復(fù)雜地層深部找礦鉆探技術(shù)研究

汲廣帥

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第七地質(zhì)大隊(duì)，山東 臨沂 276002）

復(fù)雜地層中進(jìn)行深部巖心鉆探與淺一中深部的巖心鉆探工程的區(qū)別很大。應(yīng)對(duì)復(fù)雜深部鉆探的關(guān)鍵技術(shù)是選擇配套的鉆探設(shè)備，采用合理的孔身結(jié)構(gòu)、適合地層的泥漿沖洗液、規(guī)范的鉆探操作方法、孔內(nèi)復(fù)雜情況正確處理措施。這些技術(shù)措施可以最大限度地降低孔內(nèi)復(fù)雜情況對(duì)鉆探施工的影響，優(yōu)質(zhì)高效地完成鉆探施工[1]。

1 國(guó)內(nèi)深部鉆探技術(shù)現(xiàn)狀

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)資源需求日益加大，礦產(chǎn)資源的開發(fā)強(qiáng)度亦逐年加大，一大批經(jīng)多年開采的老礦山面臨著淺部資源枯竭，地質(zhì)勘探工作不斷向深部推進(jìn)，深部鉆探需求呈上升趨勢(shì)，同時(shí)鉆探工作量逐年增加，國(guó)內(nèi)主要地勘單位近年來完成固體礦產(chǎn)巖心鉆探工作總量見表1所示。

目前國(guó)內(nèi)鉆探生產(chǎn)深部施工鉆機(jī)仍然以國(guó)產(chǎn)液壓立軸式鉆機(jī)為主。泥漿循環(huán)系統(tǒng)通常配BW250/BW300三缸往復(fù)泵，一般不配備固控系統(tǒng)設(shè)備。用于深部鉆探的主流鉆機(jī)型號(hào)為上世紀(jì)八十年代開始普及，之后不斷升級(jí)改進(jìn)的XY系列鉆機(jī)，如：XY-4, XY-5, XY-6, XY-8等（圖1）。立軸鉆機(jī)外形大同小異，具結(jié)構(gòu)緊湊、布局合理、維修方便，操作安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。但是，該類型鉆機(jī)立軸行程短，一般只有0. 5-1. 0m，正常鉆進(jìn)一個(gè)回次中要倒桿4-5次，易造成巖心斷裂，增加巖心堵塞、磨耗機(jī)率，巖心采取質(zhì)量必然有所降低，鉆進(jìn)效率亦很難提高，在復(fù)雜地層深部鉆進(jìn)中影響尤為明顯[2]。

2 復(fù)雜地層深部找礦鉆探技術(shù)

2.1 繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)

繩索取心鉆進(jìn)是指在取心鉆進(jìn)過程中，當(dāng)巖心充滿巖心管時(shí)，不需提起鉆桿柱，而是以鉆桿柱內(nèi)通孔為通道，采用繩索和專用打撈工具，把鉆進(jìn)過程中貯存在內(nèi)巖心管內(nèi)的巖心提升到地面的取心鉆進(jìn)方法。由于繩索取心方法不需要將鉆桿柱提升到地面，所以極大地減少了起下鉆時(shí)間。在常規(guī)提鉆金剛石巖心鉆進(jìn)過程中，升降鉆具工序約占全部生產(chǎn)時(shí)間的30%~40%，隨鉆孔加深起下鉆輔助比例增加，而且機(jī)械化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。為了增加純鉆進(jìn)時(shí)間，提高鉆進(jìn)效率，深部巖心鉆探多采用繩索取心鉆進(jìn)。繩索取心鉆進(jìn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：鉆進(jìn)效率高、巖心采取率高、鉆頭壽命長(zhǎng)、安全性高、勞動(dòng)強(qiáng)度低和鉆探成本低等優(yōu)點(diǎn)。本礦區(qū)鉆孔深度多超過800m，所以都采用繩索取心鉆進(jìn)方法。

鉆探工程施工前期，密切注意所選用的鉆頭的使用情況，尤其注意鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效和壽命。然后根據(jù)使用情況進(jìn)行分析總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行鉆頭類型優(yōu)選，調(diào)整原設(shè)計(jì)采用的鉆頭。經(jīng)該礦區(qū)長(zhǎng)期鉆頭使用情況，最終優(yōu)選出較好滿足該礦區(qū)地層條件的鉆頭，針對(duì)不同地層的特點(diǎn)選用不同類型的鉆頭。繩索取心鉆具配孕鑲或表鑲金剛石擴(kuò)孔器+孕鑲金剛石鉆頭，使用過程中，重點(diǎn)要注意金剛石擴(kuò)孔器的使用與施工孔段的孔徑一致，每次更換金剛石鉆頭時(shí)都必須檢查擴(kuò)孔器外徑是否磨損，一旦出現(xiàn)磨損情況應(yīng)立即更換擴(kuò)孔器。

2.2 地層壓力預(yù)測(cè)技術(shù)

2.2.1 地層壓力分析

地層壓力即地應(yīng)力可理解為地下某深度處的巖石受到的周圍巖體對(duì)它的擠壓力而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，地層壓力變化是導(dǎo)致孔內(nèi)情況復(fù)雜化的關(guān)鍵因素。形成地應(yīng)力的因素極為復(fù)雜，它是隨時(shí)間和空間變化的。主要產(chǎn)生原因?yàn)椋荷细矌r體的自重、板塊邊界的擠壓、地R熱對(duì)流、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入、地溫梯度的不均勻性和地下水的壓力梯度等。

對(duì)于鉆探工程，所涉及的地應(yīng)力研究屬于局部性的地應(yīng)力，其應(yīng)力來源可歸結(jié)為巖體的自重和地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力，主要以兩種形式存在于巖石中：一部分是彈性能形式，二是在地層中處于自我平衡以凍結(jié)形式保存。

