶特征，估算礦體資源儲量。該項目實物工作量3000 m直孔一個，孔號ZK3401，預計2020年6月底前提交成果報告并獲金礦產(chǎn)地一處。響應國家提倡的“三深一土”向深部進軍的號召，首次將招平斷裂控礦延深至-2800 m。

根據(jù)設計，對本孔可能遇到的3個構造破碎帶，即欒家河斷裂帶、破頭青斷裂帶、招平斷裂帶，做出預案并進行技術交底，提出“預防為主，防治結(jié)合”的總體思想。

1 技術方案和措施

根據(jù)以往該區(qū)18個2000 m以深鉆孔經(jīng)驗以及ZK3401鉆孔存在的3個主要斷裂帶地質(zhì)資料，制定科學可行的施工方案，并通過專家論證，確保安全、高效地完成本次科鉆任務。

1.1 鉆孔結(jié)構設計

ZK3401鉆孔依據(jù)以往地質(zhì)資料存在的斷裂帶以及施工深度，該鉆孔采用四開結(jié)構[1-6]，實際鉆孔結(jié)構如圖1所示。

圖1 ZK3401孔實際鉆孔結(jié)構Fig.1 Schematic diagram of the borehole structure

1.2 施工過程

第一階段：2018年8月19日開鉆，用?150 mm硬質(zhì)合金鉆頭施工至8 m，下入?146 mm孔口管，隔離第四系風化地層，防止孔口坍塌。

第二階段：8月20日-9月21日，用?122 mm鉆頭，繩索取心鉆具鉆進至979.40 m，下入?114 mm技術套管[7]，隔離欒家河斷裂構造帶，確保下一階段順利進行。

第三階段：9月22日-11月17日，采用?98 mm鉆頭，繩索取心鉆具鉆進至2113.96 m，下入?91 mm鉆桿+?89 mm技術套管，隔離破頭青斷裂構造帶。采用鉆桿+套管模式，因為鉆孔過深，如果單純使用?89 mm技術套管，套管絲扣處薄弱，無法承受套管自重的拉伸力而易造成跑鉆事故。

第四階段：11月18日開始直至終孔，采用?77 mm鉆頭，繩索取心鉆具鉆至3000.58 m終孔，該階段的招平斷裂主帶位于2850 m左右，采取沖洗液護壁，2900 m地溫為83 ℃，沖洗液選用抗高溫高粘降失水型配方，循環(huán)返出沖洗液性能指標為：pH值8～10，粘度30～35 s，濾失量6～12 mL/30 min，密度1.12～1.15 g/cm3，固相含量1.0%，含砂量≤0.6%，塑性粘度12 mPa·s，靜切力2～4 Pa，動切力2～3 Pa。該階段施工，鉆孔彎曲嚴重，孔壁摩擦阻力大，易與孔壁產(chǎn)生吸附作用，第三階段施工至2113.96 m時下入的技術套管減小摩擦阻力，保障了該階段的順利施工。

1.3 鉆進參數(shù)選擇

深部鉆探的特點是，鉆桿彎曲度大，受到的拉力、壓力、扭力、摩擦力復雜，動力輸出難以控制，如果操作不當，易發(fā)生孔內(nèi)事故。為滿足深部施工要求，對沖洗液性能要求比較高，要求沖洗液能平衡地層壓力，保持孔壁穩(wěn)定，對巖屑攜帶能力強，因此，沖洗液粘度相應增大，使沖洗液與孔壁的摩擦力增加，從而造成泵壓高，受泥漿泵額定泵壓上限限制，只能通過減小泵量來降低泵壓。綜上條件，本次施工選擇低轉(zhuǎn)速、低泵量鉆進，具體鉆進參數(shù)見表1。

表1 ZK3401孔鉆進參數(shù)的選擇Table 1 Drilling parameters of ZK3401 Hole

2 預防事故舉措

在深部鉆探施工的過程中，事故預防分為直接預防和間接預防，直接預防即護壁技術預防，包括套管及沖洗液護壁；間接預防即從提高效率、精細管理方面預防?？咨畛^2000 m以后，輔助時間所占比例明顯增高，通過對鉆具、鉆頭及擴孔器的選取，取心鉆進參數(shù)的調(diào)整和改進等方式，有效地縮短輔助時間將會降低孔內(nèi)事故率、提質(zhì)增效。

2.1 鉆頭擴孔器的選用

經(jīng)過對水旺莊地區(qū)鉆頭、擴孔器使用情況調(diào)研，該孔主要選用由山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第六地質(zhì)大隊(以下簡稱山東地礦六隊)自主研發(fā)的深鉆鉆頭、擴孔器(見圖2)，鉆頭為孕鑲整體燒結(jié)型[8]，其壽命明顯優(yōu)于其他品牌，?122、98、77 mm鉆頭最高壽命分別達到162、146、77 m，期間使用A品牌?98 mm鉆頭3個，平均壽命31.25 m，B品牌?77 mm鉆頭4個，平均壽命28.60 m。鉆頭壽命的延長，減輕了頻繁提下鉆對不穩(wěn)定地層孔壁的破壞，有利于孔壁形成致密性泥皮，大幅度降低輔助時間，對事故起到了關鍵性預防。鉆頭使用情況見表2。

