青海大柴旦細晶溝金礦復雜地層鉆探施工技術(shù)

莫玉桂

(四川省冶金地質(zhì)勘查局成都地質(zhì)調(diào)查所，成都 610203)

1 工程概況

本次鉆探工程位于青海省海西州大柴旦鎮(zhèn)北西80 km的灘間山金礦細晶溝礦區(qū)，屬銀泰黃金集團下屬的青海大柴旦礦業(yè)有限公司勘探項目。我單位承擔本年度該區(qū)域鉆探任務(wù)，鉆孔54個，設(shè)計鉆孔傾角20°～75°，孔深100～500 m，工期為4.5個月，設(shè)計總進尺15 451 m。礦區(qū)地處海西州大柴旦鎮(zhèn)西北部戈壁灘內(nèi)，大柴旦鎮(zhèn)至礦山作業(yè)區(qū)有公路相通，高速公路約65 km，礦山簡易道路約15 km，交通便利，礦山上由駐地至各機臺均有簡易便道連通，值班皮卡車可達到項目上運輸?shù)幕疽?。嗷嘮河穿過礦區(qū)，施工用水采用罐車運輸，基本滿足要求。施工海拔3300～3400 m，全年少雨，幾乎無植被。九月下旬開始氣候寒冷，晝夜溫差較大，最低溫度達到-12℃，為施工進度帶來了較嚴重的影響，對施工人員身體素質(zhì)是極大的考驗。

2 地質(zhì)概況

本區(qū)地處柴達木盆地北緣，根據(jù)青海省三輪區(qū)劃成果資料，工作區(qū)大地構(gòu)造位置隸屬秦祁昆晚加里東造山系東昆侖造山帶賽什騰山—阿爾茨托山造山亞帶，北接歐龍布魯克—烏蘭元古宙古陸塊體，南鄰柴達木晚中生代—新生代斷坳盆地。地層主體為奧陶—志留紀地層，元古代次之，山體邊緣、山間凹地及溝谷地帶為新生代第三系、第四系陸相沉積，區(qū)域構(gòu)造線呈北西西向，巖漿活動頻繁，超基性—酸性侵入巖均有出露。

礦區(qū)鉆遇巖石主要是石英閃長玢巖與碳質(zhì)千枚巖。石英閃長玢巖風化蝕變較強，巖石可鉆性Ⅴ～Ⅵ級為主，巖石結(jié)構(gòu)類型以塊狀結(jié)構(gòu)、碎裂為主。碳質(zhì)千枚巖蝕變較強層理破壞嚴重，巖石可鉆性Ⅲ～Ⅳ級為主，遇水易泥化、軟化，工程地質(zhì)性質(zhì)不好，變形量大，對鉆探施工影響較為嚴重。

3 設(shè)備與管材選用

鑒于礦區(qū)交通較為便利，但地質(zhì)條件復雜，且設(shè)計終孔孔徑≥89 mm(小角度鉆孔除外，特殊情況可協(xié)商≥75 mm)。結(jié)合實際情況和設(shè)計要求，選用了3臺套阿特拉斯科普柯C6C全液壓動力頭鉆機與1臺套英格爾EP600Plus全液壓便攜式鉆機作為該項目的施工設(shè)備。為了防止施工過程中發(fā)生不可預料的情況影響工期，還備有1臺套阿特拉斯科普柯C6C全液壓動力頭鉆機與1臺套滿地寶MP1000全液壓便攜式鉆機，設(shè)備性能參數(shù)見表1。

表1 使用設(shè)備性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of equipment used

其中給C6C全液壓動力頭鉆機配備無錫中地的Q系列繩索取心鉆具，分別為PQ(114 mm)、HQ(89 mm)，以PW(140 mm做開孔套管)，另配NQ(71 mm)備用。便攜式鉆機配備無錫中地的T系列繩索取心鉆具，分別是HTW(91 mm)、NTW(73 mm)，另配BTW(56 mm)備用。