2.2.2 地層壓力預(yù)測(cè)

預(yù)測(cè)地層結(jié)構(gòu)和地層壓力分部情況有助于采用合適的鉆探工藝和泥漿工藝以有效維持孔內(nèi)壓力平衡，提高鉆探作業(yè)效率并防范孔壁坍塌等鉆孔事故發(fā)生。多年來，地層壓力預(yù)測(cè)在石油鉆探行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，而在小口徑巖心勘探領(lǐng)域，由于泥漿泵性能及巖心鉆探操作規(guī)程等原因，一直沒有得到普遍使用地層壓力即地應(yīng)力可理解為地下某深度處的巖石受到的周圍巖體對(duì)它的擠壓力而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，地層壓力變化是導(dǎo)致孔內(nèi)情況復(fù)雜化的關(guān)鍵因素。形成地應(yīng)力的因素極為復(fù)雜，它是隨時(shí)間和空間變化的。

地層壓力預(yù)測(cè)由鉆前預(yù)測(cè)、隨鉆預(yù)測(cè)和鉆后預(yù)測(cè)。巖心鉆探壓力預(yù)測(cè)與石油鉆井相比較更為復(fù)雜，鉆前預(yù)測(cè)只能參考臨井資料，石油鉆進(jìn)的Dc指數(shù)法、巖石強(qiáng)度法等在巖心鉆探中無法采用;鉆后預(yù)測(cè)主要是通過測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，在巖心鉆探中無法實(shí)施。所以巖心鉆探壓力預(yù)測(cè)主要是隨鉆預(yù)測(cè)。根據(jù)鉆探施工實(shí)踐，在有條件的時(shí)候，可進(jìn)行破裂壓力試驗(yàn)進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)，包括：漏失試驗(yàn)法和密度變化法。

2.3 深部復(fù)雜地層泥漿技術(shù)

2.3.1 泥漿制備

泥漿配制工藝按照分散、增稠、增粘的順序，膨潤(rùn)土、Pac R和Pac L必須預(yù)水解處理另外存放備用。預(yù)水解時(shí)間：膨潤(rùn)土>3}-5h,PAC類材料預(yù)水解時(shí)間>8h0加料使用固定的計(jì)量器具，加量必須準(zhǔn)確執(zhí)行泥漿設(shè)計(jì)方案。

泥漿配制應(yīng)專人負(fù)責(zé)。新泥漿攪拌順序：水一純堿，氯化鉀攪拌lOmin一PACR攪拌20 ^-30min（視氣溫、水溫而定）一預(yù)水解的膨潤(rùn)土（需要時(shí)加入）一緩慢加入CR650或者Quick Trol（視需要加入）一測(cè)量泥漿性能一根據(jù)泥漿測(cè)定結(jié)果微調(diào)泥漿性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)一放入泥漿池備用。

2.3.2 泥漿維護(hù)

定時(shí)測(cè)量并紀(jì)錄泥漿性能，孔深超過1000m后，每h紀(jì)錄一次泥漿的密度和粘度（入口和出口），每班紀(jì)錄一次失水量、泥餅質(zhì)量和含砂量。失水泥餅應(yīng)保留備查。孔內(nèi)返回的泥漿應(yīng)排入沉淀池，根據(jù)性能測(cè)定經(jīng)固控處理后，達(dá)到設(shè)計(jì)泥漿指標(biāo)的才能排入泥漿池重新使用。達(dá)不到性能指標(biāo)的泥漿泵入攪拌桶重新調(diào)配后使用。

2.3.3 泥漿操作

鉆進(jìn)中遇阻、扭矩急劇升高或扭矩表指針跳動(dòng)大、鉆機(jī)負(fù)荷突然增大等非正常情況發(fā)生時(shí)加密測(cè)量泥漿性能。當(dāng)班班長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)因泥漿性能不適而引起的非正常現(xiàn)象，首先將鉆頭起至安全位置，保持循環(huán)，及時(shí)報(bào)告上級(jí)，得到指令后按照指令決定進(jìn)行泥漿性能的調(diào)整。如果非正常現(xiàn)象情況緊急，當(dāng)班班長(zhǎng)可自行決定先起鉆，然后匯報(bào)。鉆進(jìn)中隨時(shí)觀察地層變化情況，如果認(rèn)為需要采取預(yù)防性調(diào)整泥漿時(shí)，應(yīng)立即報(bào)告情況，并按決定盡快進(jìn)行處理。

2.3.4 鉆進(jìn)過程泥漿監(jiān)測(cè)

在世界很多地方，礦產(chǎn)勘探繩索取心的鉆孔深度已經(jīng)超過了4000m。深部和超深部鉆探情況下，鉆井液的選配和控制尤其需要得到重視。在南非，超深部鉆探配置鉆井液經(jīng)常用的一個(gè)方法就是在水基鉆井液中添加化學(xué)配方，以調(diào)整流變性、失水性、酸堿可控性等，同時(shí)有效應(yīng)對(duì)一些復(fù)雜的問題，如：循環(huán)斷流、坍塌、縮徑等。對(duì)于膨脹性地層引起的縮頸問題，可以在鉆井液中添加膨脹抑制劑進(jìn)行解決。

3 結(jié)語

與世界先進(jìn)的鉆探技術(shù)相比，目前我國(guó)地質(zhì)勘探巖心鉆探工程的總體裝備水平和技術(shù)水平還比較落后，在復(fù)雜地層深部金剛石繩索取心鉆探領(lǐng)域，國(guó)外最新的技術(shù)裝備和工藝手段在國(guó)內(nèi)還沒有得到充分的吸收和推廣應(yīng)用。