圖2 使用過的鉆頭擴孔器Fig.2 Used reaming shells

口徑/mm鉆頭數(shù)量/個總進尺/m平均進尺/m最高進尺/m1221698061.251629819113459.75146771788652.1277

2.2 減少內(nèi)管到位時間

2200 m以淺時，送取心內(nèi)管的方式為大泵量快速傳送法，達到減少輔助時間，但要遇到破碎強漏地層時，則不宜采用大泵量傳送法，為避免沖洗液的浪費以及對不穩(wěn)定地層的沖刷，送內(nèi)管時采用較小泵量。鉆至2200 m以深后，檢測不到內(nèi)管到位的聲音，只能選擇用打撈器試探來確定內(nèi)管是否到位，這樣送內(nèi)管時間大幅延長，并且在長時間不轉(zhuǎn)車情況下，孔底巖屑沉淀，易于孔壁吸附造成憋車現(xiàn)象。因此，我們采取的解決措施一是加長加重內(nèi)管總成，二是外接加重器，以增加下落速度，從而節(jié)約時間，降低孔內(nèi)事故發(fā)生的概率。

2.3 提高提鉆效率

在場地允許范圍內(nèi)選用山東地礦六隊自制的A19.5 m鉆塔，將提鉆立根9 m增至15 m，減少擰卸鉆桿次數(shù)。3000 m深鉆孔提下鉆一次，需擰卸提心器800余次[9]，操作者仰頭作業(yè)、視力受限，勞動強度大，效率低且易造成安全事故。針對這個問題，我們在實際施工中安裝提鉆影像(見圖3)，清晰直觀地顯示工作臺上的情況，達到了安全高效的目的，也大大降低了勞動強度，降低了事故發(fā)生的可能性。

圖3 提下鉆影像Fig.3 Image of tripping the drilling string

2.4 精細化管理

對科鉆現(xiàn)場、項目部、設備、人員實行標準化管理，實行周例會制度。推行3S管理、設備TMP管理[10]。技術手段控制進度具體措施如下：

(1)詳實編寫施工設計，根據(jù)地質(zhì)資料及本礦區(qū)以往鉆探經(jīng)驗，設計合理鉆孔結(jié)構。對項目人員進行技術交底，全面培訓。本孔將鉆遇3個破碎帶，采取措施是提前預防，將沖洗液調(diào)制合適的參數(shù)，快速穿過下入套管。

(2)采用先進的上下聯(lián)動一體化設備，實現(xiàn)上下可視化操作，大大減少了提下鉆輔助時間。

(3)采用山東地礦六隊自主研制的鉆頭，極大地延長了提下鉆間隔。

(4)定期組織技術培訓，交流生產(chǎn)中遇到的問題，進一步統(tǒng)一思想。

(5)采用先進的沖洗液體系，并有泥漿專家現(xiàn)場指導。

(6)采用先進的設備TPM管理制度，設備定期有專人負責保養(yǎng)、維修。

(7)相關人員每周上報物資使用計劃，特事特批，急需物資保證1 h送達現(xiàn)場。

成立技術攻關小組，技術交底常態(tài)化日?；?圖4)，對鉆孔形成有效管控機制，科學制定可行性預防方案。配備專職沖洗液工程師(圖5)，時刻監(jiān)測沖洗液質(zhì)量和性能，根據(jù)地層、含砂量等情況進行實時調(diào)整。

圖4 日常技術交流Fig.4 Daily technical communication

圖5 沖洗液性能測試Fig.5 Drilling fluid test

設備檢修制度化，防止設備故障對孔內(nèi)帶來的負面作用，對出現(xiàn)問題及時改進修正。由于鉆進方式為減壓鉆進，液壓油泵處于一直工作狀態(tài)，在2600 m以深由于高溫出現(xiàn)油路控制失效，造成卡盤打不開等現(xiàn)象，為解決此問題，采取了增長油路進行水冷降溫措施(圖6)。

圖6 加長油路水冷降溫Fig.6 Extended oil circuit for cooling

在此階段因鉆桿自重大造成夾持器卡瓦夾扁鉆桿的現(xiàn)象，鉆桿損傷是孔內(nèi)事故的最大隱患，也會使繩索取心路徑受阻。必須加大卡瓦與鉆桿的接觸面積來分散夾持力的作用以解決此問題(圖7)。