4 施工中出現(xiàn)的問題

(1)部分鉆孔處于松散的剝落堆積層上，開孔階段存在垮塌、掉塊、漏失，部分出現(xiàn)成孔困難。

(2)上部采用PQ(114 mm)鉆具施工時，鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象突出，尤其是地表附近兩根鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢嚴重，影響正常的內(nèi)管打撈取心。

(3)因地層較復雜的斷裂構(gòu)造、軟硬互層較多，部分孔段鉆頭磨損嚴重，幾乎達到每班消耗一個鉆頭，使用壽命不足20 m。

(4)下部主要為蝕變嚴重的水敏性千枚巖地層，吸水后孔壁易失穩(wěn)分散剝落導致埋鉆，嚴重的膨脹誘發(fā)包鉆事故，終孔后部分鉆孔套管起拔困難[1]。在施工過程中，由于鉆遇水敏性的千枚巖地層過多過厚，導致后期進尺效率不高、耗時過久，泥漿性能失效后誘發(fā)包鉆事故[2]。鉆進中時有出現(xiàn)提鉆打撈后下不到原孔深，掃孔泵壓高、憋車甚至“開不動車”現(xiàn)象。因泥漿性能不達標，第一批次施工的四個鉆孔有三個鉆孔發(fā)生包鉆事故。其中ZK1201在達到設(shè)計進深335 m時發(fā)生包鉆，終孔后經(jīng)處理效果不理想，最終割管；ZK2301在礦層底部300 m處發(fā)生包鉆，處理成功后再進尺不足一個整班的時間再次包死在井底306 m處，因已穿過礦層底板，協(xié)議終孔后采取割管；ZK302在進入礦層后鉆進至310 m發(fā)生包鉆，經(jīng)處理成功后施工至339 m達到技術(shù)要求終孔。該年度本礦區(qū)施工中遇到困難最多的是ZK2301的前排鉆孔ZK2302，該孔鉆遇的強水敏性地層多且厚，多次誘發(fā)包鉆，因包死井底割管后移孔重開三次，四十天無進尺，嚴重影響了工程進度，部分巖心如圖1。

圖1 ZK2302鉆孔巖心Fig.1 Cores from phyllite strata

5 鉆進工藝及施工措施

5.1 問題分析總結(jié)及解決方法

5.1.1 結(jié)垢現(xiàn)象分析及解決措施

因采用的PQ鉆具取心管內(nèi)徑較大，巖心易進入，在鉆進中上部破碎地層時進尺較快，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的巖粉多，使泥漿中的固相含量急劇升高，在高轉(zhuǎn)速的離心作用下使鉆桿內(nèi)壁產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象[3]。

針對此類現(xiàn)象，決定在鉆進中盡量選擇低固相或者超低固相泥漿，配置泥漿時選用分散性好的材料并充分浸泡、攪拌[4]。在采用PQ鉆具鉆進時，使用大的泵量，并及時對泥漿進行維護，保證較低的固相含量。

5.1.2 水敏性地層施工難點分析

該礦區(qū)水敏性千枚巖地層的鉆遇頻率較高，對泥漿性能的要求高，在施工中一旦泥漿性能與地層不匹配極易誘發(fā)事故。當鉆遇大段連續(xù)復雜的水敏性地層時，傳統(tǒng)的降濾失抑制性泥漿有其局限性，不能很好且較長時間地抑制地層水化，導致孔壁失穩(wěn)，誘發(fā)埋鉆、包鉆事故，處理事故過程中又易引發(fā)連環(huán)事故，嚴重影響施工效率[5]。

該礦區(qū)鉆遇的碳質(zhì)千枚巖大多蝕變強，多呈塑性，為較強的水敏性地層，也是鉆探施工中的一大難題。項目開工前，施工人員、材料等方面的準備不夠充分，對施工中的困難和問題準備不足，出現(xiàn)問題后反應(yīng)不夠迅速、有效。對復雜地層的施工不夠重視，存在一定的僥幸心理，沒有意識到發(fā)生事故后的嚴重性；生產(chǎn)過程中有時盲目追求進尺，出現(xiàn)事故征兆后未能及時有效地采取相應(yīng)措施，錯過了最佳處理時機；處理事故時存在急躁盲目的情況，導致走入“死胡同”，嚴重影響了施工效率。

針對該礦區(qū)的地層情況，需要解決的主要問題有地層的水化失穩(wěn)、鉆頭的過快磨損與施工管理中的職責落實。

5.2 泥漿體系的選擇

5.2.1 孔壁穩(wěn)定的對策

配用合理的泥漿體系，抑制地層的水化或水化效果，保持孔壁力學穩(wěn)定，合理的泥漿密度可以平衡地層的坍塌或者破裂壓力，防止孔壁坍塌與變形。主要措施包括：①合理利用泥漿的泥皮護壁特性，控制泥皮的厚度；②保持合理的黏度，降低濾失量，尤其是水敏地層；③根據(jù)地層特點，降低起下鉆速度，起下鉆具平穩(wěn)，避免抽汲壓力引起孔壁失穩(wěn)[6]；④及時沖刷或掃除縮徑孔段變形部分，使孔徑不小于鉆頭直徑，可以有效地防止鉆孔縮徑卡鉆；⑤鉆頭在孔內(nèi)工作時間不宜過長，最多不超過2 h(具體時間根據(jù)膨脹孔段的膨脹速率調(diào)整)；⑥鉆進軟、極軟地層(泥巖等)時，應(yīng)根據(jù)鉆孔口徑與環(huán)空返速來控制轉(zhuǎn)速，起鉆過程中及時回灌泥漿。

5.2.2 泥漿體系的確定

經(jīng)多方考察研究后，我們決定推廣使用特效降濾失防塌防縮泥漿，經(jīng)過初步試驗該體系有較低的濾失量，能很好地降低強水敏性千枚巖地層的水化，同時有很好的膠粘作用強化穩(wěn)定孔壁，且其配料多是濃縮材料，能保持泥漿體系相對較低的密度和黏度，有效改善鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢情況，保持較好的鉆進效率[7]。

特效降濾失防塌防縮泥漿材料及其作用如下：①特效A劑，濾失低、流變性好，良好的抑制性防縮徑效果突出，②特效B劑，良好的強膠結(jié)作用，能較快的在孔壁上形成封堵，低的濾失量能有效地抑制地層的水化，良好的防塌性保持孔壁的穩(wěn)定；③特效潤滑液，水溶性好的潤滑液與表面活性劑的混合物，具有較高的潤滑減阻性能，提高鉆進效率[8]。

5.3 泥漿體系的應(yīng)用

參考配方：1.0 m3水+10 kg鈉土+4 kg特效劑A+4 kg特效劑B+500 g特效潤滑液。現(xiàn)場施工時根據(jù)巖心情況適當微調(diào)特效劑A與B的加量，當巖心呈塑性的條柱狀不易掰斷、手按留印增加A劑減少B劑；當巖心易斷、易裂，指尖搓動呈渣則增加B劑減少A劑。

在配置好的鈉土基漿中視地層情況加入特效A、B劑，中速(300～500 r/min)攪拌10 min，再加入特效潤滑液繼續(xù)攪拌5 min，pH 8～9。泥漿性能：密度1.01～1.03 g/cm3，漏斗黏度30～40 s，濾失量4～8 mL/30 min，潤滑系數(shù)0.15。

在移孔重開的ZK2302中，上部采用低固相分散系泥漿，鉆遇水敏性千枚巖地層后選用特效降濾失防塌防縮泥漿。專人負責泥漿性能測試、添料、更換，在鉆進中泵壓或井底負荷異常時立即提升鉆具掃孔，恢復正常后再繼續(xù)鉆進。順利穿過含礦層后于475 m終孔，歷時17 d。