圖7 與鉆桿接觸面積增大的卡瓦Fig.7 Slips with the increased contact area with the drill pipe

3 事故分析與處理

本鉆孔在施工過程中發(fā)生多次孔內(nèi)事故，在此就破頭青斷裂縮徑事故和2620 m吸附卡鉆事故處理方法進行探討。

3.1 破頭青斷裂構造帶事故

在2280 m以深鉆遇破頭青斷裂構造(圖8)，厚度為37 m，在2362 m處穿過該斷裂帶45 m提鉆換鉆頭，下至2284 m出現(xiàn)下鉆受阻，上下掃孔3次，受阻情況未能改善，該孔段出現(xiàn)縮徑坍塌，返水量1/3，影響施工正常進行。

圖8 破頭青斷裂帶取出的巖心Fig.8 Cores from the Potouqing fracture zone

針對以上情況，先采用沖洗液護壁，通過提高沖洗液密度，增加護壁材料進行循環(huán)護壁，未改善縮徑卡鉆情況，方案失敗。后進行水泥封孔來固化穩(wěn)定孔壁[11-12]，第一次封孔為常規(guī)水泥封孔，封孔孔段2260～2362 m，由于受地溫影響(2300 m處60 ℃、2600 m處72 ℃、2900 m處83 ℃)，水泥未能硬化，處理失敗。綜合分析失敗原因，進行第二次水泥封孔，在原水灰比的基礎上加入抗高溫抗鹽材料進行封孔，此次封孔成功(參見圖9)，該孔段漏水問題得到解決，直至終孔該孔段未發(fā)生任何影響生產(chǎn)的情況。

圖9 透孔巖屑(上)和水泥(下)Fig.9 Cuttings (top) and cement (bottom)from drilling out the cement plug

3.2 吸附卡鉆事故

2019年2月4日22∶55，鉆機憋車回車，出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。項目技術人員現(xiàn)場分析、制定方案、綜合分析驗證，認為此次事故原因是2600 m處鉆孔彎曲度高(參見圖10)，等待3 h進行鉆機維修，此過程沖洗液處于循環(huán)狀態(tài)，鉆具處于靜止狀態(tài)，沖洗液循環(huán)過程中回路未全部開放，單側(cè)擠壓巖屑，與孔壁形成吸附，造成卡鉆[13-15]。

針對以上情況，項目組立即做出回應，檢查繃繩、設備、卷揚鋼絲繩，不能轉(zhuǎn)車，進行強力提拔，上下活動解卡提鉆，經(jīng)過3 h強力竄動，鉆桿正常提升。由于停待時間長，竄動過程中巖屑進入鉆具，水路堵塞，鉆桿內(nèi)灌滿泥漿，為避免抽塌孔壁，必須緩慢提鉆，并進行回灌，經(jīng)過32 h鉆具提出孔口，事故解除。

圖10鉆孔傾斜剖面圖
Fig.10Profile of the inclined boreholes

深孔鉆遇此類事故，切記不能盲目轉(zhuǎn)車，以免操作不當扭斷鉆桿，形成二次事故。

4 成效

通過科學的預防機制，精細的標準管理以及有效的后勤保障等措施，本科學鉆探項目施工提前4個月完工(參見圖11)。經(jīng)過同該地區(qū)以往施工2000 m以深鉆孔資料比較(見表3～5)，施工效率明顯提高。

圖11 ZK3401孔施工進度圖Fig.11 Progress map of ZK3401 hole drilling

表4 水旺莊ZK3401鉆孔(孔徑98 mm)施工進度Table 4 Shuiwangzhuang ZK3401 drilling (diameter 98mm) drilling schedule

表5 水旺莊ZK3401鉆孔總體施工進度Table 5 Overall drilling schedule of Shuiwangzhuang ZK3401 borehole

5 結(jié)語

“山東省招遠市水旺莊-李家莊大型金礦床深部及外圍金礦調(diào)查評價”項目經(jīng)專家評定野外驗收得分93分，為優(yōu)秀級?！八f3000 m科鉆項目進度管控及優(yōu)化”課題被山東省勘察設計協(xié)會地礦專業(yè)委員會評為2019年度山東省地礦局優(yōu)秀QC成果二等獎。

施工全過程通過標準化管理、預案制定，未發(fā)生責任性生產(chǎn)事故以及安全事故，孔內(nèi)事故得到有效應對，全孔事故處理時間控制在40 d內(nèi)，處理效果良好，實現(xiàn)了高效、高質(zhì)量施工，在小口徑繩索取心巖金鉆探中同口徑、同孔深全國效率第一，積累了深部鉆孔的施工經(jīng)驗，達到了預期的科研目的及經(jīng)濟效益。

通過本項目，首次將招平斷裂的勘查深度推進至3000 m以深，對招平斷裂3000 m深處的構造蝕變情況進行了調(diào)查，證明招平斷裂在3000 m深度仍賦存金礦體，為區(qū)域上深部找礦提供了可借鑒的地質(zhì)依據(jù)。