特效降濾失防塌防縮泥漿在本礦區(qū)鉆孔的應(yīng)用中護壁效果顯著，孔壁穩(wěn)定性好，能很好地防塌防縮，包鉆、埋鉆事故明顯減少；流變性好，鉆進效率較高；巖心采取率高，取心質(zhì)量好，鉆取的巖心見圖2。

圖2 更換泥漿后所得千枚巖地層巖心Fig.2 Cores of phyllite stratum after mud replacement

5.4 操作規(guī)程

統(tǒng)一思想認識，專人帶頭攻堅，各崗位盡職履責，特別是當班班長，掃孔要及時、有耐心。施工中控制起下鉆速度，勤掃孔劃眼，打撈提升時要慢，提升到位后再停泵關(guān)水。下入套管時應(yīng)在外壁干燥后均勻涂抹上一層薄的潤滑油并做好井口的密封，一旦松動應(yīng)及時處理。要注意設(shè)備的維修保養(yǎng)，保證其正常運轉(zhuǎn)，特別是在復雜地層中不能因設(shè)備故障引發(fā)生產(chǎn)事故。如遇故障需停機維修時，應(yīng)盡快掃孔將鉆具提升至安全孔段。

5.5 鉆孔結(jié)構(gòu)

施工中以礦區(qū)的地質(zhì)特點為前提，結(jié)合設(shè)備的性能和設(shè)計孔深，合理選擇換徑深度。原則上應(yīng)穿過復雜易掉塊、坍塌、縮徑等地層后再進行換徑，但部分鉆孔由于地質(zhì)條件過于復雜出現(xiàn)嚴重孔內(nèi)事故，或根據(jù)孔壁穩(wěn)定性情況，提前或者延后下入套管。

5.5.1 全液壓動力頭鉆機施工鉆孔結(jié)構(gòu)

一開。0～20 m，采用PW(直徑140 mm)開孔，隔開覆蓋層后換上套管鞋下入PW套管。

二開。20～180 m，采用PQ(直徑114 mm)鉆具穿過破碎層，鉆進至完整基巖后換上套管鞋坐管。

三開。180～450 m，采用HQ(直徑89 mm)鉆具繼續(xù)鉆進，根據(jù)地層情況使用特效降濾失防塌防縮泥漿，保證孔壁穩(wěn)定，保障生產(chǎn)順利進行，礦區(qū)大部分鉆孔均在三開終孔。

四開。450 m以深、復雜地層或特殊鉆孔，可在三開后不下套管，換NQ(直徑71 mm)鉆具鉆進至終孔。

5.5.2 全液壓便攜式鉆機施工鉆孔結(jié)構(gòu)

一開。0～10 m，采用PQ開孔，隔開覆蓋層后換上套管鞋下入PQ套管。

二開。10～50 m，采用HTW(直徑91 mm)薄壁鉆具穿過破碎層，鉆進至完整基巖后換上套管鞋坐管。

三開。50～350 m，采用NTW(直徑73 mm)薄壁鉆具成孔。

5.6 鉆頭的工藝要求

項目施工過程中，所遇到的地層復雜多變，對于鉆頭的選擇以及鉆頭的水口、內(nèi)外徑等結(jié)合現(xiàn)場情況采取了相應(yīng)的處理措施。

(1)鉆頭選擇。選取合理的鉆頭級配，對第四系覆蓋層、千枚巖地層，可鉆級別較低，選用HRC 35～40、粒度40～50目的金剛石孕鑲鉆頭；中部的地層選用HRC25～35、粒度50～60目的金剛石孕鑲鉆頭[9]。

(2)鉆頭工作層、水口處理。因礦區(qū)地層均較為破碎，鉆進中產(chǎn)生大量巖屑、巖粉，傳統(tǒng)工藝采用的5 mm水口間距極易造成排粉不暢從而加劇鉆頭的磨損，針對這一特殊情況采用水口間距為6 mm、工作層為14 mm的金剛石鉆頭，在中上部破碎地層施工時采用尖齒狀鉆頭，下部千枚巖地層一般采用環(huán)形齒狀鉆頭[10-11]。

(3)鉆頭內(nèi)外徑的處理。該礦區(qū)地層蝕變嚴重，鉆進中孔壁易吸水變形，造成環(huán)狀間隙減小，泵壓升高，從而地層失穩(wěn)引發(fā)坍塌，產(chǎn)生大量巖粉對鉆頭的內(nèi)外徑超磨、前期造成了很多鉆頭的損壞。在多次研究后，將鉆頭的外徑加大2 mm,內(nèi)外徑加入熱壓硬質(zhì)合金片來保徑，以提高鉆頭的使用壽命，控制成本[12]。

5.7 鉆進參數(shù)

在鉆進過程中，如何保持鉆頭的金剛石顆粒的不斷磨出，選擇正確的鉆進參數(shù)很重要。首先要正確掌握鉆機的轉(zhuǎn)速、鉆壓及鉆進速度三者的關(guān)系。全液壓鉆機鉆進時，在初始泵壓力、鉆機轉(zhuǎn)速一定的情況下，進尺速度很快；當遇到地層變硬時鉆頭變鈍，進尺速度慢，實際鉆壓增大。在較硬地層鉆進時鉆壓過小或過大對鉆頭的傷害都較大，此時應(yīng)根據(jù)地層控制適當?shù)霓D(zhuǎn)速和鉆壓，保持與進尺速度同步。在打滑或較強的研磨性地層鉆進中，水量需要適當減小，使巖屑對鉆頭的工作層起到磨削的作用；而在破碎地層鉆進時產(chǎn)生大量巖屑、巖粉，為避免過度磨損鉆頭應(yīng)適當加大水量、控制鉆速。

施工中所采用的鉆井方法與參數(shù)如下所示：①以金剛石繩索取心鉆進為主，金剛石、合金普通鉆進為輔；②較為完整地層轉(zhuǎn)速700～1000 r/min，鉆壓17～20 MPa；③破碎帶轉(zhuǎn)速控制300～400 r/min，鉆壓10～13 MPa；④蝕變強烈的水敏性地層轉(zhuǎn)速350～500 r/min，鉆壓13～18 MPa；⑤泵量根據(jù)進尺速度與地層破碎情況而定(巖粉、巖屑較多時適當加大泵量)，一般保持50～60 L/min，取得相應(yīng)地層最佳的鉆進效率和經(jīng)濟效率。

6 施工成果

在青海大柴旦細晶溝金礦鉆探施工中，經(jīng)過前期的摸索、學習，選用的工藝合理、措施得當，特別是利用特效降濾失防塌防縮泥漿來應(yīng)對水敏性的千枚巖地層，取得了較好的效果，獲得了較高的施工效率。最終在工期的截至日期前順利完成礦區(qū)的全部任務(wù)，總共完成鉆孔54個，累計進尺15 481 m，巖心采取率90%以上，產(chǎn)生了良好的社會效益。

7 結(jié)語

通過本次在青海大柴旦細晶溝礦區(qū)的施工，我們收獲了一些經(jīng)驗及淺見：①工程項目施工前要多收集礦區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)等資料，了解礦區(qū)地層特征；②根據(jù)實際施工中鉆遇的地層情況，正確選用設(shè)備、機具、材料及泥漿體系，優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)，合理配置，提高生產(chǎn)效率；③對于水敏性的千枚巖地層，利用泥漿體系的降濾失防塌防縮性能，保持地層與孔壁的穩(wěn)定，有利于施工的順利推進；④一線管理者及生產(chǎn)人員的專業(yè)素養(yǎng)與施工經(jīng)驗的積累對工程的質(zhì)量、進度有重要的影響，加強員工的職業(yè)技能培訓，施工中注重細節(jié)，處理事故不盲目，便于后續(xù)施工；⑤對于新材料、新工藝、新技術(shù)要建立長期有效的學習、推廣機制。